Reti Avanzate: Reti cellulari -...

Dott.ssa Chiara PetrioliDott.ssa Chiara Petrioli

Reti Avanzate: Reti cellulariReti Avanzate: Reti cellulari

Un primo passo verso la comunicazione Un primo passo verso la comunicazione anywhere anytimeanywhere anytime

Si ringraziano per il materiale fornito, da cui sonostate tratte molte di queste slide il Prof. AntonioCapone, Politecnico di Milano (corso di retiradiomobili)e il Prof. Giuseppe Bianchi, Universita’ di Tor Vergata)

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RiferimentoRiferimento

per questo argomento usare come riferimento il testo - O. Bertazioli, L. Favalli, GSM-GPRS, Hoepli Informatica 2002.

per questo argomento usare come riferimento il testo - O. Bertazioli, L. Favalli, GSM-GPRS, Hoepli Informatica 2002.

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Cenni storici (1)Cenni storici (1)

� 1982: 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 (successivamente rinominato Global System for Mobile communications).

� Questa iniziativa seguiva l’esperienza di sistemi analogici incompatibili sviluppati nella varie parti d’Europa.

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� 1985: definizione della lista di raccomandazioni che il GSM deve produrre (finiranno per essere circa 130: 1500 pagine in 12 volumi! ... piùtutti quelli relativi all’evoluzione, cioè le fasi 2+ e 3 di GSM)

� 1986: viene istituito il cosiddetto nucleo permanente con lo scopo di coordinare il lavoro del GSM, soprattutto visto il forte interesse da parte dell’industria

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• 1987: viene firmato un primo Memorandum of Understanding (MoU) tra operatori Telecom in rappresentanza di 12 Nazioni (europee) con i seguenti obiettivi:

• coordinare lo sviluppo temporale delle reti GSM europee e verificarne lo standard

• pianificare l’introduzione dei servizi• concordare politiche di instradamento e la tariffazione (modalità e prezzi)

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• 1988: con l’istituzione di ETSI (European Telecommunication Standards Institute) il lavoro su GSM viene “spostato” in questo foro

• 1990: viene deciso di applicare le specifiche GSM anche al sistema DCS1800 (Digital Cellular System on 1800 MHz), un sistema di tipo PCN (Personal Communication Networks) inizialmente sviluppato in U.K.

• 1991: (luglio) il lancio commerciale del GSM, pianificato per questa data, viene rimandato al 1992per la mancanza di terminali mobili conformi allo standard

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• 1992: 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

• 1993: il MoU raccoglie 62 membri di 39 paesi; inoltre altre 32 organizzazioni in rappresentanza di 19 paesi partecipano come osservatori in attesa di firmare il MoU

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1994-95: introduzione degli SMS

1995-97: introduzione dei servizi a 1800 MHz e a 1900 Mhz (USA)

1996: standardizzazione dei codificatori enhanced sia full che half-rate

1997: terminali dual-band con codificatore enhanced

1998: 320 reti GSM in 118 nazioni con 135 milioni di utenti in tutto il mondo

1999: standard GPRS per la trasmissione a pacchetto e primi terminali WAP (Wireless Access Protocol) su circuito commutato

2000/01: introduzione dei servizi GPRS

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• 1993-2001: 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 anche in USA con quasi 10 operatori, che hanno una quota di mercato seconda solo a AMPS (Advanced Mobile Phone Syestem)/D-AMPS.Di fatto è diventato una standard mondiale, influenzando in modo significativo l’evoluzione verso le reti di 3a generazione e contribuendo a determinare il fallimento commerciale delle reti satellitari

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Predizioni sullo sviluppo Predizioni sullo sviluppo del del mercato mercato radiomobileradiomobile

� Who has a cellular phone?� USA: Over 50% of US households� Italy: from 2001, more wireless lines than wired� World: from march 2002, 1 billion wireless cellular

users– Much faster than projections!– August 2000: 372 GSM networks, 362M customers

� Revenues:� global revenue from wireless portals predicted to

grow from $700M to $42 billion by 2005� WLAN revenues predicted at $785M by 2004� Forecasting a 59 percent growth rate for wireless

usage in rural areas between 2000 and 2003

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Caratteristiche generaliCaratteristiche generali

� Sistema digitale di 2a Generazione (2G)� accesso multiplo di tipo multicarrier TDMA (8 slot per

portante)� 1 canale FDMA=200KHz� Codificatore full rate a 13Kbps, codifica half rate a 6.5Kbps� 992 canali full rate a 900Mhz, 2992 full rate per il DCS

1800Mhz� riuso di frequenze fisso� Controllo di potenza, trasmissione discontinua � Equalizzazione adattativa� servizi

� telefonia con numerosi servizi supplementari� dati a circuito (a singolo canale o a canale multiplo)� dati a pacchetto (GPRS – General Packet Radio Service)

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Altre caratteristicheAltre caratteristiche

� Power Control

� la potenza emessa dalle stazioni, mobili e base, viene regolata in base alle condizioni di propagazione

� Discontinous Trasmission

� durante le pause del parlato la trasmissione della voce codificata viene interrotta per diminuire l’interferenza e il consumo energetico

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Frequenze assegnateFrequenze assegnate

� In UK e USA si usano bande intorno a 1900 MHz anziché intorno a 1800 MHz (1850÷÷÷÷1910 uplink, 1930÷÷÷÷1990 downlink).

890

esteso downlink

esteso uplink

DCS/1800DCS/1800

F[MHz ]915 935 960

925

1710 1785 188018051805

124+49 portanti 124+49 portanti 374 portanti 374 portanti

uplink downlink

GSMGSM /900/900

uplink downlink

880

distanza tra frequenze usateper tx e rx 45 Mhz

distanza tra frequenze usateper tx e rx 95 Mhz

Because it requiresless power to tx a

lower frequency at distance d, uplink

frequencies are always the lower band, saving MS

consumed power

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Portanti radioPortanti radio

� Le portanti radio sono spaziate di 200 kHz

� Le portanti sono identificata da un ARFCN (Absolute Radio Frequency Channel Number)

� modulazione GMSK (Gaussian Minimum Shift Keying)� Ogni coppia di frequenze per canali bi-direzionali

uplink e downlink sono spaziate di 45 MHz nel GSM 900 e 95 MHz nel DCS 1800

f200 kHz

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Trama TDMATrama TDMA

� Su ogni portante radio la struttura TDMA consente di creare fino a 8 canali per la trasmissione di voce codificata a 13 Kb/s

3107654310765 2 2

7654320765432 11

TDM Frame - 4.615 ms

BTS Transmits fdown

MS Transmits fup

Time slot = 577 µs

925

3 slot offset uplink/downlink

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Qualche contoQualche conto……� Codificatore vocale genera 260 bit ogni 20 ms�� 13 kbps� Una volta aggiunta la codifica di canale si arriva a 156 bit

ogni 20ms �� 22.8 Kbps� Ogni portante ha un data rate pari a 270.833 Kbps ��

corrisponde ad una velocita’ lorda di 33.8Kbpsper slot� Una volta che si tolgono da questi 33.8Kbps I bit usati

dall’equalizzatore, per includere info sul tipo di pacchetto trasmesso, I tempi di guardia etc. si arriva ad una velocita’per dati+ codifica di canale pari a 24.7Kbps

� 24.7Kbps – 22.8 Kbps (effettivamente necessari0 danno un avanzo di 1.9 Kbps per canale dati �� vedremo che tale avanzo non va ‘sprecato’ uno slot ogni 13 trame usato per canale si segnalazione associato/dedicato al canale dati

3.2 3.2 –– Architettura del sistemaArchitettura del sistema

Reti RadiomobiliReti Radiomobili

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Architettura della reteArchitettura della rete

Si veda: - O. Bertazioli, L. Favalli, GSM-GPRS, Hoepli Informatica 2002.

Si veda: - O. Bertazioli, L. Favalli, GSM-GPRS, Hoepli Informatica 2002.

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BTS

BSC

Rete telefonicafissa

ISDN/PSTN

OMC

EIR

BSC

BSC

Um

Um

Um

Um

Abis

AbisAbis

Abis

BSC

A

A

A

A

E

AuC

MSC

GMSC

VLR

VLR HLR

BSS

NSS

OMSS

RS

Network Switching Subsystem

Radio Subsystem:

MS+BS Subsystem

Base StationSubsystem

BTS

BTS

BTS

Operation and Maintenence Subsystem

Authenticationcenter

Equipment identityregister

funzioni relative all’utilizzodelle risorse radio

gestione della mobilita’e controllo delle chiamate

Esercizio, manutenzione e amministrazione della rete

BTS=Base transceiver StationBSC= Base Station Controller

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BTS

BSC


ISDN/PSTN

OMC

EIR

BSC

BSC

Um

Um

Um

Um

Abis

AbisAbis

Abis

BSC

A

A

A

A

E

AuC

MSC

GMSC

VLR

VLR HLR

BSS

NSS

OMSS

RS


Radio Subsystem:

MS+BS Subsystem


BTS

BTS

BTS








Base station system: unita’ funzionali che si occupano degli aspetti radiodel sistema (copertura radio di una

o piu’ celle, comunicazione con le MSche si trovano all’interno delle celle)

