Introduzione alle reti radiomobili. Meglio wireless o wired???

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1 GSM - GPRS

2 Introduzione alle reti radiomobili Wireless Vs Wired L unica differenza sembra consistere nel mezzo trasmissivo radio, eppure: Le particolari caratteristiche del mezzo trasmissivo hanno un grosso impatto sulle caratteristiche del sistema; Le reti wireless consentono agli utenti di muoversi e gestiscono automaticamente la loro mobilità Il mezzo radio è intrinsecamente un broadcast (la trasmissione di un terminale è ascoltata da tutti) Meglio wireless o wired??? Le reti wireless esistono grazie alle tecniche di trasmissione digitale su canale radio

3 Copertura cellulare La copertura del territorio è ottenuta con stazioni radio base (base station BS) che offrono accesso radio ai terminali mobili (Mobile Station MS) nella loro area di servizio, detta CELLA

4 Rete cellulare La rete cellulare è costituita anche da una parte fissa che gestisce tutti i servizi di comunicazione e la mobilità degli utenti.

5 Sistema radiomobile Lo scopo primario di un sistema radiomobile è di rendere possibile una connessione anytime, anywhere (collegamento tra utenti mobili, tra utenti mobili e rete fissa.) REQUISISTI Capacità : possibilità di servire contemporaneamente molti utenti; Copertura : garantire un livello di segnale accettabile in un vasto territorio; Qualità : garantire parametri di qualità di comunicazione simili a quelli della rete fissa; Flessibilità : possibilità di accedere ai servizi di rete fissa; PROBLEMI E LIMITAZIONI Scarsità delle risorse radio; Gestione della mobilità degli utenti; Estrema variabilità del traffico(difficile predizione);

6 Canale wireless I segnali che si propagano in aria sono soggetti a fenomeni di: Attenuazione in funzione della distanza tra trasmettitore e ricevitore. Attenuazione dovuta ad ostacoli. Propagazione per cammini multipli (multipath). Gli spettri radio utilizzato dai sistemi radiomobili nel mondo: Europa : GSM (banda MHz) Nord America : D-AMPS (banda MHz) Giappone : PDC (banda MHz)

7 Fading da cammini multipli (1) Nella propagazione tra sorgente e destinazione il segnale può seguire più percorsi a causa della riflessione totale o parziale da parte di ostacoli Il comportamento delle onde sugli oggetti dipende dalla frequenza del segnale e dalla caratteristiche e dimensioni degli oggetti In generale, onde a bassa frequenza possono attraversare senza attenuazione molti oggetti (che risultano trasparenti), mentre all aumentare della frequenza i segnali tendono ad essere assorbiti o riflessi dagli ostacoli (ad altissima frequenza oltre 5 GHz è possibile quasi solo la propagazione diretta).

8 Fading da cammini multipli (2) Le repliche del segnale che giungono dai diversi cammini si ricombinano al ricevitore Il risultato della ricombinazione dipende: Numero delle repliche (N) Fasi relative (φ k ) Ampiezze (a k ) Frequenza (f 0 ) Se il terminale si muove le caratteristiche della ricombinazione variano nel tempo I buchi di fading tendono ad essere distanziati di circa il tempo necessario a percorrere metà della lunghezza d onda

9 Risorse Radio : Accesso condiviso Per far comunicare stazione radio base e stazioni mobili i sistemi cellulari usano la banda radio assegnata dalle autorità responsabili. Questa risorsa trasmissiva è condivisa da tutte le comunicazioni e va dunque in qualche modo divisa (in modo statico o dinamico) tra i flussi informativi. La divisione della risorsa radio porta alla creazione di canali radio fisici. Nel caso di servizio voce la tecnica di commutazione utilizzata è di tipo a circuito e quindi un canale fisico è assegnato ad ogni comunicazione stazione base stazione mobile (canale di traffico dedicato). Lo stesso avviene per il servizio dati a circuito. Nel caso di servizio a dati a pacchetto i canali possono essere condivisi dinamicamente (canale di traffico condiviso) Altri canali, come vedremo, servono per scopi di servizio (canali di controllo e segnalazione).

