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11 Reti radio mobili cellulari: il sistema GSM
IL SISTEMA CELLULARE GSM/DCS 1800
Struttura e funzioni del Global System for Mobile communications (GSM)
GLOBAL SYSTEM FORMOBILE COMMUNICATIONS
22 Reti radio mobili cellulari: il sistema GSM
IL SISTEMA GSM/DCS 1800: SOMMARIO
Panoramica degli aspetti trasmissivi
Architettura della rete GSM/DCS• Mobile Station (MS)• Base Transceiver Station (BTS)• Base Station Controller (BSC)• Mobile service Switching Center (MSC)• Operational and Maintenance Center (OMC)
Aspetti del radiocollegamento• bande allocate e canalizzazione• modulazione e accesso• codifica della voce e di canale• modellistica del canale
Aspetti di rete• gestione della risorsa radio (RRM)• gestione della mobilità (MM)• gestione delle comunicazioni (CM)
33 Reti radio mobili cellulari: il sistema GSM
BREVE STORIA DEL SISTEMA GSM
Inizio anni ‘80: diversi sistemi cellulari analogici incompatibili, sviluppati indipendentemente da varie nazioni (NMT, AMPS, RTMS, TACS ecc.).
1982: la Conference of European Posts and Telegraphs (CEPT) crea il Groupe Spécial Mobile (GSM) con il compito di sviluppare un Public Land Mobile System (PLMS) pan-europeo, con caratteristiche avanzate:• buona qualità della voce compressa• costo contenuto del terminale mobile e del servizio• possibilità di roaming internazionale• possibilità di supportare terminali mobili a bassissimo peso• possibilità di supportare diversi nuovi servizi• buona efficienza spettrale• compatibilità con il servizio ISDN.
1990: pubblicazione delle specifiche del sistema GSM (Global System for Mobile Communications).
1993: vi sono già 36 reti GSM attive in 22 nazioni, tra cui l’Italia.
Attualmente vi sono centinaia di reti GSM attive su tutti i continenti, compresa l’America del Nord, con nomi diversi (GSM, DCS1800, PCS1900).
44 Reti radio mobili cellulari: il sistema GSM
Diffusione del sistema GSM nel mondo
senza GSM
con GSM
55 Reti radio mobili cellulari: il sistema GSM
PANORAMICA DEGLI ASPETTI TRASMISSIVI
• Bande di frequenza e canalizzazione
• Cluster di celle e riuso di frequenza
• Antenne utilizzate dalla BTS e dalla MS
• Tecniche di modulazione e accesso
• Compressione della voce e codifica di canale
• Servizi supportati e velocità di trasmissione
66 Reti radio mobili cellulari: il sistema GSM
Bande di frequenza e canalizzazione
• La International Telecommunication Union (ITU) ha allocato, per il sistema GSM, la banda 890-915 MHz per i collegamenti uplink (mobile verso stazione radio base) e la banda 935-960 MHz per i collegamenti in senso opposto (downlink).
• Bande allocate per il sistema DCS1800: 1710-1785 MHz per i collegamenti uplink e 1805-1880 MHz per i collegamenti downlink.
• Bande allocate per il sistema PCS1900: 1850-1910 MHz per i collegamenti uplink e 1930-1990 MHz per i collegamenti downlink.
• Le bande suddette sono ripartite in sottobande adiacenti di larghezza 200 kHz, ciascuna destinata ad ospitare una portante.
• Coesistenza di altre reti (es. TACS) e ripartizione delle risorse di banda tra i vari operatori.
• Terminali mobili mono-banda o a banda multipla.
77 Reti radio mobili cellulari: il sistema GSM
Cluster di celle e riuso di frequenza - I
Il cluster di celle tipico del sistema GSM comprende 9 celle, con tre siti “tricellulari” posizionati nei punti 1,2,3.
Le diverse celle del cluster utilizzano frequenze portanti tutte diverse tra loro per contenere l’interferenza co-canale.
88 Reti radio mobili cellulari: il sistema GSM
Cluster di celle e riuso di frequenza - II
Un’altra possibile disposizione utilizzabile è quella a sette celle
Questa soluzione sembra più vantaggiosa della precedente in termini di capacità di rete, ma necessita di una quantità maggiore di infrastrutture fisse.
Questa soluzione sembra più vantaggiosa della precedente in termini di capacità di rete, ma necessita di una quantità maggiore di infrastrutture fisse.
99 Reti radio mobili cellulari: il sistema GSM
Antenne utilizzate dalla BTS
Le antenne di un sito tricellulare
sono direttive ed illuminano un
settore angolare largo all’incirca
120 gradi
Le antenne di un sito monocellulare sono omnidirezionali sul piano orizzontale
angolo di tilt
1010 Reti radio mobili cellulari: il
sistema GSM
Antenne utilizzate dalla BTS - Esempi 1
1111 Reti radio mobili cellulari: il
sistema GSM
Antenne utilizzate dalla BTS - Esempi 2
Diagrammi di irradiazione
isofrequenziali ottenuti dalla composizione di
più diagrammi elementari
Diagrammi di irradiazione
isofrequenziali ottenuti dalla composizione di
più diagrammi elementari
singolo pannello
fascio di aliasing
come realizzare un’antenna quasi isotropica a partire da antenne direttive
1212 Reti radio mobili cellulari: il
sistema GSM
Antenne utilizzate dalla BTS - Esempi 3
1313 Reti radio mobili cellulari: il
sistema GSM
Antenne utilizzate dalla BTS - Esempi 4
Antenne dual-band
1414 Reti radio mobili cellulari: il
sistema GSM
Antenne utilizzate dalla BTS - Esempi 5
1515 Reti radio mobili cellulari: il
sistema GSM
Antenne utilizzate dalla MS
Nei terminali mobili palmari l’antenna è di tipo filare con lunghezza pari a pochissimi centimetri (≤2). Il diagramma di irradiazione è praticamente isotropico
Nei terminali mobili autotrasportati l’antenna è di tipo filare con lunghezza pari ad es. a /2. Il diagramma di irradiazione è praticamente isotropico sul piano orizzontale e debolmente direttivo sul piano verticale.
1616 Reti radio mobili cellulari: il
sistema GSM
Tecniche di modulazione e accesso
Accesso FDMA/TDMA
• possibilità di trasmissione/ricezione discontinua (DTX,DRX)
• 124 portanti spaziate di 200 kHz (GSM)
• trama TDMA composta da 8 slot
• un canale fisico è rappresentato da un burst per trama
• canali dedicati e canali comuni
Modulazione Gaussian Minimum Shift Keying (GMSK)
• modulazione binaria a fase continua
• efficiente spettralmente ed energeticamente
• inviluppo costante
• relativa semplicità del ricevitore
Limitazioni tipiche sul canale radiomobile:
• scarsità di banda• scarsità di energia sul mobile• limitazione di spazio e peso sul mobile• nonlinearità del canale (specie sull’uplink)
LA RISPOSTA È...
1717 Reti radio mobili cellulari: il
sistema GSM
Compressione della voce e codifica di canale
Per risparmiare banda è necessario comprimere la voce, ovvero
codificarla riducendone la ridondanza ma non la qualità, in modo che ad un segnale vocale
corrisponda un flusso binario sensibilmente inferiore al flusso
standard PCM (64 kbit/s).
Attraverso la cosiddetta codifica RPE-LTP (Regular Pulse Excitation - Long Term Prediction) si arriva alle velocità:
• Codificatore full-rate: 13 kbit/s• Codificatore half-rate: 6.5 kbit/s.
Attraverso la cosiddetta codifica RPE-LTP (Regular Pulse Excitation - Long Term Prediction) si arriva alle velocità:
• Codificatore full-rate: 13 kbit/s• Codificatore half-rate: 6.5 kbit/s.
Per proteggere il segnale trasmesso dagli errori indotti dal canale (rumore e distorsione), è necessario codificare il segnale
introducendo ridondanza in misura dipendente dal tipo di segnale
(voce/dati/segnalazione).
Per la voce e per i dati si usa un codice convoluzionale concatenato con un interleaver a blocchi, mentre per la segnalazione viene usato anche un codice a blocco (di Fire). La ridondanza è variabile per i dati e la segnalazione.
Per la voce e per i dati si usa un codice convoluzionale concatenato con un interleaver a blocchi, mentre per la segnalazione viene usato anche un codice a blocco (di Fire). La ridondanza è variabile per i dati e la segnalazione.
