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Corso di Laurea Magistrale in Ingegneria Elettronica e delle Telecomunicazioni

Sistemi di Telecomunicazione A.A. 2015-16

UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI CAGLIARI

GSM

Livello radio e protocolli

1




Tecnica di Accesso e Struttura dei Canali

GSM usa una tecnica di accesso mista tempo/frequenza (FDMA/TDMA) La porzione di spettro disponibile è suddivisa in canali FDM di 200 kHz

l’uno; ciascun canale FDM è ulteriormente suddiviso in 8 canali con tecnica TDM La trasmissione è organizzata in “burst ”: Ogni stazione trasmette un blocco di dati in un intervallo temporale (1

canale TDM) e “tace” durante gli altri 7 intervalli dedicati agli altri canali.

2




Frequenze Assegnate al GSM (Europa)

3

In UK e in USA si usano bande intorno a 1900 MHz anziché intorno a 1800 MHz Esistono terminali “tri-band”





I canali uplink e downlink sono sempre accoppiati in modo fisso e distano: 45 MHz a 900 95 MHz a 1800

A 900 dispone di 124 (125-1) canali FDM nella parte primaria dello spettro più 50 canali nella parte estesa A 1800 dispone di 374 (375-1) canali FDM Il canale all’estremo inferiore non è mai usato Se possibile sia a 900 che a 1800 anche i canali all’estremo superiore

sono usati come “guardia”

4




FDMA - TDMA

5




Modulazione

La modulazione utilizzata per la trasmissione GSM è la GMSK La GMSK deriva da una MSK con la differenza che rispetto alla

MSK vengono usati impulsi con inviluppo Gaussiano

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La banda assegnata a GSM è parzialmente sovrapposta a quella dei sevizi TACS, creando qualche problema di “convivenza” Esiste un sistema di numerazione assoluto dei canali (ARFCN –

Absolute Radio Frequency Channel Number), che consente di identificare in modo univoco il canale da usare (o in uso) indipendentemente dal fatto che sia GSM/900 o DCS/1800 I canali GSM-900 hanno ARFCN da 0 a 124 (primario) e da 974 a 1023

(esteso)

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Assegnazione delle Frequenze in Italia

In Italia e in Inghilterra le frequenze in uso per il TACS sono nella banda assegnata al GSM a livello internazionale, creando quindi situazioni di conflitto

Esempio: assegnazioni per l’uplink nel 1997

(quelle per il downlink si ottengono aggiungendo 45 MHz) TACS da 882 MHz a 902.6 GSM TIM da 902.7 MHz a 908.2 GSM Omnitel da 908.2 MHZ a 913.7

8




Struttura della Trama GSM

Ogni canale FDM è diviso in 8 canali TDM; la durata della trama TDM è di 4.615 ms La trasmissione bidirezionale in GSM è ottenuta mediante la tecnica a

divisione di tempo (TDD – Time Division Duplex) anche se su diversi canali in frequenza: basta una sola interfaccia radio! Le trame sui canali uplink e downlink sono sincronizzate e sfalsate di 3

slot, in modo da consentire la separazione tra trasmissione e ricezione

9




FDM/TDM

Frequenza + time slot = canale comunicazione GSM Time slot adattati ai burst di trasmissione

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Tecnica di Accesso e Struttura dei Canali

Per risparmiare le batterie e ridurre l’interferenza il trasmettitore RF viene spento quando non trasmette e anche quando non vi è informazione da trasmettere (soppressione dei silenzi) Spegnimento e accensione del trasmettitore RF pongono notevoli

problemi di “ramping”, cioè di transitorio per portare l’amplificatore a regime prima di cominciare la modulazione dei dati La velocità di cifra al trasmettitore è di circa 271 kbit/s

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Ramp-Up e Inviluppo

Gli amplificatori hanno dei tempi non nulli di accensione e spegnimento (ramp-up/down) La trasmissione deve avvenire a inviluppo costante e senza interferenza

con lo slot precedente e successivo È necessario sincronizzare in modo molto fine tutti gli MS rispetto alla

BTS Servono dei periodi di guardia prima e dopo la trasmissione

dell’informazione utile Nei periodi di guardia i segnali si possono sovrapporre

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Ramp-Up e Inviluppo

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5 “tipi” di Burst

“normali”: per la trasmissione di messaggi sia sui canali di traffico che su quelli di controllo “accesso”: usati nelle fasi di setup quando MS non è ancora

sincronizzato con BTS (solo uplink) “sincronizzazione”: inviati da BTS per la sincronizzazione degli MS “correzione della frequenza”: inviati periodicamente da BTS per

consentire la correzione degli oscillatori degli MS “dummy”: inviati sugli slot vuoti se è necessario tenere alta la potenza

della portante

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Struttura dei Burst “normali”

