GSM. Argomenti della lezione. Architettura. Breve storia Elementi e componenti Architettura Interfacce. Breve storia

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1 GSM Architettura Argomenti della lezione Breve storia Elementi e componenti Architettura Interfacce Breve storia 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

2 Breve storia 1984 Istituzione di 3 Working Parties (WP1-3) per la definizione di servizi da offrire in GSM: l interfaccia radio i formati di trasmissione i protocolli di segnalazione le interfacce l architettura di rete Breve storia 1985 Definizione della lista di raccomandazioni che il GSM deve produrre (finiranno per essere circa 130: 1500 pagine in 12 volumi!...più tutti quelli relativi all evoluzione, cioè le fasi 2+ e 3 di GSM, rilasciati in anni successivi) Breve storia 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

3 Breve storia 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 Breve storia 1987 Viene firmato un primo Memorandum of Understanding (MoU) tra operatori Telecom in rappresentanza di 12 Nazioni (europee) con i seguenti obiettivi: Pianificare l introduzione dei servizi Breve storia 1987 Viene firmato un primo Memorandum of Understanding (MoU) tra operatori Telecom in rappresentanza di 12 Nazioni (europee) con i seguenti obiettivi: Concordare politiche di instradamento e tariffazione (modalità e prezzi)

4 Breve storia 1988 Con l istituzione di ETSI (European Telecommunication Standards Institute) il lavoro su GSM viene spostato in questo foro Breve storia 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. Breve storia 1991 (Luglio) il lancio commerciale del GSM, pianificato per questa data, viene rimandato al 1992 per la mancanza di terminali mobili conformi allo standard

5 Breve storia 1992 Viene rilasciato lo standard definitivo relativo a GSM, che a questo punto diventa l acronimo di Global System for Mobilecommunications Introduzione ufficiale dei sistemi GSM commerciali Breve storia 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 Breve storia Introduzione degli SMS Introduzione dei servizi a 1800MHz

6 Breve storia 1996 Standardizzazione dei codificatori enhanced sia full che half-rate 1997 Terminali dual-band con codificatore enhanced 1999 Standard GPRS per la trasmissione a pacchetto Primi terminali WAP (Wireless Access Protocol) su circuito commutato Breve storia Introduzione dei servizi GPRS

7 Breve storia GSM diventa la rete cellulare più diffusa al mondo, con quasi 80M utenti in Europa e 200M a livello mondiale (quasi 40M solo in Cina), una penetrazione non marginale in USA con quasi 10 operatori, che hanno una quota di mercato seconda solo a AMPS/D-AMPS Breve storia Di fatto è diventato uno standard mondiale, influenzando in modo significativo l evoluzione verso le reti di terza generazione e contribuendo a determinare il fallimento commerciale delle reti satellitari Servizi attualmente offerti dal GSM Servizi di trasporto Trasmissione dati (non strutturata) sincrona e asincrona tra 300 bit/s e 9.6 kbit/s

8 Servizi attualmente offerti dal GSM Servizi di trasporto Trasmissione dati a pacchetto sincrona con velocità compresa tra 2.4 e 9.6 kbit/s Trasmissione dati con affasciamento di canali (HSCSD) fino a 76.8 kbit/s Servizi attualmente offerti dal GSM Teleservizi Telefonia sia full rate (13 kbit/s, 12.6 Enhanced coder), sia half rate (6.5 kbit/s) Telefax di Gruppo 3 Servizi attualmente offerti dal GSM Teleservizi Messaggeria sia unicast che multicast Messaggi brevi (SMS)

9 Servizi attualmente offerti dal GSM Servizi supplementari Praticamente tutti quelli della rete PSTN (inoltro di chiamata, richiamata su occupato, gruppi di utenti chiusi...) Architettura del GSM PLMN Terminale Mobile (Mobile Station MS) È il terminale di proprietà dell utente Ne esistono molti tipi diversi, a seconda delle applicazioni e dei luoghi di installazione