BTS –apparati che consentono la coperturaRadio di una cella (codifica di canale,

cifratura, modulazione)BSC – unita’ per il controllo e la gestione di

una o piu’ BTS, interfaccia tra canaliRadio e canali PCM terrestri

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BTS

BSC


ISDN/PSTN

OMC

EIR

BSC

BSC

Um

Um

Um

Um

Abis

AbisAbis

Abis

BSC

A

A

A

A

E

AuC

MSC

GMSC

VLR

VLR HLR

BSS

NSS

OMSS

RS


Radio Subsystem:

MS+BS Subsystem


BTS

BTS

BTS








Network Switching SubsystemMSC –centrale di commutazione

(controllo delle chiamate, supporto dei servizi offerti dalla rete,

internetworking, gestione dellamobilita’)

VLR-controlla le MS presenti nell’area servita dall’MSC associato (database

con info su posizione, copia deidati utente)

HLR- database tramite cui sieffettua la gestione degli utenti mobili

dell’operatore, VLR dell’areain cui si trovano gli utenti

AUC-Authentication Centre �� calcolaparametri per autenticazione e

CifraturaEIR-Equipment Identity Register

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BTS

BSC


ISDN/PSTN

OMC

EIR

BSC

BSC

Um

Um

Um

Um

Abis

AbisAbis

Abis

BSC

A

A

A

A

E

AuC

MSC

GMSC

VLR

VLR HLR

BSS

NSS

OMSS

RS


Radio Subsystem:

MS+BS Subsystem


BTS

BTS

BTS








Operation and maintenance subsystemInsieme di unita’ funzionali per

la gestione, monitoraggio e manutenzioneDella rete GSM

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Aree definite in GSMAree definite in GSM� PLMN (Public Land Mobile Network) Area:

� area di servizio di una rete� MSC/VLR Area:

� area gestita da un MSC. I dati degli utenti presenti nell’area sono immagazzinati nel VLR associato al MSC

� Location Area:� una MSC/VLR area viene logicamente divisa in una o più

Location Area (LA). Se un utente cambia LA deve effettuare un location update. Le LA sono identificate da un LAI (Location Area Identifier), trasmesso da ogni BTS dell’area sul canale di controllo broadcast

� Cella:� area coperta da una BTS. Viene identificata da un BSIC

(Base Station Identity Code),anch’esso trasmesso dalla BTS sul canale di controllo broadcast

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Terminale mobile (Mobile Station Terminale mobile (Mobile Station -- MS)MS)

� È il terminale di proprietà dell’utente � Tre categorie a seconda della potenza nominale:

� veicolari: possono emettere fino a 20 W all’antenna� portatili: fino a 8 W all’antenna, sono trasportabili,

ma hanno bisogno di una notevole fonte di alimentazione per il funzionamento (es. PC portatili, fax, etc.)

� personali (hand-terminal): fino a 2 W all’antenna, èil “telefonino”

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Terminale mobile (Mobile Station Terminale mobile (Mobile Station -- MS)MS)

GSM 900 MHz DCS 1800 MHz GSM 900 MHz DCS 1800 MHz1 . 1 . 1202 8 0,25 960 303 5 4 600 4804 2 . 240 .5 0,8 . 96 .

Classe Potenza massima nominale [W] Potenza media nominale [mW]

� Caratteristiche� MS multi-band: può operare su più bande di frequenze (900,

1800, 1900, …)� MS multi-slot: può operare attivando contemporaneamente

canali su più slot (solo per GPRS)� MS è composto da un ME (Mobile Equipment) e una SIM

(Subscriber Identity Module) � ME è il terminale vero e proprio(HW, hw/sw per interfaccia

radio, interfaccia con l’utente finale). Identificato dal IMEI (International Mobile Equipment Identifier)

� SIM è la parte che attiva il terminale per un utente con tutte le informazioni necessarie: identifica l’utente, permette la personalizzazione del terminale

cellu

lari

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Modulo diModulo di identificazione utenteidentificazione utente(Subscriber Identity Module (Subscriber Identity Module -- SIM)SIM)

� È una scheda intelligente (con processore e memoria) di tipo smart card che rende “operativo” un qualunque terminale ME

� Deve essere inserita nell’apposito lettore di ME

� Sono ammessi 2 possibili formati: tipo carta di credito e un formato ridotto (plug-in SIM)

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Informazioni memorizzate nellaInformazioni memorizzate nellaSIM cardSIM card� Serial number

� identifica univocamente la SIM card (e ancheIl card holder)

� International Mobile Subscriber Identity (IMSI)� identifica l’utente in modo univoco nella rete

� Security authentication and cyphering information � A3 and A8 algorithm (sono le procedure per effettuare

l’autenticazione e la cifratura)� K i, Kc (sono le chiavi per l’autenticazione e la cifratura)

� Temporary Network information� LAI (Location Area Identifier), identificativo dell’ultima

location area visitata� TMSI (Temporary Mobile Subscriber Identity),

identificativo assegnato dalla rete ed usato invece del IMSI

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Informazioni memorizzate Informazioni memorizzate nellanella SIM cardSIM card

� Lista di servizi a cui l’utente è abbonato� Personal Identification Number (PIN)� Personal Unblocking Number (PUK)� Access rights � Prohibited networks� Call messages� Phone numbers

Un Mobile Equipment senza SIM abilitato solo a fare chiamate di emergenza

Mobile Equipment identificato da un identificativo unico IMEI (International Mobile Equipment Identity) che puo’essere utilizzato per identificare cellulari rubati

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Base Station System (BSS)Base Station System (BSS)

� il BSS raggruppa le unità funzionali che si occupano degli aspetti radio del sistema� copertura radio e comunicazione mediante interfaccia

radio con le MS, misure di qualita’ del canale� gestione delle risorse radio

� il BSS comprende:� Base Transceiver Station (BTS)

– insieme degli apparati che consentono la trasmissione e ricezione di informazione attraverso l’interfaccia radio. Ha compiti meramente esecutivi (esempio cifratura, modulazione, codifica): la gestione delle risorse gli viene gestita dal BSC

� Base Station Controller (BSC)– controlla e gestisce le risorse di un gruppo di BTS. Dalle BTS

riceve le informazioni sullo stato dell’interfaccia radio e alle BTS invia I comandi di configurazione e gestione. Esempi di funzionalita’ svolte dal BSC:reservation/release of radio channels, handover (intraBSC) etc...

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Base Transceiver Station (BTS)Base Transceiver Station (BTS)

� La BTS è l’elemento che ha il compito di implementare i protocolli di basso livello dell’interfaccia radio

� E quindi di trasmettere e ricevere i segnali dalle MS implementando le funzionalità di modulazione, codifica, multiplazione dei canali fisici, cifratura

� Ha il compito anche di effettuare misure di qualitàsui canali fisici e di ricevere quelle fatte dalle MS (tutte le misure vengono poiriportate al BSC che prende le decisioni)

� Deve irradiare nella cella in broadcast su un canale di controllo il messaggio di System Information con dati di sistema e parametri che servono all’MS nell’accesso alla rete (identita’ della cella, identita’ della Location Area, minimo livello di segnale ricevuto richiesto per poter accedere alla rete etc.); il BTS deve anche inviare messaggi di paging per individuare la posizione attuale di un utente.

� Si interfaccia al BSC (solo servizi a circuito) mediante canali PCM a 64 kbit/s

� Connette i canali PCM con quelli dell’interfaccia radio (traffico e segnalazione)

� multipla le informazioni da trasmettere su una portante radio (8 canali in TDMA)

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Struttura BTSStruttura BTS

� La BTS (Base transceiver Station)è di solito funzionalmente divisa in� TRX (Transceiver)

– elementi radio preposti alla ricezione e trasmissione di una singola portante radio (piu’transceiver compongono la stessa BTS)

� BCF (Base Common Function)– elemento di controllo del TRX che svolge le funzionalità

comuni (sincronizzazione, calcolo dell’algoritmo di frequency hopping) e di interfacciamento con il BSC

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Schema BTSSchema BTS

….….

Combiner

BSC

A-bis Interface

PCM line or Radio system 2 Mb/s

TXTX RX

Signal Processing

TRX

Controller

TRX

one TX antenna Splitter

TXTX RX

Signal Processing

TRX

Controller

TRX

two RX antennas

……………....

