Il corso si prefigge di fornire le conoscenze di base e gli strumenti metodologici per l'analisi e la progettazione delle reti radiomobili. Saranno affrontate le principali caratteristiche del canale radio e i fenomeni di propagazione e fading, nonché l'evoluzione delle architetture, delle tecnologie e dei protocolli delle reti mobili dalle generazioni 2G al 5G.

Particolare attenzione sarà dedicata alle problematiche di gestione della mobilità, di allocazione delle risorse radio e di valutazione delle prestazioni dei sistemi radiomobili, fornendo gli strumenti necessari alla comprensione delle principali soluzioni tecnologiche adottate nelle moderne reti cellulari. La pianificazione e il dimensionamento delle reti saranno affrontati sia dal punto di vista della copertura radioelettrica, attraverso lo studio dei fenomeni di propagazione, sia dal punto di vista della capacità e del traffico, mediante l'impiego di modelli di traffico e di strumenti di teoria delle code per la valutazione delle prestazioni e del dimensionamento delle risorse di rete.

Le conoscenze teoriche saranno integrate da esperienze di laboratorio, finalizzate all'analisi e alla simulazione di scenari di trasmissione cellulare, alla valutazione dei modelli di propagazione e dei canali affetti da fading e all'implementazione di algoritmi per la copertura cellulare, il controllo di potenza e l'allocazione delle risorse radio. Saranno inoltre effettuate attività sperimentali su reti GSM, UMTS e LTE, attraverso misure di copertura e analisi delle principali procedure di rete, nonché attività di emulazione e analisi di una rete LTE, con particolare riferimento alla segnalazione, all'allocazione delle risorse radio, alle procedure di handover e alle comunicazioni VoLTE.

1. Conoscenza e capacità di comprensione

• Al termine del corso, lo studente sarà in grado di comprendere i principi fondamentali delle comunicazioni wireless e delle reti radiomobili, le caratteristiche del canale radio e i principali fenomeni di propagazione e fading, nonché le architetture, le tecnologie e i protocolli dei sistemi cellulari dalle generazioni 2G al 5G.
• Acquisirà inoltre conoscenze relative ai principi di pianificazione e dimensionamento delle reti radiomobili, sia in relazione agli aspetti di copertura e propagazione radio, sia in relazione alla capacità e al traffico, attraverso l'impiego di modelli di traffico e di teoria delle code.
• Sarà inoltre in grado di comprendere i principali meccanismi di gestione delle risorse radio, della mobilità e della sicurezza e le metodologie per l'analisi e la valutazione delle prestazioni delle reti mobili.

2. Capacità di applicare conoscenza e comprensione

L'insegnamento si propone di dotare gli studenti delle capacità:

• di analizzare i fenomeni di propagazione e fading nei sistemi radiomobili e di applicare tali conoscenze alla progettazione di collegamenti wireless;
• di effettuare la pianificazione e il dimensionamento di una rete mobile, considerando congiuntamente gli aspetti di copertura radioelettrica e di capacità, mediante l'applicazione di modelli di traffico e di teoria delle code, e di valutarne le prestazioni in termini di capacità, probabilità di blocco e qualità del servizio;
• di analizzare e valutare le soluzioni e i protocolli adottati nei sistemi radiomobili in relazione a differenti scenari applicativi.

3. Autonomia di giudizio

Nell'ambito degli argomenti trattati, lo studente sarà in grado di effettuare autonomamente le opportune scelte progettuali sulla base delle specifiche richieste, nonché di valutare e interpretare criticamente i risultati e i dati ottenuti nell'ambito delle attività sperimentali e di laboratorio.

4. Abilità comunicativa

Lo studente acquisirà la capacità di comunicare razionalmente le conoscenze relative alle reti cellulari mobili, utilizzando con padronanza il lessico specializzato del settore e discutere le scelte progettuali e i risultati delle analisi effettuate.

5. Capacità di apprendimento

Lo studente sarà in grado di consultare autonomamente standard, documentazione tecnica e letteratura scientifica del settore, al fine di aggiornare le proprie conoscenze rispetto alla rapida evoluzione delle tecnologie radiomobili e di approfondire tematiche di particolare complessità.

Il corso si svolge prevalentemente attraverso lezioni frontali eseguite sia alla lavagna che con l'ausilio di personal computer tramite cui possono essere proiettate slide (49 ore).

Sono previste anche esercitazioni (15 ore) in cui gli studenti vengono spesso invitati a svolgere sotto la guida del docente le esercitazioni proposte, al fine di stimolare l'attenzione collettiva ed consentire una valutazione 'a campione' dei risultati di apprendimento.

Inoltre, sono previste 15 ore di attività in laboratorio per favorire la comprensione degli argomenti trattati.

