Reti Avanzate: Reti cellulari

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1 Reti Avanzate: Reti cellulari Un primo passo verso la comunicazione anywhere anytime Dott.ssa Chiara Petrioli Si ringraziano per il materiale fornito, da cui sono state tratte molte di queste slide il Prof. Antonio Capone, Politecnico di Milano (corso di retiradiomobili) e il Prof. Giuseppe Bianchi, Universita di Tor Vergata)

2 Riferimento per questo argomento usare come riferimento il il testo --O. O. Bertazioli, L. L. Favalli, GSM-GPRS, Hoepli Informatica

3 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 (successivamente rinominato Global System for Mobile communications). Questa iniziativa seguiva l esperienza di sistemi analogici incompatibili sviluppati nella varie parti d Europa. 3

4 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 4

5 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) 5

6 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 6

7 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 7

8 Cenni storici (6) : introduzione degli SMS : introduzione dei servizi a 1800 MHz e a 1900 Mhz (USA) 1996: standardizzazione dei codificatori enhanced sia full che half-rate 1997: terminali dual-band con codificatore enhanced 1998: 320 reti GSM in 118 nazioni con 135 milioni di utenti in tutto il mondo 1999: standard GPRS per la trasmissione a pacchetto e primi terminali WAP (Wireless Access Protocol) su circuito commutato 2000/01: introduzione dei servizi GPRS 8

9 Cenni storici (7) : GSM diventa la rete cellulare più diffusa al mondo, con quasi 80M utenti in Europa e 200M a livello mondiale (quasi 40M solo in Cina), una penetrazione non marginale anche in USA con quasi 10 operatori, che hanno una quota di mercato seconda solo a AMPS (Advanced Mobile Phone Syestem)/D-AMPS. Di fatto è diventato una 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 9

10 Predizioni sullo sviluppo del mercato radiomobile Who has a cellular phone? USA: Over 50% of US households Italy: from 2001, more wireless lines than wired World: from march 2002, 1 billion wireless cellular users Much faster than projections! August 2000: 372 GSM networks, 362M customers Revenues: global revenue from wireless portals predicted to grow from $700M to $42 billion by 2005 WLAN revenues predicted at $785M by 2004 Forecasting a 59 percent growth rate for wireless usage in rural areas between 2000 and

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12 GSM - Caratteristiche generali Sistema digitale di 2 a Generazione (2G) accesso multiplo di tipo multicarrier TDMA (8 slot per portante) 1 canale FDMA=200KHz Codificatore full rate a 13Kbps, codifica half rate a 6.5Kbps 992 canali full rate a 900Mhz, 2992 full rate per il DCS 1800Mhz riuso di frequenze Controllo di potenza, trasmissione discontinua Equalizzazione adattativa servizi telefonia con numerosi servizi supplementari dati a circuito (a singolo canale o a canale multiplo) dati a pacchetto (GPRS General Packet Radio Service) 12

13 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 13

14 Vantaggi dei sistemi di comunicazione digitali Maggiore immunità al rumore Possibile mantenere un alto livello di qualita anche in ambienti molto disturbati Tecniche di rilevazione e correzione degli errori Possibilità di monitorare le condizioni del canale trasmissivo e di prendere adeguate contromisure nel caso di degrado del canale facile misurare parametri quali il BER, ritardi relativi di propagazione, livello del segnale ricevuto rispetto a quello trasmesso misure che ad esempio vengono usate per decidere handover possibile utilizzare equalizzazione adattativa per eliminare i problemi dovuti all interferenza intersimbolica Efficienza Possibile usare la mltiplazione TDM per aumentare il numero di canali disponibili Utilizzo di codifiche voce a basso data rate (13Kbps) Flessibilità Integrazione di più servizi (voce, dati, multi-party call) Sicurezza 14 Le informazioni non sono trasmesse in chiaro ma criptate