Si interfacciacon il BSC

Codifica di canale,equalizzazione

Modulazione,amplificazionedi potenza BCF

Base commonFunction:SincronizzazioneCalcolo frequencyhopping

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TranscoderTranscoder Rate Adaptation Unit (TRAU)Rate Adaptation Unit (TRAU)

� La codifica della voce è a 13 kbit/s mentre il PCM prevede 64 kbit

� La conversione di codifica viene effettuata dal TRAU� Il TRAU può essere nella BTS, ma molto più spesso è

nel BSC� In questo caso i flussi a 13 kbit/s devono essere

trasportati senza codifica nei canali a 64 kbit/s� Su ogni canale a 64 kbit/s sono multiplati 4 flussi a

13 (previa trasformazione in flussi da 16 con l’aggiunta di ridondanza)

� Per ogni portante GSM (8 canali a 13 kbit/s) occorrono 3 canali PCM a 64 kbit/s� uno per la segnalazione trasportata mediante

protocollo di linea LAPD� 2 per gli 8 canali di traffico telefonico

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TranscoderTranscoder Rate Adaptation Unit (TRAU)Rate Adaptation Unit (TRAU)

0 1 2 15 16 17 30 31 0 130 31 … …

125 µs

allineamento di tramaaltro overhead segnalazione

canale1 2 15 16 29 30

MSC BSC BTS

canali PCM(64 kbit/s)

TRAU

canali PCM(64 kbit/s)

1 canale per circuito voce

4 circuiti voce per canale PCM

canali GSM(13 kbit/s)

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Base Station ControllerBase Station Controller((BSC)BSC)

� Una BSC controlla un numero elevato di BTS: da alcune decine ad alcune centinaia

� I compiti principali della BSC sono:� la configurazione di ogni cella tramite assegnazione

dei canali di traffico e di controllo� Instaurazione e rilascio delle connessioni tra i canali

dell’interfaccia A e Abis� la gestione degli handover tra BTS controllate� gestione dei messaggi di Paging che vengono

distribuiti alle BTS della location area relativa all’utente cercato

� analisi delle misure relative alla qualitàe ai livelli di potenzadi BTS e MS e decisione sulla necessità di handover

� gestione della segnalazione (con MSC o BTS)

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Parametri della qualitaParametri della qualita’’ del linkdel link

� Livello di potenza sul canale di traffico (RXLEV)

� Qualita’ (BER) sul canale di traffico utilizzato per la connessione (RXQUAL)

� La MS inoltre monitora (e comunica) l’RXLEV relativo al canale di controllo usato dalle n BTS circostanti

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Base Station ControllerBase Station Controller((BSC)BSC)

� Il BSC si occupa fondamentalmente della gestione delle risorse radio (Radio Resource management)

� Dal punto di vista funzionale è un nodo di commutazione, � ma non ha il compito di instradare le chiamate (lo fa

il MSC)� invece collega i circuiti con il BTS con quelli con il

MSC effettuando eventualmente la trans-codifica (TRAU)

� e commuta i circuiti per gli handover (intra-BSC)

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Network Switching Subsystem (NSS)Network Switching Subsystem (NSS)

� Mobile Switching Center (MSC):– è una centrale di commutazione telefonica per utenti radiomobili

� Visitor Location Register (VLR):– è un database (normalmente implementato nella centrale MSC) che

contiene le informazioni relative agli utenti presenti nell’area gestita da un MSC

� Home Location Register (HLR):– è il database principale che si occupa della memorizzazione delle

informazioni degli utenti mobili. Contiene tra le altre le informazioni necessarie ad individuare il VLR che ha in carico in un certo istante ogni utente mobile.

� Authentication Center (AuC):– normalmente associato al HLR il quale contiene le chiavi e le procedure

per l’autenticazione di un utente mobile. L’AuC calcola le chiavi.

� Equipmente Identity Register (EIR):– contiene gli IMEI di tutti gli apparati autorizzati al servizio

� Si tratta del sottosistema che si occupa della commutazione dei circuiti verso gli utenti mobili, gestendone anche la mobilita’. Include:

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BTS

BSC


ISDN/PSTN

OMC

EIR

BSC

BSC

Um

Um

Um

Um

Abis

AbisAbis

Abis

BSC

A

A

A

A

E

AuC

MSC

GMSC

VLR

VLR HLR

BSS

NSS

OMSS

RS


Radio Subsystem:

MS+BS Subsystem


BTS

BTS

BTS








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Mobile Switching Centre (MMobile Switching Centre (MSC)SC)

� Il MSC è una centrale di commutazione con funzionalitàaggiuntive di gestione della mobilità

� E’ normalmente associato ad un VLR per la memorizzazione dei dati degli utenti presenti nell’area controllata

� Il MSC oltre ad essere connesso con i BSC della sua area èconnesso ad altri MSC� la connessione avviene tramite canali PCM � parte delle risorse di collegamente sono parte della rete

di segnalazione a canale comune SS7� Uno o più MSC (Gateway MSC) per rete PLMN sono

interfacciati alla rete telefonica fissa per l’instradamento da e verso gli utenti fissi

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� Una MS può essere raggiunta da utenti fissi mediante il numero di telefono (MSISDN)

� La chiamata viene instradata fino al GMSC che individua l’HLR in cui sono contenute le informazioni dell’utente associato al MSISDN e lo interroga

� l’HLR restituisce, tra l’altro, il MSRN (Mobile Station Roaming Number)� MSRN numero temporaneo (stessa strutt. MSISDN)

assegnato dal VLR visitato� MSRN consente al GMSC di instradare la chiamata

fino all’MSC dell’area dove si trova l’utente

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� Il MSC è dunque il nodo principale responsabile delle funzioni di segnalazione (che vedremo più in dettaglio in seguito)

� Per le funzioni di� CM (Connection Management)

– originating call, terminating call, gateway

� MM (Mobility Management)– location updating, periodic registration, authentication, ecc.

� implementa protocolli di colloquio con altri elementi di rete:� DTAP (Direct Tranfer Application Part) per il colloquio

diretto con le MS� BSSMAP (BSS Management Application Part) per il

colloquio con i BSC� MAP (Mobile Application Part) per il colloquio con gli

altri elementi di rete (MSC, VLR, HLR, EIR, AuC)

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Connection management Connection management --esempioesempio

� Originating call– funzione che si occupa delle chiamate generate da una MS– La BTS della cella della MS inoltra la richiesta

all’MSC/VLR tramite la BSC che la controlla– Nell’MSC/VLR viene attivata la sotto-funzione originating

call. Si invia un messaggio al VLR per verificare che la MS abbia diritto alla richiesta �� Autenticazione (funzioni di Mobility Management)

– Viene quindi effettuata la cifratura dei dati – Viene effettuato il set-up della chiamata e canali dati

vengono allocati per il trasferimento dell’info vera e propria

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HLR

Home Location RegisterHome Location Register(HLR)(HLR)� È un data base permanente associato in modo univoco a un

GMSC� Memorizza le informazioni relative a tutti gli MS la cui

localizzazione di default è presso il GMSC considerato� HLR memorizza informazioni permanenti come l’IMSI

(International Mobile Subscriber Identity), il numero di telefono della SIM associata e la sua chiave di autenticazione, i servizi supplementari a cui l’utente èabilitato, ecc.

� HLR memorizza anche informazioni temporanee come l’indirizzo del VLR presso cui può essere reperito l’utente, parametri transitori per identificazione e crittografia, un eventuale numero di telefono per l’inoltro delle chiamate, ecc.

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HLR

Home Location RegisterHome Location Register(HLR)(HLR)

� Compiti principali:� Gestione della localizzazione, ovvero

memorizzare il VLR numberdi ogni utente registrato

� invio delle informazioni di routing (MSRN) al GMSC

� Registrazione, cancellazione e attivazione/disattivazione servizi supplementari

� memorizzazzione e fornitura ai VLR dei parametri di autenticazione e cifratura

� gestione dei dati d’utente

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VLR

Visitor Location Register (VLR)Visitor Location Register (VLR)

� È un data base temporaneo che contiene i dati importanti per il servizio degli MS attualmente sotto la giurisdizione del (G)MSC cui il VLR è associato.

� In VLR vengono duplicati tutti i dati permanenti di un utente, con la differenza che l’IMSI viene “mappato”su un TMSI (Temporary Mobile Subscriber Identity) per evitare di trasmettere l’IMSI via radio e proteggere l’utente da “intrusioni” Hi-Tech. Il TMSI viene modificato frequentemente ed è legato anche alla posizione del mobile (identificativo di cella)

� VLR gioca un ruolo fondamentale nella gestione delle chiamate che provengono dagli MS

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Procedure di sicurezzaProcedure di sicurezza

� Autenticazione:� ha il compito di verificare l’identità

dell’utente e proteggere da utilizzi fraudolenti degli identificativi

� Cifratura:� ha il compito di rendere non facilmente

decodificabile il flusso dati da e verso la MS da parte di intrusi

� In GSM le procedure di autenticazione e cifratura sono strettamente collegate nella prima fase di gestione delle chiavi segrete

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Procedure di sicurezzaProcedure di sicurezza� Elementi delle procedure:

� Ki– chiave di autenticazione dell’utente di 128 bit memorizzata

nell’AuC e nella SIM� RAND

– numero casuale di 128 bit generato dall’AuC e poi inviato all’MSC� A3

– algoritmo di autenticazione memorizzato nell’AuC e nella SIM� A8

– algoritmo che determina la chiave di cifratura Kc, memorizzato nell’AuC e nella SIM

Triplette(RAND, SRES, Kc)sono generate in sequenza per ogni IMSI e memorizzate nell’HLR

Triplette(RAND, SRES, Kc)sono generate in sequenza per ogni IMSI e memorizzate nell’HLR

� Risultati delle procedure:� Kc

–chiave di cifratura

� SRES–risultato dell’algoritmo di autenticazione

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� Autenticazione:

MS Rete

A3

Ki

Gen. num. causali

A3

KiRAND

RAND

SRES(rete)SRES(ms)

uguali?Si No

Accessoconsentito

Accessonegato

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� Cifratura:

MS Rete

A8

Ki

Gen. num. causali

A8

KiRAND RAND

KcKc

A5 A5informazioni cifrate

Contenuto nella BTS

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Procedure di sicurezza:Procedure di sicurezza:ruolo degli elementi di reteruolo degli elementi di rete

� Autentication Centre (AuC)� memorizza in modo sicuro le chiavi segrete Ki di ciascun

utente� genera i numeri casuali e calcola gli SRESe la chiave di

crittazione Kc

� Fornisce le triplette agli altri elementi di rete

MS

MSC/VLR

VLR HLRAuC

AuC

richiesta (TMSI o IMSI) IMSI IMSI

tripletteRAND, SRES,Kc

triplette

RAND

SRES

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BSS

Procedure di sicurezza:Procedure di sicurezza:ruolo degli elementi di reteruolo degli elementi di rete

