Il GSM Architettura generale

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1 Il GSM Architettura generale Marco Listanti 1

2 Indice 2 Le reti cellulari Architettura di una rete cellulare Coperture cellulari Le reti cellulari geografiche: il GSM Architettura generale Servizi portanti e trasmissione dal punto di vista dell utente Accesso radio Piano di controllo: il trasporto della segnalazione Gestione delle risorse radio Gestione della mobilità e della sicurezza Gestione della comunicazione Evoluzione del GSM verso il 3G (GPRS, EDGE). Le WLAN

3 Cenni storici sul GSM 3 Tappe dell evoluzione del GSM 1982: il Groupe Spécial Mobile è creato in ambito CEPT 1986: è stabilito un Permanent Nucleus 1987: sono fatte le principali scelte tecniche relative all interfaccia radio, sulla base della valutazione di prototipi (1986) 1989: il GSM diviene una commissione tecnica dell ETSI (SMG) 1990: le specifiche GSM900 di fase I (bozza ) sono congelate 1991: i primi sistemi GSM900 sono avviati in prova; le specifiche del DCS1800 sono congelate 1992: tutti i maggiori operatori GSM avviano il servizio commerciale

4 Standardizzazione GSM 4 Evoluzione dello standard per fasi La fase 1 comprende le funzioni necessarie per la fornitura del servizio base (senza servizi supplementari) e un insieme ridotto di servizi dati La fase 2 introduce i servizi supplementari, il facsimile e numerose migliorie L evoluzione è proseguita con la definizione del GPRS che eredita l interfaccia radio del GSM e rivoluziona la rete dorsale EDGE può essere visto come un ulteriore evoluzione, mirata all interfaccia radio GSM/GPRS, per allineare queste reti alla 3G come capacità di offerta di servizi di rete e applicativi Problemi di uno standard evolutivo Compatibilità verso il passato Ammortamento di impianti e apparati

5 Obiettivi GSM: servizi 5 Servizi sistema pan-europeo servizi ISDN servizi speciali in ambiente di mobilità Qualità di servizio qualità comparabile con quella dei sistemi analogici a 900 MHz possibilità di proteggere le informazioni trasmesse mediante tecniche crittografiche (confidenzialità), riservatezza dell informazione di localizzazione e contrasto delle frodi mediante autenticazione Utilizzazione della risorsa radio alta efficienza spettrale nella banda MHz e MHz costo contenuto dei terminali di utente

6 Obiettivi GSM: aspetti di rete 6 Nessuna modifica di rilievo delle reti terrestri Utilizzazione degli esistenti sistemi di segnalazione standardizzati in sede internazionale Piano di numerazione compatibile con le Raccomandazioni ITU-T Possibilità di utilizzare diversi schemi di tassazione in reti diverse Realizzazione di PLMNs con (porzioni di) aree di servizio in comune

7 Servizi offerti dal sistema GSM 7 Il sistema GSM può essere considerato un sistema di accesso mobile alla rete terrestre di TLC La fornitura dei servizi dipende da: i dati contenuti nel contratto dell utente, sia in termini di servizi sottoscritti sia di aree geografiche le capacità della rete da cui l utente riceve servizio (possono essere utilizzate reti diverse, grazie al roaming) le capacità del terminale utilizzato dall utente (per es., non si possono ricevere fax con un terminale esclusivamente per fonia) I servizi base offerti dal GSM sono: voce, dati (con ritmi <= 9600 bit/s) e Short Message Service (SMS) Essi sono complementati da servizi supplementari

8 Servizi di rete (bearer services) khz integrity Trasferimento di dati asincroni a commutazione di circuito ( bit/s) e interlavoro con la rete telefonica pubblica (PSTN) Trasferimento di dati sincroni a commutazione di circuito ( bit/s), interlavoro con la PSTN, con le reti pubbliche per dati a commutazione di circuito (CSPDN) e con la ISDN Accesso asincrono alle PSPDN attraverso funzionalità PAD ( bit/s) Accesso sincrono alle PSPDN attraverso funzionalità PAD ( bit/s)