RISULTATO
RISULTATO
1818 Reti radio mobili cellulari: il
sistema GSM
Servizi supportati e velocità di trasmissione
servizio telefonia full-duplex con voce codificata.• codifica standard: 13 kbit/s• codifica half-rate: 6.5 kbit/s
servizio trasmissione dati da/a POTS, ISDN,
PSPDN,CSPDN con vari protocolli (X.25, X.32 ecc.).• velocità standard: max 9.6 kbit/s
servizio fax (ITU-T Rec. T.30) con apposito
adattatore. messaggeria (SMS) bidirezionale per messaggi
alfanumerici brevi (fino a 160 bytes). servizi vari di gestione delle chiamate (segreteria,
identificazione del chiamante, teleconferenza ecc.). accesso diretto a Internet (GPRS, previsto come fase
2+ di GSM)
1919 Reti radio mobili cellulari: il
sistema GSM
ARCHITETTURA DELLA RETE GSM
SIM = Subscriber Identity ModuleME = Mobile EquipmentBTS = Base Transceiver Station
BSC = Base Station Controller(G)MSC = (Gateway) Mobile services Switching CenterHLR = Home Location Register
VLR = Visitor Location RegisterEIR = Equipment Identity RegisterAuC = Authentication Center
SIM
ME
BTS
BTS
BSC
BSC
Um Abis
(G)MSCPSTN, ISDN,
PSPDN,CSPDN
AVLRHLR
AuCEIR
Mobile Station Base Station Subsystem Network & Switching Subsystem
2020 Reti radio mobili cellulari: il
sistema GSM
La stazione mobile (MS)
Consiste di un apparato terminale mobile (ME, Mobile Equipment) più una smart card detta Subscriber Identity Module (SIM).
Consiste di un apparato terminale mobile (ME, Mobile Equipment) più una smart card detta Subscriber Identity Module (SIM).
Il ME è identificato dall’International Mobile Equipment Identity (IMEI).
Il ME è identificato dall’International Mobile Equipment Identity (IMEI).
La SIM consente la mobilità personale, indipendentemente dal ME utilizzato.
La SIM contiene l’International Mobile Subscriber Identity (IMSI), indipendente dall’IMEI, usata per identificare l’abbonato, più una chiave segreta ed altre informazioni.
La SIM può essere inoltre protetta da una password o da un PIN (Personal Identity Number).
La SIM consente la mobilità personale, indipendentemente dal ME utilizzato.
La SIM contiene l’International Mobile Subscriber Identity (IMSI), indipendente dall’IMEI, usata per identificare l’abbonato, più una chiave segreta ed altre informazioni.
La SIM può essere inoltre protetta da una password o da un PIN (Personal Identity Number).
2121 Reti radio mobili cellulari: il
sistema GSM
Il sottosistema stazione base (BSS)
BSC
Il BSC gestisce le risorse radio per una o più BTS, in particolare controlla il setup dei canali radio, il frequency hopping, gli handover intra-cella e inter-BTS.
Il BSC gestisce le risorse radio per una o più BTS, in particolare controlla il setup dei canali radio, il frequency hopping, gli handover intra-cella e inter-BTS.
BSS
interfaccia A-bis, basata sul Link
Access Protocol on Data (LAPD)
al Mobile service
Switching Center (MSC)
interfaccia A basata sul
protocollo SS7
la BTS ospita i ricetrasmettitori radio (uno per portante) che
definiscono una cella ed implementa i protocolli di collegamento con le MS.
la BTS ospita i ricetrasmettitori radio (uno per portante) che
definiscono una cella ed implementa i protocolli di collegamento con le MS.
BTS
BTS
2222 Reti radio mobili cellulari: il
sistema GSM
Esempio di unità BTS
1.75 m
Contiene l’hardware per
l’interfaccia radio (modem,
amplificatori, combinatori ecc.) e per l’interfaccia
verso la BSC
Contiene l’hardware per
l’interfaccia radio (modem,
amplificatori, combinatori ecc.) e per l’interfaccia
verso la BSC
Base Transceiver Station
2323 Reti radio mobili cellulari: il
sistema GSM
Esempio di unità BSC
2 m
Nell’unità sono ospitate (con ridondanza) le interfacce di linea da/verso le BTS e la MSC, nonché le funzioni di segnalazione
Base Station Controller
2424 Reti radio mobili cellulari: il
sistema GSM
Esempio di unità TRAU
Transcoder and Rate Adaptor Unit
È installata presso la MSC ed ha la funzione di convertire il flusso codificato GSM in flussi standard multipli di 64 kbit/s, e viceversa.
2 m
2525 Reti radio mobili cellulari: il
sistema GSM
The Network and Switching Subsystem (NSS) - I
È l’insieme delle principali funzioni È l’insieme delle principali funzioni di commutazione e dei data base di commutazione e dei data base
preposti alla gestione dei dati e della preposti alla gestione dei dati e della mobilità degli utenti, vale a dire mobilità degli utenti, vale a dire
registrazione, autenticazione, set-up registrazione, autenticazione, set-up chiamate, procedure di handover chiamate, procedure di handover
ecc.ecc.
È l’insieme delle principali funzioni È l’insieme delle principali funzioni di commutazione e dei data base di commutazione e dei data base
preposti alla gestione dei dati e della preposti alla gestione dei dati e della mobilità degli utenti, vale a dire mobilità degli utenti, vale a dire
registrazione, autenticazione, set-up registrazione, autenticazione, set-up chiamate, procedure di handover chiamate, procedure di handover
ecc.ecc.
La segnalazione tra le diverse funzionalità del NSS avviene con un formato detto Signaling System 7 (SS7), usato anche per la segnalazione di tronco nell’ISDN.
In particolare il protocollo di segnalazione SS7 è usato sull’interfaccia A tra MSC e BSC.
La segnalazione tra le diverse funzionalità del NSS avviene con un formato detto Signaling System 7 (SS7), usato anche per la segnalazione di tronco nell’ISDN.
In particolare il protocollo di segnalazione SS7 è usato sull’interfaccia A tra MSC e BSC.
2626 Reti radio mobili cellulari: il
sistema GSM
The Network and Switching Subsystem (NSS) - II
a/da PSTN/ISDN
MSC GMSC
HLR
VLR
a/da BSS
EIR
AuC
MSC
NSS
a/da BSS
alla PSTN/ISDN
a/da BSS
alla PSTN/ISDN
A
A
VLRMSC=Mobile Switching Center
GMSC=Gateway MSC
HLR=Home Location Register
VLR=Visitor LR
EIR=Equipment Identity Register
AuC=Authentication Center
MSC=Mobile Switching Center
GMSC=Gateway MSC
HLR=Home Location Register
VLR=Visitor LR
EIR=Equipment Identity Register
AuC=Authentication Center
VLR
2727 Reti radio mobili cellulari: il
sistema GSM
Il centro di commutazione radiomobile (MSC/GMSC)
È connesso a quattro registri: l’Home Location Register (HLR) e il Visitor Location Register (VLR) consentono l’instradamento delle chiamate e le capacità di roaming del GSM, mentre l’Equipment Identity Register (EIR) e L’Authentication Center (AuC) vengono usati per scopi di autenticazione e sicurezza.
È connesso a quattro registri: l’Home Location Register (HLR) e il Visitor Location Register (VLR) consentono l’instradamento delle chiamate e le capacità di roaming del GSM, mentre l’Equipment Identity Register (EIR) e L’Authentication Center (AuC) vengono usati per scopi di autenticazione e sicurezza.
È il componente principale del Sottosistema di Rete, e si
comporta come un normale nodo di commutazione della
rete PSTN/ISDN.
Esso provvede alla registrazione, autenticazione, aggiornamento della posizione, handover e instradamento delle chiamate di un abbonato roamer.
Esso provvede alla registrazione, autenticazione, aggiornamento della posizione, handover e instradamento delle chiamate di un abbonato roamer.
2828 Reti radio mobili cellulari: il
sistema GSM
Il registro dei residenti (HLR)
Non è solo un registro passivo dove si scrivono/leggono dei dati, ma va visto come una vera e propria unità con funzioni autonome, quali la richiesta alle MSC/VLR lasciate dal roamer della cancellazione dello stesso dal rispettivo VLR.
Non è solo un registro passivo dove si scrivono/leggono dei dati, ma va visto come una vera e propria unità con funzioni autonome, quali la richiesta alle MSC/VLR lasciate dal roamer della cancellazione dello stesso dal rispettivo VLR.