� Ruolo del BSS nella cifratura:

MSMSC/VLR

VLR

richiesta

RAND

SRES

Kc

A5informazioni cifrate

informazioni in chiaroA5

A8Kc

Ki

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Procedure di sicurezza:Procedure di sicurezza:allocazione del TMSIallocazione del TMSI

� Ogni comunicazione è iniziata dalla MS che invia il proprio identificativo (IMSI) per farsi riconoscere prima che venga attivata la procedura di autenticazione

� Per evitare che il IMSI venga intercettato sull’interfaccia radio e ne possa essere fatto un uso fraudolento il VLR alloca ad ogni MS un TMSI (Temporary Mobile Subscriber Identity )

� L’IMSI viene usato dalla MS solo quando non ha ancora un TMSI

� Ad ogni location updateil VLR può allocare un nuovo TMSI al mobile che nelle comunicazioni successive adotterà il TMSI invece del IMSI

56

IMSIIMSI

� È il numero di identificazione di uso interno alla rete� È composto da 3 campi:

� MCC: Mobile Country Code (3 cifre)� MNC: Mobile Network Code, che identifica l’operatore che fornisce il servizio (2 cifre)

� MSIC: Mobile Subscriber Identification Number, che identifica la SIM (fino a 10 cifre)

� Ad esempio il numero 222 01 4572228769, identifica una SIM italiana (222) del gestore TIM (01)

� Il numero di telefono dell’apparato in questione (MSISDN) è completamente indipendente dall’IMSI; le cifre corrispondenti al prefisso (ad es. 0330 o 0347) identificano l’HLR e quindi il GMSC cui l’apparato è legato

57

EIREquipment Identity RegisterEquipment Identity Register (EIR)(EIR)

� È una base dati il cui uso è a discrezione dell’operatore� Contiene l’identificativo e le caratteristiche degli

apparati GSM, insieme al produttore, al paese di fabbricazione, etc.

� Può essere usato per proteggere la rete dall’uso di apparecchiature rubate o non a norma

MSC/VLRMS

EIR

richiesta connessione

richiesta IMEI

invio IMEIcontrollo IMEI

risposta

58

IMEI managementIMEI management� Protection against stolen and malfunctioning terminals� Equipment Identity Register (EIR): 1 DataBase for each operator; keeps:

� WHITE LIST:– valid IMEIs– Corresponding MEs may be used in the GSM network

� BLACK LIST:– IMEIs of all MEs that must be barred from using the GSM

network– Exception: emergency calls (to a set of emergency numbers) – Black list periodically exchanged among different operators

� GRAY LIST:– IMEIs that correspond to MEs that can be used, but that, for

some reason (malfunctioning, obsolete SW, evaluation terminals, etc), need to be tracked by the operator

– A call from a “gray” IMEI is reported to the operato r personnel

59

Informazioni memorizzate nella rete Informazioni memorizzate nella rete GSMGSM

� IMSI ( ��HLR,VLR)� MSISDN (��HLR, VLR)� TMSI (��VLR)� categoria della MS (��HLR,VLR)� RAND,SRES,Kc (��HLR, su richiesta VLR)� Cyphering Key Sequence Number (��VLR)� MSRN (��VLR, su richiesta dato all’HLR)� LAI ( ��VLR)� VLR number (��HLR)� HLR number (��VLR)� subscription restrictions (��HLR)� dati correlati con servizi base, supplementari (��HLR,VLR)� IMSI detached flag (��VLR)� Sbarramenti da operatore (��HLR, alcuni VLR)

60

Operation and Operation and Maintenence Maintenence Subsystem Subsystem (OMSS)(OMSS)

� Include le unità preposte al controllo da parte di operatori della rete, alla sua manutenzione e gestione da remoto

� Vengono � configurate le funzionalità di tutti gli apparati

di rete� visualizzati gli allarmi di cattivo funzionamento� visualizzati i dati statistici di traffico� ecc.

61

OMSS

Operation and Maintenance Subsystem Operation and Maintenance Subsystem (OMSS)(OMSS)

� È la sede di tutte le operazioni di gestione (tecnica e amministrativa) della rete

� Effettua la tariffazione, controlla il traffico in rete, gestisce i messaggi di errore provenienti dalla rete, controlla e memorizza il carico delle singole BTS e BSC per operazioni di pianificazione (eventualmente dinamica)

� Consente di configurare le singole BTS tramite le BSC e di controllare il funzionamento (corretto o meno) di tutte le apparecchiature periferiche della rete (cioè in pratica di tutti gli elementi descritti fino ad ora)

62

OMSS

Operation and Maintenance Subsystem Operation and Maintenance Subsystem (OMSS)(OMSS)

� È basato su una struttura gerarchica� OMC (Operation & Maintenence Centre) regionali� NMC (Network Management Centre)

NMC

HLROMC OMC

EIRMSC

BSC BSC

HLR

EIRMSC

BSC BSC

GSM Management CenterGSM Support Center(Account and Billing)

PCS

Personalization Center for SIM(caricamentoLato utente e AuCDati utenteIMSI, Ki)

63

Billing Billing nella rete nella rete GSM (GSM (cennicenni))

� Regole di Billing: il chiamante paga. Chi riceve nel caso di roaming puo’ pagare per la tratta internazionale.

� Originating call component: dall’MS al GSMC (paga il chiamante)

� Roaming o call forwarding: tratta da GSMC a MSC dove si trova il chiamato, tra I due MSC (nel caso di call forwarding). Paga il chiamato che usufruisce del servizio

� Chi chiama fuori dalla propria PLMN puo’ pagare una maggiorazione per coprire i costi amministrativi del roaming internazionale

64

Numeri Numeri e ID in GSMe ID in GSM� Mobile Station ISDN Number (MSISDN)E’ il numero telefonico dell’utente (<=15 cifre)Country Code - National Destination Code –Subscriber NumberIdentifica HLR

� Mobile Station Roaming Number (MSRN)Assegnato dal VLR corrente;comunicato su richiesta all’HLR;

permette all’HLR di far sapere al GMSC come prolungare la connessione fino alla posizione corrente dell’MS

� Handover Number (comunicato dall’MSC target all’MSC initial in caso di inter-MSC handover, consente di completare il collegamento verso l’MSC target)

utili

zzat

i sco

po is

trad

amen

to

65

Numeri Numeri e ID in GSMe ID in GSM� International Mobile Subscriber Identity (IMSI)Memorizzato permanentemente nella SIM e HLR,

temporaneamente nel VLR;identifica l’utente che ha sottoscritto l’abbonamento

Mobile Country Code (3 cifre)--Mobile Network Code(2)—Mobile Subscriber Identification Number

� Temporary Mobile Subscrier Identity (TMSI)Identita’ temporanea assegnata da un VLR ad una MS per

evitare di trasmettere l’IMSI sulla tratta radio; 4 ottetti, struttura non standardizzata

� International Mobile Equipment Identity (IMEI)Identifica in modo univoco un apparato mobile (HW),

memorizzato in HW dal costruttore. Contiene:TAC =Type Approval Code (6 cifre); FAC (Final Assembly Code), 2 cifre

(luogo di costruzione/assemblaggio), SNR(Serial Number), 6 cifre

Iden

tita

’as

soci

ate

ad u

na m

obile

sta

tion

66

Numeri Numeri e ID in GSMe ID in GSM� Location Area Identity (LAI)Identifica la location area all’interno della quale si trova

correntemente l’MS.Memorizzato nel VLR. Contiene Mobile

Country Code, Mobile Network Code (operatore), Location Area Code

� Cell Global Identity (CGI), identifica la cella (LAI+Cell Identity che identifica una cella all’interno di una location area)

� Regional Subscription Zone Identity (RSZI)Serve nel caso di abbonamenti con accesso solo su base

regionale in cui serve quindi poter identificare le regioni all’interno delle quali e’ permesso all’utente di fare roaming.

� Base Station Identity Code (BSIC)E’ un ‘codice colore’ che permette all’MS di distinguere tra

BTS adiacenti.Ogni BTS invia il proprio BSIC sul canale logico Synchronization channel su una portante predefinita.