10 Terminale Mobile (Mobile Station MS) Effettua la codifica vocale Codifica vocale GSM 13 kb/s (full rate) 6.5 kb/s (half rate) Terminale Mobile (Mobile Station MS) potenza nominale fino a 2 W all antenna Terminale Mobile (Mobile Station MS) Dual-Band se funziona sia a 900 MHz che a 1800 MHz Tri-Band se funziona a 900, 1800 e 1900 MHz Quadri-Band se funziona a 850, 900, 1800 e 1900 MHz MS è solamente hardware, per collegarsi alla rete ha bisogno di una scheda di abilitazione: la SIM

11 Terminale Mobile microfono Digitale Radio Cod. vocale Cod. canale + Interl.+Chiph. Burst gen. Mod. Controllo Decodific. vocale Deinterl.+Decod. Canale+Deciph. Equaliz -zatore A/D Demod. altoparlante SIM Modulo di Identificazione Utente (Subscriber Identity Module SIM) È una scheda intelligente (con processore e memoria) di tipo smart card che rende operativo un qualunque terminale MS Deve essere inserita nell apposito lettore di MS Modulo di Identificazione Utente (Subscriber Identity Module SIM) Le caratteristiche dell utente (# telefonico, servizi accessibili, parametri per la sicurezza, ecc.) sono memorizzate in modo permanente e crittografato nella SIM, che rappresenta quindi il vero e proprio servizio offerto dai gestori

12 Modulo di Identificazione Utente (Subscriber Identity Module SIM) + = MS SIM TM (Terminale Mobile) Architettura del GSM PLMN Base Station (BS) Base Tranceiver Station (BTS) Interfaccia fisica che si occupa della rice-trasmissione Base Station Controller (BSC) Controllo delle risorse sull interfaccia radio

13 Base Tranceiver Station BTS Base Tranceiver Station - BTS È il punto di accesso alla rete di TLC, o se si vuole, la controparte di MT Base Tranceiver Station - BTS È collocata in un punto opportuno della cella (es. al centro per celle circolari, nel vertice delle celle settorizzate, ad un estremo delle celle oblunghe per la copertura stradale...)

14 Base Tranceiver Station - BTS Dalla potenza del BTS dipende la dimensione fisica della cella: grazie a questa caratteristica è possibile aggiustare in modo dinamico le dimensioni delle celle Base Tranceiver Station - BTS La potenza emessa da una stazione radio base è di almeno due ordini di grandezza inferiore a quella emessa dagli impianti di trasmissione radio- TV (tipicamente poche decine di Watt contro qualche migliaia di Watt); cella 1 cella 3 cella 2 Base Tranceiver Station - BTS A differenza di altre sorgenti (es. radio TV) le Stazioni Radio Base trasmettono potenza di segnale solo in corrispondenza di clienti effettivamente attivi. cella 1 cella 2 cella 3

15 Base Tranceiver Station - BTS Ciascuna BTS può avere da 1 a 16 interfacce radio (tranceiver), ognuna che gestisce 2 canali FDM Ciascun canale FDM corrisponde a 8 canali TDM Base Tranceiver Station - BTS Implementa i protocolli di livello fisico sull interfaccia radio (Um) per il corretto scambio di informazioni tra MT e BTS Base Tranceiver Station - BTS Effettua la codifica di canale (Channel Coding Unit CCU) e la cifratura Modula / demodula i segnali Realizza il frequency hopping Effettua l interleaving

16 Base Tranceiver Station - BTS Effettua misura di qualità dei canali uplink e riceve da MT le misure relative al downlink, le invia al BSC che decide il controllo di potenza e l handover BTS diversity Filtro output Filtro input TX HF (mod) RX HF (demod) Slow FH TRX (digital proces.) Controllo + clock Trans. system Abis Base Tranceiver Station - BTS È un apparato di livello fisico e non ha praticamente alcuna intelligenza : nel GSM anche la valutazione e la decisione sugli handover da effettuare è demandata ad altre entità (MT, BSC e MSC)

17 : esempi : esempi : esempi

18 Base Station (BS) Base Tranceiver Station (BTS) Interfaccia fisica che si occupa della rice-trasmissione Base Station Controller (BSC) Controllo delle risorse sull interfaccia radio Controllore della (Base Station Controller- BSC) Un BSC controlla un numero elevato di BTS: da alcune decine ad alcune centinaia Controllore della (Base Station Controller- BSC) TCE TCE TCE DB Matrice di commutazione TCE TCE TCE Abis Controllo + clock A