Code Data: bit di utente (voce,dati etc.), 114bit dopo la codifica di canale, che corrispondono a 13 Kbit/s netti per la voce (più codifica), a 9,6 Kbit/s per i dati (codifica di canale più ridondante) Training Sequence: bit di controllo usati per la sincronizzazione e per

l’aggancio dei trasmettitori

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(000) (000) “Stealing bits”




Struttura dei Burst “normali”

T-bits: posti sempre a 0, usati come tempi di guardia e per l’inizializzazione

del demodulatore S-bits: segnalano se il burst contiene dati utente o di segnalazione GP: periodo di guardia per consentire l’accensione e lo spegnimento dei

trasmettitori

16








della portante

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Struttura dei Burst “di accesso”

T-bits: posti sempre a zero, usati come tempi di guardia e per

l’inizializzazione del demodulatore,notare la sequenza estesa a 8 bit all’inizio del burst Sync-bits: sequenza nota;consente l’aggancio del ricevitore alla BTS Coded Data: bit di utente (dati) Ext.GP: periodo di guardia allungata per garantire che il burst, trasmesso

come se ci si trovasse alla massima distanza da BTS, non “debordi” sullo slot successivo, 68.25 bit ≈ 0.2525 ms

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Sincronizzazione e Dimensione delle Celle L’access burst viene spedito in uplink quando non esiste ancora una

sincronizzazione fine con la BTS La dimensione massima delle celle deve essere tale per cui il burst di

accesso giunga alla BTS senza pericolo di sovrapposizione con lo slot successivo In mancanza di altre informazioni MS si comporta come se il ritardo di

propagazione tra MS e BTS fosse il massimo ammesso, trasmettendo per un tempo ridotto Ne consegue (con un po’ di approssimazione):

In realtà, per convenzione si assume come raggio massimo 35 KM

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KmGPCR 5.372

max =×

=








della portante

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Struttura dei Burst “di sincronizzazione”

T-bits: posti sempre a 0, usati come tempi di guardia per l’inizializzazione del

demodulatore Ext. Training-bits:sequenza nota;consente l’aggancio del ricevitore alla BTS Coded Data: bit di segnalazione per la trasmissione dei dati relativi alla

sincronizzazione globale.Contengono anche informazioni per identificare la rete (operatore) cui appartiene la cella e la cella stessa (Location Area e codice di cella ) GP: periodo di guardia

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Struttura dei Burst “di correzione di frequenza”

T-bits: posti sempre a 0, usati come tempi di guardia e per l’inizializzazione del demodulatore GP: periodo di guardia La sequenza di tutti zero, data la modulazione GMSK, equivale a trasmettere

una sinusoide pura per tutta la durata del burst

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della portante

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Struttura dei Burst “dummy”

Sono burst normali in cui al posto dei dati vengono trasmessi tutti zero I bit stealing sono eliminati Vengono usati solo dalle BTS per l’individuazione (potenza elevata) del

canale “principale” della cella

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Assegnazione delle Risorse alle Celle

Ciascuna cella GSM può avere da 1 a 16 portanti Lo slot “0” di una portante è sempre usato per un canale di broadcast su

cui vengono trasmessi i burst di correzione della frequenza e di sincronizzazione. Questa frequenza è chiamata CO ed è la “portante principale” della cella Su CO la BTS trasmette in modo continuo, usando burst dummy se non

ha dati da trasmettere

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Tramatura GSM

TRAMA – 8 slot in TDMA (4.165ms) MULTITRAMA DI TRAFFICO – 26 trame (120ms) MULTITRAMA DI SEGNALAZIONE – 51 trame (235.4ms) SUPERTRAMA – 26 multitrame di controllo, ovvero 51

multitrame di traffico (6.12s) IPERTRAMA – 2048 supertrame (3h 28m 53s 760ms)

26




Tramatura

27




Canali Fisici GSM

Un canale fisico è dato da una sequenza di burst → un time-slot ogni trama La velocità di trasmissione (lorda) è

148 bit / 4.165 ms = ~32 Kbit/s Nei burst normali i bit utili (a valle della codifica) sono

