Argomenti della lezione - telematica.polito.it · Effettua l’interleaving. 16 Base Tranceiver...

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GSM Architettura Argomenti della lezione Breve storia Elementi e componenti Architettura Interfacce Breve storia La CEPT (Conférence Européenne des Administrations des Postes et des Télécommunications) istituisce un gruppo speciale per lo studio di un insieme uniforme di regole per lo sviluppo di una futura rete cellulare pan-europea: il Groupe Spécial Mobile da cui GSM 1982

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  • 1

    GSMArchitettura

    Argomenti della lezione

    Breve storia

    Elementi e componenti

    Architettura

    Interfacce

    Breve storia

    La CEPT (Confrence Europennedes Administrations des Postes etdes Tlcommunications) istituisce un gruppo speciale per lo studio di un insieme uniforme di regole per lo sviluppo di una futura rete cellulare pan-europea: il GroupeSpcial Mobile da cui GSM

    1982

  • 2

    Breve storia

    Istituzione di 3 Working Parties(WP1-3) per la definizionedi servizi da offrire in GSM:

    linterfaccia radioi formati di trasmissionei protocolli di segnalazionele interfaccelarchitettura di rete

    1984

    Breve storia

    Definizione della lista di raccomandazioni che il GSM deve produrre (finiranno per essere circa 130: 1500 pagine in 12 volumi! ...pi tutti quelli relativi allevoluzione, cio le fasi 2+ e 3 di GSM, rilasciati in anni successivi)

    1985

    Breve storia

    Viene istituito il cosiddetto nucleo permanente con lo scopo di coordinare il lavoro del GSM, soprattutto visto il forte interesse da parte dellindustria

    1986

  • 3

    Breve storia

    Viene firmato un primo Memorandum of Understanding(MoU) tra operatori Telecom in rappresentanza di 12 Nazioni (europee) con i seguenti obiettivi:

    1987

    Coordinare lo sviluppo temporale delle reti GSM europee e verificarne lo standard

    Breve storia

    Viene firmato un primo Memorandum of Understanding(MoU) tra operatori Telecom in rappresentanza di 12 Nazioni (europee) con i seguenti obiettivi:

    1987

    Pianificare lintroduzionedei servizi

    Breve storia

    Viene firmato un primo Memorandum of Understanding(MoU) tra operatori Telecom in rappresentanza di 12 Nazioni (europee) con i seguenti obiettivi:

    1987

    Concordare politiche di instradamento e tariffazione(modalit e prezzi)

  • 4

    Breve storia

    Con listituzione di ETSI (European TelecommunicationStandards Institute) il lavoro su GSM viene spostato in questo foro

    1988

    Breve storia

    Viene deciso di applicare le specifiche GSM anche al sistema DCS1800 (Digital Cellular System on 1800 MHz), un sistema di tipo PCN (Personal CommunicationNetworks) inizialmente sviluppato in U.K.

    1990

    Breve storia

    (Luglio) il lancio commerciale del GSM, pianificato per questa data, viene rimandato al 1992 per la mancanza di terminali mobili conformi allo standard

    1991

  • 5

    Breve storia

    Viene rilasciato lo standard definitivo relativo a GSM, che a questo punto diventa lacronimo di Global System for Mobile-communications

    1992

    Introduzione ufficiale dei sistemi GSM commerciali

    Breve storia

    Il MoU raccoglie 62 membri di 39 paesi; inoltre altre 32 organizzazioni in rappresentanzadi 19 paesi partecipano come osservatori in attesa di firmareil MoU

    1993

    Breve storia

    Introduzione degli SMS

    1994-95

    Introduzione dei servizi a 1800MHz

    1995-97

  • 6

    Breve storia

    Standardizzazione dei codificatori enhanced sia full che half-rate

    1996

    Terminali dual-band con codificatore enhanced

    1997

    Standard GPRS per la trasmissione a pacchetto

    1999

    Primi terminali WAP (Wireless Access Protocol) su circuito commutato

    Breve storia

    Introduzione dei servizi GPRS

    2000-01

  • 7

    Breve storia

    GSM diventa la rete cellulare pi diffusa al mondo, con quasi 80M utenti in Europa e 200M a livello mondiale (quasi 40M solo in Cina), una penetrazione non marginale in USA con quasi 10 operatori, che hanno una quota di mercato seconda solo a AMPS/D-AMPS