Contiene tutte le infomazioni identificative di ciascun abbonato alla rete GSM (MSISDN, IMSI, servizi abilitati), insieme alla posizione corrente di ciascuno di essi (se attivo).
La posizione corrente del mobile è normalmente nella forma dell’indirizzo di segnalazione del Visitor Location Register (VLR) corrente associato al mobile.
La posizione corrente del mobile è normalmente nella forma dell’indirizzo di segnalazione del Visitor Location Register (VLR) corrente associato al mobile.
Funzionalmente c’è un solo HLR per ogni rete GSM, anche se esso viene implementato come un data base distribuito.
Funzionalmente c’è un solo HLR per ogni rete GSM, anche se esso viene implementato come un data base distribuito.
MSISDN IMSI MSRN
2929 Reti radio mobili cellulari: il
sistema GSM
Il registro dei visitatori (VLR)
Il MSC non contiene informazioni relative ad alcuna particolare MS, questa informazione essendo confinata ai registri di locazione.
Il VLR è un data base contenente parte delle informazioni del HLR richieste per il controllo locale delle chiamate e per la fornitura dei servizi previsti, per ciascun MS correntemente posizionato in una certa area geografica.
Allo scopo di semplificare la segnalazione, di solito c’è un VLR associato a ciascun MSC, per cui l’area controllata dal VLR coincide con le Location Area di un MSC.
3030 Reti radio mobili cellulari: il
sistema GSM
Un IMEI è dichiarato non valido se esso risulta rubato o di tipo non approvato per la rete o per la funzione richiesta.
Equipment Identity Register (EIR)
È un data base contenente l’elenco di (teoricamente) tutti gli apparati mobili, dove ciascuna MS è identificata dal suo IMEI.
??
3131 Reti radio mobili cellulari: il
sistema GSM
Il centro di autenticazione (AuC)
Consiste in un data base protetto che ospita una copia delle chiavi segrete memorizzate in ciascuna carta SIM, usate per l’autenticazione e la cifratura sul canale radio.
Consiste in un data base protetto che ospita una copia delle chiavi segrete memorizzate in ciascuna carta SIM, usate per l’autenticazione e la cifratura sul canale radio.
La procedura di autenticazione viene attivata ogni qual volta un abbonato accede alla rete, per accertare la sua identità
3232 Reti radio mobili cellulari: il
sistema GSM
Il centro operativo e di manutenzione (OMC)
Collegamento alle MSC con X.25 su linea dedicata o
sull’interfaccia A con protocollo X.25 o SS7.
Collegamento alle MSC con X.25 su linea dedicata o
sull’interfaccia A con protocollo X.25 o SS7.
MSCOMC
MSC
MSC
•• •
È il centro “amministrativo” delle rete, con compiti di esercizio e manutenzione: compiti di esercizio giornaliero
(aggiornamento abbonati, raccolta dati di tassazione ecc.);
valutazione del corretto dimensionamento delle risorse radio della rete;
distribuzione ottimale del carico sui vari elementi della rete di connessione;
controllo della qualità del servizio; attività di manutenzione.
3333 Reti radio mobili cellulari: il
sistema GSM
ASPETTI DEL RADIOCOLLEGAMENTO
Bande allocate e canalizzazione Accesso (FDMA/TDMA con FH) Struttura delle trame Sincronizzazione di trama Velocità di trasmissione Codifica vocale Codifica di canale Modulazione Potenze trasmesse Sensibilità dei ricevitori Modellistica del canale Dimensioni delle celle Rapporto segnale-interferenza
3434 Reti radio mobili cellulari: il
sistema GSM
Bande allocate e canalizzazione
passo di canalizzazione comune e pari a 200 kHz
passo di canalizzazione comune e pari a 200 kHz PCN = Personal Communication Network
PCS = Personal Communication System
3535 Reti radio mobili cellulari: il
sistema GSM
Accesso multiplo - I
tempo
frequenza
portante 1
portante 2
portante 3
portante 4
portante 5
inizio trama fine trama
slot1
slot2
slot3
slot4
slot5
slot6
slot7
slot8
slot1
slot2
slot8
•••
Combinazione di accesso multiplo a divisione di frequenza e di tempo (FDMA/TDMA).
Ciascuno dei suddetti canali frequenziali
viene poi suddiviso nel tempo, usando uno
schema TDMA.
Ciascuno dei suddetti canali frequenziali
viene poi suddiviso nel tempo, usando uno
schema TDMA.
La banda disponibile viene suddivisa in canali frequenziali spaziati di 200 kHz. Una o più di
queste frequenze portanti vengono assegnate a ciascuna BTS.
La banda disponibile viene suddivisa in canali frequenziali spaziati di 200 kHz. Una o più di
queste frequenze portanti vengono assegnate a ciascuna BTS.
3636 Reti radio mobili cellulari: il
sistema GSM
Accesso multiplo - II
Un gruppo di 8 slot costituisce una trama TDMA, di durata pari a 120/26 ms ≈ 4.615 ms.
Un gruppo di 8 slot costituisce una trama TDMA, di durata pari a 120/26 ms ≈ 4.615 ms.
tempo
frequenza
portante 1
portante 2
portante 3
portante 4
portante 5
inizio trama fine trama
slot1
slot2
slot3
slot4
slot5
slot6
slot7
slot8
slot1
slot2
slot8
•••
Un canale fisico è costituito dunque dalla associazione di uno slot TDMA e di una delle frequenze portanti.
La durata di uno slot TDMA è
pari a 15/26 ms ≈ 0.577 ms.
La durata di uno slot TDMA è
pari a 15/26 ms ≈ 0.577 ms.
4.615 ms
0.577 ms
3737 Reti radio mobili cellulari: il
sistema GSM
Canali fisici
Più precisamente, quindi, un canale fisico è definito da un numero di time slot, dalla sequenza dei numeri di
trama e dalla legge di frequency hopping.
La frequenza della portante varia da un burst all’altro (SFH, Slow Frequency Hopping) secondo una legge che, a partire dalla cella e dal mobile assegnati, mappa univocamente il
numero corrente di trama su un canale radio.
tempo
frequenza
inizio trama inizio trama inizio trama inizio trama
trama n trama n +1 trama n +2 trama n +3
Un canale fisico utilizza
sempre lo stesso numero di time slot in tutte le trame.
Un canale fisico utilizza
sempre lo stesso numero di time slot in tutte le trame.
opzione del
provider!
3838 Reti radio mobili cellulari: il
sistema GSM
Struttura delle trame di traffico/segnalazione - I
Le multitrame da 51 trame ciascuna (durata: 235 ms) sono utilizzate per i canali comuni e per i canali di controllo (CCH).
Le trame TDMA sono identificate da un numero di trama, che è ciclico e va da 0 a 26·51·2048-1=2 715 647; un
ciclo ha pertanto durata pari a 3 h 28’ 53.76” (ipertrama).
L’ipertrama consiste di 2048 supertrame (durata: 6.12 s), a loro volta costituite da 51 multitrame di
26 trame ciascuna o da 26 multitrame di 51 trame ciascuna.
Le multitrame da 26 trame ciascuna (durata: 120 ms) sono utilizzate nella trasmissione dei
canali di traffico (TCH).
3939 Reti radio mobili cellulari: il
sistema GSM
Struttura delle trame di traffico/segnalazione - II
L’ipertrama è costituita da 2048
supertrame
L’ipertrama è costituita da 2048
supertrame
4040 Reti radio mobili cellulari: il
sistema GSM
Struttura della multitrama di traffico
trame di traffico voce/dati (TCH/F-H) trame di traffico voce/dati (TCH/F-H)
TF 13TF TF TF TF TF TF TF TF TF TF TF TF TF TF TF TF TF TF TF TF TF TF TF 26
multitrama di traffico (durata = 120 ms)
Slow Associated Control channel (SACCH) (viene utilizzato un solo frame
per i canali TCH/H).
Slow Associated Control channel (SACCH) (viene utilizzato un solo frame
per i canali TCH/H).
I canali SACCH sono associati ai relativi canali di traffico, hanno
velocità ridotte (1/24 o 1/12 di quella nominale) e trasportano informazioni di tipo non urgente, come le misure radio utilizzate per gli handover, i livelli di potenza e gli anticipi in
trasmissione del mobile.