19 Controllore della (Base Station Controller- BSC) I compiti principali del BSC sono: La concentrazione del traffico verso un MSC e lo smistamento del traffico verso le BTS Controllore della (Base Station Controller- BSC) BTS e BSC sono collegate da collegamenti a 2 Mb/s (32 canali PCM a 64 kb/s) Un canale PCM del collegamento a 2 Mb/s viene usato per trasportare 4 canali di traffico GSM a 13 kb/s Per ogni portante occorrono 3 canali PCM: 1 per segnalazione, 2 per trasportare 8 canali di traffico GSM Controllore della (Base Station Controller- BSC) La transcodifica della voce GSM (13 kb/s) PCM (64 kb/s) e viceversa è fatta dalla BSC (Transcoder Rate Adaptation Unit - TRAU)

20 Canali di traffico GSM (13kb/s) PCM a 2Mb/s Canali PCM standard 64 kb/s TM BTS BSC MSC Transcodifica Trama PCM a 2Mb/s (32 x 64 kb/s) Trama PCM Comunicazione tra BTS e BSC La comunicazione tra BTS e BSC può avvenire: via rete fissa telefonica, noleggiando le linee da un gestore nel caso l'operatore GSM non ne disponga di proprie via radio La soluzione via radio é sicuramente più economica, (no canone di noleggio delle linee, né costose infrastrutture) E' così possibile installare le BTS nelle posizioni ideali, con l'unico obbligo di fornire una linea di alimentazione elettrica alla BTS Comunicazione tra BTS e BSC Ponte Radio a Microonde I canali PCM possono essere trasferiti alla BSC con ponte radio a microonde (freq. da 13 a 58 GHz)

21 Controllore della (Base Station Controller- BSC) I compiti principali del BSC sono: Transcodifica della voce GSM PCM Controllore della (Base Station Controller- BSC) I compiti principali del BSC sono: Analisi delle misure di qualità del segnale sulla tratta radio Decisione se è il caso di fare handover Controllore della (Base Station Controller- BSC) I compiti principali del BSC sono: Analisi delle misure di qualità del segnale sulla tratta radio Gestione dell handover tra BTS controllate dallo stesso BSC o richiesta di gestione all MSC

22 Controllore della (Base Station Controller- BSC) I compiti principali del BSC sono: Controllo delle risorse radio: gestione delle frequenze, che possono essere assegnate in modo dinamico alle varie BTS Controllore della (Base Station Controller- BSC) I compiti principali del BSC sono: Gestione del paging Manutenzione del BSS Controllore della (Base Station Controller- BSC) I BSC possono essere colocati nel sito di un MSC o essere autonomi, o ancora essere posizionati vicino (o insieme) ad alcune BTS. Normalmente vengono colocati con MSC per questioni di controllo e manutenzione

23 Architettura del GSM PLMN Network and Switching Sub- system (NSS) Noto anche come Switching and Management Sub-system (SMSS), svolge funzioni fondamentali Gestione della mobilità Controllo delle chiamate Supporto ai servizi forniti Network and Switching Sub- system (NSS) TM Um BSS A AuC HLR (G)MSC VLR EIR NSS

24 Network and Switching Sub- system (NSS) Mobile Switching Center (MSC): è la centrale di commutazione che gestisce i servizi mobili Centro di Commutazione dei Servizi Mobili (Mobile Switching Center- MSC) E un normale commutatore PCM (commutatore a circuito) cui sono state aggiunte funzionalità di segnalazione per la gestione della mobilità Centro di Commutazione dei Servizi Mobili (Mobile Switching Center- MSC) Funzioni fondamentali: Gestione della mobilità (location update, paging ecc.) Controllo delle chiamate (con autenticazione) Supporto ai servizi