9 Servizi applicativi 9 Telefonia Ritmo binario di codifica Full Rate (FR) = 13 kbit/s Half Rate (HR) = 6,5 kbit/s Servizio di chiamate di emergenza (emergency call service, 112) Servizi telematici Videotex, teletex, facsimile gruppo 3, servizi di messagistica (X.400, MMS, instant messaging) Trasferimento di messaggi brevi (Short Message Service, SMS) Messaggi di lunghezza massima 160 caratteri ASCII con riscontro di consegna Servizi supplementari Esempi: number identification, call completion, multy party, closed user group, charging

10 SMS 10 Short Message Service Specifico del GSM, non estende agli utenti GSM servizi già offerti ad utenti di reti fisse E una evoluzione del radio paging (consegna affidabile, riscontri, uso di mailboxes) SMS-Mobile Terminating/Point-to-Point SMS-Mobile Originating/Point-to-Point SMS-Mobile Terminating/Cell Broadcast Diffusione ciclica di messaggi sul downlink

11 Servizi supplementari (1/2) 11 Si distinguono due aspetti come modificano l evoluzione di una chiamata come un utente può predisporre e/o modificare i parametri del servizio (profilo di utente) Outgoing calls Barring of All Outgoing Calls (BAOC) Barring of Outgoing International Calls (BOIC) Barring of Outgoing International Calls except those towards the home PLMN country (BOIC-exHC) Incoming Calls Barring of All Incoming Calls (BAIC) Barring of Incoming Calls when roaming outside the home PLMN country (BIC-roam)

12 Servizi supplementari (2/2) 12 Deviazione Call Forwarding Unconditional (CFU) Call Forwarding on mobile subscriber Not Reachable (CFNRc) Call Forwarding on mobile subscriber Busy (CFB) Call Forwarding on No Reply (CFNRy) Identificazione Calling Line Identification Presentation (CLIP) Calling Line Identification Restriction (CLIR) Connected Line Identification Presentation (CoLP) Connected Line Identification Restriction (CoLR)

13 Architettura di comunicazione 13 Elementi componenti di un architettura funzionale Macchine o sistemi Strati funzionali Interfacce Protocolli

14 Sottosistemi GSM 14 OPERATORE RETI ESTERNE UTENTI OSS NSS BSS MS Interfaccia A Interfaccia radio

15 Sottosistemi GSM 15 Mobile Station (MS) Mobile Termination (MT) Terminal Equipment (TE) (+Terminal Adapter, TA) Subscriber Identity Module (SIM) Base Station Sub-System (BSS) Base Tranceiver Station (BTS) Base Station Controller (BSC) Transcoding and Rate Adaptation Unit (TRAU) Network and Switching Subsystem (NSS) Mobile service Switching Center (MSC) Gateway Mobile Switching Center (GMSC) Interworking Function (IWF) Home Location Register (HLR) Visitor Location Register (VLR) Equipment Identity Register (EIR) Operation and Support Subsystem (OSS)

16 Mobile Station (MS) 16 Terminale mobile: include le funzioni di gestione dell interfaccia radio (mobile termination functions) interfaccia con l utente umano (altoparlanti, microfono, tastiera) adattamento per altri tipi di terminali (PCs, Fax, etc.) Mobile Termination Terminal Equipment Terminal Adaptor Mobile Termination

17 Subscriber Identity Module (SIM) 17 Smart card rimovibile Informazioni relative all utente identificazione dell utente identificazione della home network servizi sottoscritti dall utente e dati di personalizzazione informazioni di localizzazione dati dell utente (es. numeri abbreviati) Informazioni per la sicurezza della comunicazione codici di protezione (PIN code) chiavi di codifica

