Politecnico di Milano. Facoltà di Ingegneria dell Informazione. Reti Radiomobili. Prof. Antonio Capone. 7 GSM parte 1

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1 Politecnico di Milano Facoltà di Ingegneria dell Informazione Reti Radiomobili Prof. Antonio Capone 7 GSM parte 1

2 Politecnico di Milano Facoltà di Ingegneria dell Informazione 7.1 Caratteristiche generali del sistema Reti Radiomobili

3 Riferimento per questo argomento usare come riferimento il il testo --O. O. Bertazioli, L. L. Favalli, GSM-GPRS, Hoepli Informatica un utile supporto è anche fornito da: - Redl, Weber, Oliphant, Introduction to GSM, Artech House

4 Cenni storici (1) 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 paneuropea: il Groupe Spécial Mobile da cui GSM 1984: istituzione di 3 Working Parties (WP1-3) per la definizione di servizi da offrire in GSM: l interfaccia radio, i formati di trasmissione e i protocolli di segnalazione, le interfacce e l architettura di rete 4

5 Cenni storici (2) 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) 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 5

6 Cenni storici (3) 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 pianificare l introduzione dei servizi concordare politiche di instradamento e la tariffazione (modalità e prezzi) 6

7 Cenni storici (4) 1988: con l istituzione di ETSI (European Telecommunication Standards Institute) il lavoro su GSM viene spostato in questo foro 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. 1991: (luglio) il lancio commerciale del GSM, pianificato per questa data, viene rimandato al 1992 per la mancanza di terminali mobili conformi allo standard 7

8 Cenni storici (5) 1992: viene rilasciato lo standard definitivo relativo a GSM, che a questo punto diventa l acronimo di Global System for Mobile Communications 1992: introduzione ufficiale dei sistemi GSM commerciali 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 8

9 Cenni storici (6) : introduzione degli SMS : introduzione dei servizi a 1800 MHz 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 e primi terminali WAP (Wireless Access Protocol) su circuito commutato 2000/01: introduzione dei servizi GPRS 9

10 Cenni storici (7) Anni 2000: GSM diventa la rete cellulare più diffusa al mondo. Di fatto è diventato uno standard mondiale, influenzando in modo significativo l evoluzione verso le reti di 3 a generazione e contribuendo a determinare il fallimento commerciale delle reti satellitari 10

11 Caratteristiche generali Sistema digitale di 2 a Generazione (2G) accesso multiplo di tipo multicarrier TDMA riuso di frequenze fisso servizi telefonia con numerosi servizi supplementari dati a circuito (a singolo canale o a canale multiplo) dati a pacchetto (GPRS General Packet Radio Service) 11

12 Frequenze assegnate GSM /900 DCS/1800 uplink downlink uplink downlink portanti portanti 374 portanti 374 portanti F[ MHz ] esteso esteso uplink downlink In UK e USA si usano bande intorno a 1900 MHz anziché intorno a 1800 MHz ( uplink, downlink). 12

13 Portanti radio Le portanti radio sono spaziate di 200 khz 200 khz su ogni portante la frequenza di cifra è pari a Kb/s Le portanti sono identificata da un ARFCN (Absolute Radio Frequency Channel Number) modulazione GMSK (Gaussian Minimum Shift Keying) Ogni coppia di frequenze per canali bi-direzionali uplink e downlink sono spaziate di 45 MHz nel GSM 900 e 95 MHz nel DCS 1800 f 13

14 Trama TDMA TDM Frame ms BTS Transmits f down MS Transmits f up Time slot = 577 μs Su ogni portante radio la struttura TDMA consente di creare fino a 8 canali per la trasmissione di voce codificata a 13 Kb/s 14

15 Altre caratteristiche Power Control la potenza emessa dalle stazioni, mobili e base, viene regolata in base alle condizioni di propagazione Discontinous Trasmission durante le pause del parlato la trasmissione della voce codificata viene interrotta per diminuire l interferenza e il consumo energetico 15

16 Politecnico di Milano Facoltà di Ingegneria dell Informazione 7.2 Architettura del sistema Reti Radiomobili

17 Architettura della rete si si veda O. O. Bertazioli, L. L. Favalli, GSM-GPRS, Hoepli Informatica 2002 Capitolo 5 anche H. H. Walke: Mobile Radio Networks, Wiley Capitolo 3, 3, paragrafo 2 17

18 Architettura della rete Um BSC NSS Network Switching Subsystem Um Um Um BTS Abis Abis BTS Abis BTS BSC BSC Abis A A A VLR GMSC E MSC A HLR OMC VLR EIR AuC OMSS Rete telefonica fissa ISDN/PSTN Operation and Maintenence Subsystem RS Radio BTS BSS Base Station Subsystem BSC 18

