1 1 Reti radio mobili cellulari: il sistema GSM IL SISTEMA CELLULARE GSM/DCS 1800 Struttura e...

11 Reti radio mobili cellulari: il sistema GSM

IL SISTEMA CELLULARE GSM/DCS 1800

Struttura e funzioni del Global System for Mobile communications (GSM)

GLOBAL SYSTEM FORMOBILE COMMUNICATIONS


IL SISTEMA GSM/DCS 1800: SOMMARIO

Panoramica degli aspetti trasmissivi

Architettura della rete GSM/DCS• Mobile Station (MS)• Base Transceiver Station (BTS)• Base Station Controller (BSC)• Mobile service Switching Center (MSC)• Operational and Maintenance Center (OMC)

Aspetti del radiocollegamento• bande allocate e canalizzazione• modulazione e accesso• codifica della voce e di canale• modellistica del canale

Aspetti di rete• gestione della risorsa radio (RRM)• gestione della mobilità (MM)• gestione delle comunicazioni (CM)


BREVE STORIA DEL SISTEMA GSM

Inizio anni ‘80: diversi sistemi cellulari analogici incompatibili, sviluppati indipendentemente da varie nazioni (NMT, AMPS, RTMS, TACS ecc.).

1982: la Conference of European Posts and Telegraphs (CEPT) crea il Groupe Spécial Mobile (GSM) con il compito di sviluppare un Public Land Mobile System (PLMS) pan-europeo, con caratteristiche avanzate:• buona qualità della voce compressa• costo contenuto del terminale mobile e del servizio• possibilità di roaming internazionale• possibilità di supportare terminali mobili a bassissimo peso• possibilità di supportare diversi nuovi servizi• buona efficienza spettrale• compatibilità con il servizio ISDN.

1990: pubblicazione delle specifiche del sistema GSM (Global System for Mobile Communications).

1993: vi sono già 36 reti GSM attive in 22 nazioni, tra cui l’Italia.

Attualmente vi sono centinaia di reti GSM attive su tutti i continenti, compresa l’America del Nord, con nomi diversi (GSM, DCS1800, PCS1900).


Diffusione del sistema GSM nel mondo

senza GSM

con GSM


PANORAMICA DEGLI ASPETTI TRASMISSIVI

• Bande di frequenza e canalizzazione

• Cluster di celle e riuso di frequenza

• Antenne utilizzate dalla BTS e dalla MS

• Tecniche di modulazione e accesso

• Compressione della voce e codifica di canale

• Servizi supportati e velocità di trasmissione


Bande di frequenza e canalizzazione

• La International Telecommunication Union (ITU) ha allocato, per il sistema GSM, la banda 890-915 MHz per i collegamenti uplink (mobile verso stazione radio base) e la banda 935-960 MHz per i collegamenti in senso opposto (downlink).

• Bande allocate per il sistema DCS1800: 1710-1785 MHz per i collegamenti uplink e 1805-1880 MHz per i collegamenti downlink.

• Bande allocate per il sistema PCS1900: 1850-1910 MHz per i collegamenti uplink e 1930-1990 MHz per i collegamenti downlink.

• Le bande suddette sono ripartite in sottobande adiacenti di larghezza 200 kHz, ciascuna destinata ad ospitare una portante.

• Coesistenza di altre reti (es. TACS) e ripartizione delle risorse di banda tra i vari operatori.

• Terminali mobili mono-banda o a banda multipla.


Cluster di celle e riuso di frequenza - I

Il cluster di celle tipico del sistema GSM comprende 9 celle, con tre siti “tricellulari” posizionati nei punti 1,2,3.

Le diverse celle del cluster utilizzano frequenze portanti tutte diverse tra loro per contenere l’interferenza co-canale.


Cluster di celle e riuso di frequenza - II

Un’altra possibile disposizione utilizzabile è quella a sette celle

Questa soluzione sembra più vantaggiosa della precedente in termini di capacità di rete, ma necessita di una quantità maggiore di infrastrutture fisse.

Questa soluzione sembra più vantaggiosa della precedente in termini di capacità di rete, ma necessita di una quantità maggiore di infrastrutture fisse.


Antenne utilizzate dalla BTS

Le antenne di un sito tricellulare

sono direttive ed illuminano un

settore angolare largo all’incirca

120 gradi

Le antenne di un sito monocellulare sono omnidirezionali sul piano orizzontale

angolo di tilt

1010 Reti radio mobili cellulari: il

sistema GSM

Antenne utilizzate dalla BTS - Esempi 1


sistema GSM


Diagrammi di irradiazione

isofrequenziali ottenuti dalla composizione di

più diagrammi elementari

Diagrammi di irradiazione

isofrequenziali ottenuti dalla composizione di

più diagrammi elementari

singolo pannello

fascio di aliasing

come realizzare un’antenna quasi isotropica a partire da antenne direttive


sistema GSM



sistema GSM


Antenne dual-band


sistema GSM



sistema GSM

Antenne utilizzate dalla MS

Nei terminali mobili palmari l’antenna è di tipo filare con lunghezza pari a pochissimi centimetri (≤2). Il diagramma di irradiazione è praticamente isotropico

Nei terminali mobili autotrasportati l’antenna è di tipo filare con lunghezza pari ad es. a /2. Il diagramma di irradiazione è praticamente isotropico sul piano orizzontale e debolmente direttivo sul piano verticale.


sistema GSM

Tecniche di modulazione e accesso

Accesso FDMA/TDMA

• possibilità di trasmissione/ricezione discontinua (DTX,DRX)

• 124 portanti spaziate di 200 kHz (GSM)

• trama TDMA composta da 8 slot

• un canale fisico è rappresentato da un burst per trama

• canali dedicati e canali comuni

Modulazione Gaussian Minimum Shift Keying (GMSK)

• modulazione binaria a fase continua

• efficiente spettralmente ed energeticamente

• inviluppo costante

• relativa semplicità del ricevitore

Limitazioni tipiche sul canale radiomobile:

• scarsità di banda• scarsità di energia sul mobile• limitazione di spazio e peso sul mobile• nonlinearità del canale (specie sull’uplink)

LA RISPOSTA È...


sistema GSM

Compressione della voce e codifica di canale

Per risparmiare banda è necessario comprimere la voce, ovvero

codificarla riducendone la ridondanza ma non la qualità, in modo che ad un segnale vocale

corrisponda un flusso binario sensibilmente inferiore al flusso

standard PCM (64 kbit/s).

Attraverso la cosiddetta codifica RPE-LTP (Regular Pulse Excitation - Long Term Prediction) si arriva alle velocità:

• Codificatore full-rate: 13 kbit/s• Codificatore half-rate: 6.5 kbit/s.

Attraverso la cosiddetta codifica RPE-LTP (Regular Pulse Excitation - Long Term Prediction) si arriva alle velocità:

• Codificatore full-rate: 13 kbit/s• Codificatore half-rate: 6.5 kbit/s.

Per proteggere il segnale trasmesso dagli errori indotti dal canale (rumore e distorsione), è necessario codificare il segnale

introducendo ridondanza in misura dipendente dal tipo di segnale

(voce/dati/segnalazione).

Per la voce e per i dati si usa un codice convoluzionale concatenato con un interleaver a blocchi, mentre per la segnalazione viene usato anche un codice a blocco (di Fire). La ridondanza è variabile per i dati e la segnalazione.

Per la voce e per i dati si usa un codice convoluzionale concatenato con un interleaver a blocchi, mentre per la segnalazione viene usato anche un codice a blocco (di Fire). La ridondanza è variabile per i dati e la segnalazione.