18 Base Station Sub-system (BSS) 18 Interfaccia radio BTS BSS OSS BTS BSC BTS Interfaccia Abis Interfaccia A

19 Network & Switching Sub-system (NSS) 19 Anchor-MSC (A-MSC) HLR SS7 VLR MSC èl'msc che prende in carico la chiamata all'instaurazione; rimane invariato per tutta la durata della chiamata AuC GMSC Dati d utente PSTN ISDN Controllo Relay-MSC (R-MSC) èl'msc che può essere coinvolto, nel corso di una chiamata, a causa di un handover tra due aree gestite da MSC diversi

20 Operation & Support Sub-system (OSS) 20 Network Operation e Maintenance pilotare la rete e mantenerne l integrità fisica e funzionale Operation and Maintenance Centers (OMCs) Subscription management and charging (HLR, SIM) Creazione e archiviazione dei profili di utente Valutazione degli addebiti (Accounting) Fatturazione (Billing) Mobile equipment management (EIR)

21 Architettura GSM (1/3) 21 E composta da quattro piani funzionali Transmission gestisce il mezzo trasmissivo Radio Resource Management (RR) Fornisce un collegamento stabile tra la MS e l'msc Mobility Management (MM) Maschera la mobilità della SIM alla rete Communication Management (CM) Fornisce i mezzi per le comunicazioni d'utente, come nelle reti fisse CM MM RR Transmission

22 Architettura GSM (2/3) 22 Trasmissione Fornisce i mezzi per trasferire informazione di utente (voce e dati) su tutti i segmenti tra macchine remote nel percorso della comunicazione (MS-BTS-BSC-MSC-GMSC-reti esterne) Fornisce i mezzi per trasferire segnalazione tra entità GSM Include funzioni dello strato fisico (modulazione, codifica, accesso multiplo TDM e FDM) e degli strati di collegamento e di rete (queste ultime solo per la segnalazione e SMS) Radio Resource Coinvolge soprattutto la MS e la BSC, ma anche BTS e MSC (inter-msc handover) Le funzioni essenziali sono accesso iniziale, paging e handover

23 Architettura GSM (3/3) 23 Mobility Management Coinvolge la SIM nella MS e le basi di dati HLR e VLR. Communication Management Call Control Coinvolge gli MSC/VLR, i GMSC, le IWFs e l HLR Le funzioni essenziali instaurazione, mantenimento e abbattimento delle chiamate e instradamento delle stesse Supplementary Services Management Coinvolge solo la MS e l HLR Short Message Service Per i messaggi punto-punto agisce un cosidetto Short Message Service Centre (SM-SC)

24 Protocolli GSM 24 MS BTS BSC R-MSC A-MSC HLR CM MM RIL3-CC RIL3-MM MAP/D RR RIL3-RR RSM DTAP BSSMAP MAP/E LAPDm Radio I/F LAPD 16/64 kbit/s distribution TCAP TCAP SCCP SCCP SCCP MTP 3 MTP 3 MTP 3 MTP 2 MTP 2 MTP 2 MTP 1 MTP 1 MTP 1 Radio Abis A E (SS7) D (SS7)

25 Protocolli di segnalazione nel NSS 25 Stack dei protocolli all interfaccia con la rete SS7 Call related functions Non call related functions TUP, ISUP MTP MAP TCAP SCCP

26 Vari tipi di MAP 26 MSC R-MSC (B) VLR MAP/I MAP/D HLR EIR MAP/E MAP/G MAP/C MAP/F VLR GMSC MSC MSC (B) A-MSC MAP/H SMS-GW

27 Acronimi dei protocolli GSM 27 RIL3: Radio Interface Layer 3 RSM: Radio Subsystem Management ( ) BSSMAP: BSS Management Application Part DTAP: Direct Transfer Application Part MAP: Mobile Application Part TCAP: Transaction Capabilities Application Part SCCP: Signalling Connection Control Part MTP: Message Transfer Part

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