19 Terminale mobile (Mobile Station - MS) 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 19

20 Terminale mobile (Mobile Station - MS) Classe Potenza massima nominale [W] Potenza media nominale [mw] GSM 900 MHz DCS 1800 MHz GSM 900 MHz DCS 1800 MHz , , Caratteristiche MS multi-band: può operare su più bande di frequenze (900, 1800, 1900, ) MS multi-slot: può operare attivando contemporaneamente canali su più slot (solo per GPRS) 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 20

21 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 ME Deve essere inserita nell apposito lettore di ME Sono ammessi 2 possibili formati: tipo carta di credito e un formato ridotto (plug-in SIM) 21

22 Informazioni memorizzate nella SIM card 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 A3 and A8 algorithm (sono le procedure per effettuare l autenticazione e la cifratura) K i, K c (sono le chiavi per l autenticazione e la cifratura) Temporary Network information LAI (Location Area Identifier), identificativo dell ultima location area visitata TMSI (Temporary Mobile Subscriber Identity), identificativo assegnato dalla rete ed usato invece del IMSI 22

23 Informazioni memorizzate nella SIM card Lista di servizi a cui l utente è abbonato Personal Identity Number (PIN) Personal Unblocking Number (PUK) Access rights Prohibited networks Call messages Phone numbers 23

24 Base Station System (BSS) il BSS raggruppa le unità funzinali 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. 24

25 Network Switching Subsystem (NSS) 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 25

26 Network Switching Subsystem (NSS) il NSS include: Mobile Switching Center (MSC): è una centrale di commutazione telefonica per utenti radiomobili Visitor Location Register (VLR): è un database (normalmente implementato nella centrale MSC) che contiene le informazioni relative agli utenti presenti nell area gestita da un MSC Home Location Register (HLR): è il database principale che si occupa della memorizzazione delle informazioni degli utenti mobili. Contiene tra le altre le informazioni necessarie ad individuare il VLR che ha in carico in un certo istante ogni utente mobile. Authentication Center (AuC): normalmente associato al HLR che contiene le chiavi e le procedure per l autenticazione di un utente mobile Equipmente Identity Register (EIR): contiene gli IMEI di tutti gli apparati autorizzati al servizio 26

27 Operation and Maintenence Subsystem (OMSS) Include le unità preposte al controllo da parte di operatori della rete, alla sua manutenzione e gestione da remoto Vengono configurate le funzionalità di tutti gli apparati di rete visualizzati gli allarmi di cattivo funzionamento visualizzati i dati statistici di traffico ecc. 27

28 Aree definite in GSM PLMN (Public Land Mobile Network) Area: area di servizio di una rete MSC/VLR Area: area gestita da un MSC. I dati degli utenti presenti nell area sono immagazzinati nel VLR associato al MSC Location Area: una MSC/VLR area viene logicamente divisa in una o più Location Area (LA). Se un utente cambia LA deve effettuare un location update. Le LA sono identificate da un LAI (Location Area Identifier), trasmesso da ogni BTS dell area sul canale di controllo broadcast Cella: area coperta da una BTS. Viene identificata da un BSIC (Base Station Identity Code), anch esso trasmesso dalla BTS sul canale di controllo broadcast 28

29 Base Transceiver Station (BTS) La BTS è l elemento che ha il compito di implementare i protocolli di basso livello dell interfaccia radio E quindi di trasmettere e ricevere i segnali dalle MS implementando le funzionalità di modulazione, codifica e multiplazione dei canali fisici Ha il compito anche di effettuare misure di qualità sui canali fisici e di ricevere quelle fatte dalle MS (tutte le misure vengono poi riportate al BSC che prende le decisioni) Si interfaccia al MSC (solo servizi a circuito) mediante canali PCM a 64 kbit/s Connette i canali PCM con quelli dell interfaccia radio (traffico e segnalazione) 29

30 Transcoder Rate Adaptation Unit (TRAU) La codifica della voce è a 13 kbit/s mentre il PCM prevede 64 kbit La conversione di codifica viene effettuata dal TRAU Il TRAU può essere nella BTS, ma molto più spesso è nel BSC In questo caso i flussi a 13 kbit/s devono essere trasportati senza codifica nei canali a 64 kbit/s Su ogni canale a 64 kbit/s sono multiplati 4 flussi a 13 (previa trasformazione in flussi da 16 con l aggiunta di ridondanza) Per ogni portante GSM (8 canali a 13 kbit/s) occorrono 3 canali PCM a 64 kbit/s uno per la segnalazione trasportata mediante protocollo di linea LAPD 2 per gli 8 canali di traffico telefonico 30

31 Transcoder Rate Adaptation Unit (TRAU) allineamento di trama altro overhead segnalazione canale canali PCM (64 kbit/s) 125 μs canali PCM (64 kbit/s) canali GSM (13 kbit/s) MSC BSC BTS 1 canale per circuito voce TRAU 4 circuiti voce per canale PCM 31

32 Struttura BTS La BTS è di solito funzionalmente divisa in TRX (Transceiver) elementi radio preposti alla ricezione e trasmissione di una singola portante radio BCF (Base Common Function) elemento di controllo del TRX che svolge le funzionalità comuni e di interfacciamento con il BSC 32