RISULTATO

RISULTATO


sistema GSM

Servizi supportati e velocità di trasmissione

servizio telefonia full-duplex con voce codificata.• codifica standard: 13 kbit/s• codifica half-rate: 6.5 kbit/s

servizio trasmissione dati da/a POTS, ISDN,

PSPDN,CSPDN con vari protocolli (X.25, X.32 ecc.).• velocità standard: max 9.6 kbit/s

servizio fax (ITU-T Rec. T.30) con apposito

adattatore. messaggeria (SMS) bidirezionale per messaggi

alfanumerici brevi (fino a 160 bytes). servizi vari di gestione delle chiamate (segreteria,

identificazione del chiamante, teleconferenza ecc.). accesso diretto a Internet (GPRS, previsto come fase

2+ di GSM)


sistema GSM

ARCHITETTURA DELLA RETE GSM

SIM = Subscriber Identity ModuleME = Mobile EquipmentBTS = Base Transceiver Station

BSC = Base Station Controller(G)MSC = (Gateway) Mobile services Switching CenterHLR = Home Location Register

VLR = Visitor Location RegisterEIR = Equipment Identity RegisterAuC = Authentication Center

SIM

ME

BTS

BTS

BSC

BSC

Um Abis

(G)MSCPSTN, ISDN,

PSPDN,CSPDN

AVLRHLR

AuCEIR

Mobile Station Base Station Subsystem Network & Switching Subsystem


sistema GSM

La stazione mobile (MS)

Consiste di un apparato terminale mobile (ME, Mobile Equipment) più una smart card detta Subscriber Identity Module (SIM).

Consiste di un apparato terminale mobile (ME, Mobile Equipment) più una smart card detta Subscriber Identity Module (SIM).

Il ME è identificato dall’International Mobile Equipment Identity (IMEI).

Il ME è identificato dall’International Mobile Equipment Identity (IMEI).

La SIM consente la mobilità personale, indipendentemente dal ME utilizzato.

La SIM contiene l’International Mobile Subscriber Identity (IMSI), indipendente dall’IMEI, usata per identificare l’abbonato, più una chiave segreta ed altre informazioni.

La SIM può essere inoltre protetta da una password o da un PIN (Personal Identity Number).

La SIM consente la mobilità personale, indipendentemente dal ME utilizzato.

La SIM contiene l’International Mobile Subscriber Identity (IMSI), indipendente dall’IMEI, usata per identificare l’abbonato, più una chiave segreta ed altre informazioni.

La SIM può essere inoltre protetta da una password o da un PIN (Personal Identity Number).


sistema GSM

Il sottosistema stazione base (BSS)

BSC

Il BSC gestisce le risorse radio per una o più BTS, in particolare controlla il setup dei canali radio, il frequency hopping, gli handover intra-cella e inter-BTS.

Il BSC gestisce le risorse radio per una o più BTS, in particolare controlla il setup dei canali radio, il frequency hopping, gli handover intra-cella e inter-BTS.

BSS

interfaccia A-bis, basata sul Link

Access Protocol on Data (LAPD)

al Mobile service

Switching Center (MSC)

interfaccia A basata sul

protocollo SS7

la BTS ospita i ricetrasmettitori radio (uno per portante) che

definiscono una cella ed implementa i protocolli di collegamento con le MS.

la BTS ospita i ricetrasmettitori radio (uno per portante) che

definiscono una cella ed implementa i protocolli di collegamento con le MS.

BTS

BTS


sistema GSM

Esempio di unità BTS

1.75 m

Contiene l’hardware per

l’interfaccia radio (modem,

amplificatori, combinatori ecc.) e per l’interfaccia

verso la BSC

Contiene l’hardware per

l’interfaccia radio (modem,

amplificatori, combinatori ecc.) e per l’interfaccia

verso la BSC

Base Transceiver Station


sistema GSM

Esempio di unità BSC

2 m

Nell’unità sono ospitate (con ridondanza) le interfacce di linea da/verso le BTS e la MSC, nonché le funzioni di segnalazione

Base Station Controller


sistema GSM

Esempio di unità TRAU

Transcoder and Rate Adaptor Unit

È installata presso la MSC ed ha la funzione di convertire il flusso codificato GSM in flussi standard multipli di 64 kbit/s, e viceversa.

2 m


sistema GSM

The Network and Switching Subsystem (NSS) - I

È l’insieme delle principali funzioni È l’insieme delle principali funzioni di commutazione e dei data base di commutazione e dei data base

preposti alla gestione dei dati e della preposti alla gestione dei dati e della mobilità degli utenti, vale a dire mobilità degli utenti, vale a dire

registrazione, autenticazione, set-up registrazione, autenticazione, set-up chiamate, procedure di handover chiamate, procedure di handover

ecc.ecc.

È l’insieme delle principali funzioni È l’insieme delle principali funzioni di commutazione e dei data base di commutazione e dei data base

preposti alla gestione dei dati e della preposti alla gestione dei dati e della mobilità degli utenti, vale a dire mobilità degli utenti, vale a dire

registrazione, autenticazione, set-up registrazione, autenticazione, set-up chiamate, procedure di handover chiamate, procedure di handover

ecc.ecc.

La segnalazione tra le diverse funzionalità del NSS avviene con un formato detto Signaling System 7 (SS7), usato anche per la segnalazione di tronco nell’ISDN.

In particolare il protocollo di segnalazione SS7 è usato sull’interfaccia A tra MSC e BSC.

La segnalazione tra le diverse funzionalità del NSS avviene con un formato detto Signaling System 7 (SS7), usato anche per la segnalazione di tronco nell’ISDN.

In particolare il protocollo di segnalazione SS7 è usato sull’interfaccia A tra MSC e BSC.


sistema GSM

The Network and Switching Subsystem (NSS) - II

a/da PSTN/ISDN

MSC GMSC

HLR

VLR

a/da BSS

EIR

AuC

MSC

NSS

a/da BSS

alla PSTN/ISDN

a/da BSS

alla PSTN/ISDN

A

A

VLRMSC=Mobile Switching Center

GMSC=Gateway MSC

HLR=Home Location Register

VLR=Visitor LR

EIR=Equipment Identity Register

AuC=Authentication Center

MSC=Mobile Switching Center

GMSC=Gateway MSC

HLR=Home Location Register

VLR=Visitor LR

EIR=Equipment Identity Register

AuC=Authentication Center

VLR


sistema GSM

Il centro di commutazione radiomobile (MSC/GMSC)

È connesso a quattro registri: l’Home Location Register (HLR) e il Visitor Location Register (VLR) consentono l’instradamento delle chiamate e le capacità di roaming del GSM, mentre l’Equipment Identity Register (EIR) e L’Authentication Center (AuC) vengono usati per scopi di autenticazione e sicurezza.

È connesso a quattro registri: l’Home Location Register (HLR) e il Visitor Location Register (VLR) consentono l’instradamento delle chiamate e le capacità di roaming del GSM, mentre l’Equipment Identity Register (EIR) e L’Authentication Center (AuC) vengono usati per scopi di autenticazione e sicurezza.

È il componente principale del Sottosistema di Rete, e si

comporta come un normale nodo di commutazione della

rete PSTN/ISDN.

Esso provvede alla registrazione, autenticazione, aggiornamento della posizione, handover e instradamento delle chiamate di un abbonato roamer.

Esso provvede alla registrazione, autenticazione, aggiornamento della posizione, handover e instradamento delle chiamate di un abbonato roamer.


sistema GSM

Il registro dei residenti (HLR)

Non è solo un registro passivo dove si scrivono/leggono dei dati, ma va visto come una vera e propria unità con funzioni autonome, quali la richiesta alle MSC/VLR lasciate dal roamer della cancellazione dello stesso dal rispettivo VLR.

Non è solo un registro passivo dove si scrivono/leggono dei dati, ma va visto come una vera e propria unità con funzioni autonome, quali la richiesta alle MSC/VLR lasciate dal roamer della cancellazione dello stesso dal rispettivo VLR.

Contiene tutte le infomazioni identificative di ciascun abbonato alla rete GSM (MSISDN, IMSI, servizi abilitati), insieme alla posizione corrente di ciascuno di essi (se attivo).

La posizione corrente del mobile è normalmente nella forma dell’indirizzo di segnalazione del Visitor Location Register (VLR) corrente associato al mobile.