    1993-2001

    Breve storia

    Di fatto diventato uno standard mondiale, influenzando in modo significativo levoluzione versole reti di terza generazionee contribuendo a determinareil fallimento commerciale dellereti satellitari

    1993-2001

    Servizi attualmente offerti dal GSM

    Trasmissione dati (non strutturata) sincrona e asincrona tra 300 bit/s e 9.6 kbit/s

    Servizi di trasporto

  • 8

    Trasmissione dati a pacchetto sincrona con velocit compresatra 2.4 e 9.6 kbit/s

    Trasmissione dati con affasciamento di canali (HSCSD) fino a 76.8 kbit/s

    Servizi attualmente offerti dal GSM

    Servizi di trasporto

    Telefonia sia full rate (13 kbit/s, 12.6 Enhanced coder), sia half rate (6.5 kbit/s)

    Telefax di Gruppo 3

    Teleservizi

    Servizi attualmente offerti dal GSM

    Messaggeria sia unicastche multicast

    Messaggi brevi (SMS)

    Teleservizi

    Servizi attualmente offerti dal GSM

  • 9

    Praticamente tutti quelli della rete PSTN (inoltro di chiamata, richiamata su occupato, gruppi di utenti chiusi...)

    Servizi supplementari

    Servizi attualmente offerti dal GSM

    Architettura del GSM

    PLMN

    il terminale di propriet dellutente

    Terminale Mobile (Mobile Station MS)

    Ne esistono molti tipi diversi,a seconda delle applicazioni e dei luoghi di installazione

  • 10

    Effettua la codifica vocale

    Terminale Mobile (Mobile Station MS)

    Codifica vocale GSM 13 kb/s (full rate) 6.5 kb/s (half rate)

    potenza nominale

    fino a 2 W allantenna

    Terminale Mobile (Mobile Station MS)

    Dual-Band se funziona siaa 900 MHz che a 1800 MHz

    MS solamente hardware,per collegarsi alla rete ha bisogno di una scheda di abilitazione: la SIM

    Terminale Mobile (Mobile Station MS)

    Tri-Band se funziona a 900, 1800 e 1900 MHz

    Quadri-Band se funziona a 850, 900, 1800 e 1900 MHz

  • 11

    Terminale Mobile

    Cod.vocale

    Cod. canale + Interl.+Chiph. Burst gen.

    Mod.

    Controllo

    Deinterl.+Decod.Canale+Deciph.

    Equaliz-zatore

    A/D Demod.Decodific. vocale

    microfono

    altoparlante

    RadioDigitale

    SIM

    Modulo di IdentificazioneUtente (Subscriber IdentityModule SIM)

    una scheda intelligente (con processore e memoria) di tiposmart card che rende operativoun qualunque terminale MS

    Deve essere inserita nellapposito lettore di MS

    Modulo di IdentificazioneUtente (Subscriber IdentityModule SIM)

    Le caratteristiche dellutente(# telefonico, servizi accessibili, parametri per la sicurezza, ecc.) sono memorizzate in modo permanente e crittografato nella SIM, che rappresenta quindi il vero e proprio servizio offerto dai gestori

  • 12

    Modulo di IdentificazioneUtente (Subscriber IdentityModule SIM)

    MS SIM

    + =

    TM(Terminale Mobile)

    Architettura del GSM

    PLMN

    Base Station (BS)

    Base Tranceiver Station (BTS) Interfaccia fisica che si occupa della

    rice-trasmissione

    Stazione Radio Base

    Base Station Controller (BSC)Controllo delle risorse

    sullinterfaccia radio

  • 13

    Stazione Radio Base

    Base Tranceiver StationBTS

    Stazione Radio Base

    Base Tranceiver Station - BTS

    il punto di accesso alla rete di TLC, o se si vuole,

    la controparte di MT

    Base Tranceiver Station - BTS

    collocata in un punto opportuno della cella

    (es. al centro per celle circolari, nel vertice delle celle settorizzate, ad un estremo delle celle oblunghe

    per la copertura stradale...)