33 Schema BTS one TX antenna Combiner. two RX antennas Splitter. TX RX TX RX Signal Processing TRX Controller TRX... Signal Processing TRX Controller TRX A-bis Interface PCM line or Radio system 2 Mb/s BSC 33

34 Base Station Controller (BSC) Una BSC controlla un numero elevato di BTS: da alcune decine ad alcune centinaia I compiti principali della BSC sono: la configurazione di ogni cella tramite assegnazione dei canali di traffico e di controllo Instaurazione e rilascio delle connessioni tra i canali dell interfaccia A e Abis la gestione degli handover tra BTS controllate gestione dei messaggi di Paging che vengono distribuiti alle BTS della location area relativa all utente cercato analisi delle misure relative alla qualità e ai livelli di potenza di BTS e MS e decisione sulla necessità di handover 34

35 Base Station Controller (BSC) Il BSC si occupa fondamentalmente della gestione delle risorse radio (Radio Resource management) Dal punto di vista funzionale è un nodo di commutazione, ma non ha il compito di instradare le chiamate (lo fa il MSC) invece collega i circuiti con il BTS con quelli con il MSC effettuando eventualmente la trans-codifica (TRAU) e commuta i circuiti per gli handover (intra-bsc) Le BSC possono essere collocate nel sito di un MSC o essere autonome, o ancora essere posizionate vicino (o insieme) ad alcune BTS 35

36 Mobile Switching Centre (MSC) Il MSC è una centrale di commutazione con funzionalità aggiuntive di gestione della mobilità E normalmente associato ad un VLR per la memorizzazione dei dati degli utenti presenti nell area controllata Il MSC oltre ad essere connesso con i BSC della sua area è connesso ad altri MSC la connessione avviene tramite canali PCM (eventualmente multiplati con PDH o SDH) parte delle risorse di collegamente sono parte della rete di segnalazione a canale comune SS7 Uno o più MSC (Gateway MSC) per rete PLMN sono interfacciati alla rete telefonica fissa per l instradamento da e verso gli utenti fissi 36

37 Mobile Switching Centre (MSC) Una MS può essere raggiunta da utenti fissi mediante il numero di telefono (MSISDN) La chiamata viene instradata fino al GMSC che individua l HLR in cui sono contenute le informazioni dell utente associato al MSISDN e lo interroga l HLR restituisce, tra l altro, il MSRN (Mobile Station Roaming Number) MSRN numero temporaneo (stessa strutt. MSISDN) assegnato dal VLR visitato MSRN consente al GMSC di instradare la chiamata fino all MSC dell area dove si trova l utente 37

38 Mobile Switching Centre (MSC) Il MSC è dunque il nodo principale responsabile delle funzioni di segnalazione (che vedremo più in dettaglio in seguito) Il MSC gestisce le funzioni di CM (Connection Management) originating call, terminating call, gateway MM (Mobility Management) location updating, periodic registration, authetication, ecc. implementa protocolli di colloquio con altri elementi di rete: DTAP (Direct Tranfer Application Part) per il colloquio diretto con le MS BSSMAP (BSS Management Application Part) per il colloquio con i BSC MAP (Mobile Application Part) per il colloquio con gli altri elementi di rete (MSC, VLR, HLR, EIR, AuC) 38

39 Home Location Register (HLR) È un data base permanente associato in modo univoco a un GMSC Memorizza le informazioni relative a tutti gli MS la cui localizzazione di default è presso il GMSC considerato HLR memorizza informazioni permanenti come l IMSI (International Mobile Subscriber Identity), il numero di telefono della SIM associata (che NON sono la stessa cosa) e la sua chiave di autenticazione, i servizi supplementari a cui l utente è abilitato, ecc. HLR memorizza anche informazioni temporanee come l indirizzo del VLR presso cui può essere reperito l utente, parametri transitori per identificazione e crittografia, un eventuale numero di telefono per l inoltro delle chiamate, ecc. HLR 39

40 Home Location Register (HLR) Compiti principali: HLR Gestione della localizzazione, ovvero memorizzare il VLR number di ogni utente registrato invio delle informazioni di routing (MSRN) al GMSC Registrazione, cancellazione e attivazione/disattivazione servizi supplementari memorizzazzione e fornitura ai VLR dei parametri di autenticazione e cifratura gestione dei dati d utente 40

41 Visitor Location Register (VLR) VLR È un data base temporaneo che contiene i dati importanti per il servizio degli MS attualmente sotto la giurisdizione del (G)MSC cui il VLR è associato. In VLR vengono duplicati tutti i dati permanenti di un utente, con la differenza che l IMSI viene mappato su un TMSI (Temporary Mobile Subscriber Identity) per evitare di trasmettere l IMSI via radio e proteggere l utente da intrusioni Hi-Tech. Il TMSI viene modificato frequentemente ed è legato anche alla posizione del mobile (identificativo di cella) VLR gioca un ruolo fondamentale nella gestione delle chiamate che provengono dagli MS 41