La posizione corrente del mobile è normalmente nella forma dell’indirizzo di segnalazione del Visitor Location Register (VLR) corrente associato al mobile.

Funzionalmente c’è un solo HLR per ogni rete GSM, anche se esso viene implementato come un data base distribuito.

Funzionalmente c’è un solo HLR per ogni rete GSM, anche se esso viene implementato come un data base distribuito.

MSISDN IMSI MSRN


sistema GSM

Il registro dei visitatori (VLR)

Il MSC non contiene informazioni relative ad alcuna particolare MS, questa informazione essendo confinata ai registri di locazione.

Il VLR è un data base contenente parte delle informazioni del HLR richieste per il controllo locale delle chiamate e per la fornitura dei servizi previsti, per ciascun MS correntemente posizionato in una certa area geografica.

Allo scopo di semplificare la segnalazione, di solito c’è un VLR associato a ciascun MSC, per cui l’area controllata dal VLR coincide con le Location Area di un MSC.


sistema GSM

Un IMEI è dichiarato non valido se esso risulta rubato o di tipo non approvato per la rete o per la funzione richiesta.

Equipment Identity Register (EIR)

È un data base contenente l’elenco di (teoricamente) tutti gli apparati mobili, dove ciascuna MS è identificata dal suo IMEI.

??


sistema GSM

Il centro di autenticazione (AuC)

Consiste in un data base protetto che ospita una copia delle chiavi segrete memorizzate in ciascuna carta SIM, usate per l’autenticazione e la cifratura sul canale radio.

Consiste in un data base protetto che ospita una copia delle chiavi segrete memorizzate in ciascuna carta SIM, usate per l’autenticazione e la cifratura sul canale radio.

La procedura di autenticazione viene attivata ogni qual volta un abbonato accede alla rete, per accertare la sua identità


sistema GSM

Il centro operativo e di manutenzione (OMC)

Collegamento alle MSC con X.25 su linea dedicata o

sull’interfaccia A con protocollo X.25 o SS7.

Collegamento alle MSC con X.25 su linea dedicata o

sull’interfaccia A con protocollo X.25 o SS7.

MSCOMC

MSC

MSC

•• •

È il centro “amministrativo” delle rete, con compiti di esercizio e manutenzione: compiti di esercizio giornaliero

(aggiornamento abbonati, raccolta dati di tassazione ecc.);

valutazione del corretto dimensionamento delle risorse radio della rete;

distribuzione ottimale del carico sui vari elementi della rete di connessione;

controllo della qualità del servizio; attività di manutenzione.


sistema GSM

ASPETTI DEL RADIOCOLLEGAMENTO

Bande allocate e canalizzazione Accesso (FDMA/TDMA con FH) Struttura delle trame Sincronizzazione di trama Velocità di trasmissione Codifica vocale Codifica di canale Modulazione Potenze trasmesse Sensibilità dei ricevitori Modellistica del canale Dimensioni delle celle Rapporto segnale-interferenza


sistema GSM

Bande allocate e canalizzazione

passo di canalizzazione comune e pari a 200 kHz

passo di canalizzazione comune e pari a 200 kHz PCN = Personal Communication Network

PCS = Personal Communication System


sistema GSM

Accesso multiplo - I

tempo

frequenza

portante 1

portante 2

portante 3

portante 4

portante 5

inizio trama fine trama

slot1

slot2

slot3

slot4

slot5

slot6

slot7

slot8

slot1

slot2

slot8

•••

Combinazione di accesso multiplo a divisione di frequenza e di tempo (FDMA/TDMA).

Ciascuno dei suddetti canali frequenziali

viene poi suddiviso nel tempo, usando uno

schema TDMA.

Ciascuno dei suddetti canali frequenziali

viene poi suddiviso nel tempo, usando uno

schema TDMA.

La banda disponibile viene suddivisa in canali frequenziali spaziati di 200 kHz. Una o più di

queste frequenze portanti vengono assegnate a ciascuna BTS.

La banda disponibile viene suddivisa in canali frequenziali spaziati di 200 kHz. Una o più di

queste frequenze portanti vengono assegnate a ciascuna BTS.


sistema GSM

Accesso multiplo - II

Un gruppo di 8 slot costituisce una trama TDMA, di durata pari a 120/26 ms ≈ 4.615 ms.

Un gruppo di 8 slot costituisce una trama TDMA, di durata pari a 120/26 ms ≈ 4.615 ms.

tempo

frequenza

portante 1

portante 2

portante 3

portante 4

portante 5

inizio trama fine trama

slot1

slot2

slot3

slot4

slot5

slot6

slot7

slot8

slot1

slot2

slot8

•••

Un canale fisico è costituito dunque dalla associazione di uno slot TDMA e di una delle frequenze portanti.

La durata di uno slot TDMA è

pari a 15/26 ms ≈ 0.577 ms.

La durata di uno slot TDMA è

pari a 15/26 ms ≈ 0.577 ms.

4.615 ms

0.577 ms


sistema GSM

Canali fisici

Più precisamente, quindi, un canale fisico è definito da un numero di time slot, dalla sequenza dei numeri di

trama e dalla legge di frequency hopping.

La frequenza della portante varia da un burst all’altro (SFH, Slow Frequency Hopping) secondo una legge che, a partire dalla cella e dal mobile assegnati, mappa univocamente il

numero corrente di trama su un canale radio.

tempo

frequenza

inizio trama inizio trama inizio trama inizio trama

trama n trama n +1 trama n +2 trama n +3

Un canale fisico utilizza

sempre lo stesso numero di time slot in tutte le trame.

Un canale fisico utilizza

sempre lo stesso numero di time slot in tutte le trame.

opzione del

provider!


sistema GSM

Struttura delle trame di traffico/segnalazione - I

Le multitrame da 51 trame ciascuna (durata: 235 ms) sono utilizzate per i canali comuni e per i canali di controllo (CCH).

Le trame TDMA sono identificate da un numero di trama, che è ciclico e va da 0 a 26·51·2048-1=2 715 647; un

ciclo ha pertanto durata pari a 3 h 28’ 53.76” (ipertrama).

L’ipertrama consiste di 2048 supertrame (durata: 6.12 s), a loro volta costituite da 51 multitrame di

26 trame ciascuna o da 26 multitrame di 51 trame ciascuna.

Le multitrame da 26 trame ciascuna (durata: 120 ms) sono utilizzate nella trasmissione dei

canali di traffico (TCH).


sistema GSM

Struttura delle trame di traffico/segnalazione - II

L’ipertrama è costituita da 2048

supertrame

L’ipertrama è costituita da 2048

supertrame


sistema GSM

Struttura della multitrama di traffico

trame di traffico voce/dati (TCH/F-H) trame di traffico voce/dati (TCH/F-H)

TF 13TF TF TF TF TF TF TF TF TF TF TF TF TF TF TF TF TF TF TF TF TF TF TF 26

multitrama di traffico (durata = 120 ms)

Slow Associated Control channel (SACCH) (viene utilizzato un solo frame

per i canali TCH/H).

Slow Associated Control channel (SACCH) (viene utilizzato un solo frame

per i canali TCH/H).

I canali SACCH sono associati ai relativi canali di traffico, hanno

velocità ridotte (1/24 o 1/12 di quella nominale) e trasportano informazioni di tipo non urgente, come le misure radio utilizzate per gli handover, i livelli di potenza e gli anticipi in

trasmissione del mobile.


sistema GSM

SLOT 1 SLOT 2BTS-MS

SLOT 3 SLOT 4 SLOT 5 SLOT 6 SLOT 7 SLOT 8

trama downlink (BTS - mobili)

burst diinteresse

ritardo di trasmissione(3 slot)

SLOT 2MS-BTS

burst uplink(mobile - BTS)

SLOT 1 SLOT 2BTS-MS

SLOT 3 SLOT 4 SLOT 5 SLOT 6 SLOT 7 SLOT 8

ritardo di trasmissione(3 slot-ritardo prop.)