Cor

rela

te m

obili

ta’

uten

ti

3.3 3.3 –– Interfaccia RadioInterfaccia Radio


68

Interfaccia radioInterfaccia radio

si vedaO. Bertazioli, L. Favalli, GSM-GPRS, Hoepli Informatica 2002Capitolo 6


69

Interfaccia RadioInterfaccia Radio

f200 kHz

890915 935 960

uplink downlink

880

FDD (Frequency Division Duplexing)45 MHz di separazione uplink/downlink

3107654310765 2 2

7654320765432 11

TDM Frame - 4.615 ms

BTS Transmits fdown

MS Transmits fup

Time slot = 577 µs

925

3 slot offset uplink/downlink

70

Frequency HoppingFrequency Hopping� L’effetto del fading da multipath dipende anche dalla

frequenza del segnale� Ci possono essere portanti con bassa attenuazione e

portanti con alta attenuazione

� Essendo la trasmissione protetta da codici FEC è meglio che gli errori dovuti a qualche portante fortemente attenuata siano distribuiti su più flussi informativi

� Si adotta un meccanismo di salto di frequenza che cambia la frequenza ogni slot secondo una sequenza fissa

f

71

Power ControlPower Control� La potenza di emissione delle MS è controllata dalla

BTS� La BTS invia dei comandi di power control che

richiedono alla MS di alzare o abbassare la potenza trasmissiva

� Lo step di incremento/decremento è di 2 dB� L’obiettivo del controllo è di portare la potenza

ricevuta dalla BTS ad un livello prefissato� Il power control riduce l’interferenza media nel sistema

riducendo la potenza delle MS con piccola attenuazione di canale (vicine alla BTS)

� Il power control riduce anche il consumo di energia delle MS

72

Sincronismo nel GSMSincronismo nel GSM

� Sincronismo di portante

� ogni MS deve recuperare con precisione la frequenza della portante radio

� Sincronismo di slot

� Ogni MS deve avere informazioni sullo slot corrente

� Sincronismo di trama

� Ogni MS deve conoscere il Frame Number corrente

73

Sincronismo di portanteSincronismo di portante

� La frequenza della portante radio viene recuperata dalla MS ascoltando il canale broadcast comune trasmesso dalla BTS

� Su tale canale, ad intervalli regolari, viene trasmesso uno slot speciale con bit fissi che sono usati per recuperare con precisione l’informazione sulla frequenza della portante e quindi aggiustare la frequenza dell’oscillatore locale

74

Sincronismo di slot e tramaSincronismo di slot e trama

� Molti canali nel GSM seguono una struttura a multitrama (ad esempio: il canale di broadcast ètrasmesso ogni x trame)

� La sequenza di Frequency Hopping dipende dalla multitrama

� Ogni MS deve quindi conoscere il numero di trama corrente per interpretare correttamente l’informazione

� La stazione base BTS trasmette sul canale di broadcast informazioni che permettono alle MS di ricostruire la scansione temporale di slot e il Frame Number

75

Sincronismo di slotSincronismo di slot

� Le trasmissioni up/down link subiscono ritardi di propagazione dipendenti dalla posizione delle MS

� Necessità di avere in ogni slot una parte di bit non significativi per garantirsi un certo margine sull’errore

riferimento temporale

2τ tempo di propagazione

τ = d vd - distanzav - velocità della luce

76


� In genere si effettua una scelta conservativa per cui il tempo di guardia è:

)2(max ii

gT τ=

77


� La rete GSM è progettata per avere celle con Rmax=35

Km

� Nella situazione peggiore (ai bordi) si ha un tempo di

guardia di 2τ2τ2τ2τ = 2 x 35 / 3 x 108 = 233 µµµµs

� che corrisponde a 68,25 bitalla velocità di 270.8 kb/s

78

Sincronismo di slot: Timing AdvanceSincronismo di slot: Timing Advance

Per limitare il tempo di guardia:� la BTS stima il ritardo e invia l’informazione alla MS

che può quindi compensare anticipando la trasmissione� usato nel GSM: si anticipa la trasmissione

all’allontanarsi dalla base (timing advance, riduce il tempo di guardia a circa 9 bit, pari a 33,3 µµµµsec)

1) prima trasmissione

3) invio stimaritardo

2) stimaritardo

4) trasmissionisuccessive

79

I canali LogiciI canali Logici

� Identificano univocamente il tipo di informazione che trasportano:

� Segnalazione (info di sincronizzazione ..)

� Traffico dati

� Sono divisi in

� canali di traffico e canali di controllo

� canali comuni e canali dedicati

80

Canali LogiciCanali Logici

FCCH=Frequency Correction CHannel

SCH=Synchronisation Channel

BCCH=Broadcast Control CHannel

PCH=Paging CHannel

RACH=Random Access CHannel

AGCH=Access Grant CHannel

SDCCH=Stand-alone Dedicated ControlCHannel

SACCH=Slow Associated Control CHannelFACCH=Fast Associated Control CHannelTCH/F=Traffic CHannel Full rateTCH/H=Traffic CHannel Half rate TCH/E=Traffic CHannel Enhanced Full rate

LOGICALCHANNELS

LOGICALCHANNELS

COMMONCHANNELS

COMMONCHANNELS

DEDICATEDCHANNELS

DEDICATEDCHANNELS

CommonCONTROLCHANNELS


FCCH SCH BCCH PCH RACH AGCH SDCCH SACCH FACCH TCH/F TCH/H

DedicatedCONTROLCHANNELS


TRAFFICCHANNELS

TRAFFICCHANNELS

TCH/E

BroadcastCONTROLCHANNELS


81

I canali di trafficoI canali di traffico(Traffic Channels(Traffic Channels--TCH)TCH)

� Canali che trasportano la voce ed eventuali dati� Si distinguono in:

� Full Rate channels: velocità lorda di 22,8 Kb/sec (dopo aggiunta di ridondanza per correzione degli errori)

� Half Rate channels: velocità lorda di 11,4 Kb/s

Tf

trama 1 trama 2

ThTh

Tf Tf

ThTh

slot

Full Rate

Half Ratet

t

82

Una curiositaUna curiosita’’ . Codifica di canale: canale . Codifica di canale: canale vocale 13 Kb/svocale 13 Kb/s

� In realtà i bit dei 4 blocchi fisici da 114 bit non sono sequenze contigue di bit in uscita dal processo di codifica

� I bit sono mescolati:

InterleavingInterleaving

B(i,1) B(i,2) B(i,3) B(i,4) B(i+1,1) B(i+1,2) B(i+1,3) B(i+1,4) ... B(i+3,3) B(i+3,4)

Interleaving

B(i,1) B(i+1,1) B(i+2,1) B(i+3,1) B(i,2) B(i+1,2) B(i+2,2) B(i+3,2) B(i,4) B(i+1,4) B(i+2,4) B(i+3,4)...

83

I canali di controlloI canali di controllo(Control Channels(Control Channels--CCH)CCH)

� Usati per trasportare segnalazione di vario tipo (esistono 14 tipi di canali di controllo!!)

� Tre grandi categorie di CCH� Broadcast Channels (BCH):informazioni di interesse

generale sulla tratta downlink� Common Control Channels (CCCH):informazioni

relative ad una connessione in fase preliminare (condivisi tra + connessioni)

� Dedicated Control Channels (DCCH):informazioni di segnalazione specifiche di una connessione



FCCH SCH BCCH PCH RACH AGCH SDCCH SACCH FACCH





84

Canali BroadcastCanali Broadcast(Broadcast Channels (Broadcast Channels -- BCH)BCH)

� FCCH (Frequency Correction Channel):canale downlink usato per correggere la frequenza alla MS, 148 bit senza codice.

� SCH (Synchronization Channel):trasporta l’identificativo della BTS (Base Station Identity Code,BSIC) e un’indicazione del numero di trama (FN), 25 bit + ridondanza per codifica di canale.

� BCCH (Broadcast Control Channel):trasporta informazioni generali a tutti gli utenti serviti da una base station, 184 byte codificati (quali parametri dell’algoritmo di frequency hopping, numero di canali di controllo comune allocati, numero di blocchi per canale AGCH, etc.).



85

Canali di Controllo ComuniCanali di Controllo Comuni(Common Control Channels (Common Control Channels -- CCCH)CCCH)

� PCH(Paging Channel): downlink usato dalla BTS per notificare ad una MS una chiamata entrante, trasmesso in broadcast su una LA

� RACH (Random Access Channel): uplink utilizzato dalla MS per richiedere l’accesso alla rete (Location Update, richiesta di chiamata). E’ soggetto a collisioni.

� AGCH (Access Grant Channel): downlink per risposte a richieste su RACH.



86

Canali di Controllo DedicatiCanali di Controllo Dedicati(Dedicated Control Channels (Dedicated Control Channels –– DCCH)DCCH)

� SACCH(Slow Associated Control Channel): scambio di misure relative ad una connessione tra MS/BS e BS/MS (Potenza segnale ricevuto, qualità….). Multiplato con il traffico d’utente (184 bit in 20 msec di misurazioni)

� FACCH (Fast Associated Control Channel): usato per segnalazione “veloce” (richiesta di handover rapido). Sostituisce il traffico d’utente

� SDCCH(Stand-alone Dedicated Channel): canale di segnalazione assegnato in seguito a richiesta su RACH (identificazione, autenticazione, call set-up…)



87

Slow Associated Control Channel Slow Associated Control Channel (SACCH)(SACCH)

� In downlink:� comandi per il controllo di potenza� le informazioni del BCCH (che non possono più essere

decodificate dalla MS assestata sul canale di traffico� In uplink: misurazioni della MS:

� RXLEV-SERVING-CELL (livello di potenza ricevuta dalla propria BTS)

� RXQUAL-SERVING-CELL (BER misurata sul flusso downlink)

� RXLEV-NCELL “N” (livello di potenza ricevuta dalle celle adiacenti)

� BCCH-FREQ-NCELL “N” (# portante BCCH delle celle adiacenti)

� BSIC-NCELL “N” (BSIC delle celle adiacenti)



88

Mobile BS

RACH

BCCH

AGCH

SDCCH

TCH + SACCH

messaggi relativi alla cella, ai canalipaging, …

richiesta di accesso

assegnazione SDCCH

segnalazione traffico + assegnazione TCH

Uso dei canali per set up di un canale di Uso dei canali per set up di un canale di trafficotraffico