Conoscenze indispensabili:

• Tecniche di multiplazione: TDM, FDM e OFDM
• Commutazione di circuito e di Pacchetto
• Concetto di architettura protocollare: User Plane e Control Plane
• Modulazione multi-layer;
• Relazione tra BER e SNR;
• Figura di rumore;
• Scala logaritmica e decibel;
• Principi di codifica di sorgente e di canale.

Conoscenze importanti:

• Teoria del traffico
• Teoria delle code: sistema M/M/n/n
• Formula B-Erlang
• Trama PCM
• Sistema di segnalazione SS7

Conoscenze utili:

• Uso dell’ambiente Matlab
• Link budget

Non obbligatoria. 

La frequenza è comunque fortemente consigliata in quanto lo svolgimento delle esercitazioni e l'attività laboratoriale favoriscono la comprensione degli argomenti trattati.

Prima parte: principi base sulle reti mobili 

1. Introduzione e concetti base sulle reti mobili.

[Didattica frontale: 4 ora – Esercitazioni e Laboratorio: 0 ore]

Classificazione, motivazione e requisiti delle reti mobili. Evoluzione delle reti e servizi mobili. Architetture delle reti mobili. Condivisione delle risorse radio. La mobilità degli utenti.

2.  Il Canale radio e il dimensionamento della cella.

[Didattica frontale: 5 ora – Esercitazioni e Laboratorio: 4 ore]

Canale radio e modelli di propagazione. Richiami agli schemi di modulazione numerica e codifica di canale. Dimensionamento della cella con considerazioni di copertura radio.

3. Accesso Radio.

[Didattica frontale: 5 ora – Esercitazioni e Laboratorio: 5 ore]

Tecniche di accesso multiplo in canali broadcast: TDM/TDMA, FDM/FDMA, CDM/CDMA. Il Duplexing. Modelli di condivisione delle risorse radio: richiami della teoria del traffico e delle code; applicazione formula B-Erlang; trunking gain.

4. Gestione della mobilità.

[Didattica frontale: 5 ora – Esercitazioni e Laboratorio: 0 ore]

Cell selection e cell reselection. Location Area: updating e dimensioning. Handover: definizione e strategie.

5.  Radio planning: copertura cellulare e capacità di rete.

[Didattica frontale: 5 ora – Esercitazioni e Laboratorio: 6 ore]

Riuso di frequenza. Pianificazione di un sistema cellulare in funzione dei requisiti di SIR e di probabilità di blocco. Tecniche di allocazione statica e dinamica delle frequenze. Analisi della Capacità in sistemi TDMA multicarrier e in sistemi CDMA. Controllo di potenza in Reti CDMA. Principi generali del Call Admission Control.

Seconda parte: dalla seconda alla quinta generazione

6.  GSM

[Didattica frontale: 7 ora – Esercitazioni e Laboratorio: 5 ore]

Architettura ed interfaccia radio. Canali fisici e logici. Cenni alla codifica di sorgente, di canale e interleaving. La segnalazione e i protocolli principali nel GSM. Numeri e identità. Procedure di segnalazione: dall’accesso base alla gestione della mobilità e della sicurezza.

7.  Evoluzione dalla seconda alla terza generazione

[Didattica frontale: 5 ora – Esercitazioni e Laboratorio: 2 ore]

Evoluzione del GSM verso GPRS ed EDGE: architettura di rete e protocolli, confronto con l'architettura GSM, attivazione di un PDP context e instradamento.

Introduzione alla terza generazione: architettura di rete e interfaccia radio UMTS. Cenni alla gestione delle risorse radio, con particolare riferimento al controllo di potenza, e alla gestione della mobilità, con riferimento a macrodiversità e soft handover. Procedure di sicurezza.

8.  LTE e le sue Evoluzioni

[Didattica frontale: 7 ora – Esercitazioni e Laboratorio: 8 ore]

Principali funzionalità e prestazioni offerte dalla tecnologia LTE. Architettura di rete e dei servizi. Interfacce e protocolli. Interfaccia radio LTE. Introduzione al processo di standardizzazione 3GPP e al concetto di Release 3GPP. Evoluzione da LTE a LTE-Advanced e LTE-Advanced Pro.

9. 5G e oltre.

[Didattica frontale: 6 ora – Esercitazioni e Laboratorio: 0 ore]

Introduzione al 5G. Ruolo e relazione tra ITU e 3GPP nel processo di standardizzazione. Scenari d'uso e requisiti del 5G. Architettura di rete e modello QoS. 5G New Radio. 5G RAN e 5G Core. Evoluzione della RAN verso la Cloud-RAN.

Laboratorio . Le esperienze in laboratorio sono parte integrante del corso e saranno svolte presso il Polo Tecnologico del DIEEI con frequenza variabile (a seconda dell'avanzamento del programma). Le tematiche affrontate sono riportate di seguito.

