GSM. Tecnica di Accesso e Struttura dei Canali. Frequenze Assegnate al GSM (Europa) Frequenze Assegnate al GSM (Europa) Livello radio e protocolli

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1 Tecnica di Accesso e Struttura dei Canali GSM Livello radio e protocolli 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. 1 2 Frequenze Assegnate al GSM (Europa) 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 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 3 4

2 FDMA - TDMA 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 5 6 Frequenze Assegnate al GSM (Europa) Assegnazione delle Frequenze in Italia 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) 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

3 Struttura della Trama GSM FDM/TDM 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 Frequenza + time slot = canale Time slot adattati ai burst di trasmissione 9 10 Tecnica di Accesso e Struttura dei Canali Ramp-Up e Inviluppo 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 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 11 12

4 Ramp-Up e Inviluppo 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 Struttura dei Burst normali 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 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 15 16

5 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 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 Struttura dei Burst di sincronizzazione Struttura dei Burst di correzione di frequenza 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 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 19 20

6 Struttura dei Burst dummy Assegnazione delle Risorse alle Celle 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 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 Se ci sono più di tre portanti in una cella è possibile abilitare la funzione di Frequency Hopping (FH) per ridurre gli effetti del fading veloce FH - Scopo FH - Modalità FH serve ad allargare lo spettro di trasmissione, riducendo gli effetti del fading da percorsi multipli: si guadagnano circa 2 db FH in GSM è detto lento perché il cambio di frequenza avviene con cadenza di trama (8 slot ms) e non pochi bit MS deve essere in grado di RE-sintonizzare Tx ed Rx in circa 1 ms BTS ha 2 tranceiver (Tx ed Rx) per ogni portante e quindi gestisce FH a livello logico di assegnazione dei burst dati ai diversi canali L uso o meno è una scelta dell operatore Se la rete indica a MS di andare in modalità FH questo deve essere in grado di farlo Le sequenze di Hopping sono calcolate da BTS ed MS in base ad algoritmi di generazione di sequenze pseudo-casuali, in alternativa si può seguire un più semplice hopping ciclico Le modalità e la sequenza di hopping sono decise da BTS e trasmessa ad MS 23 24

7 Parametri dell Algoritmo di Hopping Algoritmo di Hopping Ma (Mobile Allocation)- vettore delle frequenze disponibili MAIO (MA Index Offset)- valore di sfasamento del salto di frequenza HSN (Hopping Sequence generator Number)- seme della sequenza pseudocasuale che pilota l algoritmo FN (Frame Number)- numero assoluto della trama GSM RNTABLE- vettore di 128 (0-127) numeri disposti in modo pseudocasuale Canali Fisici GSM Canali fisici GSM Un canale fisico è dato da una sequenza di burst 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 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 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 27 28

8 Tramatura GSM Tramatura 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) Temporizzazione GSM Temporizzazione GSM Il modulo di FN è : 26 * 51 * 2048 = supertrame multitrame di traffico multitrame di controllo FN viene trasmesso da BSC nei burst di sincronizzazione Il quanto di tempo in GSM è un quarto del tempo di bit Il tempo è misurato in: - Quarter-bit number QN Bit number BN Time slot Number TN Frame Number FN QN, BN e TN sono calcolati localmente da MS inizializzandoli sugli slot in cui viene trasmesso FN 31 32

9 Canali fisici GSM (RE) Canali Logici Un canale fisico è dato da una sequenza di burst time-slot ogni trama 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 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 Canali Logici Canali Logici Channels Canali di traffico Canali di controllo Traffic Channels Control Channels Data Voice BCH CCCH DCCH 14.4 FR FCCH RACH SDCCH 9.6 E-FR SCH AGCH FACCH 4.8 HR BCCH PCH SACCH

10 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) 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) Traffic Channels TCH/F2.4: dati a 2.4 kbps (FR) TCH/F1.2: dati a 1.2 kbps (FR) Data Voice EFS FS HS Canali di controllo Broadcast Channel (BCH) Tre famiglie: Canali di distribuzione (BCH) Canali di controllo comuni (CCCH) Canali di controllo dedicati (DCCH) Control Channels BCH CCCH 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 DCCH SCH 39 40

11 BCCH FCCH e SCH 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 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 BCH BCCH FCCH SCH 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) SCH Common Control Channels (CCCH) Dedicated Control Channels (DCCH) 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 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 43 44

12 Slow Associated Control Channel (SACCH) Fast Associated Control Channel (FACCH) 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 DCCH SACCH 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 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) SDCCH CBCH SDCCH CBCH 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 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 47 48

13 Channel Request GSM Voice Coding RACH 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): AGCH 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) 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 GSM Voice Coding 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 51 52

14 Proprietà degli SMS Payload del 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 irragiungibile 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 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 SMSC Tempi massimi 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. 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 55 56

15 Invio dell SMS PDU 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). 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) Transportation SMS Routing 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 59 60

16 SMS Routing MS originated (MO) SMS Routing MS terminated (MT) 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 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 Channels Traffic Channels Control Channels Data Voice BCH CCCH DCCH FCCH SCH BCCH RACH AGCH SDCCH FACCH SACCH FR E-FR HR PCH 63