SLOT 2MS-BTS

ritardo di propagazioneandata-ritorno

Ritardo downlink-uplink

I TCH relativi all’uplink ed al downlink per un utente mobile sono

separati da tre intervalli di slot (alla BTS) per evitare la trasmissione e la

ricezione simultanee

se non vi fosse ritardo di

propagazione!

se non vi fosse ritardo di

propagazione!

in realtà la MS deve anticipare!in realtà la MS deve anticipare!


sistema GSM

Canali di traffico (TCH)

Vi sono anche canali TCH a 1/4 o a 1/8 della velocità, usati per segnalazione e detti Stand-Alone Dedicated Control Channels (SDCCH, SDCCH/4, SDCCH/8). Essi sono utilizzati per il servizio SMS, per l’aggiornamento della posizione del mobile ecc.

I canali di traffico TCH/F (full-rate) consentono la trasmissione di voce codificata a 13 kbit/s o di dati alla velocità massima di 9.6 kbit/s (ora 14.4 kbit/s).

Gli stessi canali TCH/F vengono utilizzati per la segnalazione inerente al set-up o al rilascio di una chiamata,o all’esecuzione degli handover ecc. (in

tal caso lo stealing flag nel burst viene settato a 1).

Oltre ai suddetti TCH/F vi sono i canali half-rate TCH/H (non ancora implementati ovunque), che consentono il raddoppio della capacità voce attraverso l’impiego di codificatori a 6.5 kbit/s al posto degli attuali 13 kbit/s.


sistema GSM

Canali di controllo/segnalazione (CCH) - I

Vi sono dei canali dedicati che i mobili utilizzano per passare allo stato attivo; inoltre nel corso di una comunicazione essi eseguono il monitoraggio continuo delle BTS circostanti per consentire l’handover e per altre funzioni.

Sono definiti nell’ambito di una multitrama costituita da 51 trame, sincronizzata (a livello di supertrama) con quella a 26 trame dei TCH per facilitarne il monitoraggio da parte degli utenti mobili.

Vi sono dei canali comuni (ad es. il Broadcast Control

Channel, BCCH) che il mobile ascolta anche se nello stato

idle (stand-by), per stabilire se esso viene chiamato o per inizializzare una chiamata.


sistema GSM

Canali di controllo/segnalazione (CCH) - II

Broadcast Control Channel (BCCH): invio continuo sul downlink delle informazioni relative a identità BTS, allocazione delle frequenze e sequenze di FH.

Frequency Correction Channel (FCCH) e Synchronization (SCH) Channel: usato per la sincronizzazione del mobile alla frequenza di portante e alla trama della cella (inizio trama e numerazione time slot); ciascuna BTS irradia un FCCH e un SCH esattamente sui primi slot di trame dedicate.

Random Access Channel (RACH): di tipo Slotted Alhoa, usato dal mobile per richiedere l’accesso alla rete.

Paging Channel (PCH): usato per allertare un mobile di una chiamata in arrivo.

Access Grant Channel (AGCH): usato per allocare un SDCCH ad un mobile per segnalazione (allo scopo di ottenere un canale dedicato), a seguito di una richiesta sul RACH.


sistema GSM

Struttura dei burst

Il burst più corto si usa per l’accesso alla rete, che avviene sul canale RACH (Random Access Channel) con tecnica Slotted Aloha

Il burst più corto si usa per l’accesso alla rete, che avviene sul canale RACH (Random Access Channel) con tecnica Slotted Aloha

CODA INFORMAZIONE CODAINFORMAZIONEMIDAMBOLO

CODA 1 CODA 2INFORMAZIONESINCRONIZZAZIONE

CODA CODAPATTERN STIMA FREQUENZA

INFORMAZIONE CODAALLINEAMENTOCODA INFORMAZIONE

BURST NORMALE: 148 BIT

Coda: 3 bitInformazione: 57+1 bitMidambolo: 26 bit

BURST DI ACCESSO ALLA RETE: 88 BIT

Coda 1: 8 bitSincronizzazione: 41 bitInformazione: 36 bitCoda 2: 3 bit

BURST DI CORREZIONE DELLA FREQUENZA: 148 BIT

Coda: 3 bitPattern: 142 bit (tutti=0)

BURST DI SINCRONIZZAZIONE DI TRAMA: 148 BIT

Coda: 3 bitInformazione: 39 bitAllineamento: 64 bit

Canali di traffico e segnalazione normali

Canale FCCH

Canale SCH


sistema GSM

Struttura dei burst di traffico

Tenendo conto della struttura della multitrama di traffico, la

velocità di trasmissione dei dati è pari a 22.8 kbit/s, mentre la velocità di trasmissione sul

canale è 270.83 kbit/s

Tenendo conto della struttura della multitrama di traffico, la

velocità di trasmissione dei dati è pari a 22.8 kbit/s, mentre la velocità di trasmissione sul

canale è 270.83 kbit/s

gli 8.25 intervalli di bit di guardia hanno lo scopo di evitare collisioni tra

burst adiacenti

frame, 4.615 ms

3 31 157 57

1 2 3 4 5 6 7 8

26 8.25

bit di coda

dati

stealing flag

midambolo datiintervallodi guardia

bit di coda

577 μs

stealing flag


sistema GSM

Codifica della voce - I

Come miglior Come miglior compromesso tra qualità compromesso tra qualità

e complessità (costo, e complessità (costo, ritardo di elaborazione, ritardo di elaborazione,

consumo di potenza) si è consumo di potenza) si è optato per l’algoritmo optato per l’algoritmo

noto come Regular Pulse noto come Regular Pulse Excited - Long Term Excited - Long Term

Prediction (RPE-LTP).Prediction (RPE-LTP).

Come miglior Come miglior compromesso tra qualità compromesso tra qualità

e complessità (costo, e complessità (costo, ritardo di elaborazione, ritardo di elaborazione,

consumo di potenza) si è consumo di potenza) si è optato per l’algoritmo optato per l’algoritmo

noto come Regular Pulse noto come Regular Pulse Excited - Long Term Excited - Long Term

Prediction (RPE-LTP).Prediction (RPE-LTP).

Il metodo più Il metodo più impiegato per ISDN e impiegato per ISDN e per PSTN sulle linee per PSTN sulle linee

multiplex ad alta multiplex ad alta velocità e sulle fibre velocità e sulle fibre

ottiche è il PCM, la cui ottiche è il PCM, la cui velocità (64 kbit/s) è velocità (64 kbit/s) è

però eccessiva.però eccessiva.

Il metodo più Il metodo più impiegato per ISDN e impiegato per ISDN e per PSTN sulle linee per PSTN sulle linee

multiplex ad alta multiplex ad alta velocità e sulle fibre velocità e sulle fibre

ottiche è il PCM, la cui ottiche è il PCM, la cui velocità (64 kbit/s) è velocità (64 kbit/s) è

però eccessiva.però eccessiva.

GSM è un sistema numerico, per cui la voce, che è

inerentemente analogica, deve essere digitalizzata.

...0110100110101000110110010100010010011100101010100101...


sistema GSM

+

-

FILTRO DIPREDIZIONEA BREVE T.

x(n) x(n)^ y(n)

Codifica della voce - II

Invece di trasmettere x(n) , vengono trasmessi i coefficienti del filtro, più una versione codificata dell’errore di predizione (Linear Prediction Coding, LPC)

Invece di trasmettere x(n) , vengono trasmessi i coefficienti del filtro, più una versione codificata dell’errore di predizione (Linear Prediction Coding, LPC)

predizione errore di predizione (residuo) a basso contenuto informativo

Il numero dei dati da trasmettere è inferiore!

I campioni precedenti x(n-1),…, x(n-L), che non cambiano

molto rapidamente, vengono utilizzati, attraverso una

combinazione lineare (filtro), per prevedere l’ampiezza x(n)

del campione corrente .