    Stazione Radio Base

  • 14

    Base Tranceiver Station - BTS

    Dalla potenza del BTS dipende la dimensione fisica della cella: grazie

    a questa caratteristica possibile aggiustare in modo dinamico le dimensioni delle celle

    Stazione Radio Base

    Base Tranceiver Station - BTS

    La potenza emessa dauna stazione radio base di almeno due ordini di grandezzainferiore a quellaemessa dagli impiantidi trasmissione radio-TV (tipicamente pochedecine di Watt controqualche migliaia di Watt);

    Stazione Radio Base

    cella 1

    cella 2

    cella 3

    Base Tranceiver Station - BTS

    A differenza di altre sorgenti (es. radio TV) le Stazioni Radio Base trasmettono potenza di segnale solo in corrispondenza di clienti effettivamente attivi.

    Stazione Radio Base

    cella 1

    cella 2

    cella 3

  • 15

    Stazione Radio Base

    Base Tranceiver Station - BTS

    Ciascuna BTS pu avere da 1 a 16 interfacce radio (tranceiver),

    ognuna che gestisce 2 canali FDM

    Ciascun canale FDM corrisponde a 8 canali TDM

    Base Tranceiver Station - BTS

    Implementa i protocolli di livello fisico sullinterfaccia radio (Um) per il corretto scambio di informazioni

    tra MT e BTS

    Stazione Radio Base

    Stazione Radio Base

    Base Tranceiver Station - BTS

    Effettua la codifica di canale (ChannelCoding Unit CCU) e la cifratura

    Modula / demodula i segnali

    Realizza il frequency hopping

    Effettua linterleaving

  • 16

    Base Tranceiver Station - BTS

    Effettua misura di qualit dei canali uplink e riceve da MT le misure

    relative al downlink, le invia al BSC che decide il controllo di potenza e

    lhandover

    Stazione Radio Base

    Stazione Radio Base BTS

    Filtrooutput

    Filtroinput

    diversityControllo + clock

    TX HF (mod)

    ----------

    RX HF (demod)

    TRX

    (digital proces.)

    Slow FH Trans.

    system Abis

    Base Tranceiver Station - BTS

    un apparato di livellofisico e non ha praticamente alcuna

    intelligenza: nel GSM anche la valutazione e la decisione sugli

    handover da effettuare demandata ad altre entit

    (MT, BSC e MSC)

    Stazione Radio Base

  • 17

    Stazione Radio Base: esempi

    Stazione Radio Base: esempi

    Stazione Radio Base: esempi

  • 18

    Base Station (BS)

    Base Tranceiver Station (BTS) Interfaccia fisica che si occupa della

    rice-trasmissione

    Stazione Radio Base

    Base Station Controller (BSC)Controllo delle risorse

    sullinterfaccia radio

    Un BSC controlla un numeroelevato di BTS:

    da alcune decinead alcune centinaia

    Controllore della Stazione Radio Base (Base Station Controller- BSC)

    Controllore della Stazione Radio Base (Base Station Controller- BSC)

    Matrice di commutazione

    Controllo + clock

    DBTCE

    TCE

    TCE

    TCE

    TCE

    TCE

    AAbis

  • 19

    Controllore della Stazione Radio Base (Base Station Controller- BSC)

    I compiti principali del BSC sono:

    La concentrazione del traffico verso un MSC e

    lo smistamento del traffico verso le BTS

    BTS e BSC sono collegate dacollegamenti a 2 Mb/s (32 canaliPCM a 64 kb/s)

    Un canale PCM del collegamento a 2 Mb/s viene usato per trasportare 4 canali di traffico GSM a 13 kb/s

    Per ogni portante occorrono 3 canali PCM: 1 per segnalazione, 2 per trasportare 8 canali di trafficoGSM

    Controllore della Stazione Radio Base (Base Station Controller- BSC)

    La transcodifica della voce GSM (13 kb/s) PCM (64 kb/s) e viceversa fatta dalla BSC (Transcoder Rate Adaptation Unit - TRAU)

    Controllore della Stazione Radio Base (Base Station Controller- BSC)