15 Frequenze assegnate GSM /900 DCS/1800 uplink downlink uplink downlink portanti portanti 374 portanti 374 portanti F[ MHz ] esteso uplink Because it requires esteso downlink distanza tra frequenze usate less power to tx a distanza tra frequenze usate per tx e rx 95 Mhz lower frequency at per tx e rx 45 Mhz distance (passod, diuplink duplice) In UK e USA si usano frequencies bande are intorno always a 1900 MHz anziché intorno the a 1800 lower MHz band, ( saving MSuplink, downlink). consumed power 15

16 Portanti radio Le portanti radio sono spaziate di 200 khz 200 khz f 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

17 Trama TDMA TDM Frame ms BTS Transmits f down 3 slot offset uplink/downlink 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 17

18 Qualche conto Codificatore vocale genera 260 bit ogni 20 ms 13 kbps Una volta aggiunta la codifica di canale si arriva a 456 bit ogni 20ms 22.8 Kbps Ogni portante ha un data rate pari a Kbps corrisponde ad una velocita lorda di 33.8Kbps per slot Una volta che si tolgono da questi 33.8Kbps i bit usati dall equalizzatore, per includere info sul tipo di pacchetto trasmesso, i tempi di guardia etc. si arriva ad una velocita per dati+ codifica di canale pari a 24.7Kbps 24.7Kbps 22.8 Kbps (effettivamente necessari) danno un avanzo di 1.9 Kbps per canale dati vedremo che tale avanzo non va sprecato uno slot ogni 13 trame usato per canale si segnalazione associato/dedicato al canale dati 1.9Kbps * 13=24.7Kbps 18

19 3.2 Architettura del sistema Reti Radiomobili

20 Architettura della rete Si Si veda: --O. O. Bertazioli, L. L. Favalli, GSM-GPRS, Hoepli Informatica

21 BTS=Base transceiver Station BSC= Base Station Controller Architettura della rete gestione della mobilita e controllo delle chiamate Um Radio Subsystem: MS+BS Subsystem Um Um Um BTS RS BTS BTS Abis Abis Abis BTS BSC BSC Abis BSC BSS Base Station Subsystem A A A VLR GMSC E MSC A BSC NSS HLR OMC VLR Network Switching Subsystem EIR AuC OMSS Authentication center Equipment identity register Rete telefonica fissa ISDN/PSTN Operation and Maintenence Subsystem Esercizio, manutenzione e amministrazione della rete funzioni relative all utilizzo delle risorse radio 21

22 BTS=Base transceiver Station BSC= Base Station Controller Architettura della rete gestione della mobilita e controllo delle chiamate Um Radio Subsystem: MS+BS Subsystem Um Um Um BTS RS BTS BTS Abis Abis Abis BTS BSC BSC Abis BSC Base Station Subsystem A VLR NSS HLR Network Switching Subsystem Authentication center Base station system: unita funzionali AuC che si occupano degli aspetti radio del sistema (copertura radio di una Equipment identity register EIR A o piu celle, comunicazione con le MS Rete telefonica che si GMSC trovano all interno delle celle) fissa ISDN/PSTN E A Radio di una cella (codifica OMC OMSS di canale, BTS apparati che consentono la copertura cifratura, modulazione) MSC Operation and BSC unita per il controllo Maintenence e la gestione Subsystem di A VLR una o piu BTS, interfaccia tra canali Esercizio, manutenzione e BSC BSS Radio e canali PCM amministrazione terrestri della rete funzioni relative all utilizzo delle risorse radio 22