^


sistema GSM

Codifica della voce - III

In ricezione è possibile realizzare la struttura inversa alla precedente e pilotarla con l’errore di predizione y(n), che costituisce la sequenza

di eccitazione,ottenendo così la sequenza di partenza x(n) ...

Questa tecnica viene ulteriormente affinata

notando che quando si pronunciano le vocali il

segnale emesso è pressoché periodico (con periodo di pochi ms), e

che il residuo y(n) contiene quindi una componente

periodica che può essere predetta e rimossa con un predittore a lungo termine

(LTP) di semplice realizzazione.

+

-

FILTRO DIPREDIZIONEA BREVE T.

x(n) x(n)^ y(n)

+

-

FILTRO DIPREDIZIONEA LUNGO T.

y(n)^ z(n)

nuova sequenza di eccitazione


sistema GSM

Codifica della voce - IV

Pertanto la voce codificata corrisponde a

13 kbit/s, cui vanno aggiunti ulteriori bit di

codifica di canale.

segnale PCMcon codifica a13 bit/campione

PRE-ELABORAZIONE(ENFASI ECC.)

SEGMENTAZIONE(20 ms)

SOTTO-SEGMENTAZ.(5 ms)

all'analisi dibreve e lungotermine

Il parlato viene suddiviso in blocchi di 20 ms (160

campioni), per ciascuno dei quali il codificatore genera 260

bit, invece dei 1280 bit di un segnale PCM standard.

Il rapporto di compressione è pari a circa 5:1.


sistema GSM

Codifica della voce - V

In pratica si fa così...

ridondanza a lungo termine + innovazione

innovazione

innovazione quantizzata

ridondanza a lungo termine stimata

ridondanza a lungo termine + innovazione

ricostruite

ridondanza a breve termine + ridondanza a

lungo termine + innovazione


sistema GSM

Codifica di canale

A causa dei disturbi naturali (es. rumore termico) e provocati dall’attività umana (interferenze) la voce, i dati e le segnalazioni vanno protetti dagli errori occasionali commessi dal ricevitore.

• codifica convoluzionale

• codifica a blocco (Fire)

• interleaving a blocchi.

Nel sistema GSM la protezione si ottiene tramite:

convoluzionale rate 1/2

convoluzionale rate 1/2

+

+

un

cn,1

cn,2

a blocco (6,4)a blocco (6,4)

+ +

blocco di ingresso

bit di parità

interleaverinterleaver

dati di ingresso

dati di uscita


sistema GSM

Codifica di canale

La voce ed i dati alle differenti velocità, nonché

la segnalazione, impiegano algoritmi di codifica specifici, con

diversi livelli di ridondanza che

garantiscono differenti gradi di protezione.


sistema GSM

Codifica di canale per la voce - I

I 260 bit che rappresentano il generico blocco vocale di 20 ms vengono suddivisi in 3 classi, a seconda della loro importanza:

• Classe Ia (50 bit) - massima sensibilità agli errori

• Classe Ib (132 bit) - sensibilità moderata agli errori

• Classe II (78 bit) - minima sensibilità agli errori

Ai 50 bit della classe Ia vengono aggiunti 3 bit attraverso un codificatore a blocco ciclico (CRC) per consentire la rivelazione di errori.

Se in ricezione si rileva un errore in questo gruppo di bit, l’intero blocco di 260 bit viene scartato in quanto ritenuto incomprensibile e viene sostituito con una versione attenuata dell’ultimo blocco valido.


sistema GSM

Codifica di canale per la voce - II

I 53 bit della classe Ia insieme ai 132 bit della classe Ib ed a 4 bit di coda (totale: 189 bit) sono inviati ad un codificatore convoluzionale di rate 1/2 e constraint length 4.

I 378 bit così ottenuti sono uniti ai 78 bit di classe II (non protetti), in modo da ottenere una sequenza di 456 bit, corrispondente ad un bit rate di 22.8 kbps.

Ciascuna sequenza viene sottoposta ad interleaving a blocchi, ovvero viene suddivisa in 8 sottosequenze di 57 bit ciascuna, che vengono inviate, in ordine alterato, su 8 burst di altrettante trame di traffico consecutive.

Poiché ogni burst ospita 2 sequenze da 57 bit, ogni TB trasporta traffico relativo a 2 blocchi vocali consecutivi A e B.

I bit del blocco A occupano le posizioni pari all’interno del burst mentre quelli del blocco B le posizioni dispari.


sistema GSM

Catena di elaborazione per i segnali vocali

Per un segnale dati sono assenti i blocchi di speech coding and

decoding, ed è diversa la codifica di canale

Per un segnale dati sono assenti i blocchi di speech coding and

decoding, ed è diversa la codifica di canale


sistema GSM

Struttura del segnale - I

La modulazione impiegata è la Gaussian Minimum Shift Keying (GMSK), che è una modulazione binaria a fase continua (CPM):

s(t) =2Eb

Tb

cos2π f0t+ϕ(t)+θ( )

energia per bit

intervallo di bit

fase in eccesso

fase della portante

freq. della portante

segnale trasmesso

ϕ(t)=2πh αnn∑ q(t −nTb)

indice di modulazione (h=1/2)

segnale modulante

simboli informativi (±1)

risposta in fase del modulatore


sistema GSM

Struttura del segnale - II

Risposta in fase del modulatore q(t)= g(τ)dτ

−∞

t

∫

g(t) =p(t)⊗ h(t)Impulso in frequenza

p(t)

tTb0

12Tb

h(t) è una gaussiana

di banda B a -3 dB pari a BTb 0 .3


sistema GSM

Schema del modulatore GMSK

SORGENTE BINARIA

FILTROGAUSSIANO

MODULAT. FM (h =1/2)

s(t) un

12Tb

rect ¯t

Tb( )

12Tb

∑n un [(rectt-nT )/T ]b b

(β T = 0.3)b

Il filtro gaussiano, smussando l’impulso in frequenza rispetto all’andamento rettangolare, consente di ottenere uno spettro più compatto.

h(t)

tempo


sistema GSM

GMSK - Spettro di potenza e diagramma ad occhio

-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

frequenza normalizzata,

fTb

43210frequenza normalizzata, fTb

GMSK, BTb=0.5GMSK, BTb=0.3

MSK

Al diminuire della banda del filtro

gaussiano, lo spettro diventa sempre più

compatto

-1.0

-0.5

0.0

0.5

1.0

diagramma ad occhio

-2 -1 0 1 2tempo normalizzato, t/Tb

GMSK, βTb=0.3

Il diagramma a occhio (componente I o Q)

mostra la presenza di un livello modesto di ISI sul

canale gaussiano

istante ottimale campionamento


sistema GSM

GMSK - Demodulatore sub-ottimo su canale gaussiano

FILTRO

ADATTATO

IN MEDIA kT0

r (t)Iu (t)I

s(t)+w(t) 2 cos2π f t0

+ /2kT T0

r ( )tQ u ( )tQ

-2 sin2π f t0

a -1k^

bk-1^FILTRO

ADATTATO

IN MEDIA

La modulazione GMSK può essere approssimata con una modulazione lineare I-Q con offset

Quindi sul canale gaussiano si può usare un demodulatore I-Q in

offset


sistema GSM

Struttura del canale radiomobile

Il canale radiomobile è caratterizzato da:

• una molteplicità di cammini (canale multipath) dovuti a riflessioni e diffrazioni del campo e.m. dall’ambiente circostante, che possono introdurre selettività in frequenza;

• tempo-varianza della risposta, dovuta al movimento della MS, che introduce variazioni nel livello del segnale ricevuto (selettività nel tempo)

cammino diretto

cammino riflessocammino diffratto


sistema GSM

Selettività nel tempo

Andamento tipico a breve termine (valore RMS pressoché costante) del livello del segnale ricevuto su un terminale mobile dotato di velocità costante v (ambiente urbano). A lungo termine il valore RMS subisce variazioni secondo una legge del tipo , dove d è la distanza TX-RX e è un esponente compreso tra 2 e 4.

k d

≈

L’ampiezza del segnale ricevuto può essere

ritenuta costante in tempi molto minori di /v ( /v 20 ms @ 50 km/h per il

sistema GSM)

Il processo “livello ricevuto” può ritenersi stazionario in

senso lato in un tempo entro il quale non varia

apprezzabilmente il tipo di ambiente e la distanza MS-

BTS.