4141 Reti radio mobili cellulari: il
sistema GSM
SLOT 1 SLOT 2BTS-MS
SLOT 3 SLOT 4 SLOT 5 SLOT 6 SLOT 7 SLOT 8
trama downlink (BTS - mobili)
burst diinteresse
ritardo di trasmissione(3 slot)
SLOT 2MS-BTS
burst uplink(mobile - BTS)
SLOT 1 SLOT 2BTS-MS
SLOT 3 SLOT 4 SLOT 5 SLOT 6 SLOT 7 SLOT 8
ritardo di trasmissione(3 slot-ritardo prop.)
SLOT 2MS-BTS
ritardo di propagazioneandata-ritorno
Ritardo downlink-uplink
I TCH relativi all’uplink ed al downlink per un utente mobile sono
separati da tre intervalli di slot (alla BTS) per evitare la trasmissione e la
ricezione simultanee
se non vi fosse ritardo di
propagazione!
se non vi fosse ritardo di
propagazione!
in realtà la MS deve anticipare!in realtà la MS deve anticipare!
4242 Reti radio mobili cellulari: il
sistema GSM
Canali di traffico (TCH)
Vi sono anche canali TCH a 1/4 o a 1/8 della velocità, usati per segnalazione e detti Stand-Alone Dedicated Control Channels (SDCCH, SDCCH/4, SDCCH/8). Essi sono utilizzati per il servizio SMS, per l’aggiornamento della posizione del mobile ecc.
I canali di traffico TCH/F (full-rate) consentono la trasmissione di voce codificata a 13 kbit/s o di dati alla velocità massima di 9.6 kbit/s (ora 14.4 kbit/s).
Gli stessi canali TCH/F vengono utilizzati per la segnalazione inerente al set-up o al rilascio di una chiamata,o all’esecuzione degli handover ecc. (in
tal caso lo stealing flag nel burst viene settato a 1).
Oltre ai suddetti TCH/F vi sono i canali half-rate TCH/H (non ancora implementati ovunque), che consentono il raddoppio della capacità voce attraverso l’impiego di codificatori a 6.5 kbit/s al posto degli attuali 13 kbit/s.
4343 Reti radio mobili cellulari: il
sistema GSM
Canali di controllo/segnalazione (CCH) - I
Vi sono dei canali dedicati che i mobili utilizzano per passare allo stato attivo; inoltre nel corso di una comunicazione essi eseguono il monitoraggio continuo delle BTS circostanti per consentire l’handover e per altre funzioni.
Sono definiti nell’ambito di una multitrama costituita da 51 trame, sincronizzata (a livello di supertrama) con quella a 26 trame dei TCH per facilitarne il monitoraggio da parte degli utenti mobili.
Vi sono dei canali comuni (ad es. il Broadcast Control
Channel, BCCH) che il mobile ascolta anche se nello stato
idle (stand-by), per stabilire se esso viene chiamato o per inizializzare una chiamata.
4444 Reti radio mobili cellulari: il
sistema GSM
Canali di controllo/segnalazione (CCH) - II
Broadcast Control Channel (BCCH): invio continuo sul downlink delle informazioni relative a identità BTS, allocazione delle frequenze e sequenze di FH.
Frequency Correction Channel (FCCH) e Synchronization (SCH) Channel: usato per la sincronizzazione del mobile alla frequenza di portante e alla trama della cella (inizio trama e numerazione time slot); ciascuna BTS irradia un FCCH e un SCH esattamente sui primi slot di trame dedicate.
Random Access Channel (RACH): di tipo Slotted Alhoa, usato dal mobile per richiedere l’accesso alla rete.
Paging Channel (PCH): usato per allertare un mobile di una chiamata in arrivo.
Access Grant Channel (AGCH): usato per allocare un SDCCH ad un mobile per segnalazione (allo scopo di ottenere un canale dedicato), a seguito di una richiesta sul RACH.
4545 Reti radio mobili cellulari: il
sistema GSM
Struttura dei burst
Il burst più corto si usa per l’accesso alla rete, che avviene sul canale RACH (Random Access Channel) con tecnica Slotted Aloha
Il burst più corto si usa per l’accesso alla rete, che avviene sul canale RACH (Random Access Channel) con tecnica Slotted Aloha
CODA INFORMAZIONE CODAINFORMAZIONEMIDAMBOLO
CODA 1 CODA 2INFORMAZIONESINCRONIZZAZIONE
CODA CODAPATTERN STIMA FREQUENZA
INFORMAZIONE CODAALLINEAMENTOCODA INFORMAZIONE
BURST NORMALE: 148 BIT
Coda: 3 bitInformazione: 57+1 bitMidambolo: 26 bit
BURST DI ACCESSO ALLA RETE: 88 BIT
Coda 1: 8 bitSincronizzazione: 41 bitInformazione: 36 bitCoda 2: 3 bit
BURST DI CORREZIONE DELLA FREQUENZA: 148 BIT
Coda: 3 bitPattern: 142 bit (tutti=0)
BURST DI SINCRONIZZAZIONE DI TRAMA: 148 BIT
Coda: 3 bitInformazione: 39 bitAllineamento: 64 bit
Canali di traffico e segnalazione normali
Canale FCCH
Canale SCH
4646 Reti radio mobili cellulari: il
sistema GSM
Struttura dei burst di traffico
Tenendo conto della struttura della multitrama di traffico, la
velocità di trasmissione dei dati è pari a 22.8 kbit/s, mentre la velocità di trasmissione sul
canale è 270.83 kbit/s
Tenendo conto della struttura della multitrama di traffico, la
velocità di trasmissione dei dati è pari a 22.8 kbit/s, mentre la velocità di trasmissione sul
canale è 270.83 kbit/s
gli 8.25 intervalli di bit di guardia hanno lo scopo di evitare collisioni tra
burst adiacenti
frame, 4.615 ms
3 31 157 57
1 2 3 4 5 6 7 8
26 8.25
bit di coda
dati
stealing flag
midambolo datiintervallodi guardia
bit di coda
577 μs
stealing flag
4747 Reti radio mobili cellulari: il
sistema GSM
Codifica della voce - I
Come miglior Come miglior compromesso tra qualità compromesso tra qualità
e complessità (costo, e complessità (costo, ritardo di elaborazione, ritardo di elaborazione,
consumo di potenza) si è consumo di potenza) si è optato per l’algoritmo optato per l’algoritmo
noto come Regular Pulse noto come Regular Pulse Excited - Long Term Excited - Long Term
Prediction (RPE-LTP).Prediction (RPE-LTP).
Come miglior Come miglior compromesso tra qualità compromesso tra qualità
e complessità (costo, e complessità (costo, ritardo di elaborazione, ritardo di elaborazione,
consumo di potenza) si è consumo di potenza) si è optato per l’algoritmo optato per l’algoritmo
noto come Regular Pulse noto come Regular Pulse Excited - Long Term Excited - Long Term
Prediction (RPE-LTP).Prediction (RPE-LTP).
Il metodo più Il metodo più impiegato per ISDN e impiegato per ISDN e per PSTN sulle linee per PSTN sulle linee
multiplex ad alta multiplex ad alta velocità e sulle fibre velocità e sulle fibre
ottiche è il PCM, la cui ottiche è il PCM, la cui velocità (64 kbit/s) è velocità (64 kbit/s) è
però eccessiva.però eccessiva.
Il metodo più Il metodo più impiegato per ISDN e impiegato per ISDN e per PSTN sulle linee per PSTN sulle linee
multiplex ad alta multiplex ad alta velocità e sulle fibre velocità e sulle fibre
ottiche è il PCM, la cui ottiche è il PCM, la cui velocità (64 kbit/s) è velocità (64 kbit/s) è
però eccessiva.però eccessiva.
GSM è un sistema numerico, per cui la voce, che è
inerentemente analogica, deve essere digitalizzata.
...0110100110101000110110010100010010011100101010100101...
4848 Reti radio mobili cellulari: il
sistema GSM
+
-
FILTRO DIPREDIZIONEA BREVE T.
x(n) x(n)^ y(n)
Codifica della voce - II
Invece di trasmettere x(n) , vengono trasmessi i coefficienti del filtro, più una versione codificata dell’errore di predizione (Linear Prediction Coding, LPC)
Invece di trasmettere x(n) , vengono trasmessi i coefficienti del filtro, più una versione codificata dell’errore di predizione (Linear Prediction Coding, LPC)
predizione errore di predizione (residuo) a basso contenuto informativo
Il numero dei dati da trasmettere è inferiore!
I campioni precedenti x(n-1),…, x(n-L), che non cambiano
molto rapidamente, vengono utilizzati, attraverso una
combinazione lineare (filtro), per prevedere l’ampiezza x(n)
del campione corrente .