25 Centro di Commutazione dei Servizi Mobili (Mobile Switching Center- MSC) Funzioni fondamentali: Alloca risorse e crea connessioni con i TM sulla parte di rete fissa (Connection Management - CM) Consente l instradamento delle chiamate da un TM ad un altro Centro di Commutazione dei Servizi Mobili (Gateway Mobile Switching Center- GMSC) Un caso particolare di MSC è il GMSC (Gateway-MSC), che è l interfaccia tra la rete GSM e le reti fisse (PSTN) e/o altre reti GSM (PLMN) Network and Switching Sub- system (NSS) Home Location Register (HLR): è il data base con I dati permanenti degli utenti I dati dinamici per gestire la mobilità (es. identificativo del VLR)

26 Network and Switching Sub- system (NSS) Visitor Location Register (VLR): è il data base con Le informazioni relative ai MT attualmente presso l area di competenza del MSC Network and Switching Sub- system (NSS) Equipment Identity Register (EIR): è il data base degli apparati rubati o difettosi Network and Switching Sub- system (NSS) Authentication Center (AuC): genera chiavi di cifratura

27 Identificazione dei terminali Numeri di identificazione di uso interno alla rete o per comunicare con altre reti IMSI e TMSI MSISDN e MSRN IMEI e IMEISV IMSI Numero di identificazione di uso interno alla rete Composto da 3 campi TMSI Numero assegnato temporaneamente dalla rete (VLR) a MT per questioni di privacy e protezione Strutturalmente uguale a IMSI È legato al LAI (alla Location Area)

28 TMSI Cambiato ad ogni uso, e ad ogni location update Trasmesso in chiaro dal MT per autenticarsi, viene ri-assegnato dalla rete dopo aver instaurato un canale sicuro (crittografato) una eventuale intercettazione è inutile TMSI & IMSI IMSI inviato solo se necessario, MS cerca prima di inviare TMSI Ad esempio: MS non ha un TMSI in memoria TMSI non è più valido MSISDN & MSRN MSISDN: Mobile Station International ISDN Number... il numero di telefono MSRN: Mobile Station Roaming Number

29 MSISDN & MSRN MSRN: Mobile Station Roaming Number Numero usato dalla rete per l instradamento delle chiamate Memorizzato presso VLR, identifica l MSC dove si trova il mobile, quindi anche l eventuale operatore di roaming IMEI e IMEISV International Mobile Equipment Identity Numeri di identificazione dell apparato IMEI (60 bit) identifica l hardware IMEI e IMEISV IMEISV (64 bit) identifica anche eventuali diverse versioni di software/firmware 24 bit: TAC (Type Approval Code) 8 bit: FAC (Final Assembly Code) - il produttore

30 IMEI e IMEISV IMEISV (64 bit) identifica anche eventuali diverse versioni di software/firmware 24 bit: SN (Serial Number) 8 bit: SVN (Software Version Number) in IMEISV (4 bit non usati in IMEI) Aree del GSM Cella Identificata da un Cell Global Identifier (CGI) Servita da una BTS, identificata con un Base Station Identity Code (BSIC). BSIC è irradiata dalla BTS Aree del GSM Location Area: Insieme di celle in cui un MT si muove senza cambiare le informazioni nel VLR Identificata da un LAI

31 Aree del GSM MSC/VLR service area: Insieme di location area servite dallo stesso MSC e dal VLR associato al MSC Public Land Mobile Network (PLMN): Una rete GSM di un gestore GSM service area: Insieme di tutte le aree servite da PLMN Aree del GSM GSM Service Area PLMN 1 PLMN 2 PLMN m PLMN n PLMN Service Area (es. TIM, Vodafone,...) MSC/VLR Service Area MSC/VLR 1 MSC/VLR 2 LA 1 MSC/VLR m MSC/VLR n LAn Location Area Cell Riepilogo: Identificatori di Utente IMSI: identifica l utente MSISDN: è il numero di telefono TMSI: è l identificativo temporaneo usato al posto dell IMSI sulla tratta radio MSRN: è il numero usato dal GMSC per instradare una chiamata, è memorizzato nel VLR

32 Riepilogo: Identificatori di Area LAI: identifica la Location Area su cui è l utente Identificativo del VLR presso cui sono memorizzati i dati. Il MSRN permette di identificare l MSC/VLR d interesse Identificativo del HLR presso cui l utente è registrato. Il MSISDN permette di individuare l HLR