CRITERI PROGETTUALI


sistema GSM

La risposta impulsiva di un canale multipath stazionario è del tipo

Ad esempio, se la dispersione temporale è dell’ordine di 10 μs, non si ha selettività in frequenza solo per segnali la cui banda è molto minore di 100 kHz.

Il canale può ritenersi non selettivo in frequenza se la banda del segnale è molto più piccola dell’inverso della dispersione temporale.

CRITERI PROGETTUALI

˜ c (t) = ˜ cnn=1

N

∑ δ t−τn( )

numero di percorsi

ritardi di propagazionecoefficienti

complessi

Selettività in frequenza


sistema GSM

Modello statistico del segnale ricevuto

Un buon modello statistico per l’ampiezza del segnale ricevuto in ambiente urbano (TU), dove in genere TX e RX non sono in vista e quindi non esiste il raggio diretto, è quello di Rayleigh:

In ambiente rurale (RA) o collinare (HT), dove tipicamente esiste il raggio diretto, un modello più realistico è quello di Rice:


sistema GSM

Canali radio standard

TIPO DICANALE

Cammino# n

Ritardoτn, ( )µs

Ritardo norma-, lizzatoτn/T b

Potenza, ( )relativa dB

1 0.0 0.000 -3.02 0.2 0.054 0.0

TYPICAL 3 0.5 0.135 -2.0 ( )URBAN TU 4 1.6 0.432 -6.0

5 2.3 0.621 -8.06 5.0 1.351 -10.0

1 0.0 0.000 0.02 0.1 0.027 -1.5

HILLY 3 0.3 0.081 -4.5 ( )TERRAIN HT 4 0.5 0.135 -7.5

5 15.0 4.054 -8.06 17.7 4.649 -17.7

1 0.0 0.00 0.02 0.1 0.027 -4.0

RURAL 3 0.2 0.054 -8.0 ( )AREA RA 4 0.3 0.081 -12.0

5 0.4 0.108 -16.06 0.5 0.135 -20.0 -12

-10

-8

-6

-4

-2

0

Potenza media relativa, dB

1.41.21.00.80.60.40.20.0

Ritardo normalizzato, τn/Tb

CANALE TU

Nell’ambiente TU si assume assente il raggio diretto


sistema GSM

Struttura del demodulatore sul canale con fading

FILTRO ADATTATO

PROCESSORE DI VITERBI

2kT b +T b

STIMA DELLA RISPOSTAIMPULSIVA DEL CANALE

x(t)

x (t)R

2 cos2π f 0 t2kTb

h~ (t)

{χ 2p}, {ξ2p+1}

a , b

y I ,2k

y Q,2k+1

-2 2senπ f t 0

x (t)I

contiene la fase della portante

termini di ISI da fornire all’equalizzatore di

Viterbi

adesso è necessario stimare ed

equalizzare il canale burst

per burst!

adesso è necessario stimare ed

equalizzare il canale burst

per burst!

ha funzione di equalizzatoreha funzione di equalizzatore


sistema GSM

Schema funzionale TRX


sistema GSM

Salti in frequenza (FH)

Un ulteriore effetto benefico è quello della “randomizzazione” dell’interferenza co-canale dovuta ai cluster adiacenti.

tempo

frequenza

inizio trama inizio trama inizio trama inizio trama

trama n trama n +1 trama n +2 trama n +3

L’algoritmo di frequency hopping, radiodiffuso sul BCCH, associa un canale radio alla particolare combinazione corrente

di cella del cluster, di utente e di numero di trama.

L’introduzione dei salti in frequenza allevia il problema del fading da cammini multipli, che è fortemente dipendente dalla frequenza


sistema GSM

Trasmissione discontinua per la voce (DTX)

Il burst di traffico vocale viene generato e trasmesso solo quando è presente il

segnale,la cui rilevazione è affidata ad un voice activity detector (VAD).

riduzione dell’interferenza co-canale dovuta ai cluster adiacenti

risparmio di energia (aspetto rilevante per le MS)

VANTAGGI

In assenza della voce, introduzione del comfort noise di livello calibrato sulla stima del rumore di fondo

possibili errori di falsa rivelazione e di mancata rivelazione della voce, che hanno rispettivamente impatto sull’efficienza della DTX o sulla qualità della voce (clipping)

SVANTAGGI


sistema GSM

Ricezione discontinua (DRX)

Ciascuna MS deve ascoltare soltanto il proprio sotto-canale, che le è assegnato al momento dell’accesso alla rete, rimanendo nel modo idle nel resto del tempo, e minimizzando quindi i requisiti di potenza.

La tecnica DRX è utilizzata dalla MS quando essa si trova nello stato di attesa di chiamate (idle o stand-by).

Consiste nell’accensione dei circuiti di ricezione solamente quando sull’antenna è presente il sotto-canale di segnalazione relativo alla MS.

Il canale di paging (PCH), utilizzato dalla BTS per

segnalare una chiamata in arrivo, è infatti strutturato in

sotto-canali (slot).


sistema GSM

Classi di potenza

Per il sistema GSM sono definite 5 classi di potenza di picco della MS, e 2 classi per il DCS1800

Classe GSM DCS1800

1 20 W 1 W2 8 W 0.25 W3 5 W -4 2 W -5 0.8 W -

La potenza è variabile con step di 2 dB dalla potenza di picco relativa alla classe considerata fino ad un minimo di 13 dBm (20 mW).

La potenza è variabile con step di 2 dB dalla potenza di picco relativa alla classe considerata fino ad un minimo di 13 dBm (20 mW).

veicolariveicolari

palmaripalmari


sistema GSM

Controllo di potenza

Sia la MS che la BTS sono in grado di misurare il livello e/o la qualità (BER) dei segnali ricevuti.

La MS effettua la misura e passa l’informazione alla BSC, che alla fine decide se e quando il livello di potenza debba essere cambiato; analoga procedura viene eseguita dalla BTS-BSC nei confronti della MS. La potenza trasmessa (sia da MS che

da BTS) è la più piccola compatibile con la qualità minima stabilita per il segnale

La potenza trasmessa (sia da MS che da BTS) è la più piccola compatibile con la qualità minima stabilita per il segnale

È opzionale per il provider, e presenta il vantaggio di incrementare la capacità della rete minimizzando

l’interferenza, oltre a consentire un risparmio di energia.


sistema GSM

Dimensione delle celle

La dimensione delle celle è legata alla densità geografica di utenti da servire: maggiore è questa densità, minore deve essere il diametro delle celle, e minori le potenze irradiate per mantenere accettabile il rapporto segnale-interferenza.

La dimensione massima delle celle è pari a circa 35 km; questa si trova ricordando che l’anticipo di trasmissione è codificato con 6 bit, e quindi esso è al più 64 intervalli di bit, ovvero 236 μs.

La dimensione minima si trova nei centri urbani e può essere inferiore al km (micro e picocelle).


sistema GSM

Limiti all’interferenza co-canale e da canale adiacente

Le specifiche GSM stabiliscono un limite (9 dB) al rapporto tra segnale e interferenza co-canale. Tale limite consente di stabilire quale deve essere il fattore di riuso delle frequenze e quindi il numero di celle del cluster.