^
4949 Reti radio mobili cellulari: il
sistema GSM
Codifica della voce - III
In ricezione è possibile realizzare la struttura inversa alla precedente e pilotarla con l’errore di predizione y(n), che costituisce la sequenza
di eccitazione,ottenendo così la sequenza di partenza x(n) ...
Questa tecnica viene ulteriormente affinata
notando che quando si pronunciano le vocali il
segnale emesso è pressoché periodico (con periodo di pochi ms), e
che il residuo y(n) contiene quindi una componente
periodica che può essere predetta e rimossa con un predittore a lungo termine
(LTP) di semplice realizzazione.
+
-
FILTRO DIPREDIZIONEA BREVE T.
x(n) x(n)^ y(n)
+
-
FILTRO DIPREDIZIONEA LUNGO T.
y(n)^ z(n)
nuova sequenza di eccitazione
5050 Reti radio mobili cellulari: il
sistema GSM
Codifica della voce - IV
Pertanto la voce codificata corrisponde a
13 kbit/s, cui vanno aggiunti ulteriori bit di
codifica di canale.
segnale PCMcon codifica a13 bit/campione
PRE-ELABORAZIONE(ENFASI ECC.)
SEGMENTAZIONE(20 ms)
SOTTO-SEGMENTAZ.(5 ms)
all'analisi dibreve e lungotermine
Il parlato viene suddiviso in blocchi di 20 ms (160
campioni), per ciascuno dei quali il codificatore genera 260
bit, invece dei 1280 bit di un segnale PCM standard.
Il rapporto di compressione è pari a circa 5:1.
5151 Reti radio mobili cellulari: il
sistema GSM
Codifica della voce - V
In pratica si fa così...
ridondanza a lungo termine + innovazione
innovazione
innovazione quantizzata
ridondanza a lungo termine stimata
ridondanza a lungo termine + innovazione
ricostruite
ridondanza a breve termine + ridondanza a
lungo termine + innovazione
5252 Reti radio mobili cellulari: il
sistema GSM
Codifica di canale
A causa dei disturbi naturali (es. rumore termico) e provocati dall’attività umana (interferenze) la voce, i dati e le segnalazioni vanno protetti dagli errori occasionali commessi dal ricevitore.
• codifica convoluzionale
• codifica a blocco (Fire)
• interleaving a blocchi.
Nel sistema GSM la protezione si ottiene tramite:
convoluzionale rate 1/2
convoluzionale rate 1/2
+
+
un
cn,1
cn,2
a blocco (6,4)a blocco (6,4)
+ +
blocco di ingresso
bit di parità
interleaverinterleaver
dati di ingresso
dati di uscita
5353 Reti radio mobili cellulari: il
sistema GSM
Codifica di canale
La voce ed i dati alle differenti velocità, nonché
la segnalazione, impiegano algoritmi di codifica specifici, con
diversi livelli di ridondanza che
garantiscono differenti gradi di protezione.
5454 Reti radio mobili cellulari: il
sistema GSM
Codifica di canale per la voce - I
I 260 bit che rappresentano il generico blocco vocale di 20 ms vengono suddivisi in 3 classi, a seconda della loro importanza:
• Classe Ia (50 bit) - massima sensibilità agli errori
• Classe Ib (132 bit) - sensibilità moderata agli errori
• Classe II (78 bit) - minima sensibilità agli errori
Ai 50 bit della classe Ia vengono aggiunti 3 bit attraverso un codificatore a blocco ciclico (CRC) per consentire la rivelazione di errori.
Se in ricezione si rileva un errore in questo gruppo di bit, l’intero blocco di 260 bit viene scartato in quanto ritenuto incomprensibile e viene sostituito con una versione attenuata dell’ultimo blocco valido.
5555 Reti radio mobili cellulari: il
sistema GSM
Codifica di canale per la voce - II
I 53 bit della classe Ia insieme ai 132 bit della classe Ib ed a 4 bit di coda (totale: 189 bit) sono inviati ad un codificatore convoluzionale di rate 1/2 e constraint length 4.
I 378 bit così ottenuti sono uniti ai 78 bit di classe II (non protetti), in modo da ottenere una sequenza di 456 bit, corrispondente ad un bit rate di 22.8 kbps.
Ciascuna sequenza viene sottoposta ad interleaving a blocchi, ovvero viene suddivisa in 8 sottosequenze di 57 bit ciascuna, che vengono inviate, in ordine alterato, su 8 burst di altrettante trame di traffico consecutive.
Poiché ogni burst ospita 2 sequenze da 57 bit, ogni TB trasporta traffico relativo a 2 blocchi vocali consecutivi A e B.
I bit del blocco A occupano le posizioni pari all’interno del burst mentre quelli del blocco B le posizioni dispari.
5656 Reti radio mobili cellulari: il
sistema GSM
Catena di elaborazione per i segnali vocali
Per un segnale dati sono assenti i blocchi di speech coding and
decoding, ed è diversa la codifica di canale
Per un segnale dati sono assenti i blocchi di speech coding and
decoding, ed è diversa la codifica di canale
5757 Reti radio mobili cellulari: il
sistema GSM
Struttura del segnale - I
La modulazione impiegata è la Gaussian Minimum Shift Keying (GMSK), che è una modulazione binaria a fase continua (CPM):
s(t) =2Eb
Tb
cos2π f0t+ϕ(t)+θ( )
energia per bit
intervallo di bit
fase in eccesso
fase della portante
freq. della portante
segnale trasmesso
ϕ(t)=2πh αnn∑ q(t −nTb)
indice di modulazione (h=1/2)
segnale modulante
simboli informativi (±1)
risposta in fase del modulatore
5858 Reti radio mobili cellulari: il
sistema GSM
Struttura del segnale - II
Risposta in fase del modulatore q(t)= g(τ)dτ
−∞
t
∫
g(t) =p(t)⊗ h(t)Impulso in frequenza
p(t)
tTb0
12Tb
h(t) è una gaussiana
di banda B a -3 dB pari a BTb 0 .3
5959 Reti radio mobili cellulari: il
sistema GSM
Schema del modulatore GMSK
SORGENTE BINARIA
FILTROGAUSSIANO
MODULAT. FM (h =1/2)
s(t) un
12Tb
rect ¯t
Tb( )
12Tb
∑n un [(rectt-nT )/T ]b b
(β T = 0.3)b
Il filtro gaussiano, smussando l’impulso in frequenza rispetto all’andamento rettangolare, consente di ottenere uno spettro più compatto.
h(t)
tempo
6060 Reti radio mobili cellulari: il
sistema GSM
GMSK - Spettro di potenza e diagramma ad occhio
-70
-60
-50
-40
-30
-20
-10
0
frequenza normalizzata,
fTb
43210frequenza normalizzata, fTb
GMSK, BTb=0.5GMSK, BTb=0.3
MSK
Al diminuire della banda del filtro
gaussiano, lo spettro diventa sempre più
compatto
-1.0
-0.5
0.0
0.5
1.0
diagramma ad occhio
-2 -1 0 1 2tempo normalizzato, t/Tb
GMSK, βTb=0.3
Il diagramma a occhio (componente I o Q)
mostra la presenza di un livello modesto di ISI sul
canale gaussiano
istante ottimale campionamento
6161 Reti radio mobili cellulari: il
sistema GSM
GMSK - Demodulatore sub-ottimo su canale gaussiano
FILTRO
ADATTATO
IN MEDIA kT0
r (t)Iu (t)I
s(t)+w(t) 2 cos2π f t0
+ /2kT T0
r ( )tQ u ( )tQ
-2 sin2π f t0
a -1k^
bk-1^FILTRO
ADATTATO
IN MEDIA
La modulazione GMSK può essere approssimata con una modulazione lineare I-Q con offset
Quindi sul canale gaussiano si può usare un demodulatore I-Q in
offset
6262 Reti radio mobili cellulari: il
sistema GSM
Struttura del canale radiomobile
Il canale radiomobile è caratterizzato da:
• una molteplicità di cammini (canale multipath) dovuti a riflessioni e diffrazioni del campo e.m. dall’ambiente circostante, che possono introdurre selettività in frequenza;
• tempo-varianza della risposta, dovuta al movimento della MS, che introduce variazioni nel livello del segnale ricevuto (selettività nel tempo)
cammino diretto
cammino riflessocammino diffratto
6363 Reti radio mobili cellulari: il
sistema GSM
Selettività nel tempo
Andamento tipico a breve termine (valore RMS pressoché costante) del livello del segnale ricevuto su un terminale mobile dotato di velocità costante v (ambiente urbano). A lungo termine il valore RMS subisce variazioni secondo una legge del tipo , dove d è la distanza TX-RX e è un esponente compreso tra 2 e 4.
k d
≈
L’ampiezza del segnale ricevuto può essere
ritenuta costante in tempi molto minori di /v ( /v 20 ms @ 50 km/h per il
sistema GSM)
Il processo “livello ricevuto” può ritenersi stazionario in
senso lato in un tempo entro il quale non varia
apprezzabilmente il tipo di ambiente e la distanza MS-
BTS.
