UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI CAGLIARI. Corso di Laurea Magistrale in Ingegneria Elettronica e delle Telecomunicazioni GSM. Livello radio e protocolli

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1 GSM Livello radio e protocolli 1

2 Tecnica di Accesso e Struttura dei Canali GSM usa una tecnica di accesso mista tempo/frequenza (FDMA/TDMA) La porzione di spettro disponibile è suddivisa in canali FDM di 200 khz l uno; ciascun canale FDM è ulteriormente suddiviso in 8 canali con tecnica TDM La trasmissione è organizzata in burst : Ogni stazione trasmette un blocco di dati in un intervallo temporale (1 canale TDM) e tace durante gli altri 7 intervalli dedicati agli altri canali. 2

3 Frequenze Assegnate al GSM (Europa) In UK e in USA si usano bande intorno a 1900 MHz anziché intorno a 1800 MHz Esistono terminali tri-band 3

4 Frequenze Assegnate al GSM (Europa) I canali uplink e downlink sono sempre accoppiati in modo fisso e distano: 45 MHz a MHz a 1800 A 900 dispone di 124 (125-1) canali FDM nella parte primaria dello spettro più 50 canali nella parte estesa A 1800 dispone di 374 (375-1) canali FDM Il canale all estremo inferiore non è mai usato Se possibile sia a 900 che a 1800 anche i canali all estremo superiore sono usati come guardia 4

5 FDMA - TDMA 5

6 Modulazione La modulazione utilizzata per la trasmissione GSM è la GMSK La GMSK deriva da una MSK con la differenza che rispetto alla MSK vengono usati impulsi con inviluppo Gaussiano 6

7 Frequenze Assegnate al GSM (Europa) La banda assegnata a GSM è parzialmente sovrapposta a quella dei sevizi TACS, creando qualche problema di convivenza Esiste un sistema di numerazione assoluto dei canali (ARFCN Absolute Radio Frequency Channel Number), che consente di identificare in modo univoco il canale da usare (o in uso) indipendentemente dal fatto che sia GSM/900 o DCS/1800 I canali GSM-900 hanno ARFCN da 0 a 124 (primario) e da 974 a 1023 (esteso) 7

8 Assegnazione delle Frequenze in Italia In Italia e in Inghilterra le frequenze in uso per il TACS sono nella banda assegnata al GSM a livello internazionale, creando quindi situazioni di conflitto Esempio: assegnazioni per l uplink nel 1997 (quelle per il downlink si ottengono aggiungendo 45 MHz) TACS da 882 MHz a GSM TIM da MHz a GSM Omnitel da MHZ a

9 Struttura della Trama GSM Ogni canale FDM è diviso in 8 canali TDM; la durata della trama TDM è di ms La trasmissione bidirezionale in GSM è ottenuta mediante la tecnica a divisione di tempo (TDD Time Division Duplex) anche se su diversi canali in frequenza: basta una sola interfaccia radio! Le trame sui canali uplink e downlink sono sincronizzate e sfalsate di 3 slot, in modo da consentire la separazione tra trasmissione e ricezione 9

10 FDM/TDM Frequenza + time slot = canale comunicazione GSM Time slot adattati ai burst di trasmissione 10

11 Tecnica di Accesso e Struttura dei Canali Per risparmiare le batterie e ridurre l interferenza il trasmettitore RF viene spento quando non trasmette e anche quando non vi è informazione da trasmettere (soppressione dei silenzi) Spegnimento e accensione del trasmettitore RF pongono notevoli problemi di ramping, cioè di transitorio per portare l amplificatore a regime prima di cominciare la modulazione dei dati La velocità di cifra al trasmettitore è di circa 271 kbit/s 11

12 Ramp-Up e Inviluppo Gli amplificatori hanno dei tempi non nulli di accensione e spegnimento (ramp-up/down) La trasmissione deve avvenire a inviluppo costante e senza interferenza con lo slot precedente e successivo È necessario sincronizzare in modo molto fine tutti gli MS rispetto alla BTS Servono dei periodi di guardia prima e dopo la trasmissione dell informazione utile Nei periodi di guardia i segnali si possono sovrapporre 12

13 Ramp-Up e Inviluppo 13

14 5 tipi di Burst normali : per la trasmissione di messaggi sia sui canali di traffico che su quelli di controllo accesso : usati nelle fasi di setup quando MS non è ancora sincronizzato con BTS (solo uplink) sincronizzazione : inviati da BTS per la sincronizzazione degli MS correzione della frequenza : inviati periodicamente da BTS per consentire la correzione degli oscillatori degli MS dummy : inviati sugli slot vuoti se è necessario tenere alta la potenza della portante 14