42 Autenticazione: Procedure di sicurezza ha il compito di verificare l identità dell utente e proteggere da utilizzi fraudolenti degli identificativi Cifratura: ha il compito di rendere non facilmente decodificabile il flusso dati da e verso la MS da parte di intrusi In GSM le procedure di autenticazione e cifratura sono strettamente collegate nella prima fase di gestione delle chiavi segrete 42

43 Procedure di sicurezza Elementi delle procedure: K i chiave di autenticazione dell utente di 128 bit memorizzata nell AuC e nella SIM RAND numero casuale di 128 bit generato dall AuC e poi inviato all MSC A3 algoritmo di autenticazione memorizzato nell AuC e nella SIM A8 algoritmo che determina la chiave di cifratura K c, memorizzato nell AuC e nella SIM Risultati delle procedure: K c chiave di cifratura SRES risultato dell algoritmo di autenticazione Triplette (RAND, SRES, K c ) c ) sono sono generate in in sequenza per per ogni ogni IMSI e memorizzate nell HLR 43

44 Autenticazione: Procedure di sicurezza MS Rete K i A3 RAND K i A3 RAND Gen. num. causali SRES(ms) SRES(rete) Si uguali? No Accesso consentito Accesso negato 44

45 Procedure di sicurezza Cifratura: MS Rete K i RAND K i RAND Gen. num. causali A8 A8 A5 K c informazioni cifrate A5 K c 45

46 Procedure di sicurezza: ruolo degli elementi di rete Autentication Centre (AuC) AuC memorizza in modo sicuro le chiavi segrete K i di ciascun utente genera i numeri casuali e calcola gli SRES e la chiave di crittazione K c Fornisce le triplette agli altri elementi di rete richiesta (TMSI) MSC/VLR IMSI IMSI MS RAND SRES VLR triplette HLR triplette RAND, SRES, K i AuC 46

47 Procedure di sicurezza: ruolo degli elementi di rete Ruolo del BSS nella cifratura: MS K i richiesta RAND MSC/VLR K c A8 SRES BSS K c VLR A5 informazioni cifrate A5 informazioni in chiaro 47

48 Procedure di sicurezza: allocazione del TMSI Ogni comunicazione è iniziata dalla MS che invia il proprio identificativo (IMSI) per farsi riconoscere prima che venga attivata la procedura di autenticazione Per evitare che il IMSI venga intercettato sull interfaccia radio e ne possa essere fatto un uso fraudolento il VLR alloca ad ogni MS un TMSI (Temporary Mobile Subscriber Identity) L IMSI viene usato dalla MS solo quando non ha ancora un TMSI Ad ogni location update il VLR può allocare un nuovo TMSI al mobile che nelle comunicazioni successive adotterà il TMSI invece del IMSI 48

49 IMSI È il numero di identificazione di uso interno alla rete È composto da 3 campi: MCC: Mobile Country Code (3 cifre) MNC: Mobile Network Code, che identifica l operatore che fornisce il servizio (2 cifre) MSIC: Mobile Subscriber Identification Number, che identifica la SIM (fino a 10 cifre) Ad esempio il numero , identifica una SIM italiana (222) del gestore TIM (01) Il numero di telefono dell apparato in questione (MSISDN) è completamente indipendente dall IMSI; le cifre corrispondenti al prefisso (ad es o 0347) identificano l HLR e quindi il GMSC cui l apparato è legato 49

50 Equipment Identity Register (EIR) EIR È una base dati il cui uso è a discrezione dell operatore Contiene l identificativo e le caratteristiche di tutti gli apparati GSM prodotti, insieme al produttore, al paese di fabbricazione, etc. Può essere usato per proteggere la rete dall uso di apparecchiature rubate o non a norma MS richiesta connessione MSC/VLR richiesta IMEI invio IMEI controllo IMEI risposta EIR 50

51 Operation and Maintenance Subsystem (OMSS) OMSS È la sede di tutte le operazioni di gestione (tecnica e amministrativa) della rete Effettua la tariffazione, controlla il traffico in rete, gestisce i messaggi di errore provenienti dalla rete, controlla e memorizza il carico delle singole BTS e BSC per operazioni di pianificazione (eventualmente dinamica) Consente di configurare le singole BTS tramite le BSC e di controllare il funzionamento (corretto o meno) di tutte le apparecchiature periferiche della rete (cioè in pratica di tutti gli elementi descritti fino ad ora) 51

52 Operation and Maintenance Subsystem (OMSS) È basato su una struttura gerarchica OMSS OMC (Operation & Maintenence Centre) regionali NMC (Network Management Centre) NMC HLR OMC OMC HLR EIR MSC MSC EIR BSC BSC BSC BSC 52