CRITERI PROGETTUALI
6464 Reti radio mobili cellulari: il
sistema GSM
La risposta impulsiva di un canale multipath stazionario è del tipo
Ad esempio, se la dispersione temporale è dell’ordine di 10 μs, non si ha selettività in frequenza solo per segnali la cui banda è molto minore di 100 kHz.
Il canale può ritenersi non selettivo in frequenza se la banda del segnale è molto più piccola dell’inverso della dispersione temporale.
CRITERI PROGETTUALI
˜ c (t) = ˜ cnn=1
N
∑ δ t−τn( )
numero di percorsi
ritardi di propagazionecoefficienti
complessi
Selettività in frequenza
6565 Reti radio mobili cellulari: il
sistema GSM
Modello statistico del segnale ricevuto
Un buon modello statistico per l’ampiezza del segnale ricevuto in ambiente urbano (TU), dove in genere TX e RX non sono in vista e quindi non esiste il raggio diretto, è quello di Rayleigh:
In ambiente rurale (RA) o collinare (HT), dove tipicamente esiste il raggio diretto, un modello più realistico è quello di Rice:
6666 Reti radio mobili cellulari: il
sistema GSM
Canali radio standard
TIPO DICANALE
Cammino# n
Ritardoτn, ( )µs
Ritardo norma-, lizzatoτn/T b
Potenza, ( )relativa dB
1 0.0 0.000 -3.02 0.2 0.054 0.0
TYPICAL 3 0.5 0.135 -2.0 ( )URBAN TU 4 1.6 0.432 -6.0
5 2.3 0.621 -8.06 5.0 1.351 -10.0
1 0.0 0.000 0.02 0.1 0.027 -1.5
HILLY 3 0.3 0.081 -4.5 ( )TERRAIN HT 4 0.5 0.135 -7.5
5 15.0 4.054 -8.06 17.7 4.649 -17.7
1 0.0 0.00 0.02 0.1 0.027 -4.0
RURAL 3 0.2 0.054 -8.0 ( )AREA RA 4 0.3 0.081 -12.0
5 0.4 0.108 -16.06 0.5 0.135 -20.0 -12
-10
-8
-6
-4
-2
0
Potenza media relativa, dB
1.41.21.00.80.60.40.20.0
Ritardo normalizzato, τn/Tb
CANALE TU
Nell’ambiente TU si assume assente il raggio diretto
6767 Reti radio mobili cellulari: il
sistema GSM
Struttura del demodulatore sul canale con fading
FILTRO ADATTATO
PROCESSORE DI VITERBI
2kT b +T b
STIMA DELLA RISPOSTAIMPULSIVA DEL CANALE
x(t)
x (t)R
2 cos2π f 0 t2kTb
h~ (t)
{χ 2p}, {ξ2p+1}
a , b
y I ,2k
y Q,2k+1
-2 2senπ f t 0
x (t)I
contiene la fase della portante
termini di ISI da fornire all’equalizzatore di
Viterbi
adesso è necessario stimare ed
equalizzare il canale burst
per burst!
adesso è necessario stimare ed
equalizzare il canale burst
per burst!
ha funzione di equalizzatoreha funzione di equalizzatore
6868 Reti radio mobili cellulari: il
sistema GSM
Schema funzionale TRX
6969 Reti radio mobili cellulari: il
sistema GSM
Salti in frequenza (FH)
Un ulteriore effetto benefico è quello della “randomizzazione” dell’interferenza co-canale dovuta ai cluster adiacenti.
tempo
frequenza
inizio trama inizio trama inizio trama inizio trama
trama n trama n +1 trama n +2 trama n +3
L’algoritmo di frequency hopping, radiodiffuso sul BCCH, associa un canale radio alla particolare combinazione corrente
di cella del cluster, di utente e di numero di trama.
L’introduzione dei salti in frequenza allevia il problema del fading da cammini multipli, che è fortemente dipendente dalla frequenza
7070 Reti radio mobili cellulari: il
sistema GSM
Trasmissione discontinua per la voce (DTX)
Il burst di traffico vocale viene generato e trasmesso solo quando è presente il
segnale,la cui rilevazione è affidata ad un voice activity detector (VAD).
riduzione dell’interferenza co-canale dovuta ai cluster adiacenti
risparmio di energia (aspetto rilevante per le MS)
VANTAGGI
In assenza della voce, introduzione del comfort noise di livello calibrato sulla stima del rumore di fondo
possibili errori di falsa rivelazione e di mancata rivelazione della voce, che hanno rispettivamente impatto sull’efficienza della DTX o sulla qualità della voce (clipping)
SVANTAGGI
7171 Reti radio mobili cellulari: il
sistema GSM
Ricezione discontinua (DRX)
Ciascuna MS deve ascoltare soltanto il proprio sotto-canale, che le è assegnato al momento dell’accesso alla rete, rimanendo nel modo idle nel resto del tempo, e minimizzando quindi i requisiti di potenza.
La tecnica DRX è utilizzata dalla MS quando essa si trova nello stato di attesa di chiamate (idle o stand-by).
Consiste nell’accensione dei circuiti di ricezione solamente quando sull’antenna è presente il sotto-canale di segnalazione relativo alla MS.
Il canale di paging (PCH), utilizzato dalla BTS per
segnalare una chiamata in arrivo, è infatti strutturato in
sotto-canali (slot).
7272 Reti radio mobili cellulari: il
sistema GSM
Classi di potenza
Per il sistema GSM sono definite 5 classi di potenza di picco della MS, e 2 classi per il DCS1800
Classe GSM DCS1800
1 20 W 1 W2 8 W 0.25 W3 5 W -4 2 W -5 0.8 W -
La potenza è variabile con step di 2 dB dalla potenza di picco relativa alla classe considerata fino ad un minimo di 13 dBm (20 mW).
La potenza è variabile con step di 2 dB dalla potenza di picco relativa alla classe considerata fino ad un minimo di 13 dBm (20 mW).
veicolariveicolari
palmaripalmari
7373 Reti radio mobili cellulari: il
sistema GSM
Controllo di potenza
Sia la MS che la BTS sono in grado di misurare il livello e/o la qualità (BER) dei segnali ricevuti.
La MS effettua la misura e passa l’informazione alla BSC, che alla fine decide se e quando il livello di potenza debba essere cambiato; analoga procedura viene eseguita dalla BTS-BSC nei confronti della MS. La potenza trasmessa (sia da MS che
da BTS) è la più piccola compatibile con la qualità minima stabilita per il segnale
La potenza trasmessa (sia da MS che da BTS) è la più piccola compatibile con la qualità minima stabilita per il segnale
È opzionale per il provider, e presenta il vantaggio di incrementare la capacità della rete minimizzando
l’interferenza, oltre a consentire un risparmio di energia.
7474 Reti radio mobili cellulari: il
sistema GSM
Dimensione delle celle
La dimensione delle celle è legata alla densità geografica di utenti da servire: maggiore è questa densità, minore deve essere il diametro delle celle, e minori le potenze irradiate per mantenere accettabile il rapporto segnale-interferenza.
La dimensione massima delle celle è pari a circa 35 km; questa si trova ricordando che l’anticipo di trasmissione è codificato con 6 bit, e quindi esso è al più 64 intervalli di bit, ovvero 236 μs.
La dimensione minima si trova nei centri urbani e può essere inferiore al km (micro e picocelle).
7575 Reti radio mobili cellulari: il
sistema GSM
Limiti all’interferenza co-canale e da canale adiacente
Le specifiche GSM stabiliscono un limite (9 dB) al rapporto tra segnale e interferenza co-canale. Tale limite consente di stabilire quale deve essere il fattore di riuso delle frequenze e quindi il numero di celle del cluster.
Circa l’interferenza da canale adiacente, il ricevitore deve funzionare correttamente quando il suddetto canale ha potenza fino a 10 dB superiore a quella utile. Ciò pone requisiti stringenti sullo spettro del segnale e sulle risposte dei filtri separatori di canale.