23 Network Switching Subsystem Insieme delle unità funzionali (SW, Centrali di commutazione, DB) Che consentono di gestire la Mobilità degli utenti, di effettuare il BTS=Base transceiver Station BSC= Base Station Controller Um Controllo delle chiamate e di supportare I servizi offerti dalla rete MSC centrale Um di commutazione (controllo delle chiamate, BTSsupporto dei servizi Um offerti dalla Abis rete, BSC Abis Architettura della rete BSC internetworking, gestione della mobilita ) VLR-controlla Umle MS BTSpresenti nell area servita dall MSC associato (database con info su posizione, copia dei BSC dati utente) Abis HLR- database tramite BTS cui si Abis effettua la gestione degli utenti mobili dell operatore, conosce il VLR dell area in cui si trovano gli utenti dell operatore AUC-Authentication Centre BTS calcola BSS parametri per autenticazione Base estation Radio RS Cifratura Subsystem Subsystem: EIR-Equipment Identity Register MS+BS Subsystem A A A E MSC VLR A GMSC BSC NSS HLR OMC VLR gestione della mobilita e controllo delle chiamate Network Switching Subsystem EIR AuC OMSS Authentication center Equipment identity register Rete telefonica fissa ISDN/PSTN Operation and Maintenence Subsystem Esercizio, manutenzione e amministrazione della rete funzioni relative all utilizzo delle risorse radio 23

24 BTS=Base transceiver Station BSC= Base Station Controller Architettura della rete gestione della mobilita e controllo delle chiamate Um BSC Operation and maintenance subsystem VLR Insieme Umdi unita funzionali per BTS A la gestione, monitoraggio Um Abis e manutenzione Della rete GSM BSC Abis E composto da: A -OMC (operation Um BTS and Maintenance Centre) GMSC Controlla uno o più MSC, con i BSS ad esso BSC E Associati, nonchè Abis alcuni database A -NMC (Network BTSManagement Abis Center) MSC Centro di gestione di rete che fornisce Una visione d insieme della attività A Radio Subsystem: MS+BS Subsystem Di esercizione e manutenzione RS BTS BSS Base Station Subsystem BSC NSS HLR OMC VLR Network Switching Subsystem EIR AuC OMSS Authentication center Equipment identity register Rete telefonica fissa ISDN/PSTN Operation and Maintenence Subsystem Esercizio, manutenzione e amministrazione della rete funzioni relative all utilizzo delle risorse radio 24

25 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 25

26 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 Trasportabile (portable): 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.) Portatile (hand-held terminal): fino a 2 W all antenna, è il telefonino Mobile Termination Terminal Equipment Terminal Adapter 26

27 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 il terminale vero e proprio(hw, hw/sw per interfaccia radio, interfaccia con l utente finale). Identificato dal IMEI (International Mobile Equipment Identifier) SIM è la parte che attiva il terminale per un utente con tutte le informazioni necessarie: identifica l utente, permette la personalizzazione del terminale cellulari 27

28 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 il terminale vero e proprio(hw, hw/sw per interfaccia radio, interfaccia con l utente finale). Identificato dal IMEI (International Mobile Equipment Identifier) SIM è la parte che attiva il terminale per un utente con tutte le informazioni necessarie: identifica l utente, permette la personalizzazione del terminale cellulari Tutte le MS devono comunque essere in gradi di variare la potenza di emissione a passi di 2dB sotto comando della rete 28

29 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 il terminale vero e proprio(hw, hw/sw per interfaccia radio, interfaccia con l utente finale). Identificato dal IMEI (International Mobile Equipment Identifier) SIM è la parte che attiva il terminale per un utente con tutte le informazioni necessarie: identifica l utente, permette la personalizzazione del terminale cellulari 29

30 Informazioni memorizzate nella SIM card Serial number identifica univocamente la SIM card (e anche Il card holder) 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) Varia nel tempo 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 30

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32 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, misure di qualita del canale 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 (esempio cifratura, modulazione, codifica): 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. Esempi di funzionalita svolte dal BSC:reservation/release of radio channels, handover (intrabsc) etc... 32