10 Accesso Multiplo Tecnica con la quale da un unico canale broadcast se ne possono ricavare altri di tipo punto-punto. Le stazioni trasmittenti possono essere molteplici (problema di coordinamento). E necessaria anche una tecnica per la divisione tra canali uplink e canali downlink.

11 Multiplazione a divisione di frequenza (FDM) Il mezzo trasmissivo può essere caratterizzato da una banda di frequenze utilizzabili. La banda complessiva può essere divisa in sottobande cui associare un canale. Il segnale digitale relativo ad un canale viene MODULATO in modo da associarlo a ciascuna sottobanda.

12 Multiplazione a divisione di tempo (TDM) E una tecnica usata per segnali digitali Dato un canale numerico a velocità C(bit/s) si costruiscono trame che accorpano N canali ognuno con velocità C/N (bit/s) La trama costituita è costituita da N slot consecutivi. Se si numerano ciclicamente gli slot delle trame, un CANALE è associato ad un numero di slot (tutti canali a uguale velocità). Problema del sincronismo tra trasmittente e ricevente!!!

13 Riuso delle frequenze Nemmeno assegnando un solo canale per cella sarebbe possibile assegnarne uno a tutti. SOLUZIONE: usare più volte gli stessi canali in celle sufficientemente lontane il riuso degli stessi canali genera interferenza cocanale Il riuso è possibile in celle sufficientemente distanti da far si che l interferenza sia tollerabile (buona qualità del collegamento) L interferenza è la caratteristica fondamentale dei sistemi cellulari

14 Forma delle celle Tradizionalmente per descrivere in modo semplificato la struttura delle celle si usano degli esagoni regolari Ovviamente a causa della posizione delle stazioni base e della propagazione irregolare del segnale a causa di ostacoli, la forma reale delle celle è spesso molto diversa L uso della forma regola come modello di cella è comunque un buon modo per comprendere i principi alla base del riuso di frequenza e del dimensionamento del sistema

15 Cluster L insieme delle portanti disponibili viene diviso in K gruppi Viene creata una struttura regolare di celle formata da K elementi detta cluster Ad ogni cella del cluster viene assegnato un gruppo di frequenze La struttura a cluster viene ripetuta sul territorio in modo regolare

16 Assegnamento dinamico dei canali Può infatti capitare che una cella sovraccarica esaurisca i canali anche se le sue vicine sono temporaneamente scariche Le celle scariche non generano interferenza e per questo la cella sovraccarica potrebbe usare canali in più rispetto a quelli assegnati senza creare problemi di qualità (SIR). una stazione base che ha finito i suoi canali può chiederne in prestito dai vicini all arrivo di una chiamata Alla fine della chiamata il canale viene restituito un canale può essere preso in prestito se non crea problemi di interferenza con canali già in uso nelle celle vicine

17 Gestione della mobilità Nelle reti cellulari gli utenti possono muoversi nell area del sistema e quindi passare da una cella ad un altra Questo ovviamente pone problemi di routing dell informazione (o più semplicemente delle chiamate nel caso di servizio voce) Tutte le procedure che la rete mette in atto per consentire agli utenti mobili di essere in comunicazione vanno sotto il nome di gestione della mobilità

18 Gestione Mobilità : Cell selection Un terminale mobile in idle si aggancia ad una cella sulla base del segnale ricevuto dalla stazione base Su un opportuno canale di controllo comune la stazione radio base trasmette dell informazione di sistema che, tra l altro, specifica il suo identificativo Il terminale mobile scandisce le frequenze radio per decodificare il canale di controllo delle stazioni base della zona Il terminale seleziona la stazione base da cui riceve il segnale più potente Il terminale non smette mai di scandire periodicamente anche le altre frequenze e se trova un segnale più forte da un altra stazione base cambia la selezione

19 Gestione Mobilità : Handhover Procedura con cui un terminale mobile in conversazione cambia la stazione base su cui è attestato La procedura è sempre iniziata lato rete, sulla base di misurazioni (potenza del segnale ricevuto, qualità, ecc.) effettuate sia lato rete che lato utente Si richiedono procedure di Handover efficienti e veloci Quando scatenare l Handhover???