Ci si aggancia alla BS conFCCH, SCH,BCCH

89

Accesso multiplo casuale (RACH)Accesso multiplo casuale (RACH)

� L’accesso multiplo al canale RACH è casuale (non coordinato con le altre stazioni mobili)

� Quindi si possono verificare collisioni in trasmissione� La corretta ricezione del messaggio di accesso viene

riconosciuta dalla risposta della BS sul canale AGCH� Nel messaggio sul RACH viene inserito un

identificativo temporaneo (sequenza pseudo-casuale) che poi viene riportata nel messaggio sul canale AGCH

� Il meccanismo di gestione del RACH è di fatto di tipo Slotted-ALOHA

91

0 1 2 31 32 33 34 63 64 65 66 0 1 2

multitrama

trama 1 trama 2

Mappaggio dei canali logici in quelli fisiciMappaggio dei canali logici in quelli fisici� La segnalazione necessità di un bit rate di trasmissione più

basso rispetto all’informazione d’utente (Sarebbe uno spreco di risorse assegnare a segnalazione 1 SLOT per trama)

� La velocità effettiva di trasmissione può venir ridotta col meccanismo della multitrama

� IDEA: gli slot assumono un’identità, e possono venire assegnati su un periodo di più trame, appunto la multitrama

92

Esempio di gestione Multitrama: SACCHEsempio di gestione Multitrama: SACCH

� Un burst dati normale trasporta 114 bit di dati

� un canale che utilizzi uno slot per trama ha dunque una velocità di 114 [bit]/4.6 [ms]=24.7 Kb/s

� la velocità della voce codificata è invece di 22,8 Kb/s� avanzano 1,9 Kb/s equivalenti 1 SLOT ogni 13 trame.� SACCH: 1 SLOT ogni 26 trame per una velocità di 950

bit/sec.

148 bit = 546.12 µs

577 µs

T3

TrainingSequence

26Coded bits

57T3

GuardPeriod8.25

Coded bits57

S1

S1

Questo tipo di trama usata da TCH, SACCH, FACCH, PCH, SDCCH,BCCH �� ‘normal burst’

93

T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T TA -

0 2512

� Negli slot assegnati al canali di traffico (T) si ricava lo Slow Associated Control Channel (SACCH) (A)

� usato per convogliare misure e comandi� si utilizza una supertrama di 26 trame (120 ms)

Canali di segnalazioneCanali di segnalazioneSACCHSACCH

94

Multitrama Multitrama TCH full duplexTCH full duplex� Nota su come si legge il diagramma temporale:

� è la sequenza di slot di uno stesso canale di traffico, ovvero diuno slot di una trama

Downlink, Uplink

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 111212131415161718192021222324250

TCH/FR

SACCH

577 µs4,615 ms

0 21 43 75 6Normalburst

Normalburst

Normalburst

Normalburst

Normalburst

Normalburst

Normalburst

Normalburst

TCH/FR

TCH/FR

TCH/FR

TCH/FR

TCH/FR

TCH/FR

TCH/FR

TCH/FR

TCH/FR

TCH/FR

TCH/FR

TCH/FR

TCH/FR

TCH/FR

TCH/FR

TCH/FR

TCH/FR

TCH/FR

TCH/FR

TCH/FR

TCH/FR

TCH/FR

TCH/FR

IDLE

95

Multitrama Multitrama TCH TCH half duplexhalf duplex

� Nota su come si legge il diagramma temporale:

Downlink, Uplink

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 111212131415161718192021222324250

TCH/FR

SACCH

577 µs4,615 ms

0 21 43 75 6Normalburst

Normalburst

Normalburst

Normalburst

Normalburst

Normalburst

Normalburst

Normalburst

TCH/FR

TCH/FR

TCH/FR

TCH/FR

TCH/FR

TCH/FR

TCH/FR

TCH/FR

TCH/FR

TCH/FR

TCH/FR

TCH/FR

TCH/FR

TCH/FR

TCH/FR

TCH/FR

TCH/FR

TCH/FR

TCH/FR

TCH/FR

TCH/FR

TCH/FR

TCH/FR

SACCH

96

7 0 1 2

supertrama

trama 0 trama 2

7 0 1 2 7 0 1 2 7 0 1 2

trama 50

Canali di segnalazione comuneCanali di segnalazione comune

� Un particolare slot (slot 0) su una particolare portante (C 0 o portante fondamentale) tra quelle associate alla cella viene usato per ricavare uno o più canali in modalità supertrama da 51 trame (235.38 ms).

� Nella direzione downlink la portante fondamentale e’ sempre trasmessa ad una potenza maggiore delle altre, cosa che consente alle stazioni mobili non ancora ‘agganciate’ di riconoscerla, sincronizzarsi sulla portante e ascoltare le info necessarie per agganciarsi alla cella.

97

� in uplink servono per il Random Access Channel (RACH)

R R R R R R R R R R R R R R R R R R R R RR R RR R R R R R

F S B C F S C F S C -0 50 trama.

Canali di segnalazione comuneCanali di segnalazione comune

� nella direzione downlink vengono ricavati i canali per�sincronizzazione di frequenza (FCH)�sincronizzazione di bit (SCH)�Broadcast Control Channel (BCCH) �Common Control Channel (PCH, AGCH in

downlink)

10 trame

C C

98

S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S SA -

0 2512

Canale di segnalazione SDCCHCanale di segnalazione SDCCH

� Un altro slot viene utilizzato per ricavare 8 canali Stand-Alone Dedicated Control Channel (SDCCH) (S)

� usati per il setup e altri messaggi (SMS)

� gli 8 canali sono ricavati con 3 slot ciascuno all’interno della supertrama di 26 slot

99

Why 26 and 51?Why 26 and 51?Last frame (idle) in TCH multiframe (Frame #25) used as “search frame”!

T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T TS

- An active call transmits/receive in 25 frames, except the last one.- in this last frame, it can monitor the BCCH of this (and neighbor) cell- this particular numbering allows to scan all BCCH slots during a superframe

101

Blocchi fisici o Blocchi fisici o BurstBurst� Il blocco fisico è l’informazione trasmessa in uno slot� a causa del meccanismo TDMA ciascun blocco è una

unità trasmissiva autonoma che deve seguire un appropriato profilo di potenza per evitare di interferire con gli slot vicini

-70

-30

-6-1

+1

+4

dB

10 8 10 542.8 10 8 10 µµµµs

102

ClassificazioneClassificazionedeidei BurstsBursts

� Normal Burst

� è usato per la trasmissione di informazione d’utente (voce o dati) nei canali di traffico

� Access Burst

� usato per trasmettere le informazioni sul canale di accesso casuale (Random Access CHannel -RACH)

� è usato nel primo accesso alla rete

� lunghi periodi di guardia dato che non e’ stato ancora calcolato il timing advance, in modo da evitare sovrapposizioni temporali con il time slot successivo (calcolo basato su: max dim. Cella 35Km)

103

ClassificazioneClassificazionedeidei BurstsBursts

� Frequency Correction Burst� usato sul canale di sincronizzazione (Frequency

Correction Channel - FCCH)� 142 bits sono posti a “0”

� Synchronisation Burst� usato per trasmettere informazioni di sincronizzazione di

slot e trama

� Dummy Burst� non contiene informazione ma solo bit di riempimento� usato negli altri slot della frequenza principale di sistema

quando non ci sono canali di traffico attivi per mantenere alto il livello di potenza

104

Normal BurstNormal Burst

• T-bits: bit di coda posti sempre a 0

• S-bits: (stealing bits) segnalano se il burst contiene dati utente o di segnalazione (canali SACCH o FACCH, anche solo uno dei due blocchi puo’ contenere segnalazione nel caso del FACCH)

• Coded Data: bit di utente (voce, dati etc.), 114 bit dopo la codifica di canale, che corrispondono a 13 kbit/s netti per la voce, a 9.6 kbit/s o meno per i dati (codifica di canale più ridondante)

• Training Sequence: bit di controllo usati per la equalizzazione e per l’aggancio dei trasmettitori

• GP: periodo di guardia per consentire l’accensione e lo spegnimento dei trasmettitori

148 bit = 546.12 µs

577 µs

T3

TrainingSequence

26Coded bits

57T3

GuardPeriod8.25

Coded bits57

S1

S1

105

Access BurstAccess Burst

� E’ usato dalla MS sul canale di accesso casuale nella prima trasmissione verso la BTS prima di essere registrato

� E’ dunque usato in modo asincrono senza il controllo del timing advance

� Contiene 156.25 bits� 8 tailing bits� 41 synchronisation sequence� 36 coded bits� 3 tailing bits� 68.25 bits come periodo di guardia

577 µs

T8

Synchronisation41

Coded bits36

T3

Guard Period68.25

per stimare timing advance

Usato sul canale RACH

106

Frequency Correction BurstFrequency Correction Burst

� Comprende 148 + 8.25 bits� 2 x 3 tail control bits � 142 fixed bit sequences

– sono tutti 0– rappresentano un riferimento costante in frequenza in rapporto fisso con quello della portante

