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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

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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

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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)

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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Stazione Radio Base: esempi

Stazione Radio Base: esempi

Stazione Radio Base: esempi

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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

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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)

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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)

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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

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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)

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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

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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

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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)

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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)

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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

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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

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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

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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

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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

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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