20 Gestione Mobilità : Location Update Location Area: entità topologica gerarchicamente superiore alla cella (gruppo di più celle) Un utente IDLE è localizzato dal sistema su base Location Area (e non su base cella) L ultima location area di ogni utente è memorizzata in opportuni database della rete

21 Gestione Mobilità : Location Update Se un utente in stato IDLE passa da una LA ad un altra scatena una procedura di Location Update L informazione sulla LA in cui si trova un utente serve per indirizzare le chiamate Quanto far grandi le LA? Piccole ho molte LOCATION UPDATE Grandi ho molte MS al suo interno

22 Gestione Mobilità : Paging All arrivo di una chiamata per l utente mobile viene consultato il registro Una volta nota la LA viene iniziata una procedura di paging Ogni stazione base della LA invia un messaggio di controllo in broadcast con l identificativo dell utente cercato Alla risposta del teminale mobile la rete conosce la cella e instrada la chiamata

23 GSM : Architettura del sistema

24 GSM : Mobile station È il terminale di proprietà dell utente Tre categorie a seconda della potenza nominale: Veicolari : possono emettere fino a 20 W all antenna Portatili : fino a 8 W all antenna, sono trasportabili,ma hanno bisogno di una notevole fonte di alimentazione per il funzionamento (es. PC portatili, fax, etc.) Personali (hand-terminal): fino a 2 W all antenna, è il telefonino MS è composto da un ME (Mobile Equipment) e una SIM (Subscriber Identity Module) ME è solo l hardware. Identificato dal IMEI (International Mobile Equipment Identifier) SIM è la parte che attiva il terminale per un utente con tutte le informazioni necessarie Informazioni contenute nella SIM Serial number : identifica univocamente la SIM card International Mobile Subscriber Identity (IMSI) :identifica l utente in modo univoco nella rete Security authentication and cyphering information : Ki, Kc (sono le chiavi per l autenticazione e la cifratura) Temporary Network information : LAI (Location Area Identifier), identificativo dell ultima location area visitata

25 GSM : Base Station System (BSS) il BSS raggruppa le unità funzionali che si occupano degli aspetti radio del sistema copertura radio e comunicazione mediante interfaccia radio con le MS gestione delle risorse radio Il BSS comprende: Base Transceiver Station (BTS): insieme degli apparati che consentono la trasmissione e ricezione di informazione attraverso l interfaccia radio. Ha compiti meramente esecutivi: la gestione delle risorse gli viene gestita dal BSC Base Station Controller (BSC) : controlla e gestisce le risorse di un gruppo di BTS. Dalle BTS riceve le informazioni sullo stato dell interfaccia radio e alle BTS invia I comandi di configurazione e gestione.

26 GSM : Network Switching System Si tratta del sottosistema che si occupa della commutazione dei circuiti verso gli utenti mobili Questo sotto-sistema è utilizzato per i soli servizi a circuito (esistono sotto-sistemi diversi che gestiscono i servizi a pacchetto) Si tratta di fatto di una rete telefonica con le centrali di commutazione e i nodi di gestione della segnalazione a cui si aggiungono i database di rete per la gestione della mobilità

27 GPRS

28 GPRS : Architettura di rete

29 GPRS : Serving GPRS Support Node (SGSN) E di fatto un router IP che svolge nell architettura del servizio a pacchetto GPRS le funzioni che in GSM sono svolte dalla centrale MSC Ovviamente ha funzionalità aggiunte rispetto ad un semplice router IP per la gestione della mobilità e per l inoltro dei pacchetti di livello superiore verso l appropriato GGSN. Il GGSN (Gataway GPRS Support Node) è il nodo di gerarchia superiore che interfaccia la rete GPRS ad una PDN (Packet Data Network). La PDN è di solito una rete IP pubblica (Internet) Nel caso di attivazione di una sessione con una rete IP esterna avviene anche l assegnazione di un indirizzo IP dinamico Il pagamento del traffico nel GPRS NON è a tempo ma a quantità di byte trasmessi!!!

30 GPRS : Esempio di sistema Embedded La scheda SX-PY comprende un modem GMS-GPRS-GPS in grado di poter essere programmato attraverso interfaccia seriale RS-232 Il modulo può essere programmato tramite script in linguaggio di programmazione Python Scenari applicativi : Domotica, Monitoraggio ambientale con invio direttamente dei dati direttamente su server web.

