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GSMArchitettura
Argomenti della lezione
Breve storia
Elementi e componenti
Architettura
Interfacce
Breve storia
La CEPT (Conférence Européennedes Administrations des Postes etdes 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 GroupeSpécial 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:
l’interfaccia radioi formati di trasmissionei protocolli di segnalazionele interfaccel’architettura 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! ...più tutti quelli relativi all’evoluzione, cioè 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 dell’industria
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 l’introduzionedei 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(modalità e prezzi)
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Breve storia
Con l’istituzione 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 l’acronimo 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 più 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 è diventato uno standard mondiale, influenzando in modo significativo l’evoluzione 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 velocità 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
È il terminale di proprietà dell’utente
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 all’antenna
Terminale Mobile (Mobile Station – MS)
“Dual-Band” se funziona siaa 900 MHz che a 1800 MHz
MS è 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)
È una scheda intelligente (con processore e memoria) di tiposmart card che rende “operativo”un qualunque terminale MS
Deve essere inserita nell’apposito lettore di MS
Modulo di IdentificazioneUtente (Subscriber IdentityModule – SIM)
Le caratteristiche dell’utente(# 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
sull’interfaccia radio
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Stazione Radio Base
Base Tranceiver StationBTS
Stazione Radio Base
Base Tranceiver Station - BTS
È il punto di accesso alla rete di TLC, o se si vuole,
la “controparte” di MT
Base Tranceiver Station - BTS
È 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 caratteristicaè possibile “aggiustare” in modo dinamico le dimensioni delle celle
Stazione Radio Base
Base Tranceiver Station - BTS
La potenza emessa dauna stazione radio base è 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 può 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 sull’interfaccia 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 l’interleaving
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Base Tranceiver Station - BTS
Effettua misura di qualità dei canali uplink e riceve da MT le misure
relative al downlink, le invia al BSC che decide il controllo di potenza e
l’handover
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
È un apparato di livellofisico e non ha praticamente alcuna
“intelligenza”: nel GSM anche la valutazione e la decisione sugli
handover da effettuare è demandata ad altre entità
(MT, BSC e MSC)
Stazione Radio Base
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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
sull’interfaccia 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 è 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 può 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 é sicuramente più economica, (no canone di noleggio delle linee, né costose infrastrutture)E' così 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 qualità del segnale sulla tratta radio
Decisione se è il caso di fare handover
Controllore della Stazione Radio Base (Base Station Controller- BSC)
I compiti principali del BSC sono:
Analisi delle misure di qualità del segnale sulla tratta radio
Gestione dell’handover tra BTS controllate dallo stesso BSC o richiesta di gestione all’MSC
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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 mobilità
→ 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): è 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 funzionalità di segnalazione per la gestione della mobilità
Centro di Commutazionedei Servizi Mobili (Mobile Switching Center- MSC)
Centro di Commutazionedei Servizi Mobili (Mobile Switching Center- MSC)
Funzioni fondamentali:
Gestione della mobilità (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 l’instradamento delle chiamate da un TM ad un altro
Centro di Commutazionedei Servizi Mobili (Gateway Mobile SwitchingCenter- GMSC)
Un caso particolare di MSC è il GMSC (Gateway-MSC), che è l’interfaccia tra la rete GSM e le reti fisse (PSTN) e/o altre reti GSM (PLMN)
Home Location Register (HLR): è il data base con
–I dati permanenti degli utenti
–I dati dinamici per gestire la mobilità (es. identificativo del VLR)
Network and SwitchingSub- system (NSS)
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Visitor Location Register(VLR): è il data base con
–Le informazioni relative ai MT attualmente presso l’area di competenza del MSC
Network and SwitchingSub- system (NSS)
Equipment Identity Register(EIR): è 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
È 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 è inutile
TMSI
IMSI inviato solo se necessario, MS cerca prima di inviare TMSI
Ad esempio:MS non ha un TMSI in
memoriaTMSI non è più 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 l’instradamento delle chiamate
Memorizzato presso VLR, identifical’MSC dove si trova il mobile, quindi anche l’eventuale operatore di roaming
MSISDN & MSRN
International Mobile Equipment Identity
Numeri di identificazione dell’apparato
IMEI (60 bit) identifica l’hardware
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 è 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
PLMN1
PLMNn
PLMNmGSM Service Area
MSC/VLR1
MSC/VLRn
MSC/VLRmPLMN Service Area(es. TIM, Vodafone, ...) MSC/VLR2
LA1 LAn
MSC/VLR Service Area
CellLocation Area
Aree del GSM
IMSI: identifica l’utente
MSISDN: è il numero di telefono
TMSI: è l’identificativo temporaneo usato al posto dell’IMSI sulla tratta radio
Riepilogo: Identificatori di Utente
MSRN: è il numero usato dal GMSC per instradare una chiamata, è memorizzato nel VLR