53 Politecnico di Milano Facoltà di Ingegneria dell Informazione 7.3 Interfaccia Radio Reti Radiomobili

54 Interfaccia radio si si veda O. O. Bertazioli, L. L. Favalli, GSM-GPRS, Hoepli Informatica 2002 Capitolo 6 54

55 Interfaccia Radio FDD (Frequency Division Duplexing) 45 MHz di separazione uplink/downlink uplink downlink 200 khz TDM Frame ms f BTS Transmits f down slot offset uplink/downlink MS Transmits f up Time slot = 577 μs 55

56 Modulazione: Interfaccia radio MGSK (Minimum Gaussian Shifk Keying) modulazione a fase continua e forma d impulso gaussiana (con piccola interferenza intersimbolica) Codifica di canale: Convoluzionale a differenti rate per i diversi tipi di servizio Equalizzazione: Sono trasmessi delle sequenze di bit note in ogni blocco fisico In ricezione si usa la sequenza nota per stimare il canale e sintetizzare il filtro di equalizzazione Codifica della voce: 13 kbit/s (codificatore RPE - full rate) 12.2 kbit/s (codificatore di tipo CELP - enhanced full rate) 56

57 Trasmissione e ricezione Voce Codifica di sorgente 13 kb/s 22.8 kb/s Codifica di canale 22.8 kb/s Modulatore Temporizzatore GMSK 32 kb/s Controllo Decoder vocale Decoder canale Equalizzatore Convertitore A/D Demodulatore Dai 13 kbit/s del codificatore vocale si passa ai 32 kbit/s del canale radio 57

58 Frequency Hopping L effetto del fading da multipath dipende anche dalla frequenza del segnale Ci possono essere portanti con bassa attenuazione e portanti con alta attenuazione Essendo la trasmissione protetta da codici FEC è meglio che gli errori dovuti a qualche portante fortemente attenuata siano distribuiti su più flussi informativi Si adotta un meccanismo di salto di frequenza che cambia la frequenza ogni slot secondo una sequenza fissa f 58

59 Power Control La potenza di emissione delle MS è controllata dalla BTS La BTS invia dei comandi di power control che richiedono alla MS di alzare o abbassare la potenza trasmissiva Lo step di incremento/decremento è di 2 db L obiettivo del controllo è di portare la potenza ricevuta dalla BTS ad un livello prefissato Il power control riduce l interferenza media nel sistema riducendo la potenza delle MS con piccola attenuazione di canale (vicine alla BTS) Il power control riduce anche il consumo di energia delle MS 59

60 Sincronismo di portante Sincronismo nel GSM ogni MS deve recuperare con precisione la frequenza della portante radio Sincronismo di slot Ogni MS deve avere informazioni sullo slot corrente Sincronismo di trama Ogni MS deve conoscere il Frame Number corrente Sincronismo tra stazioni base (opzionale) Le stazioni base hanno orologi sincroni Le stazioni base hanno lo stesso Frame Number 60

61 Sincronismo di portante La frequenza della portante radio viene recuperata dalla MS ascoltando il canale broadcast comune trasmesso dalla BTS Su tale canale, ad intervalli regolari, viene trasmesso uno slot speciale con bit fissi che sono usati per recuperare con precisione l informazione sulla frequenza della portante e quindi aggiustare la frequenza dell oscillatore locale 61

62 Sincronismo di slot e trama Molti canali nel GSM seguono una struttura a multitrama (ad esempio: il canale di broadcast è trasmesso ogni x trame) La sequenza di Frequency Hopping dipende dalla multitrama Ogni MS deve quindi conoscere il numero di trama corrente per interpretare correttamente l informazione La stazione base BTS trasmette sul canale di broadcast informazioni che permettono alle MS di ricostruire la scansione temporale di slot e il Frame Number 62

63 Sincronismo di slot Le trasmissioni up/down link subiscono ritardi di propagazione dipendenti dalla posizione delle MS Necessità di avere in ogni slot una parte di bit non significativi per garantirsi un certo margine sull errore riferimento temporale 2τ tempo di propagazione τ = dv d - distanza v - velocità della luce 63

64 Sincronismo di slot In genere si effettua una scelta conservativa per cui il tempo di guardia è: Tg = max(2 i τ i ) 64

65 Sincronismo di slot La rete GSM è progettata per avere celle con R max =35 Km Nella situazione peggiore (ai bordi) si ha un tempo di guardia di 2τ = 2 x 35 / 3 x 10 8 = 233 μs che corrisponde a 68,25 bit alla velocità di kb/s 65

66 Sincronismo di slot: Timing Advance Per limitare il tempo di guardia: la BTS stima il ritardo e invia l informazione alla MS che può quindi compensare anticipando la trasmissione usato nel GSM: si anticipa la trasmissione all allontanarsi dalla base (timing advance, riduce il tempo di guardia a circa 8.25 bit, pari a 33,3 μsec) 2) stima ritardo 4) trasmissioni successive 1) prima trasmissione 3) invio stima ritardo 66