31 Scheda SXPY CARATTERISTICHE: Due ingressi digitali (ON/OFF) : controllare l apertura o chiusura d dispositivi meccanici. Due uscite digitali (ON/OFF) : per pilotare l apertura o chiusura di circuiti (cancelli,..). Possibilità di alimentazione attraverso una batteria di backup (autonomia 3 giorni). 3MByte di Memoria non Volatile (FLASH) per la memorizzazione di script Python. 1.5Mbyte di Memoria Volatile (RAM) per l esecuzione di script. Linguaggio di programmazione Pyton : linguaggio ad alto livello simile al C, sia procedurale che orientato agli oggetti.

32 Esempio di script Python per scheda SXPY import GPIO import MOD print "\r\ntest INPUT'\r\n" #SETTO LA DIREZIONE DEI PORT r=gpio.setiodir(7,0,1) #setto il port 7 come output e ha come valore di default 0 r=gpio.setiodir(6,0,1) #setto il port 6 come output e ha come valore di default 0 r=gpio.setiodir(1,0,0) #setto il port 1 (INP2) come input r=gpio.setiodir(8,0,0) #setto il port 8 (INP1) come input while (1): if(gpio.getiovalue(1)==0): print "VALORE GPI 1 == ZERO\r\n" s=gpio.setiovalue(7,0) #Rele' K2 Off else: print "VALORE GPI 1 == UNO\r\n" s=gpio.setiovalue(7,1) #Rele' K2 ON if(gpio.getiovalue(8)==0): print "VALORE GPI 8 == ZERO\r\n" s=gpio.setiovalue(6,0) #Rele' K1 Off else: print "VALORE GPI 8 == UNO\r\n" s=gpio.setiovalue(6,1) #Rele' K1 ON MOD.sleep(10) #Pausa di un secondo Oss. In Python non serve nessuna parentesi ma è fondamentale l indentazione!!!

33 Modulo GMS-GPRS-GPS Telit Modem GSM-GPRS con slot per SIM Ricevitore GPS integrato a 20 canali SiRFStarIII Consumo in modalità GPRS : 320mA Consumo in modalità IDLE : 4mA Interprete Python al suo interno Stack TCP/IP incluso per la comunicazione via Internet Facilmente programmabile con librerie Python per la realizzazione delle più svariate applicazioni

34 Libreria Easy-GPRS Attraverso la libreria Easy-GPRS della Telit è possibile stabilire una connessione ad internet dal modulo Telit. E possibile creare una comunicazione virtuale tra l applicativo Python in esecuzione sul modulo Telit e un applicativo su un server web. Esempio di stack di protocolli utilizzati nei dispositivi:

35 Comandi AT Tutti i MODEM GSM-GPRS possono essere interrogati attraverso la porta seriale RS-232 con dei comandi standard detti comandi AT Per effettuare uno scambi dati GPRS serve seguire i seguenti passi: Configurare accesso GPRS Configurare lo stack interno TCP/IP Richiesta di attivazione di un contesto GPRS Richiesta di connessione ad un internet host Scambio dati Chiudo la connessione TCP/IP lasciando attivo il contesto GPRS

36 Configurare l accesso GPRS Es: AT+CGDCONT = 1, "IP, internet.wind.biz, " ", 0, 0 1: Packet data protocol identifier IP : Packet data protocol type internet.wind.biz : Access point name " : indirizzo del terminale nella rete. In questo caso significa ch e l indirizzo viene assegnato dinamicamente DHCP 0 : No data compression 0 : No header compression

37 Configurare lo stack interno TCP/IP Lo stack interno TCP/IP può essere configurato settando: Default packet size Timeout di invio dei dato Timeout di inattività della socket Comando AT associato: AT#SCFG = <Conn Id>, <Cntx Id>, <Pkt sz>, <Global To>, <Conn To>, <Tx To> ConnId: identificatore della onnessione Cntx Id : identificatore del contesto GPRS Pkt sz :minima dimensione del pacchetto inviato in rete (dafault 300 Byte) Global To : timeout di inattività (in sec) Conn To : timeout di connessione (in sec) Tx To : timeout di invio dati (in sec)

38 Richiesta di attivazione di un contesto GPRS AT#SGACT: <Cntx Id>,<Status>, [<Username>],[<Password>] Cntx Id : il numero identificativo del contesto che vogliamo attivare Status : 1 attivazione 0 disattivazione La risposta a questo comando, in caso si attivazione, è l indirizzo IP assegnato al dispositivo collegato alla rete Internet.