114 bit → ~24.7Kbit/s I dati utente sono protetti da codici a controllo d’errore, la velocità di

trasmissione utile per l’utente dipende dallo schema di codifica es. codificatore voce: 13 Kbit/s + codifica = ~24.7 Kbit/s

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Canali fisici GSM

Sui canali fisici sono mappati i canali logici Lo schema di codifica usato dipende dal canale logico

La mappatura dei canali logici sui canali fisici fa riferimento ad

uno schema di temporizzazione assoluto che definisce trame, supertrame (di traffico e controllo) e ipertrame

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Canali Logici

Canali di traffico Traffico dati/voce

Canali di controllo Per Segnalazioni di sistema

– Identificazione, sincronizzazione, sintonizzazione Segnalazioni di utente

– Instaurazione, handover, rapporti periodici e non

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Canali Logici

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Channels

Traffic Channels

Data

14.4 FR-TCH

9.6 FR-TCH

4.8 FR-TCH

1.2 FR-TCH

Voice

FR

E - FR

HR

Control Channels

BCH

FCCH

SCH

BCCH

CCCH

RACH

AGCH

PCH

DCCH

SDCCH

FACCH

SACCH




Canali di traffico I canali di traffico (TCH) trasportano le informazioni di tipo fonia e dati

generati dall'utente Sono definiti in base a gruppi di 26 trame della durata di 120 ms, 24 di

queste sono usate per trasportare il traffico, 1 per il SACCH e 1 è ancora inutilizzata Possono essere di tipo: TCH/EFS: Enhanced Full rate Speech TCH/FS: Full rate Speech TCH/HS: Half rate Speech TCH/F9.6: dati a 9.6 kbps (FR) TCH/F4.8: dati a 4.8 kbps (FR) TCH/F2.4: dati a 2.4 kbps (FR) TCH/F1.2: dati a 1.2 kbps (FR)

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Canali di traffico Possono essere di tipo: TCH/EFS: Enhanced Full rate Speech TCH/FS: Full rate Speech TCH/HS: Half rate Speech TCH/F9.6: dati a 9.6 kbps (FR) TCH/F4.8: dati a 4.8 kbps (FR) TCH/F2.4: dati a 2.4 kbps (FR) TCH/F1.2: dati a 1.2 kbps (FR)

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Traffic Channels

Data

14.4 FR-TCH

9.6 FR-TCH

2.4 FR-TCH

1.2 FR-TCH

Voice

EFS FS HS




Canali di controllo

Tre famiglie: Canali di distribuzione (BCH) Canali di controllo comuni (CCCH) Canali di controllo dedicati (DCCH)

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Control Channels

BCH

CCCH

DCCH




Broadcast Channel (BCH)

Sono canali che trasportano informazioni di interesse generale. Sono trasmessi in modo monodirezionale downlink (da BTS a MS) punto-multipunto Sono: Broadcast Control Channel (BCCH) Frequency Control Channel (FCCH) Syncronization Channel (SCH)

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BCH

BCCH

FCCH

SCH




BCCH

Broadcast Control Channel (BCCH) 184 bit di segnalazione numero di canali di controllo comuni allocati numero di blocchi riservati al canale AGCH distanza tra due messaggi di paging nella trama i parametri dell’algoritmo di frequency hopping potenza min e max in trasmissione identità delle celle adiacenti

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BCH

BCCH

FCCH

SCH




FCCH e SCH

Sono monodirezionali downlink Il canale FCCH trasporta alla MS informazioni per la

correzione di frequenza Il canale SCH (Synchronization channel) trasporta in

25 bit le informazioni per la sincronizzazione della stazione mobile attraverso un Reduced Frame Number di 19 bit (dai quali è possibile ricavare il FN di 22 bit) e l'identificazione della BTS attraverso il Base Station Identity Code (BSIC) di 6 bit Ogni cella irradia un solo canale FCCH (trama 0) e un

solo canale SCH (trama 1) nel time slot 0 della portante fondamentale (la stessa del canale BCCH)

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BCH

BCCH

FCCH

SCH




Common Control Channels (CCCH)

Sono canali che portano informazioni di controllo relative ad una data connessione in una fase preliminare cui non corrisponde una associazione di un canale di sistema per la connessione Sono monodirezionali, ma non tutti downlink: Paging Channel (PCH): E' usato dalla BTS per

segnalare ad un terminale mobile l'arrivo di una chiamata. Downlink in tutte le celle di una Location Area. Random Access Channel (RACH): canale di uplink, ad

accesso slotted-aloha, usato da un terminale mobile per richiedere l'accesso alla rete e rispondere alle chiamate e alle richieste della rete (ad es. ai location update). Access Grant Channel (AGCH): canale downlink

utilizzato dalla rete per rispondere ad una richiesta RACH allocando alla MS il canale richiesto.