� 8,25 bits di guardia

577 µs

T3

Fixed bit sequences142

T3

GuardPeriod8.25

107

Synchronisation BurstSynchronisation Burst

� Comprende 148 + 8.25 bits

� 2 x 3 tail control bits

� 2 x 39 coded bits– 25 bit di informazione

– codificati diventano 78 bit

– divisi in due pezzi da 39 bit

� 64 bit di training sequence

� 8.25 bit di periodo di guardia

577 µs

T3

Training sequence64

Coded bits39

T3

GuardPeriod8.25

Coded bits39

E’ informazione Fondamentale, deve essere ben protetta e ben decodificata

108

Dummy BurstDummy Burst

� E’ usato sulla portante del canale di controllo comune quando non ci sono altre informazioni o canali di traffico da trasmettere per assicurare che il livello medio di potenza misurato sia sufficiente per consentire un aggancio veloce delle MS

� Contiene 148 + 8.25 bits� 2 x 3 tail control bits � 142 pseudo-random sequence� 8.25 bits di periodo di guardia

577 µs

T3

Pseudo-random sequence142

T3

GuardPeriod8.25

3.5 3.5 –– ProcedureProcedure


110

ProcedureProcedure



111

Esempi di procedure GSMEsempi di procedure GSM

� Accesso alla rete

� Mobilità

� Chiamata originata (Call Set Up)

� Handover

� Chiamata terminata (Paging)

112

Registrazione Registrazione e Location Updatee Location Update

113

Accensione di una MSAccensione di una MS

� Procedure seguenti l’accensione:

� Selezione di Cella (Cell Selection): la MS sceglie la BTS su cui attestarsi

� Registrazione (avviene sempre con una procedura di Location Update): la MS informa l’MSC di competenza della sua presenza in quella Location Area

114

Cell SelectionCell Selection� MS scandisce le portanti radio che “sente”

� le portanti scandite sono le c0� sono quelle dove viene trasmesso il BCCH� tali portanti sono a potenza costante, maggiore della

potenza usata per trasmettere le altre frequenze (se neccessario si usano i dummy burst per gli slot vuoti) e a queste portanti non viene applicato il frequency hopping

� MS si aggancia alla portante radio che riceve più forte� Attraverso il canale FCCH la MS si allinea alla frequenza

trasmessa dalla BTS� Attraverso il canale SCH la MS si sincronizza con la BTS e

ne riceve l’ID (BSIC – Base Station Identity Code), viene identificata la trama corrente

� A questi punto la MS può leggere il BCCH che contiene– LAC (Location Area Code)– CGI (Cell Glocal Identity)– MCC (Mobile Country Code)– MNC (Mobile Network Code)

115

RegistrazioneRegistrazione

� Due casi:� LAI ricevuto coincide con quello memorizzato nella

SIM (Cellulare spento e riacceso nella stessa LA). Chiamata ad una procedura di IMSI attach con cui la MS attiva il proprio IMSI memorizzato nel VLR corrente (significa che l’utente era precedentemente registrato presso il VLR, quando di era disconnesso era stato settato un flag detached riconoscendo che l’utente non era piu’ collagato—non viene effettuato paging verso utenti detached).

� Nessun LAI memorizzato o LAI ricevuto diverso da quello memorizzato (Cellulare spento e riacceso in una LA diversa). Chiamata alla procedura di Location Update

116

Location Update (1) Location Update (1) � Quando?

� all’accensione della MS (se necessario);� registrazione periodica (e.g. 30 min, se non arriva location update

periodica il VLR segna l’utente come detached—implicit detach);� cambio di Location Area a seguito di spostamenti della MS (per

roaming);� Due casi di Location Update:

� Spostamento tra diverse LA ma facenti capo allo stesso MSC/VLR (caso più semplice)

LA 1 LA 2

BSC

MSC

BSC

VLR

BTS 2BTS 1

117

Location Update (2)Location Update (2)

� Roaming tra diverse LA facenti capo a diversi MSC/VLR

LA 1

BSC

MSC

BSC

VLR

BTS 1BTS 2

MSCVLR

2

1

LA 2

118

Location Update Location Update -- Intra MSC Intra MSC

BSCMSC

VLR

BTS 2

IMSI

Location Update Ack+TMSI nuovo

Location Update Req +TMSI vecchio

+LAI nuovo

Location Update Req

Location Update Ack +TMSI nuovo

Nuovo TMSI

Nuovo LAC

Nel System Information Message diffuso sul canale BCCH e’contenuta la location area identifier (LAI), agganciata lanuova cella quindi l’MS si rende conto della necessita’ di un location update.

119

Location Update Location Update -- Intra MSCIntra MSC

Messaggi

CHAN REQ

IMMEDIATE ASSIGNMENT

AUTH REQ

AUTH RES

CIPH MOD CMD

CIPH MOD COM

LOC UPD ACK

TMSI REALL CMD

CHAN REL

LOC UPD REQ

Canali

RACH

AGCH

SDCCH

SDCCH

SDCCH

SDCCH

SDCCH

SDCCH

SDCCH

SDCCH

+ TMSI new

MS

RETE

TMSIReallocationComplete

120

Location Update inter MSCLocation Update inter MSC

HLR

VLR

MSC (old)

VLR

MSC (new)

BTS (new)

121

6. provide subscriber data

5. request subscriber data

Location Update inter MSCLocation Update inter MSC

4. provide subscriber identity (IMSI)

11. cancel old location

MS BSS MSC VLRnew VLRold HLR

2. location update request

(TMSI+LAI)

7. security procedures

3. request subscriber identity (TMSI)

8. HLR update

9. acknowledgement update

12. location cancelling accepted

10. Location update

1. channel assignment

122

Call Set UpCall Set Up

123

PSTN GSM/DCS

ChiamataChiamata originataoriginata dada reterete fissafissaPSTN PSTN

� Instaurare una comunicazione su rete fissa è diper sé “difficile”

� Instaurare una comunicazione tra rete fissa e rete mobile richiede uno sforzo ancora maggiore

124

Call SetCall Set--up Step by Step up Step by Step (1)(1)

A L’utente PSTN/ISDN compone il Mobile Subscriber International ISDN Number (MSISDN) del chiamato

MSISDN

PSTN

MSISDN: +39 347 6527268

39 = Country Code (Italy)

347 = National Destination code

6527268 = Subscriber Number

125

B La rete PSTN/ISDN analizza il numero e contatta il GMSC della PLMN del chiamato grazie al National Destination Code (NDC)

C GMSC riceve attraverso SS7un messaggio con l’MSISDN composto


HLR

VLR

GMSC

GSM Network

MSISDN

PSTN

126

D Il GMSC risale all’indirizzo dell’HLR dove sono memorizzati i dati del chiamato� (il GMSC non conosce la posizione della MS!!)

E Il GMSC manda all’HLR un messaggio di “send routing information”

F L’HLR analizza il messaggio e identifica l’indirizzo del VLR dove la MS chiamata è attualmenteregistrata


HLR

VLR

GMSC

GSM Network

MSISDN

PSTN

VLR

MSC

127


G L’HLR manda un messaggio di “provide roaming number” alla coppia MSC/VLR

H L’ MSC/VLR alloca temporaneamenteMobile Station Roaming Number (MSRN)per la chiamata

HLR

VLR

GMSC MSC

RequestMessage

VLR

128


I L’ MSC inoltra l’MSRN all’HLR

J Il GMSC analizza l’MSRN instrada la chiamataverso l’MSC/VLR che presiede la LA dove si trova la MS

HLR

VLR

GMSC MSC

MSRNVLR

129


K L’ MSC/VLR attiva la procedura di paging� identifica la LA dove si trova il mobile, grazie all’IMSI� ordina al BSC di iniziare il paging. Per tutte le BSC della

location area.L BSC ordina alle BTS di diffondere su canale di paging (PCH)

il messaggio di paging indirizzato alla MS (this message contains the TMSI assigned to the MS)

M La MS risponde al messaggio di paging iniziando una procedura di accesso sul Random Access CHannel (RACH) per richiedere uno Stand alone Dedicated Control CHannel(SDCCH)

130


N L’MSC/VLR attiva le procedure di autenticazione e cifratura

P La rete assegna un canale di traffico (TCH) per la comunicazione

Q MSC/VLR avverte il chiamante che il telefono chiamato sta squillando

R Il chiamato è avvertito che il chiamante ha risposto

S La connessione è stabilita

131

Summary of the Call SetSummary of the Call Set--up Steps up Steps (1)(1)

Channel req. (RACH)

PSTN/ISDN GMSC HLR MSC/VLR

FixedCaller

Call Setup (MSISDN)

Analyse Number

Call Setup (MSISDN)

IMSI

MSRN

MSISDN

MSRN

Call Setup (MSRN)Page

BSC+BTS Called MS

Page req. (PCH)

Page resp.Page res. (SDCCH)Ack.

Authenticat.,ciphering,TMSI reallocat.

Assign (AGCH).

132

Summary of the Call SetSummary of the Call Set--up Steps up Steps (2)(2)

Connect ack.

PSTN/ISDN GMSC HLR MSC/VLR

FixedCaller

Connection Setup

BSC+BTS Called MS

Connect

Connection established

Alert

TCH Assign Command.

Connection Confirmation

TCH Assign Complete

Ringing notice

Ringing

Unhook notice

133

Chiamata originata da Chiamata originata da MSMS� MS compone il numero� L’MSC servente analizza i dati del chiamante e:

� autorizza o impedisce la chiamata� attiva la procedura di instradamento

� Se il chiamante appartiene alla stessa rete GSM, viene iniziata una procedura di “send routing info”per ottenere l’MSRN� la procedura è simile a quella per chiamate

originate da PSTN� Se il chiamato non appartiene alla stessa rete del

chiamante, la chiamata viene inoltrata al GMSC.