39 Richiesta di connessione ad un internet host Comando AT per la richiesta di connessione con un host internet: AT#SD = <Conn Id>,<Protocol>, <Remote Port>, <IP address> [, <Closure Type> [, <LocalPort>]] Conn Id : identificatore della connessione Protocol : protocollo utilizzato per la comunicazione TCP o UDP Remote Port : porta remota sulla quale voglio comunicare IP Address: indirizzo IP del server al quale voglio connettermi La risposta a tale comando può essere CONNECT in caso di avvenuta connessione ERROR n in caso di errore con n indicante il codice di errore

40 Scambio dati (1) Uno dei metodi più semplici per inviare dati ad un server è quello di utilizzare la tecnica di scambi dati tra le pagine HTML, ovvero le richieste GET e POST. Quando invio dei dati una pagina web posso: Metodo GET : Metodo POST : i dati sono inviati in maniera nascosta nell HEADER della richiesta della pagina al server. Es: di invio dati tramite richiesta GET: "GET /PaginaRaccoltaDati.php? SENS1="+ValSensore1+"&SENS2="+valSensore2+" HTTP/1.0\r\n OSS. È la stessa richiesta che facciamo quando digitiamo sulla barra degli indirizzi di IE per esempio «www.google.it»

41 Script lato server per la raccolta dati Lato server, serve realizzare uno script con un linguaggio detto server side (PHP, ASP.NET, Ruby,.) che raccoglie i dati tramessi e li memorizza in un opportuno database (in questo caso il database MySql Database Open Source). Es di script scritto in linguaggio PHP e residente sul server: <?php include "conn.inc.php"; if (isset($_get['sens1'])) { $query = "INSERT INTO DATI(DataOra,Sens1,Sens2) VALUES ('".date("y/m/d H:i")."','".$_GET['SENS1']."','".$_GET['SENS2']."')"; $results = mysql_query($query,$conn) or die(mysql_error()); echo "Inserimento avvenuto correttamente"; } else { echo "ERRORE"; }?> <html> <head> <title>raccolta dati</title> </head> <body> </body> </html>

42 Chiudo la connessione TCP/IP lasciando attivo il contesto GPRS La connessione può essere chiusa per i seguenti motivi: L host remoto ha chiuso la conenssione È scattato il socket timeout Il comando per chiudere la connessione è AT#SH = <Conn Id>

43 Gestione degli SMS Il Modulo Telit permette di inviare e gestire gli SMS in ricezione sempre con dei semplici comandi AT. Per INVIARE un sms serve : Inviare il comando : AT+CMGS= Numero_Cell_Dest"\r Attendere la risposta del modulo con un > Inviare il testo del SMS con un carattere terminatore uguale a Ctrl-Z Se la trasmissione è andata a buon fine ricevo un OK Per RICEVERE un sms devo : Consultare periodicamente se è arrivato un nuovo sms nella memoria della SIM (comando AT+CMGL = "REC UNREAD ) La risposta è una sequenza di messaggi arrivati, comprendenti 3 campi : numero mittente, giorno e ora, e testo del messaggio

44 Come inviare i comandi AT al Modulo GSM-GPRS I comandi AT per comunicare con il modulo Telit possono essere inviati in 2 modalità: 1. Collegando il modulo ad un PC attraverso un cavo seriale e utilizzando il programma HyperTerminal di Windows che apre una connessione RS232 con il dispositivo Oppure mandare i comandi AT direttamente dallo script Python che è in esecuzione sulla RAM interna del modulo. Tale operazione è agevolata dalla classe MDM presente in Python. Es. di codice python per l invio di comandi AT TX_BUF = "AT+CMGL = \"REC UNREAD\"\r" RX_BUF = MDM.send(TX_BUF,0) RX_BUF = MDM.receive(50)

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