33 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, multiplazione dei canali fisici, cifratura 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-handover, controllo di potenza del mobile) Deve irradiare nella cella in broadcast su un canale di controllo il messaggio di System Information con dati di sistema e parametri che servono all MS nell accesso alla rete (identita della cella, identita della Location Area, minimo livello di segnale ricevuto richiesto per poter accedere alla rete etc.); il BTS deve anche inviare messaggi di paging per individuare la posizione attuale di un utente. Si interfaccia al BSC (solo servizi a circuito) mediante canali PCM a 64 kbit/s Connette i canali PCM con quelli dell interfaccia radio (traffico e segnalazione) multipla le informazioni da trasmettere su una portante radio (8 canali in TDMA) 33

34 Struttura BTS La BTS (Base transceiver Station)è di solito funzionalmente divisa in TRX (Transceiver) elementi radio preposti alla ricezione e trasmissione di una singola portante radio (piu transceiver compongono la stessa BTS) BCF (Base Common Function) elemento di controllo del TRX che svolge le funzionalità comuni (sincronizzazione, calcolo dell algoritmo di frequency hopping) e di interfacciamento con il BSC 34

35 Schema BTS one TX antenna Modulazione, amplificazione di potenza Si interfaccia con il BSC Combiner TX. RX Signal Processing TRX Controller TRX A-bis Interface two RX antennas Codifica di canale,... equalizzazione Splitter TX. RX Signal Processing TRX Controller TRX PCM line or Radio system 2 Mb/s BCF Base common Function: Sincronizzazione Calcolo frequency hopping BSC 35

36 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 36

37 Transcoder Rate Adaptation Unit (TRAU) canali PCM (64 kbit/s) canali PCM (64 kbit/s) canali GSM (13 kbit/s) TRAU MSC BSC BTS 1 canale per circuito voce 4 circuiti voce per canale PCM 37

38 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 gestione della segnalazione (con MSC o BTS) 38

39 Parametri della qualita del link Livello di potenza sul canale di traffico (RXLEV) Qualita (BER) sul canale di traffico utilizzato per la connessione (RXQUAL) La MS inoltre monitora (e comunica) l RXLEV relativo al canale di controllo usato dalle n BTS circostanti La BTS monitora anche la distanza tra MS e BTS 39

40 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) 40

41 Network Switching Subsystem (NSS) Si tratta del sottosistema che si occupa della commutazione dei circuiti verso gli utenti mobili, gestendone anche la mobilita. 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 il quale contiene le chiavi e le procedure per l autenticazione di un utente mobile. L AuC calcola le chiavi. Equipmente Identity Register (EIR): 41 contiene gli IMEI di tutti gli apparati autorizzati al servizio

42 BTS=Base transceiver Station BSC= Base Station Controller Architettura della rete gestione della mobilita e controllo delle chiamate Um Radio Subsystem: MS+BS Subsystem Um Um Um BTS RS BTS BTS Abis Abis Abis BTS BSC BSC Abis BSC BSS Base Station Subsystem A A A VLR GMSC E MSC A BSC NSS HLR OMC VLR Network Switching Subsystem EIR AuC OMSS Authentication center Equipment identity register Rete telefonica fissa ISDN/PSTN Operation and Maintenence Subsystem Esercizio, manutenzione e amministrazione della rete funzioni relative all utilizzo delle risorse radio 42

43 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 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 43

44 Mobile Switching Centre (MSC) Il MSC è dunque il nodo principale responsabile delle funzioni di segnalazione (che vedremo più in dettaglio in seguito) Per le funzioni di CM (Connection Management) originating call, terminating call, gateway MM (Mobility Management) location updating, periodic registration, authentication, 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) 44

45 Connection management -esempio Originating call funzione che si occupa delle chiamate generate da una MS La BTS della cella della MS inoltra la richiesta all MSC/VLR tramite la BSC che la controlla Nell MSC/VLR viene attivata la sotto-funzione originating call. Si invia un messaggio al VLR per verificare che la MS abbia diritto alla richiesta Autenticazione (funzioni di Mobility Management) Viene quindi effettuata la cifratura dei dati Viene effettuato il set-up della chiamata e canali dati vengono allocati per il trasferimento dell info vera e propria 45