134

Summary of the Call SetSummary of the Call Set--up Stepsup Steps

9. call set up done

2. Authenticat., ciphering ,TMSI reallocat.


EXC GMSC HLR MSC/VLR BSS MS

3. call setup

4. check services etc.

5. all ok

6. call is proceeding

8.set up the call

10. alert

7. allocate TCH

11. if B answers the call will be connected

135


9. call set up done




3. call setup


5. all ok


8.set up the call

10. alert

7. allocate TCH


1. CHANNEL ASSIGNMENT

MS��BTS/BSC CHAN REQBTS/BSC �� MS IMM ASSIGN

(canale SDCCH assegnato)MS��BTS/BSC��MSC/VLR

CM-SERV REQ e ACK (richiesta avvio di inizio connessione)

136


9. call set up done




3. call setup


5. all ok


8.set up the call

10. alert

7. allocate TCH


2. Authentication, ciphering, TMSI allocation

MSC/VLR��BTS/BSC��MSAUTH. REQUEST

MS��BTS/BSC��MSC/VLRAUTH. RESPONSE

MSC/VLR��BTS/BSC��MSCIPH. MODE CMD

MS��BTS/BSC��MSC/VLRCIPH. MODE COM

MSC/VLR��BTS/BSC��MSTMSI REALLOC. CMD

MS��BTS/BSC��MSC/VLRTMSI REALLOC. COM

137


9. call set up done




3. call setup (cifre chiamato)


5. all ok


8.set up the call

10. Alert (telefono chiamato squilla)

7. allocate TCH

11. if B answers the call will be connected (CONN/CONN ACK)

138

Chiamata originata (1)Chiamata originata (1)

BSC MSCVLR

BTS

1

2

3

1

2

3

3 PSTN

1-Accesso e allocazione di risorse per la segnalazione

2 -Autenticazione e cifratura,scambio dell’identificativo del

chiamato e allocazione del canale di traffico

3 -Instradamento della chiamata

139

Chiamata originata (2)Chiamata originata (2)

Canali Procedura di reteCHAN REQ

IMM ASSIGNRACH

SDCCH

SDCCH

SDCCH

SACCH

TCH

SDCCHassignment

ServiceRequest

AuthenticationCiphering

TCH/SACCHAssignment

TCH/SACCHRelease

DISCONNECTRELEASE

RELEASE COMPLTE

SET UP

ASSIGNMENT

CONNECT ACK

SABM

UAMSRETE

140

HandoverHandover

141

Handover e GSMHandover e GSM

� In GSM la procedura di handover è decisa dalla rete, tuttavia la decisione viene presa essenzialmente in base a misure effettuate da MS

� Quando MS si connette ad una cella, il relativo BSC gli comunica un elenco di “canali alternativi” (BCCH di 6 celle adiacenti), su cui effettuare misure di potenza RF;

� Il risultato di queste misure viene trasmesso al BSC su canale SACCH ogni 480 msec

� Il BSC analizza le misurazioni dal mobile, le integra con le misure effettuate dalle BTS ed eventualmente decide l’handover

142

RequisitiRequisiti HandoverHandover

� La procedura richiede� criteri per individuare la necessità di un

handover� procedure per commutare una

comunicazione da un canale radio ad un altro

� Tutto questo deve essere invisibile all’utente

143

Parametri di attivazione Misure lato MSParametri di attivazione Misure lato MS

� Intensità del segnale ricevuto sulle portanti BCCH delle celle adiacenti (RXLEVNCELLn)

� Intensità di segnale ricevuto sul canale di traffico TCH attivo (RXLEV)

� Qualità del canale di traffico attivo TCH (RXQUAL)

144

Parametri di attivazioneParametri di attivazione-- Misure lato BTSMisure lato BTS

� Intensità segnale ricevuto dalla MS sul canale di traffico (RXLEV)

� Qualità del canale di traffico dalla MS (RXQUAL)

� Distanza dalla MS, utilizzando la tecnica di Timing Advance

145

PerchPerchéé ll ’’ HandoverHandover

� Qualità trasmissiva inadeguata (RXLEV e/o RXQUAL scendono sotto una certa soglia)

� Distanza MS/BTS sale sopra un limite massimo (informazione disponibile alla BS in base al timing advance)

� Motivi di traffico (cella troppo “carica”)

� Esigenze di controllo e manutenzione

146

Tipi Tipi di di HandoverHandover

4 tipi di Handover

• Intra Cell - Intra BSC

• Inter Cell - Intra BSC

• Inter Cell - Inter BSC

• Inter MSC

Gli handover devono essere effettuati in tempi moltoBrevi (tempi tipici <=100 ms)

147

Intra Cell Intra Cell -- Intra BSC HandoverIntra BSC Handover

Air A

BTSTCBSC

Old radio channel

New radio channel

148

Intra Cell Intra Cell -- Intra BSC HandoverIntra BSC Handover

� Handover più semplice, deciso autonomamente dal BSC

� Cambiamento del canale di traffico (TCH) e in genere anche della frequenza all’interno di una BTS

� Causato da:� qualità insufficiente del canale TCH

MENTRE il livello di ricezione e’ buono� nessun altra BTS può garantire una

qualità migliore

149

L’MS si sposta in una nuova cella controllata dallo stesso BSC

Inter Cell Inter Cell -- Intra BSC HandoverIntra BSC Handover

Air A

TCBTS

BTS

BSC

New cell / BTSOld cell / BTS

150

InterInter CellCell--IntraIntra BSCBSCHandoverHandover

La procedura di handover è completamenmte controllata dal BSC

• il BSC identifica la migliore BTS e il migliore TCH per la MS, grazie alle informazioni che sono state raccolte

• il BSC instaura una connessione verso la nuova BTS e riserva il nuovo canale TCH

• il BSC ordina all’MS di sintonizzarsi sul nuovo canale e la vecchia portante radio viene rilasciata (segnalazione su canale logico FACCH)

• l’MS inizia ad inviare traffico sul nuovo canale

• la vecchia connessione è rilasciata• il BSC informa l’MSC/VLR dell’avvenuto handover

151

UlterioriUlteriori OperazioniOperazioni

� Dopo l’handover la MS deve acquisire informazioni sulle nuove celle adiacentiattraverso lo Slow Associated Control CHannel (SACCH)

� Se l’handover ha determinato un cambiamento di LA la MS deve richiedere una procedura di Location Update

152

Inter Cell Inter Cell -- Inter BSC HandoverInter BSC Handover

A i rA

New cell / BTS

BTS

BTS

BSC TC

BSC TC

VLRMSC

Old cell / BTS

153

InterInter CellCell--InterInter BSC Handover BSC Handover

La procedura di handover è iniziata dal BSC• il BSC identifica la migliore BTS e il migliore TCH per la MS• il BSC corrente invia un messaggio all’ MSC/VLR perché la

nuova BTS è controllata da un altro BCS• l’MSC instaura una connessione verso il nuovo BSC • il nuovo BSC riserva un canale radio per la MS e la vecchia

portante viene rilasciata• il nuovo BSC ordina alla MS di sintonizzarsi sul nuovo

canale radio (TCH)• L’ MS inizia ad inviare traffico sul nuovo canale radio, dopo

che l’MSC ha commutato la connessione verso il nuovo BSC• la vecchia connessione è rilasciata

154

Inter MSC HandoverInter MSC Handover

Handover più complesso perché coinvolge differenti MSC/VLR

� La chiamata è instradata dall’ MSC iniziale(Anchor) all’ MSC finale

Air A

BTS

BTS

BSC TC

BSC TC

VLRMSC

VLRMSC

Old cell / BTSOld cell / BTS

New cell / BTS

155

Inter MSC Handover Inter MSC Handover (1)(1)

La procedura è iniziata dal BSC

• il BSC corrente decide l’handover verso una BTS controllata da un altro MSC/VLR

• il BSC corrente invia un comando di handover request all’MSC/VLR iniziale

• l’MSC/VLR iniziale invia una richiesta all’ MSC/VLR finale

• l’MSC/VLR finale alloca un HandOver Number (HON) e lo trasmette all’MSC/VLR iniziale

156

Inter MSC Handover Inter MSC Handover (2)(2)

• L’MSC/VLR finale instaura una connessione verso ilnuovo BSC

• il nuovo BSC riserva un canale di traffico per la MS

• L’MSC/VLR initial invia sul FACCH tramite I vecchi BSC e BTS un comando di handover alla MS

• la MS si sintonizza sul nuovo canale

• la MS inizia ad inviare traffico sul nuovo canale

• la vecchia connessione viene rilasciata

157

HandOverHandOver NumberNumber� Stesso formato di MSRN e MSISDN� HON = CC + NDC + SN

� CC = Country Code� NDC = National Destination Code� SN = Subscriber Number

� SN points to a database � in case of MSISDN located in the HLR� in case of HON and MSRN located in VLR

� HON contiene informazioni sufficienti per permettere al GMSC di instradare la chiamata verso l’MSC destinazione

158

Spegnimento di una Spegnimento di una MSMS

� Allo spegnimento la MS invia alla rete un ultimo messaggio di IMSI detached

� Il messaggio arriva all’MSC/VLR che marca come detached l’utente

� fino ad una successiva riattivazione non verra’piu’ effettuato paging verso l’utente ma in caso di chiamate si segnalera’ automaticamente al chiamante che l’utente non e’ raggiungibile

Reti Avanzate: Reti cellulari -...

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