7676 Reti radio mobili cellulari: il
sistema GSM
SOTTOSISTEMA DI RETE E COMMUTAZIONE (NSS)
Funzioni principali del Network & Switching Subsystem (NSS) gestione delle procedure di handover per il passaggio da una
cella ad un’altra. aggiornamento delle posizioni delle MS all’interno della rete
registrazione e autenticazione degli utenti routing delle chiamate
Funzioni principali del Network & Switching Subsystem (NSS) gestione delle procedure di handover per il passaggio da una
cella ad un’altra. aggiornamento delle posizioni delle MS all’interno della rete
registrazione e autenticazione degli utenti routing delle chiamate
Queste funzioni sono eseguite principalmente attraverso il Mobile Application Part (MAP) costruito sul protocollo Signaling System n. 7 (SS7), che è lo stesso protocollo di
segnalazione utilizzato nella rete ISDN.
Queste funzioni sono eseguite principalmente attraverso il Mobile Application Part (MAP) costruito sul protocollo Signaling System n. 7 (SS7), che è lo stesso protocollo di
segnalazione utilizzato nella rete ISDN.
7777 Reti radio mobili cellulari: il
sistema GSM
Struttura del protocollo di segnalazione - I
TDMA
LAPDm
RR
MM
CM
GSMLivello 3
Livello 2
Livello 1
Stazione mobile
TDMA
LAPDm
Um
RR
BTS
MTP
SCCP
BSSMAP
BSC
Abis
A
MTP
SCCP
MSC
BSSMAP
MM
CM
TDMA=Time Division Multiple AccessLAPDm=Link Access Protocol for the Data channel (modified)MTP=Message Transfer PartSCCP=Signaling Connection Control Part
RR=Radio ResourceBSSMAP=BSS Management PartMM=Mobility ManagementCM=Communication Management
7878 Reti radio mobili cellulari: il
sistema GSM
Struttura del protocollo di segnalazione - II
Protocollo di segnalazione strutturato fondamentalmente in 3 livelli, dipendenti
dall’interfaccia (IF) considerata.
Protocollo di segnalazione strutturato fondamentalmente in 3 livelli, dipendenti
dall’interfaccia (IF) considerata.
Il primo livello è quello fisico, che impiega le strutture di canale già viste sull’IF radio.
Il secondo è quello di data link. Sull’IF radio utilizza una versione modificata (m) del protocollo LAPD di ISDN, mentre sull’IF A usa il protocollo Message Transfer Part (MTP) Layer 2 di SS7.
Il primo livello è quello fisico, che impiega le strutture di canale già viste sull’IF radio.
Il secondo è quello di data link. Sull’IF radio utilizza una versione modificata (m) del protocollo LAPD di ISDN, mentre sull’IF A usa il protocollo Message Transfer Part (MTP) Layer 2 di SS7.
...
7979 Reti radio mobili cellulari: il
sistema GSM
Struttura del protocollo di segnalazione - III
La segnalazione tra le diverse componenti della rete fissa (es. tra i registri HLR e VLR) avviene tramite il protocollo Mobile Application Protocol (MAP), costruito sulle Transaction Capabilities Application Part (TCAP), il livello più alto di SS7.
Il terzo livello del protocollo di segnalazione è suddiviso in 3 sottolivelli
Il terzo livello del protocollo di segnalazione è suddiviso in 3 sottolivelli
Gestione delle Risorse Radio (RRM), che controlla il setup, il mantenimento e la terminazione dei canali radio e fissi, compresi gli handover
Gestione della Mobilità (MM), che controlla le procedure di aggiornamento della posizione e di registrazione, nonché di sicurezza ed autenticazione
Gestione delle Comunicazioni (CM), che controlla le chiamate e i servizi supplementari quali lo Short Message Service (SMS)
8080 Reti radio mobili cellulari: il
sistema GSM
GESTIONE DELLA RISORSA RADIO (RRM)
• Il livello RR controlla l’instaurazione, il mantenimento e la terminazione del collegamento (sia radio che fisso) tra MS e MSC.
• A tale scopo esso crea e gestisce una sessione RR, che viene iniziata dalla MS attraverso la procedura di accesso (sia per chiamata entrante che uscente) e terminata alla fine della comunicazione.
• In particolare, il livello RR controlla l’assegnazione dei canali dedicati per il set-up di una comunicazione nonché la struttura dei sotto-canali di paging.
• Come detto, il livello RR provvede al mantenimento di una comunicazione cambiando eventualmente una o più volte il canale fisico sul quale essa ha luogo (handover).
• Esso gestisce alcuni aspetti radio come il controllo della potenza, la trasmissione e la ricezione discontinua, la sincronizzazione dei burst nel link di ritorno.
8181 Reti radio mobili cellulari: il
sistema GSM
Handover - I
• handover tra celle controllate da BSC diversi, sotto un unico MSC;
• handover tra celle controllate da MSC diversi.
In una rete cellulare, i collegamenti radio e fissi non sono assegnati in modo permanente durante una chiamata, ma possono variare.
Il termine “handover” indica la commutazione di una chiamata su un canale o su una cella differente e, insieme alle procedure di accesso, costituisce una delle funzioni più importanti controllate dal livello RR.
• handover tra canali (slot tempo/frequenza) nella stessa cella
• handover tra celle controllate dallo stesso BSC
handover interni
handover interni
handover esterni
handover esterni
Quattro diversi tipi di
handover:
8282 Reti radio mobili cellulari: il
sistema GSM
Handover - II
Gli handover interni coinvolgono un solo BSC e, per risparmiare banda di segnalazione, sono gestiti dal BSC senza intervento del MSC salvo nella fase finale di notifica.
Gli handover esterni sono gestiti dagli MSC coinvolti.L’MSC iniziale (detto anchor MSC) rimane responsabile delle funzioni relative alle chiamate, ad eccezione dei successivi handover inter-BSC, gestiti dal MSC corrente (detto relay MSC).
8383 Reti radio mobili cellulari: il
sistema GSM
Handover - III
Gli handover possono essere
decisi dal MSC come mezzo di
bilanciamento del traffico...
…oppure dal mobile, il quale negli
slot in cui non vi è trasmissione
misura il livello dei canali BCCH
delle celle vicine, e forma una lista
delle celle migliori candidate
all’handover.
Tali dati vengono periodicamente
(almeno una volta al secondo)
trasmessi al MSC e usati per
l’algoritmo di handover.
8484 Reti radio mobili cellulari: il
sistema GSM
Handover - IV
L’algoritmo a “bilancio di potenza” usa l’handover
per tentare di mantenere o migliorare la qualità dei
segnali con potenza uguale o inferiore.
Un vero e proprio algoritmo di handover non è specificato nelle raccomandazioni GSM. Ve ne sono
due tipi base, entrambi correlati al controllo di potenza:
Un vero e proprio algoritmo di handover non è specificato nelle raccomandazioni GSM. Ve ne sono
due tipi base, entrambi correlati al controllo di potenza:
L’algoritmo a “prestazioni minime accettabili” dà priorità al controllo di potenza sull’handover, in modo che quando il livello
del segnale scende sotto un certo limite, viene incrementata la potenza trasmessa
dalla MS. Quando questa misura non migliora le prestazioni, allora viene attivata la
procedura di handover.
Semplice ma tende ad estendere e sovrapporre
le celle, nonché ad incrementare l’interferenza.
Semplice ma tende ad estendere e sovrapporre
le celle, nonché ad incrementare l’interferenza.
Evita l’allargamento delle celle e
riduce l’interferenza, ma risulta piuttosto
complicato.
Evita l’allargamento delle celle e
riduce l’interferenza, ma risulta piuttosto
complicato.
8585 Reti radio mobili cellulari: il
sistema GSM
GESTIONE DELLA MOBILITÀ (MM)
• E’ uno specifico livello costruito sopra il livello RR, ed ha la scopo di gestire le funzioni derivanti dalla mobilità della MS (gestione della localizzazione), nonché gli aspetti di autenticazione e di sicurezza.
• La gestione della localizzazione comprende le procedure che consentono alla rete di conoscere la posizione corrente della MS, in modo da rendere possibile l’instradamento verso di essa di chiamate provenienti dall’esterno.
• Le procedure di autenticazione hanno lo scopo di accertare l’effettiva identità dell’utente attraverso lo scambio di opportuni codici identificativi.
• La sicurezza attiene alla cifratura dei messaggi trasmessi, in modo da renderli inintelligibili alle eventuali intercettazioni, e alla verifica della legittimità di uso dell’hardware attraverso controllo del codice IMEI.