15 Struttura dei Burst normali (000) Stealing bits (000) Code Data: bit di utente (voce,dati etc.), 114bit dopo la codifica di canale, che corrispondono a 13 Kbit/s netti per la voce (più codifica), a 9,6 Kbit/s per i dati (codifica di canale più ridondante) Training Sequence: bit di controllo usati per la sincronizzazione e per l aggancio dei trasmettitori 15

16 Struttura dei Burst normali T-bits: posti sempre a 0, usati come tempi di guardia e per l inizializzazione del demodulatore S-bits: segnalano se il burst contiene dati utente o di segnalazione GP: periodo di guardia per consentire l accensione e lo spegnimento dei trasmettitori 16

17 5 tipi di Burst normali : per la trasmissione di messaggi sia sui canali di traffico che su quelli di controllo accesso : usati nelle fasi di setup quando MS non è ancora sincronizzato con BTS (solo uplink) sincronizzazione : inviati da BTS per la sincronizzazione degli MS correzione della frequenza : inviati periodicamente da BTS per consentire la correzione degli oscillatori degli MS dummy : inviati sugli slot vuoti se è necessario tenere alta la potenza della portante 17

18 Struttura dei Burst di accesso T-bits: posti sempre a zero, usati come tempi di guardia e per l inizializzazione del demodulatore,notare la sequenza estesa a 8 bit all inizio del burst Sync-bits: sequenza nota;consente l aggancio del ricevitore alla BTS Coded Data: bit di utente (dati) Ext.GP: periodo di guardia allungata per garantire che il burst, trasmesso come se ci si trovasse alla massima distanza da BTS, non debordi sullo slot successivo, bit ms 18

19 Sincronizzazione e Dimensione delle Celle L access burst viene spedito in uplink quando non esiste ancora una sincronizzazione fine con la BTS La dimensione massima delle celle deve essere tale per cui il burst di accesso giunga alla BTS senza pericolo di sovrapposizione con lo slot successivo In mancanza di altre informazioni MS si comporta come se il ritardo di propagazione tra MS e BTS fosse il massimo ammesso, trasmettendo per un tempo ridotto Ne consegue (con un po di approssimazione): C GP R max = = 37. 5Km 2 In realtà, per convenzione si assume come raggio massimo 35 KM 19

20 5 tipi di Burst normali : per la trasmissione di messaggi sia sui canali di traffico che su quelli di controllo accesso : usati nelle fasi di setup quando MS non è ancora sincronizzato con BTS (solo uplink) sincronizzazione : inviati da BTS per la sincronizzazione degli MS correzione della frequenza : inviati periodicamente da BTS per consentire la correzione degli oscillatori degli MS dummy : inviati sugli slot vuoti se è necessario tenere alta la potenza della portante 20

21 Struttura dei Burst di sincronizzazione T-bits: posti sempre a 0, usati come tempi di guardia per l inizializzazione del demodulatore Ext. Training-bits:sequenza nota;consente l aggancio del ricevitore alla BTS Coded Data: bit di segnalazione per la trasmissione dei dati relativi alla sincronizzazione globale.contengono anche informazioni per identificare la rete (operatore) cui appartiene la cella e la cella stessa (Location Area e codice di cella ) GP: periodo di guardia 21

22 Struttura dei Burst di correzione di frequenza T-bits: posti sempre a 0, usati come tempi di guardia e per l inizializzazione del demodulatore GP: periodo di guardia La sequenza di tutti zero, data la modulazione GMSK, equivale a trasmettere una sinusoide pura per tutta la durata del burst 22

23 5 tipi di Burst normali : per la trasmissione di messaggi sia sui canali di traffico che su quelli di controllo accesso : usati nelle fasi di setup quando MS non è ancora sincronizzato con BTS (solo uplink) sincronizzazione : inviati da BTS per la sincronizzazione degli MS correzione della frequenza : inviati periodicamente da BTS per consentire la correzione degli oscillatori degli MS dummy : inviati sugli slot vuoti se è necessario tenere alta la potenza della portante 23

24 Struttura dei Burst dummy Sono burst normali in cui al posto dei dati vengono trasmessi tutti zero I bit stealing sono eliminati Vengono usati solo dalle BTS per l individuazione (potenza elevata) del canale principale della cella 24

25 Assegnazione delle Risorse alle Celle Ciascuna cella GSM può avere da 1 a 16 portanti Lo slot 0 di una portante è sempre usato per un canale di broadcast su cui vengono trasmessi i burst di correzione della frequenza e di sincronizzazione. Questa frequenza è chiamata CO ed è la portante principale della cella Su CO la BTS trasmette in modo continuo, usando burst dummy se non ha dati da trasmettere 25