67 Blocchi fisici o Burst Il blocco fisico è l informazione trasmessa in uno slot a causa del meccanismo TDMA ciascun blocco è una unità trasmissiva autonoma che deve seguire un appropriato profilo di potenza per evitare di interferire con gli slot vicini db μs 67

68 Classificazione dei Bursts Normal Burst è usato per la trasmissione di informazione d utente (voce o dati) nei canali di traffico Access Burst usato per trasmettere le informazioni sul canale di accesso casuale (Random Access CHannel - RACH) è usato nel primo accesso alla rete lunghi periodi di guardia per permettere alla BTS di calcolare la distanza dalla MS e di fornire alla MS informazioni per la procedura di timing advance 68

69 Classificazione dei Bursts Frequency Correction Burst usato sul canale di sincronizzazione (Frequency Correction Channel - FCCH) 142 bits sono posti a 1 Synchronisation Burst usato per trasmettere informazioni di sincronizzazione di slot e trama Dummy Burst non contiene informazione ma solo bit di riempimento usato negli altri slot della frequenza principale di sistema quando non ci sono canali di traffico attivi per mantenere alto il livello di potenza 69

70 Normal Burst 148 bit = µs T 3 Coded bits 57 S 1 Training Sequence 26 S 1 Coded bits 57 T 3 Guard Period 8.25 T-bits: posti sempre a 0, usati come tempi di guardia e per l inizializzazione del demodulatore S-bits: (stealing bits) segnalano se il burst contiene dati utente o di segnalazione Coded Data: bit di utente (voce, dati etc.), 114 bit dopo la codifica di canale, che corrispondono a 13 kbit/s netti per la voce, a 9.6 kbit/s o meno per i dati (codifica di canale più ridondante) Training Sequence: bit di controllo usati per la equalizzazione e per l aggancio dei trasmettitori GP: periodo di guardia per consentire l accensione e lo spegnimento dei trasmettitori 577 μs 70

71 Access Burst T 8 Synchronisation 41 Coded bits 36 T 3 Guard Period E usato dalla MS sul canale di accesso casuale nella prima trasmissione verso la BTS prima di essere registrato E dunque usato in modo asincrono senza il controllo del timing advance Contiene bits 8tailing bits 41 synchronisation sequence 36 coded bits 3tailing bits bits come periodo di guardia 577 μs 71

72 Frequency Correction Burst T 3 Fixed bit sequences 142 T 3 Guard Period μs Comprende bits 2 x 3 tail control bits 142 fixed bit sequences sono tutti 0 rappresentano un riferimento costante in frequenza in rapporto fisso con quello della portante 8,25 bits di guardia 72

73 Synchronisation Burst T 3 Coded bits 39 Training sequence 64 Coded bits 39 T 3 Guard Period μs Comprende bits 2 x 3 tail control bits 2 x 39 coded bits 25 bit di informazione codificati diventano 78 bit divisi in due pezzi da 39 bit 64 bit di training sequence 8.25 bit di periodo di guardia 73

74 Dummy Burst T 3 Pseudo-random sequence 142 T 3 Guard Period μs E usato sulla portante del canale di controllo comune quando non ci sono altre informazioni o canali di traffico da trasmettere per assicurare che il livello medio di potenza misurato sia sufficiente per consentire un aggancio veloce delle MS Contiene bits 2 x 3 tail control bits 142 pseudo-random sequence 8.25 bits di periodo di guardia 74

75 I canali Logici Identificano univocamente il tipo di informazione che trasportano: Segnalazione (info di sincronizzazione..) Traffico dati Sono divisi in canali di traffico e canali di controllo canali comuni e canali dedicati 75

76 Canali Logici LOGICAL CHANNELS COMMON CHANNELS DEDICATED CHANNELS Broadcast CONTROL CHANNELS Common CONTROL CHANNELS Dedicated CONTROL CHANNELS TRAFFIC CHANNELS FCCH SCH BCCH PCH RACH AGCH SDCCH SACCH FACCH TCH/F TCH/H FCCH=Frequency Correction CHannel SCH=Synchronisation Channel BCCH=Broadcast Control CHannel PCH=Paging CHannel RACH=Random Access CHannel AGCH=Access Grant CHannel TCH/E SDCCH=Stand-alone Dedicated Control CHannel SACCH=Slow Associated Control CHannel FACCH=Fast Associated Control CHannel TCH/F=Traffic CHannel Full rate TCH/H=Traffic CHannel Half rate TCH/E=Traffic CHannel Enhanced Full rate 76

77 I canali di traffico (Traffic Channels-TCH) Canali che trasportano la voce ed eventuali dati Si distinguono in: Full Rate channels: velocità lorda di 22,8 Kb/sec Half Rate channels: velocità lorda di 11,4 Kb/s Full Rate Half Rate trama 1 trama 2 Tf Tf ThTh slot Tf ThTh t t 77