• Implementazione al calcolatore di scenari di trasmissione cellulare indoor e outdoor, modelli di path loss (spazio libero, Okumura-Hata, modelli 3GPP) e canali affetti da fading.
• Implementazione al calcolatore di algoritmi euristici per la risoluzione di problemi di copertura cellulare, controllo di potenza in sistemi CDMA e allocazione delle risorse radio in sistemi LTE.
• Introduzione al software di testing per effettuare misurazioni di parametri di rete per sistemi GSM, UMTS e LTE. Test di copertura in ambienti indoor/outdoor: predisposizione ambiente di test, mappa di copertura, rilevazione dati. Analisi delle procedure di cell attach, cell reselection, location update, chiamate generate e ricevute.
• Introduzione al software e all’hardware disponibili in laboratorio per emulare una rete mobile LTE. Analisi delle prestazioni di rete in servizi streaming e download/upload su FTP server. Analisi dello scambio di messaggi di segnalazione sia lato access network sia lato core network. Resource Block allocation e Modulation and Coding Scheme al variare della distanza e della qualità del canale. Procedure di handover. Valutazione delle chiamate su tecnologia VoLTE. Qualora l'insegnamento venisse impartito in modalità a distanza potranno essere introdotte le necessarie variazioni rispetto alle specifiche attività di laboratorio dichiarate.

Contributo dell’insegnamento agli obiettivi dell’Agenda 2030 per lo Sviluppo Sostenibile

Gli argomenti trattati nel corso e le conoscenze acquisite sono direttamente o indirettamente funzionali allo sviluppo di soluzioni tecnologiche sostenibili, oltre che contribuire ad una formazione di qualità, in accordo con gli obiettivi SDG 4, SDG 9, SDG 11, and SDG 13 dell’Agenda 2030 per lo Sviluppo Sostenibile.

[1] Martin Sauter, “From GSM to LTE‐Advanced Pro and 5G: An Introduction to Mobile Networks and Mobile Broadband”, IV Edition , John Wiley & Sons Ltd, 2021

[2] C. Cox, “An introduction to LTE: LTE LTE-Advanced, SAE, VoLTE and 4G Mobile Communications”, 2° Edizione, Wiley.

[3] Christopher Cox, “An Introduction to 5g: The New Radio, 5g Network and Beyond”, John Wiley & Sons Ltd, 2020

[4] Rajib Taid, “Mobile Communications Systems Development: A Practical Introduction to System Understanding, Implementation, and Deployment”, John Wiley & Sons Ltd, 2021

[5] Lecture slides: slide_1–slide_10, corresponding to Sections 1–9 of the course programme

L'esame per valutare la preparazione complessiva dello studente consta di due prove scritte:

•  La 1° prova (nelle date indicate sul calendario ufficiale degli esami) prevede la risoluzione di esercizi numerici. 
• Gli studenti che superano la 1° prova con una valutazione di almeno 15/30 sono ammessi alla 2° prova (in data concordata con il docente) che prevede domande teoriche a risposta aperta che verranno immediatamente discusse e valutate.

Prove in itinere

È possibile svolgere una prova in itinere non obbligatoria durante l’erogazione dell’insegnamento che verterà sulla prima parte del programma (da 1 a 5) con esercizi numerici e quesiti teorici.  Tale prova in itinere, se superata, permette di accedere direttamente alla 2° prova con un programma ridotto. In particolare:

§  Per coloro che superano la prova in itinere con valutazione A, la 2° prova verterà esclusivamente sulla seconda parte (da 6  a 10) del programma.

§  Per coloro che superano la prova in itinere con valutazione B, la 2° prova comprenderà, oltre alla restante parte del programma, anche un quesito (numerico o teorico) sulle lacune mostrate nello svolgimento della prova in itinere.

La validità della prova in itinere è limitata all’AA in cui la prova stessa è stata sostenuta, e avrà validità di sei mesi dalla fine delle lezioni dell’anno in corso.

• Descrivere i fenomeni di fading del segnale radio e un esempio del suo impatto.
• Come si ottiene la distanza di un utente mobile dalla base station GSM a cui è connesso.
•  Esiste un legame tra il controllo di potenza e il controllo di ammissione nelle reti CDMA?
• Quali sono gli attributi di QoS in sistemi LTE?
• Come avviene la procedura di Location Updating nelle reti GSM? Descrivere l’architettura di rete LTE.
• Descrivere l'interfaccia radio dei sistemi 5G.
• Descrivere il functional split nella RAN 5G

 Un elenco più esteso delle possibili domande e alcuni esempi delle prove scritte si possono trovare su

Studium, nella sezione Documenti dell'insegnamento