26 Tramatura GSM TRAMA 8 slot in TDMA (4.165ms) MULTITRAMA DI TRAFFICO 26 trame (120ms) MULTITRAMA DI SEGNALAZIONE 51 trame (235.4ms) SUPERTRAMA 26 multitrame di controllo, ovvero 51 multitrame di traffico (6.12s) IPERTRAMA 2048 supertrame (3h 28m 53s 760ms) 26

27 Tramatura 27

28 Canali Fisici GSM Un canale fisico è dato da una sequenza di burst un time-slot ogni trama La velocità di trasmissione (lorda) è 148 bit / ms = ~32 Kbit/s Nei burst normali i bit utili (a valle della codifica) sono 114 bit ~24.7Kbit/s I dati utente sono protetti da codici a controllo d errore, la velocità di trasmissione utile per l utente dipende dallo schema di codifica es. codificatore voce: 13 Kbit/s + codifica = ~24.7 Kbit/s 28

29 Canali fisici GSM Sui canali fisici sono mappati i canali logici Lo schema di codifica usato dipende dal canale logico La mappatura dei canali logici sui canali fisici fa riferimento ad uno schema di temporizzazione assoluto che definisce trame, supertrame (di traffico e controllo) e ipertrame 29

30 Canali Logici Canali di traffico Traffico dati/voce Canali di controllo Per Segnalazioni di sistema Identificazione, sincronizzazione, sintonizzazione Segnalazioni di utente Instaurazione, handover, rapporti periodici e non 31

31 Canali Logici Channels Traffic Channels Control Channels Data Voice BCH CCCH DCCH 14.4 FR-TCH FR FCCH RACH SDCCH 9.6 FR-TCH E - FR SCH AGCH FACCH 4.8 FR-TCH HR BCCH PCH SACCH 1.2 FR-TCH 32

32 Canali di traffico I canali di traffico (TCH) trasportano le informazioni di tipo fonia e dati generati dall'utente Sono definiti in base a gruppi di 26 trame della durata di 120 ms, 24 di queste sono usate per trasportare il traffico, 1 per il SACCH e 1 è ancora inutilizzata Possono essere di tipo: TCH/EFS: Enhanced Full rate Speech TCH/FS: Full rate Speech TCH/HS: Half rate Speech TCH/F9.6: dati a 9.6 kbps (FR) TCH/F4.8: dati a 4.8 kbps (FR) TCH/F2.4: dati a 2.4 kbps (FR) TCH/F1.2: dati a 1.2 kbps (FR) 33

33 Canali di traffico Possono essere di tipo: TCH/EFS: Enhanced Full rate Speech TCH/FS: Full rate Speech TCH/HS: Half rate Speech TCH/F9.6: dati a 9.6 kbps (FR) TCH/F4.8: dati a 4.8 kbps (FR) TCH/F2.4: dati a 2.4 kbps (FR) TCH/F1.2: dati a 1.2 kbps (FR) Traffic Channels Data Voice 14.4 FR-TCH 9.6 FR-TCH 2.4 FR-TCH 1.2 FR-TCH EFS FS HS 34

34 Canali di controllo Tre famiglie: Canali di distribuzione (BCH) Canali di controllo comuni (CCCH) Canali di controllo dedicati (DCCH) Control Channels BCH CCCH DCCH 35

35 Broadcast Channel (BCH) Sono canali che trasportano informazioni di interesse generale. Sono trasmessi in modo monodirezionale downlink (da BTS a MS) punto-multipunto Sono: Broadcast Control Channel (BCCH) Frequency Control Channel (FCCH) Syncronization Channel (SCH) BCH BCCH FCCH SCH 36

36 BCCH Broadcast Control Channel (BCCH) 184 bit di segnalazione numero di canali di controllo comuni allocati numero di blocchi riservati al canale AGCH distanza tra due messaggi di paging nella trama i parametri dell algoritmo di frequency hopping potenza min e max in trasmissione identità delle celle adiacenti BCH BCCH FCCH SCH 37

37 FCCH e SCH Sono monodirezionali downlink Il canale FCCH trasporta alla MS informazioni per la correzione di frequenza Il canale SCH (Synchronization channel) trasporta in 25 bit le informazioni per la sincronizzazione della stazione mobile attraverso un Reduced Frame Number di 19 bit (dai quali è possibile ricavare il FN di 22 bit) e l'identificazione della BTS attraverso il Base Station Identity Code (BSIC) di 6 bit Ogni cella irradia un solo canale FCCH (trama 0) e un solo canale SCH (trama 1) nel time slot 0 della portante fondamentale (la stessa del canale BCCH) BCH BCCH FCCH SCH 38