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CCCH

PCH

RACH

AGCH




Dedicated Control Channels (DCCH)

Canali assegnati ad una connessione per lo scambio di informazioni di segnalazione relative alla specifica connessione. Sono: Slow Associated Control Channel (SACCH) Fast Associated Control Channel (FACCH) Stand-alone Dedicated Control Channel (SDCCH) Cell Broadcast Control Channel (CBCH)

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DCCH

SACCH

FACCH

SDCCH

CBCH




Slow Associated Control Channel (SACCH)

Trasporta informazione di segnalazione tra MS e rete all'interno di una comunicazione Nella direzione downlink trasporta i messaggi di testo

SMS (recapitati durante una chiamata), le informazioni sulle misurazioni effettuate dalla BTS (PwrLev, TimeAdv) e tutte le informazioni del BCCH che altrimenti andrebbero perse dalla MS che si è assestata sul proprio canale di traffico Nella direzione uplink, invece, trasporta le misurazioni

effettuate dalla MS (RxLev, RxQual e i parametri relativi alle Adjacent Cells) necessarie per un corretto link monitoring (handover)

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DCCH

SACCH

FACCH

SDCCH

CBCH




Fast Associated Control Channel (FACCH)

Utilizzato per trasmettere le segnalazione time-critical che non possono attendere di essere inserite nel canale SACCH: ad esempio una segnalazione di handover Viene mandato in modo asincrono "sopprimendo"

l'informazione che avrebbe dovuto essere trasmessa

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DCCH

SACCH

FACCH

SDCCH

CBCH




Stand-alone Dedicated Control Channel (SDCCH) Canale assegnato ad una MS mediante una segnalazione

sul canale AGCH in risposta ad una richiesta RACH accolta È utilizzato per il trasporto dei messaggi di testo SMS (in

fase di standby) e per lo scambio delle segnalazioni durante la fasi di identificazione, di registrazione, di location update e di call-setup prima dell'assegnazione definitiva di un canale di traffico TCH Quando non è combinato con altri canali è detto

SDCCH/8 Esistono poi dei canali "ibridi" che sono il risultato della

combinazione di più canali di controllo: SDCCH/4: SDCCH combinato con CCCH SACCH/C8: SACCH combinato con SDCCH SACCH/C4: SACCH combinato con SDCCH/4

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DCCH

SACCH

FACCH

SDCCH

CBCH




Cell Broadcast Control Channel (CBCH)

Il canale di Cell Broadcast viene usato solo in downlink per trasportare il cosiddetto SMSCB (Short Message Service Cell Broadcast) Viene implementato utilizzando lo stesso canale

fisico degli SDCCH

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DCCH

SACCH

FACCH

SDCCH

CBCH




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Channel Request

RACH

AGCH




GSM Voice Coding

Nel GSM viene utilizzato un codificatore vocale RPE-LPC (Regular Pulse Excited - Linear Predictive Coder) con anello di predizione a lungo termine (Long Term Predictor):

1.Il segnale audio (3.2 kHz) viene diviso in segmenti (brani) di 20 msec ADC a 8 kHz e 8 bit/campione ⇒ 64 kbps (codifica PCM es. reti PSTN) ⇒

160 campioni per segmento 1.Ogni campione viene predetto sulla base dei campioni precedenti 2.Per ogni segmento vengono trasmessi i coefficienti del predittore lineare ed

una forma codificata dell’errore residuo (differenza tra il campione vero e quello predetto)

3.In tal modo ogni segmento di 20 msec viene rappresentato da 260 bit ⇒ Bit rate totale: 260 bit / 20 msec = 13 kbps

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GSM Voice Coding

47




GSM Voice Coding

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Vari tipi di codec con vari datarate Code Excited Linear Prediction (CELP) Voice Activity Detection (VAD) Comfort Noise Generator (CNG)




Short Messaging Service

Il servizio di messaggeria breve, SMS, è stato un fattore trainante della proliferazione del GSM Il loro successo è nato praticamente per caso, non era stato pianificato