78 I canali di controllo (Control Channels-CCH) CCH) Usati per trasportare segnalazione di vario tipo (esistono 14 tipi di canali di controllo!!) Tre grandi categorie di CCH Broadcast Channels (BCH): informazioni di interesse generale sulla tratta downlink Common Control Channels (CCCH): informazioni relative ad una connessione in fase preliminare (condivisi tra + connessioni) Dedicated Control Channels (DCCH): informazioni di segnalazione specifiche di una connessione Broadcast CONTROL CHANNELS Common CONTROL CHANNELS Dedicated CONTROL CHANNELS FCCH SCH BCCH PCH RACH AGCH SDCCH SACCH FACCH 78

79 Broadcast CONTROL CHANNELS Canali Broadcast (Broadcast Channels - BCH) FCCH (Frequency Correction Channel): canale downlink usato per correggere la frequenza alla MS, 148 bit senza codice. SCH (Synchronization Channel): trasporta l identificativo della BTS (BSIC) e un indicazione del numero di trama (FN), 25 bit + ridondanza per codifica di canele. BCCH (Broadcast Control Channel): trasporta informazioni generali, 184 byte codificati. 79

80 Broadcast CONTROL CHANNELS BCCH (Broadcast( Control Channel) Numero di canali di controllo comune allocati (2 bit) 1 bit per indicare se i canali di controllo comune sono associati a canali dedicati Numero di blocchi riservati al AGCH (3 bit) Distanza di messaggi di page successivi verso una MS (3 bit) Parametri relativi al Frequency Hopping 80

81 Common CONTROL CHANNELS Canali di Controllo Comuni (Common Control Channels - CCCH) PCH (Paging Channel): downlink usato dalla BTS per notificare ad una MS una chiamata entrante, trasmesso in broadcast su una LA RACH (Random Access Channel): uplink utilizzato dalla MS per richiedere l accesso alla rete (Location Update, richiesta di chiamata). E soggetto a collisioni. AGCH (Access Grant Channel): downlink per risposte a richieste su RACH 81

82 Dedicated CONTROL CHANNELS Canali di Controllo Dedicati (Dedicated Control Channels DCCH) SACCH (Slow Associated Control Channel): scambio di misure relative ad una connessione tra MS/BS e BS/MS (Potenza seganale ricevuto, qualità.). Multiplato con il traffico d utente (184 bit in 20 msec di misurazioni) FACCH (Fast Associated Control Channel): usato per segnalazione veloce (richiesta di handover rapido). Sostituisce il traffico d utente SDCCH (Stand-alone Dedicated Channel): canale di segnalazione assegnato in seguito a richiesta su RACH (identificazione, autenticazione, call setup ) 82

83 Dedicated CONTROL CHANNELS Slow Associated Control Channel (SACCH) In downlink: comandi per il controllo di potenza le informazioni dl BCCH (che non possono più essere decodificate dalla MS assestata sul canale di traffico In uplink: misurazioni della MS: RXLEV-SERVING-CELL (livello di potenza ricevuta dalla propria BTS) RXQUAL-SERVING-CELL (BER misurata sul flusso downlink) RXLEV-NCELL N (livello di potenza ricevuta dalle celle adiacenti) In downlink: BCCH-FREQ-NCELL N (# portante BCCH delle adiacenti) BSIC-NCELL N (BSIC delle adiacenti) 83

84 Uso dei canali per set up di un canale di traffico Mobile BS BCCH RACH AGCH SDCCH TCH + SACCH messaggi relativi alla cella, ai canali paging, chiamata richiesta di accesso assegnazione SDCCH segnalazione traffico + assegnazione TCH 84

85 Accesso multiplo casuale (RACH) L accesso multiplo al canale RACH è casuale (non coordinato con le altre stazioni mobili) Quindi si possono verificare collisioni in trasmissione La corretta ricezione del messaggio di accesso viene riconosciuta dalla risposta della BS sul canale AGCH Nel messaggio sul RACH viene inserito un identificativo temporaneo (sequenza pseudo-casuale) che poi viene riportata nel messaggio sul canale AGCH Il meccanismo di gestione del RACH è di fatto di tipo Slotted-ALOHA 85

86 Mappaggio dei canali logici in quelli fisici La segnalazione necessità di un bit rate di trasmissione più basso rispetto all informazione d utente (Sarebbe uno spreco di risorse assegnare a segnalazione 1 SLOT per trama) La velocità effettiva di trasmissione può venir ridotta col meccanismo della multitrama IDEA: gli slot assumono un identità, e possono venire assegnati su un periodo di più trame, appunto la multitrama trama 1 trama multitrama 86

87 Esempio di gestione Multitrama: : SACCH Un burst dati normale trasporta 114 bit di dati 148 bit = µs T 3 Coded bits 57 S 1 Training Sequence 26 S 1 Coded bits 57 T 3 Guard Period μs un canale che utilizzi uno slot per trama ha dunque una velocità di 114 [bit]/4.6 [ms]=24.7 Kb/s la velocità della voce codificata è invece di 22,8 Kb/s avanzano 1,9 Kb/s equivalenti 1 SLOT ogni 13 trame. SACCH: 1 SLOT ogni 26 trame per una velocità di 950 bit/sec. 87