38 Common Control Channels (CCCH) Sono canali che portano informazioni di controllo relative ad una data connessione in una fase preliminare cui non corrisponde una associazione di un canale di sistema per la connessione Sono monodirezionali, ma non tutti downlink: Paging Channel (PCH): E' usato dalla BTS per segnalare ad un terminale mobile l'arrivo di una chiamata. Downlink in tutte le celle di una Location Area. Random Access Channel (RACH): canale di uplink, ad accesso slotted-aloha, usato da un terminale mobile per richiedere l'accesso alla rete e rispondere alle chiamate e alle richieste della rete (ad es. ai location update). Access Grant Channel (AGCH): canale downlink utilizzato dalla rete per rispondere ad una richiesta RACH allocando alla MS il canale richiesto. CCCH PCH RACH AGCH 39

39 Dedicated Control Channels (DCCH) Canali assegnati ad una connessione per lo scambio di informazioni di segnalazione relative alla specifica connessione. Sono: Slow Associated Control Channel (SACCH) Fast Associated Control Channel (FACCH) Stand-alone Dedicated Control Channel (SDCCH) Cell Broadcast Control Channel (CBCH) DCCH SACCH FACCH SDCCH CBCH 40

40 Slow Associated Control Channel (SACCH) Trasporta informazione di segnalazione tra MS e rete all'interno di una comunicazione Nella direzione downlink trasporta i messaggi di testo SMS (recapitati durante una chiamata), le informazioni sulle misurazioni effettuate dalla BTS (PwrLev, TimeAdv) e tutte le informazioni del BCCH che altrimenti andrebbero perse dalla MS che si è assestata sul proprio canale di traffico Nella direzione uplink, invece, trasporta le misurazioni effettuate dalla MS (RxLev, RxQual e i parametri relativi alle Adjacent Cells) necessarie per un corretto link monitoring (handover) DCCH SACCH FACCH SDCCH CBCH 41

41 Fast Associated Control Channel (FACCH) Utilizzato per trasmettere le segnalazione timecritical che non possono attendere di essere inserite nel canale SACCH: ad esempio una segnalazione di handover Viene mandato in modo asincrono "sopprimendo" l'informazione che avrebbe dovuto essere trasmessa DCCH SACCH FACCH SDCCH CBCH 42

42 Stand-alone Dedicated Control Channel (SDCCH) Canale assegnato ad una MS mediante una segnalazione sul canale AGCH in risposta ad una richiesta RACH accolta È utilizzato per il trasporto dei messaggi di testo SMS (in fase di standby) e per lo scambio delle segnalazioni durante la fasi di identificazione, di registrazione, di location update e di call-setup prima dell'assegnazione definitiva di un canale di traffico TCH Quando non è combinato con altri canali è detto SDCCH/8 Esistono poi dei canali "ibridi" che sono il risultato della combinazione di più canali di controllo: SDCCH/4: SDCCH combinato con CCCH SACCH/C8: SACCH combinato con SDCCH SACCH/C4: SACCH combinato con SDCCH/4 DCCH SACCH FACCH SDCCH CBCH 43

43 Cell Broadcast Control Channel (CBCH) Il canale di Cell Broadcast viene usato solo in downlink per trasportare il cosiddetto SMSCB (Short Message Service Cell Broadcast) Viene implementato utilizzando lo stesso canale fisico degli SDCCH DCCH SACCH FACCH SDCCH CBCH 44

44 Channel Request RACH AGCH 45

45 GSM Voice Coding Nel GSM viene utilizzato un codificatore vocale RPE-LPC (Regular Pulse Excited - Linear Predictive Coder) con anello di predizione a lungo termine (Long Term Predictor): 1.Il segnale audio (3.2 khz) viene diviso in segmenti (brani) di 20 msec ADC a 8 khz e 8 bit/campione 64 kbps (codifica PCM es. reti PSTN) 160 campioni per segmento 1.Ogni campione viene predetto sulla base dei campioni precedenti 2.Per ogni segmento vengono trasmessi i coefficienti del predittore lineare ed una forma codificata dell errore residuo (differenza tra il campione vero e quello predetto) 3.In tal modo ogni segmento di 20 msec viene rappresentato da 260 bit Bit rate totale: 260 bit / 20 msec = 13 kbps 46

46 GSM Voice Coding 47

47 GSM Voice Coding Vari tipi di codec con vari datarate Code Excited Linear Prediction (CELP) Voice Activity Detection (VAD) Comfort Noise Generator (CNG) 48