8686 Reti radio mobili cellulari: il
sistema GSM
Aree di localizzazione
Un mobile acceso viene informato di una chiamata in arrivo Un mobile acceso viene informato di una chiamata in arrivo da un messaggio di paging trasmesso sul PCH.da un messaggio di paging trasmesso sul PCH.
Compromesso: raggruppare le celle in Compromesso: raggruppare le celle in aree di localizzazione (LA)aree di localizzazione (LA). I . I messaggi di aggiornamento della posizione sono richiesti nel messaggi di aggiornamento della posizione sono richiesti nel
passaggio tra diverse aree, mentre le chiamate vengono trasmesse passaggio tra diverse aree, mentre le chiamate vengono trasmesse solo sui PCH delle celle coinvolte.solo sui PCH delle celle coinvolte.
Due soluzioni estreme:
• inviare il messaggio di paging di ogni chiamata su tutte le celle
• far notificare al sistema la posizione corrente del mobile a livello di singola cella
spreco di banda radio!
grande frequenza di messaggi di
aggiornamento della posizione!
8787 Reti radio mobili cellulari: il
sistema GSM
Procedura di localizzazione - I
La localizzazione del mobile avviene attraverso l’uso del MSC La localizzazione del mobile avviene attraverso l’uso del MSC e di due registri: l’Home Location Register (HLR) e il Visitor e di due registri: l’Home Location Register (HLR) e il Visitor
Location Register (VLR)Location Register (VLR)
accensione del mobileo
ingresso in una nuova LA (sia dello stesso che di un nuovo operatore PLMN)
Il mobile:
• ascolta il canale BCCH per l’identificazione della LA
• rileva la nuova LA
• invia un messaggio di aggiornamento della posizione al MSC/VLR
8888 Reti radio mobili cellulari: il
sistema GSM
Procedura di localizzazione - II
NEW MSC/VLR
HLR
1. Invio delle informazioni di localizzazione del mobile (MSRN o, più spesso, indirizzo SS7 del MSC/VLR)
OLD MSC/VLR
2. Invio di un sottoinsieme delle informazioni relative all’abbonato per consentire il controllo delle chiamate
3. Invio di un messaggio alla vecchia MSC/VLR per la cancellazione della registrazione precedente
utente
8989 Reti radio mobili cellulari: il
sistema GSM
Procedura periodica di aggiornamento della posizione
Una procedura legata all’aggiornamento di posizione e l’attach/detach dell’IMSI: un
detach informa la rete che l’utente è irraggiungibile (evitando procedure di
assegnazione canali e paging), mentre un attach informa il sistema che il mobile è di
nuovo raggiungibile.
Per motivi di affidabilità (contro eventuali perdite di dati nel HLR e/o VLR), è
previsto anche un aggiornamento periodico di
posizione da parte dei mobili, anche se essi non sono in
movimento.
Il periodo di aggiornamento è scelto tenendo conto dell’intensità di traffico di segnalazione e della velocità con cui la rete può recuperare da eventuali eventi
di fuori servizio dell’HLR o del VLR.
Se un mobile non invia l’aggiornamento trascorso il tempo previsto, esso viene
deregistrato.
9090 Reti radio mobili cellulari: il
sistema GSM
Autenticazione del mobile
L’autenticazione coinvolge la scheda SIM del mobile ed il Centro di Autenticazione (AuC)
A ciascun abbonato viene assegnata una chiave segreta, una copia della
quale è memorizzata nella scheda SIM ed un’altra nell’AuC.
Durante l’autenticazione, l’AuC genera un numero
casuale e lo invia al mobile.
Sia il mobile che l’AuC, impiegando sia il numero casuale che la chiave
segreta, generano un’ulteriore parola (SRES, Signed Response) per
mezzo di un algoritmo di cifratura chiamato A3.
Il mobile invia la SRES calcolata all’AuC, il quale la
confronta con il risultato della sua elaborazione. Se le due parole coincidono il mobile è
autenticato.
9191 Reti radio mobili cellulari: il
sistema GSM
Cifratura dei messaggi
Lo stesso numero casuale iniziale, insieme alla chiave segreta, viene anche usato per calcolare una chiave di cifratura attraverso
un algoritmo chiamato A8.
La chiave di cifratura ed il numero di trama TDMA vengono impiegati dall’algoritmo A5 per creare delle sequenze di 114 bit che vengono
XOR-moltiplicate ber i bit del burst.
In tal modo la decifrazione dei segnali è estremamente difficoltosa, dato che alla
codifica, all’interleaving, alla trasmissione TDMA si somma la cifratura.
9292 Reti radio mobili cellulari: il
sistema GSM
Controllo dell’IMEI
Un altro livello di sicurezza ha per oggetto il terminabile mobile stesso, e non la scheda SIM
Equipment Identity Register
(EIR)
contiene una lista degli identificativi IMEI dei
terminali
INTERROGAZIONE DELL’EIR
• OK, terminale abilitato
• terminale sotto osservazione per possibili problemi
• terminale non abilitato (es. perché rubato o di tipo non ammesso)
POSSIBILI RISPOSTE
9393 Reti radio mobili cellulari: il
sistema GSM
GESTIONE DELLE COMUNICAZIONI (CM)
Strato CM
Controllo delle chiamate (CC)
Gestione servizi supplementari (SSM)
Short message service (SMS)
• La funzione più importante è la CC, nella quale sono state riprodotte le procedure ISDN codificate nella specifica Q.931, pur con le differenze dovute alla particolare applicazione.
• Tra le funzioni del CC sono comprese il set-up delle chiamate, la selezione del servizio desiderato, e il rilascio della chiamata
9494 Reti radio mobili cellulari: il
sistema GSM
Numeri fissi dell’abbonato
Il numero che viene composto per l’accesso dall’esterno ad un utente GSM è il numero MSISDN (Mobile
Subscriber ISDN) in accordo alpiano di numerazione E.164
A differenza dell’utente di una rete fissa, un utente GSM può spostarsi in un’area molto vasta, coperta da
differenti provider (roaming internazionale)
39 348 1234567
codice nazione (Italia)
codice operatore
identificativo HLR e
abbonato
punta ad una locazione dell’HLR!
punta ad una locazione dell’HLR!
Per scopi interni alle reti GSM, un utente viene identificato attraverso il numero IMSI (International Mobile
Subscriber Identity)
222 11 111...1111
codice nazione (Italia)
codice operatore
Identificativo abbonato
(almeno 10 cifre)
9595 Reti radio mobili cellulari: il
sistema GSM
Numeri temporanei del mobile
Quando un mobile viene chiamato dall’esterno, la MSC corrente assegna ad esso un numero di routing temporaneo detto MSRN (Mobile Station Routing Number) per consentire il collegamento tra GMSC ed il mobile
Alla registrazione e nel passaggio tra diverse aree di localizzazione, al mobile viene assegnato, da parte della MSC, un identificativo detto TMSI (Temporary Mobile Station Identity), che è un alias dell’IMSI
utilizzato per aumentare la riservatezza
Il MSRN viene assegnato chiamata per chiamata, e non lasciato al
mobile per tutta la sua permanenza sotto la MSC, per la scarsità di numeri di routing a disposizione
della MSC stessa
Il TMSI viene concordato tra mobile e MSC con una
comunicazione cifrata, ed è utilizzato per le comunicazioni
MS-MSC (ad es. paging)
9696 Reti radio mobili cellulari: il
sistema GSM
Routing delle chiamate fisso-mobile
Abbonato fisso
Switch PSTN/ISDN
GMSC HLR Switch PSTN/ISDN
MSC/VLR Stazione mobile
può mancare
può mancare
MSISDNMSISDN
MSISDN
IMSI
MSRN
MSRN
MSRNMSRN
TMSI
linea tratteggiata= interrogazione/risposta del HLR
linea tratteggiata= interrogazione/risposta del HLR
9797 Reti radio mobili cellulari: il
sistema GSM
Routing delle chiamate mobile-fisso
Stazione mobile
MSC/VLR Switch PSTN
Abbonato fisso
Numero POTS
Numero POTS
Numero POTS
In questo caso il set-up della chiamata è molto più semplice, in quanto dalla MSC/VLR si può direttamente accedere alla rete fissa senza passare dal GMSC.
In questo caso il set-up della chiamata è molto più semplice, in quanto dalla MSC/VLR si può direttamente accedere alla rete fissa senza passare dal GMSC.