88 Canali di segnalazione SACCH T T T T T T T T T T T T A T T T T T T T T T T T T - Negli slot assegnati al canali di traffico (T) si ricava lo Slow Associated Control Channel (SACCH) (A) usato per convogliare misure e comandi si utilizza una supertrama di 26 trame (120 ms) 88

89 89 Multitrama Multitrama TCH full duplex TCH full duplex Nota su come si legge il diagramma temporale: è la sequenza di slot di uno stesso canale di traffico, ovvero di uno slot di una trama Downlink, Uplink T C H / F R S A C C H 577 μs 4,615 ms Normal burst Normal burst Normal burst Normal burst Normal burst Normal burst Normal burst Normal burst T C H / F R T C H / F R T C H / F R T C H / F R T C H / F R T C H / F R T C H / F R T C H / F R T C H / F R T C H / F R T C H / F R T C H / F R T C H / F R T C H / F R T C H / F R T C H / F R T C H / F R T C H / F R T C H / F R T C H / F R T C H / F R T C H / F R T C H / F R I D L E

90 Canali di segnalazione comune Un particolare slot (slot 0) su una particolare portante (frequenza 0) viene usato per ricavare uno o più canali in modalità supertrama da 51 trame ( ms) trama 0 trama 2 trama supertrama 90

91 Canali di segnalazione comune nella direzione downlink vengono ricavati i canali per sincronizzazione di frequenza (FCH) sincronizzazione di bit (SCH) Broadcast Control Channel (BCCH) Common Control Channel 0 50 trama. F S B C F S B C F S B C - in uplink servono per il Random Access Channel (RACH) R R R R R R R R R R R R R R R R R R R R R R R R R R R R R R 91

92 Canale di segnalazione SDCCH Un altro slot viene utilizzato per ricavare 8 canali Stand-Alone Dedicated Control Channel (SDCCH) (S) usati per il setup e altri messaggi (SMS) gli 8 canali sono ricavati con 3 slot ciascuno all interno della supertrama di 26 slot S S S S S S S S S S S S A S S S S S S S S S S S S - 92

93 Codifica di canale: canale vocale 13 Kb/s Il codificatore a 13 Kb/s considera segmenti di parlato di 20 ms Ogni 20 ms il codificatore procure 260 bit che vengono divisi in 3 gruppi (classe 1a 50 bit, classe 1b bit, classe 2 78 bit) a cui vengono applicate differenti codifiche Classe 1a 50 bit Classe 1b 132 bit codice ciclico (53, 50) Classe 2 78 bit Classe 1a 53 bit Classe 1b 132 bit Tail 4 bit Classe 2 78 bit codice convoluzionale 1/2 Classe 1a + Classe 1b 378 bit Classe 2 78 bit 456 bit 456 bit in 20 ms equivale ad un rate di 22.8 Kb/s 93

94 Codifica di canale: canale vocale 13 Kb/s Segmento di 20 ms di voce codificata 456 bit frammento 1 frammento 2 frammento 3 frammento bit 114 bit 114 bit 114 bit T 3 Coded bits 57 4 Normal Burst trasmessi in 4 trame ovvero in 4.6*4 = 18.4 ms ma uno slot ogni 13 è di segnalazione e quindi in media 18.4*13/12=20 ms S 1 Training Sequence 26 S 1 Normal Burst Coded bits 57 T 3 94

95 Codifica di canale: canale vocale 13 Kb/s Interleaving In realtà i bit dei 4 blocchi fisici da 114 bit non sono sequenze contigue di bit in uscita dal processo di codifica I bit sono mescolati: B(i,1) B(i,2) B(i,3) B(i,4) B(i+1,1) B(i+1,2) B(i+1,3) B(i+1,4)... B(i+3,3) B(i+3,4) Interleaving B(i,1) B(i+1,1) B(i+2,1) B(i+3,1) B(i,2) B(i+1,2) B(i+2,2) B(i+3,2) B(i,4) B(i+1,4) B(i+2,4) B(i+3,4)... 95

96 Codifica di canale: canale dati a 9.6 Kb/s Ogni 5 ms viene generato un blocco di 48 bit a cui sono aggiunti 12 bit di overhead di protocollo di linea per un totale di 60 bit bit Anche il canale dati 60 bit 60 bit 60 bit 60 bit subisce interleaving e su un elevato 240 bit Tail numero di 4 bit blocchi (19) codice convoluzionale 1/2 488 bit puncturing di 32 bit 456 bit 96

97 Codifica di canale: canali di segnalazione SDCCH, BCCH, PCH, AGCH I canali generano blocchi informativi di 184 bit ogni 20 ms 184 bit codice FIRE (224, 184) 184 bit 40 bit codice convoluzionale 1/2 Tail 4 bit 456 bit 97