48 Short Messaging Service Il servizio di messaggeria breve, SMS, è stato un fattore trainante della proliferazione del GSM Il loro successo è nato praticamente per caso, non era stato pianificato In origine era un servizio destinato agli operatori di rete Sono specificati due tipi differenti di SMS: SMS Point-to-point (SMS/PP): da un telefono GSM ad un altro SMS Cell Broadcast (SMS/CB): consente alla rete di inviare un messaggio contemporaneamente a tutti i telefonini all interno di una determinata zona geografica 49

49 Proprietà degli SMS I messaggi sono inviati mediante la tecnica store & forward verso un Short Message Service Centre (SMSC) Il SMSC cerca di inviare il messaggio al destinatario e eventualmente ritentare l invio se questo è irraggiungibile Il messaggio viene spedito in condizione di best effort. Non esistono cioè garanzie sulla reale consegna e sui tempi È possibile richiedere una conferma di avvenuta ricezione, mentre non è assolutamente possibile avere una certezza sulla perdita del messaggio 50

50 Payload del SMS Poiché la trasmissione degli SMS avviene attraverso i Control Channel, la loro dimensione è strettamente limitata dalla capacità di questi canali Vengono spediti al SMSC mediante protocollo SS7 con lo standard GSM MAP Il payload è di 140 Bytes il che consiste in: 160 caratteri 7-bit 140 caratteri 8-bit 70 caratteri 2-byte (es.: Arabo, cinese, coreano, Giapponese, russo) mediante Unicode Questo non include i vari header relativi al routing 51

51 SMSC Il Centro Messaggi, detto SMSC (Short Message Service Center), è l'entità della rete GSM che è incaricata di gestire il servizio SMS: riceve i messaggi da diverse fonti (terminali GSM, modem, Centri Messaggi di altri operatori, Internet), e provvede a recapitarli ai terminali mobili destinatari. 52

52 Tempi massimi l tempo massimo in cui i messaggi sono conservati nel Centro Servizi dipende dal gestore di rete (anche se potrebbe essere programmato dal mittente con un apposito parametro specificato al momento della spedizione) e può assumente valori da 1 ora fino a qualche settimana Gli operatori italiani (più in generale quelli europei) hanno fissato un tempo massimo di 48 ore: trascorso tale limite i messaggi vengono automaticamente rimossi dal Centro Messaggi e non verranno più recapitati al destinatario 53

53 Invio dell SMS L invio di un SMS Point-to-point si compone in realtà di una concatenazione di due differenti azioni: Inoltro del messaggio dal telefonino al Centro Messaggi: SMS-MO (SMS Mobile Originated), Inoltro dal Centro Messaggi al telefonino del destinatario: SMS-MT (SMS Mobile Terminated). 54

54 PDU Il protocollo del servizio SMS utilizza sei diverse PDU (Protocol Data Unit): SMS-SUBMIT (Terminale -> SMSC, invia un messaggio) SMS-DELIVER (SMSC -> Terminale, invia il messaggio) SMS-COMMAND (Terminale -> SMSC, invia un comando) SMS-DELIVER-REPORT (Terminale -> SMSC, invia la ragione di una mancata ricezione) SMS-SUBMIT-REPORT (SMSC -> Terminale, invia la ragione di una mancata ricezione) SMS-STATUS-REPORT (SMSC -> Terminale, invia lo stato di delivery di un messaggio) 55

55 Transportation Le PDU viaggiano tra terminale e SMSC attraverso i canali di controllo: in fase di stand-by attraverso il canale SDCCH (Stand alone Dedicated Control Channel) durante una chiamata attraverso il canale SACCH (Slow Associated Control Channel) così che si possa ricevere ed inviare i messaggi anche quando si è in conversazione 56

56 SMS Routing 57

57 SMS Routing MS originated (MO) SMSC - Short Message Service Centre MSC Mobile Switching Centre SMS-IWMSC - Inter-Working MSC for SMS H/VLR Home/Visitor Location Register MS Mobile Station 58

58 SMS Routing MS terminated (MT) SMSC - Short Message Service Centre GMSC Gateway Mobile Switching Centre SMS-IWMSC - Inter-Working MSC for SMS H/VLR Home/Visitor Location Register MS Mobile Station 59

59 Channels Traffic Channels Control Channels Data Voice BCH CCCH DCCH FCCH SCH BCCH RACH AGCH SDCCH FACCH SACCH 14.4 FR-TCH 9.6 FR-TCH 4.8 FR-TCH 1.2 FR-TCH FR E - FR HR PCH 60