Circa l’interferenza da canale adiacente, il ricevitore deve funzionare correttamente quando il suddetto canale ha potenza fino a 10 dB superiore a quella utile. Ciò pone requisiti stringenti sullo spettro del segnale e sulle risposte dei filtri separatori di canale.


sistema GSM

SOTTOSISTEMA DI RETE E COMMUTAZIONE (NSS)

Funzioni principali del Network & Switching Subsystem (NSS) gestione delle procedure di handover per il passaggio da una

cella ad un’altra. aggiornamento delle posizioni delle MS all’interno della rete

registrazione e autenticazione degli utenti routing delle chiamate

Funzioni principali del Network & Switching Subsystem (NSS) gestione delle procedure di handover per il passaggio da una

cella ad un’altra. aggiornamento delle posizioni delle MS all’interno della rete

registrazione e autenticazione degli utenti routing delle chiamate

Queste funzioni sono eseguite principalmente attraverso il Mobile Application Part (MAP) costruito sul protocollo Signaling System n. 7 (SS7), che è lo stesso protocollo di

segnalazione utilizzato nella rete ISDN.

Queste funzioni sono eseguite principalmente attraverso il Mobile Application Part (MAP) costruito sul protocollo Signaling System n. 7 (SS7), che è lo stesso protocollo di

segnalazione utilizzato nella rete ISDN.


sistema GSM

Struttura del protocollo di segnalazione - I

TDMA

LAPDm

RR

MM

CM

GSMLivello 3

Livello 2

Livello 1

Stazione mobile

TDMA

LAPDm

Um

RR

BTS

MTP

SCCP

BSSMAP

BSC

Abis

A

MTP

SCCP

MSC

BSSMAP

MM

CM

TDMA=Time Division Multiple AccessLAPDm=Link Access Protocol for the Data channel (modified)MTP=Message Transfer PartSCCP=Signaling Connection Control Part

RR=Radio ResourceBSSMAP=BSS Management PartMM=Mobility ManagementCM=Communication Management


sistema GSM

Struttura del protocollo di segnalazione - II

Protocollo di segnalazione strutturato fondamentalmente in 3 livelli, dipendenti

dall’interfaccia (IF) considerata.

Protocollo di segnalazione strutturato fondamentalmente in 3 livelli, dipendenti

dall’interfaccia (IF) considerata.

Il primo livello è quello fisico, che impiega le strutture di canale già viste sull’IF radio.

Il secondo è quello di data link. Sull’IF radio utilizza una versione modificata (m) del protocollo LAPD di ISDN, mentre sull’IF A usa il protocollo Message Transfer Part (MTP) Layer 2 di SS7.

Il primo livello è quello fisico, che impiega le strutture di canale già viste sull’IF radio.

Il secondo è quello di data link. Sull’IF radio utilizza una versione modificata (m) del protocollo LAPD di ISDN, mentre sull’IF A usa il protocollo Message Transfer Part (MTP) Layer 2 di SS7.

...


sistema GSM

Struttura del protocollo di segnalazione - III

La segnalazione tra le diverse componenti della rete fissa (es. tra i registri HLR e VLR) avviene tramite il protocollo Mobile Application Protocol (MAP), costruito sulle Transaction Capabilities Application Part (TCAP), il livello più alto di SS7.

Il terzo livello del protocollo di segnalazione è suddiviso in 3 sottolivelli

Il terzo livello del protocollo di segnalazione è suddiviso in 3 sottolivelli

Gestione delle Risorse Radio (RRM), che controlla il setup, il mantenimento e la terminazione dei canali radio e fissi, compresi gli handover

Gestione della Mobilità (MM), che controlla le procedure di aggiornamento della posizione e di registrazione, nonché di sicurezza ed autenticazione

Gestione delle Comunicazioni (CM), che controlla le chiamate e i servizi supplementari quali lo Short Message Service (SMS)


sistema GSM

GESTIONE DELLA RISORSA RADIO (RRM)

• Il livello RR controlla l’instaurazione, il mantenimento e la terminazione del collegamento (sia radio che fisso) tra MS e MSC.

• A tale scopo esso crea e gestisce una sessione RR, che viene iniziata dalla MS attraverso la procedura di accesso (sia per chiamata entrante che uscente) e terminata alla fine della comunicazione.

• In particolare, il livello RR controlla l’assegnazione dei canali dedicati per il set-up di una comunicazione nonché la struttura dei sotto-canali di paging.

• Come detto, il livello RR provvede al mantenimento di una comunicazione cambiando eventualmente una o più volte il canale fisico sul quale essa ha luogo (handover).

• Esso gestisce alcuni aspetti radio come il controllo della potenza, la trasmissione e la ricezione discontinua, la sincronizzazione dei burst nel link di ritorno.


sistema GSM

Handover - I

• handover tra celle controllate da BSC diversi, sotto un unico MSC;

• handover tra celle controllate da MSC diversi.

In una rete cellulare, i collegamenti radio e fissi non sono assegnati in modo permanente durante una chiamata, ma possono variare.

Il termine “handover” indica la commutazione di una chiamata su un canale o su una cella differente e, insieme alle procedure di accesso, costituisce una delle funzioni più importanti controllate dal livello RR.

• handover tra canali (slot tempo/frequenza) nella stessa cella

• handover tra celle controllate dallo stesso BSC

handover interni

handover interni

handover esterni

handover esterni

Quattro diversi tipi di

handover:


sistema GSM

Handover - II

Gli handover interni coinvolgono un solo BSC e, per risparmiare banda di segnalazione, sono gestiti dal BSC senza intervento del MSC salvo nella fase finale di notifica.

Gli handover esterni sono gestiti dagli MSC coinvolti.L’MSC iniziale (detto anchor MSC) rimane responsabile delle funzioni relative alle chiamate, ad eccezione dei successivi handover inter-BSC, gestiti dal MSC corrente (detto relay MSC).


sistema GSM

Handover - III

Gli handover possono essere

decisi dal MSC come mezzo di

bilanciamento del traffico...

…oppure dal mobile, il quale negli

slot in cui non vi è trasmissione

misura il livello dei canali BCCH

delle celle vicine, e forma una lista

delle celle migliori candidate

all’handover.

Tali dati vengono periodicamente

(almeno una volta al secondo)

trasmessi al MSC e usati per

l’algoritmo di handover.


sistema GSM

Handover - IV

L’algoritmo a “bilancio di potenza” usa l’handover

per tentare di mantenere o migliorare la qualità dei

segnali con potenza uguale o inferiore.

Un vero e proprio algoritmo di handover non è specificato nelle raccomandazioni GSM. Ve ne sono

due tipi base, entrambi correlati al controllo di potenza:

Un vero e proprio algoritmo di handover non è specificato nelle raccomandazioni GSM. Ve ne sono

due tipi base, entrambi correlati al controllo di potenza:

L’algoritmo a “prestazioni minime accettabili” dà priorità al controllo di potenza sull’handover, in modo che quando il livello

del segnale scende sotto un certo limite, viene incrementata la potenza trasmessa

dalla MS. Quando questa misura non migliora le prestazioni, allora viene attivata la

procedura di handover.

Semplice ma tende ad estendere e sovrapporre

le celle, nonché ad incrementare l’interferenza.

Semplice ma tende ad estendere e sovrapporre

le celle, nonché ad incrementare l’interferenza.

Evita l’allargamento delle celle e

riduce l’interferenza, ma risulta piuttosto

complicato.

Evita l’allargamento delle celle e

riduce l’interferenza, ma risulta piuttosto

complicato.


sistema GSM

GESTIONE DELLA MOBILITÀ (MM)

• E’ uno specifico livello costruito sopra il livello RR, ed ha la scopo di gestire le funzioni derivanti dalla mobilità della MS (gestione della localizzazione), nonché gli aspetti di autenticazione e di sicurezza.

• La gestione della localizzazione comprende le procedure che consentono alla rete di conoscere la posizione corrente della MS, in modo da rendere possibile l’instradamento verso di essa di chiamate provenienti dall’esterno.

• Le procedure di autenticazione hanno lo scopo di accertare l’effettiva identità dell’utente attraverso lo scambio di opportuni codici identificativi.

• La sicurezza attiene alla cifratura dei messaggi trasmessi, in modo da renderli inintelligibili alle eventuali intercettazioni, e alla verifica della legittimità di uso dell’hardware attraverso controllo del codice IMEI.


sistema GSM

Aree di localizzazione

Un mobile acceso viene informato di una chiamata in arrivo Un mobile acceso viene informato di una chiamata in arrivo da un messaggio di paging trasmesso sul PCH.da un messaggio di paging trasmesso sul PCH.