  • 20

    BTS BSC MSC

    Canali di trafficoGSM (13kb/s) PCM a 2Mb/s

    Canali PCM standard 64 kb/s

    31 0 1 31

    0 1 32

    Trama PCM a 2Mb/s(32 x 64 kb/s)

    31 1 3 31

    Trama PCM

    0 2

    0

    0

    Transcodifica

    2

    TM

    Comunicazione tra BTS e BSC

    La comunicazione tra BTS e BSC pu avvenire: via rete fissa telefonica, noleggiando le linee

    da un gestore nel caso l'operatore GSM non ne disponga di proprie

    via radioLa soluzione via radio sicuramente pi economica, (no canone di noleggio delle linee, n costose infrastrutture)E' cos possibile installare le BTS nelle posizioni ideali, con l'unico obbligo di fornire una linea di alimentazione elettrica alla BTS

    Comunicazione tra BTS e BSCPonte Radio a Microonde

    I canali PCM possono essere trasferiti alla BSC con ponte radio a microonde (freq. da 13 a 58 GHz)

  • 21

    Controllore della Stazione Radio Base (Base Station Controller- BSC)

    I compiti principali del BSC sono:

    Transcodifica della voceGSM PCM

    Controllore della Stazione Radio Base (Base Station Controller- BSC)

    I compiti principali del BSC sono:

    Analisi delle misure di qualit del segnale sulla tratta radio

    Decisione se il caso di fare handover

    Controllore della Stazione Radio Base (Base Station Controller- BSC)

    I compiti principali del BSC sono:

    Analisi delle misure di qualit del segnale sulla tratta radio

    Gestione dellhandover tra BTS controllate dallo stesso BSC o richiesta di gestione allMSC

  • 22

    Controllore della Stazione Radio Base (Base Station Controller- BSC)

    I compiti principali del BSC sono:

    Controllo delle risorse radio: gestione delle frequenze,

    che possono essere assegnate in modo dinamico alle varie

    BTS

    Controllore della Stazione Radio Base (Base Station Controller- BSC)

    I compiti principali del BSC sono:

    Gestione del paging

    Manutenzione del BSS

    I BSC possono essere colocatinel sito di un MSC o essere autonomi,

    o ancora essere posizionati vicino(o insieme) ad alcune BTS.

    Normalmente vengono colocaticon MSC per questioni di controllo

    e manutenzione

    Controllore della Stazione Radio Base (Base Station Controller- BSC)

  • 23

    Architettura del GSM

    PLMN

    Network and SwitchingSub- system (NSS)

    Noto anche come Switching and Management Sub-system (SMSS), svolge funzionifondamentali

    Gestione della mobilit Controllo delle chiamate

    Supporto ai servizi forniti

    Network and SwitchingSub- system (NSS)

    HLR VLR

    EIR

    AuC

    NSS

    BSS

    A

    Um

    TM

    (G)MSC

  • 24

    Mobile Switching Center (MSC): la centrale di commutazione che gestisce i servizi mobili

    Network and SwitchingSub- system (NSS)

    E un normale commutatore PCM (commutatore a circuito) cui sono state aggiunte funzionalit di segnalazione per la gestione della mobilit

    Centro di Commutazionedei Servizi Mobili (Mobile Switching Center- MSC)

    Centro di Commutazionedei Servizi Mobili (Mobile Switching Center- MSC)

    Funzioni fondamentali:

    Gestione della mobilit (location update, paging ecc.)

    Controllo delle chiamate (con autenticazione)

    Supporto ai servizi

  • 25

    Centro di Commutazionedei Servizi Mobili (Mobile Switching Center- MSC)

    Funzioni fondamentali:

    Alloca risorse e crea connessioni con i TM sulla parte di rete fissa (Connection Management - CM)

    Consente linstradamento delle chiamate da un TM ad un altro

    Centro di Commutazionedei Servizi Mobili (Gateway Mobile SwitchingCenter- GMSC)

    Un caso particolare di MSC il GMSC (Gateway-MSC), che linterfaccia tra la rete GSM e le reti fisse (PSTN) e/o altre reti GSM (PLMN)

    Home Location Register (HLR): il data base con

    I dati permanenti degli utenti

    I dati dinamici per gestire la mobilit (es. identificativo del VLR)