In origine era un servizio destinato agli operatori di rete

Sono specificati due tipi differenti di SMS: SMS Point-to-point (SMS/PP): da un telefono GSM ad un altro SMS Cell Broadcast (SMS/CB): consente alla rete di inviare un messaggio

contemporaneamente a tutti i telefonini all’interno di una determinata zona geografica

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Proprietà degli SMS

I messaggi sono inviati mediante la tecnica “store & forward” verso un Short Message Service Centre (SMSC) Il SMSC cerca di inviare il messaggio al destinatario e eventualmente

ritentare l’invio se questo è irraggiungibile Il messaggio viene spedito in condizione di “best effort”. Non esistono

cioè garanzie sulla reale consegna e sui tempi È possibile richiedere una conferma di avvenuta ricezione, mentre non è

assolutamente possibile avere una certezza sulla “perdita” del messaggio

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Payload del SMS

Poiché la trasmissione degli SMS avviene attraverso i Control Channel, la loro dimensione è strettamente limitata dalla capacità di questi canali Vengono spediti al SMSC mediante protocollo SS7 con lo standard

GSM MAP Il payload è di 140 Bytes il che consiste in: 160 caratteri 7-bit 140 caratteri 8-bit 70 caratteri 2-byte (es.: Arabo, cinese, coreano, Giapponese, russo)

mediante Unicode Questo non include i vari header relativi al routing

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SMSC

Il Centro Messaggi, detto SMSC (Short Message Service Center), è l'entità della rete GSM che è incaricata di gestire il servizio SMS: riceve i messaggi da diverse fonti (terminali GSM, modem, Centri

Messaggi di altri operatori, Internet), e provvede a recapitarli ai terminali mobili destinatari.

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Tempi massimi

l tempo massimo in cui i messaggi sono conservati nel Centro Servizi dipende dal gestore di rete (anche se potrebbe essere programmato dal mittente con un apposito parametro specificato al momento della spedizione) e può assumente valori da 1 ora fino a qualche settimana Gli operatori italiani (più in generale quelli europei) hanno fissato un

tempo massimo di 48 ore: trascorso tale limite i messaggi vengono automaticamente rimossi dal Centro Messaggi e non verranno più recapitati al destinatario

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Invio dell’SMS

L’invio di un SMS Point-to-point si compone in realtà di una concatenazione di due differenti azioni: Inoltro del messaggio dal telefonino al Centro Messaggi: SMS-MO

(SMS Mobile Originated), Inoltro dal Centro Messaggi al telefonino del destinatario: SMS-MT

(SMS Mobile Terminated).

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PDU

Il protocollo del servizio SMS utilizza sei diverse PDU (Protocol Data Unit): SMS-SUBMIT (Terminale -> SMSC, invia un messaggio) SMS-DELIVER (SMSC -> Terminale, invia il messaggio) SMS-COMMAND (Terminale -> SMSC, invia un comando) SMS-DELIVER-REPORT (Terminale -> SMSC, invia la ragione di una

mancata ricezione) SMS-SUBMIT-REPORT (SMSC -> Terminale, invia la ragione di una

mancata ricezione) SMS-STATUS-REPORT (SMSC -> Terminale, invia lo stato di delivery di un

messaggio)

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Transportation

Le PDU viaggiano tra terminale e SMSC attraverso i canali di controllo: in fase di stand-by attraverso il canale SDCCH (Stand alone

Dedicated Control Channel) durante una chiamata attraverso il canale SACCH (Slow Associated

Control Channel) così che si possa ricevere ed inviare i messaggi anche quando si è in conversazione

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http://www.gsmworld.it/intradio.htm

http://www.gsmworld.it/intradio.htm




SMS Routing

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58

SMS Routing – MS originated (MO)

SMSC - Short Message Service Centre MSC – Mobile Switching Centre SMS-IWMSC - Inter-Working MSC for SMS H/VLR – Home/Visitor Location Register MS – Mobile Station




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SMS Routing – MS terminated (MT)

SMSC - Short Message Service Centre GMSC – Gateway Mobile Switching Centre SMS-IWMSC - Inter-Working MSC for SMS H/VLR – Home/Visitor Location Register MS – Mobile Station




60

Channels

Traffic Channels

Data

14.4 FR-TCH

9.6 FR-TCH

4.8 FR-TCH

1.2 FR-TCH

Voice

FR E - FR HR

Control Channels

BCH

FCCH SCH BCCH

CCCH

RACH AGCH

PCH

DCCH

SDCCH FACCH SACCH

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