Compromesso: raggruppare le celle in Compromesso: raggruppare le celle in aree di localizzazione (LA)aree di localizzazione (LA). I . I messaggi di aggiornamento della posizione sono richiesti nel messaggi di aggiornamento della posizione sono richiesti nel

passaggio tra diverse aree, mentre le chiamate vengono trasmesse passaggio tra diverse aree, mentre le chiamate vengono trasmesse solo sui PCH delle celle coinvolte.solo sui PCH delle celle coinvolte.

Due soluzioni estreme:

• inviare il messaggio di paging di ogni chiamata su tutte le celle

• far notificare al sistema la posizione corrente del mobile a livello di singola cella

spreco di banda radio!

grande frequenza di messaggi di

aggiornamento della posizione!


sistema GSM

Procedura di localizzazione - I

La localizzazione del mobile avviene attraverso l’uso del MSC La localizzazione del mobile avviene attraverso l’uso del MSC e di due registri: l’Home Location Register (HLR) e il Visitor e di due registri: l’Home Location Register (HLR) e il Visitor

Location Register (VLR)Location Register (VLR)

accensione del mobileo

ingresso in una nuova LA (sia dello stesso che di un nuovo operatore PLMN)

Il mobile:

• ascolta il canale BCCH per l’identificazione della LA

• rileva la nuova LA

• invia un messaggio di aggiornamento della posizione al MSC/VLR


sistema GSM

Procedura di localizzazione - II

NEW MSC/VLR

HLR

1. Invio delle informazioni di localizzazione del mobile (MSRN o, più spesso, indirizzo SS7 del MSC/VLR)

OLD MSC/VLR

2. Invio di un sottoinsieme delle informazioni relative all’abbonato per consentire il controllo delle chiamate

3. Invio di un messaggio alla vecchia MSC/VLR per la cancellazione della registrazione precedente

utente


sistema GSM

Procedura periodica di aggiornamento della posizione

Una procedura legata all’aggiornamento di posizione e l’attach/detach dell’IMSI: un

detach informa la rete che l’utente è irraggiungibile (evitando procedure di

assegnazione canali e paging), mentre un attach informa il sistema che il mobile è di

nuovo raggiungibile.

Per motivi di affidabilità (contro eventuali perdite di dati nel HLR e/o VLR), è

previsto anche un aggiornamento periodico di

posizione da parte dei mobili, anche se essi non sono in

movimento.

Il periodo di aggiornamento è scelto tenendo conto dell’intensità di traffico di segnalazione e della velocità con cui la rete può recuperare da eventuali eventi

di fuori servizio dell’HLR o del VLR.

Se un mobile non invia l’aggiornamento trascorso il tempo previsto, esso viene

deregistrato.


sistema GSM

Autenticazione del mobile

L’autenticazione coinvolge la scheda SIM del mobile ed il Centro di Autenticazione (AuC)

A ciascun abbonato viene assegnata una chiave segreta, una copia della

quale è memorizzata nella scheda SIM ed un’altra nell’AuC.

Durante l’autenticazione, l’AuC genera un numero

casuale e lo invia al mobile.

Sia il mobile che l’AuC, impiegando sia il numero casuale che la chiave

segreta, generano un’ulteriore parola (SRES, Signed Response) per

mezzo di un algoritmo di cifratura chiamato A3.

Il mobile invia la SRES calcolata all’AuC, il quale la

confronta con il risultato della sua elaborazione. Se le due parole coincidono il mobile è

autenticato.


sistema GSM

Cifratura dei messaggi

Lo stesso numero casuale iniziale, insieme alla chiave segreta, viene anche usato per calcolare una chiave di cifratura attraverso

un algoritmo chiamato A8.

La chiave di cifratura ed il numero di trama TDMA vengono impiegati dall’algoritmo A5 per creare delle sequenze di 114 bit che vengono

XOR-moltiplicate ber i bit del burst.

In tal modo la decifrazione dei segnali è estremamente difficoltosa, dato che alla

codifica, all’interleaving, alla trasmissione TDMA si somma la cifratura.


sistema GSM

Controllo dell’IMEI

Un altro livello di sicurezza ha per oggetto il terminabile mobile stesso, e non la scheda SIM

Equipment Identity Register

(EIR)

contiene una lista degli identificativi IMEI dei

terminali

INTERROGAZIONE DELL’EIR

• OK, terminale abilitato

• terminale sotto osservazione per possibili problemi

• terminale non abilitato (es. perché rubato o di tipo non ammesso)

POSSIBILI RISPOSTE


sistema GSM

GESTIONE DELLE COMUNICAZIONI (CM)

Strato CM

Controllo delle chiamate (CC)

Gestione servizi supplementari (SSM)

Short message service (SMS)

• La funzione più importante è la CC, nella quale sono state riprodotte le procedure ISDN codificate nella specifica Q.931, pur con le differenze dovute alla particolare applicazione.

• Tra le funzioni del CC sono comprese il set-up delle chiamate, la selezione del servizio desiderato, e il rilascio della chiamata


sistema GSM

Numeri fissi dell’abbonato

Il numero che viene composto per l’accesso dall’esterno ad un utente GSM è il numero MSISDN (Mobile

Subscriber ISDN) in accordo alpiano di numerazione E.164

A differenza dell’utente di una rete fissa, un utente GSM può spostarsi in un’area molto vasta, coperta da

differenti provider (roaming internazionale)

39 348 1234567

codice nazione (Italia)

codice operatore

identificativo HLR e

abbonato

punta ad una locazione dell’HLR!

punta ad una locazione dell’HLR!

Per scopi interni alle reti GSM, un utente viene identificato attraverso il numero IMSI (International Mobile

Subscriber Identity)

222 11 111...1111

codice nazione (Italia)

codice operatore

Identificativo abbonato

(almeno 10 cifre)


sistema GSM

Numeri temporanei del mobile

Quando un mobile viene chiamato dall’esterno, la MSC corrente assegna ad esso un numero di routing temporaneo detto MSRN (Mobile Station Routing Number) per consentire il collegamento tra GMSC ed il mobile

Alla registrazione e nel passaggio tra diverse aree di localizzazione, al mobile viene assegnato, da parte della MSC, un identificativo detto TMSI (Temporary Mobile Station Identity), che è un alias dell’IMSI

utilizzato per aumentare la riservatezza

Il MSRN viene assegnato chiamata per chiamata, e non lasciato al

mobile per tutta la sua permanenza sotto la MSC, per la scarsità di numeri di routing a disposizione

della MSC stessa

Il TMSI viene concordato tra mobile e MSC con una

comunicazione cifrata, ed è utilizzato per le comunicazioni

MS-MSC (ad es. paging)


sistema GSM

Routing delle chiamate fisso-mobile

Abbonato fisso

Switch PSTN/ISDN

GMSC HLR Switch PSTN/ISDN

MSC/VLR Stazione mobile

può mancare

può mancare

MSISDNMSISDN

MSISDN

IMSI

MSRN

MSRN

MSRNMSRN

TMSI

linea tratteggiata= interrogazione/risposta del HLR

linea tratteggiata= interrogazione/risposta del HLR


sistema GSM

Routing delle chiamate mobile-fisso

Stazione mobile

MSC/VLR Switch PSTN

Abbonato fisso

Numero POTS

Numero POTS

Numero POTS

In questo caso il set-up della chiamata è molto più semplice, in quanto dalla MSC/VLR si può direttamente accedere alla rete fissa senza passare dal GMSC.

In questo caso il set-up della chiamata è molto più semplice, in quanto dalla MSC/VLR si può direttamente accedere alla rete fissa senza passare dal GMSC.

1 1 Reti radio mobili cellulari: il sistema GSM IL SISTEMA CELLULARE GSM/DCS 1800 Struttura e...

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