    Network and SwitchingSub- system (NSS)

  • 26

    Visitor Location Register(VLR): il data base con

    Le informazioni relative ai MT attualmente presso larea di competenza del MSC

    Network and SwitchingSub- system (NSS)

    Equipment Identity Register(EIR): il data base degli apparati rubati o difettosi

    Network and SwitchingSub- system (NSS)

    Authentication Center (AuC): genera chiavi di cifratura

    Network and SwitchingSub- system (NSS)

  • 27

    Numeri di identificazione di uso interno alla rete o per comunicare con altre reti

    IMSI e TMSIMSISDN e MSRNIMEI e IMEISV

    Identificazione dei terminali

    Numero di identificazione di uso interno alla rete

    Composto da 3 campi

    IMSI

    Strutturalmente uguale a IMSI

    legato al LAI (alla Location Area)

    TMSI

    Numero assegnato temporaneamente dalla rete (VLR) a MT per questionidi privacy e protezione

  • 28

    Cambiato ad ogni uso, e ad ogni location update

    Trasmesso in chiaro dal MT per autenticarsi, viene ri-assegnatodalla rete dopo aver instaurato un canale sicuro (crittografato) una eventuale intercettazione inutile

    TMSI

    IMSI inviato solo se necessario, MS cerca prima di inviare TMSI

    Ad esempio:MS non ha un TMSI in

    memoriaTMSI non pi valido

    TMSI & IMSI

    MSISDN: Mobile Station International ISDN Number... il numero di telefono

    MSRN: Mobile Station Roaming Number

    MSISDN & MSRN

  • 29

    MSRN:Mobile Station Roaming Number

    Numero usato dalla rete per linstradamento delle chiamate

    Memorizzato presso VLR, identificalMSC dove si trova il mobile, quindi anche leventuale operatore di roaming

    MSISDN & MSRN

    International Mobile Equipment Identity

    Numeri di identificazione dellapparato

    IMEI (60 bit) identifica lhardware

    IMEI e IMEISV

    IMEISV (64 bit) identifica anche eventuali diverse versioni

    di software/firmware

    24 bit: TAC (Type Approval Code)

    8 bit: FAC (Final Assembly Code) - il produttore

    IMEI e IMEISV

  • 30

    IMEISV (64 bit) identifica anche eventuali diverse versioni

    di software/firmware

    24 bit: SN (Serial Number)

    8 bit: SVN (Software Version Number) in IMEISV

    IMEI e IMEISV

    (4 bit non usati in IMEI)

    Identificata da un Cell GlobalIdentifier (CGI)

    Servita da una BTS, identificata con un Base Station IdentityCode (BSIC). BSIC irradiata dalla BTS

    Aree del GSM

    Cella

    Aree del GSM

    Location Area:

    Insieme di celle in cui un MTsi muove senza cambiarele informazioni nel VLR

    Identificata da un LAI

  • 31

    MSC/VLR service area:

    Insieme di location area servite dallostesso MSC e dal VLR associato al MSC

    Public Land Mobile Network (PLMN):Una rete GSM di un gestore

    GSM service area:Insieme di tutte le aree serviteda PLMN

    Aree del GSM

    PLMN2

    PLMN1PLMNn

    PLMNmGSM Service Area

    MSC/VLR1MSC/VLRn

    MSC/VLRmPLMN Service Area(es. TIM, Vodafone, ...) MSC/VLR2

    LA1 LAnMSC/VLR Service Area

    CellLocation Area

    Aree del GSM

    IMSI: identifica lutente

    MSISDN: il numero di telefono

    TMSI: lidentificativo temporaneo usato al posto dellIMSI sulla tratta radio

    Riepilogo: Identificatori di Utente

    MSRN: il numero usato dal GMSC per instradare una chiamata, memorizzato nel VLR

  • 32

    Identificativo del VLR presso cui sono memorizzati i dati. Il MSRN permette di identificare lMSC/VLR dinteresse

    Identificativo del HLR presso cui lutente registrato. Il MSISDN permette di individuare lHLR

    LAI: identifica la Location Area su cui lutente

    Riepilogo: Identificatori di Area