46 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 46

47 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, i servizi 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 47

48 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 48

49 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 49

50 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 50

51 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 51

52 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 52

53 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 Contenuto nella BTS 53

54 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 o IMSI) MSC/VLR IMSI IMSI MS RAND SRES VLR triplette HLR triplette RAND, SRES, K c AuC 54

55 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 55

56 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 56

57 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 57

58 Equipment Identity Register (EIR) EIR È una base dati il cui uso è a discrezione dell operatore Contiene l identificativo e le caratteristiche degli apparati GSM, 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 58

59 IMEI management Protection against stolen and malfunctioning terminals Equipment Identity Register (EIR): 1 DataBase for each operator; keeps: WHITE LIST: valid IMEIs Corresponding MEs may be used in the GSM network BLACK LIST: IMEIs of all MEs that must be barred from using the GSM network Exception: emergency calls (to a set of emergency numbers) Black list periodically exchanged among different operators GRAY LIST: IMEIs that correspond to MEs that can be used, but that, for some reason (malfunctioning, obsolete SW, evaluation terminals, etc), need to be tracked by the operator A call from a gray IMEI is reported to the operator personnel 59

60 Informazioni memorizzate nella rete GSM IMSI ( HLR,VLR) MSISDN ( HLR, VLR) TMSI ( VLR) categoria della MS ( HLR,VLR) RAND,SRES,Kc ( HLR, su richiesta VLR) Cyphering Key Sequence Number ( VLR) MSRN ( VLR, su richiesta dato all HLR) LAI ( VLR) VLR number ( HLR) HLR number ( VLR) subscription restrictions ( HLR) dati correlati con servizi base, supplementari ( HLR,VLR) IMSI detached flag ( VLR) Sbarramenti da operatore ( HLR, alcuni VLR) 60

61 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. 61

62 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) 62

63 Operation and Maintenance Subsystem (OMSS) È basato su una struttura gerarchica MSC OMSS OMC (Operation & Maintenence Centre) regionali NMC (Network Management Centre) Personalization Center for SIM PCS NMC (caricamento Lato utente e AuC Dati utenteimsi, Ki) OMC OMC HLR EIR MSC GSM Management Center (gestione dei guasti, delle Prestazioni, della configurazione) GSM Support Center (Account and Billing) HLR EIR BSC BSC BSC BSC 63

64 Billing nella rete GSM (cenni( cenni) Regole di Billing: il chiamante paga. Chi riceve nel caso di roaming puo pagare per la tratta internazionale. Originating call component: dall MS al GSMC (paga il chiamante) Roaming o call forwarding: tratta da GSMC a MSC dove si trova il chiamato, tra I due MSC (nel caso di call forwarding). Paga il chiamato che usufruisce del servizio Chi chiama fuori dalla propria PLMN puo pagare una maggiorazione per coprire i costi amministrativi del roaming internazionale 64

65 utilizzati scopo istradamento Numeri e ID in GSM Mobile Station ISDN Number (MSISDN) E il numero telefonico dell utente (<=15 cifre) Country Code - National Destination Code Subscriber Number Identifica HLR Mobile Station Roaming Number (MSRN) Assegnato dal VLR corrente;comunicato su richiesta all HLR; permette all HLR di far sapere al GMSC come prolungare la connessione fino alla posizione corrente dell MS Handover Number (comunicato dall MSC target all MSC initial in caso di inter-msc handover, consente di completare il collegamento verso l MSC target) 65

66 Identita associate ad una mobile station Numeri e ID in GSM International Mobile Subscriber Identity (IMSI) Memorizzato permanentemente nella SIM e HLR, temporaneamente nel VLR;identifica l utente che ha sottoscritto l abbonamento Mobile Country Code (3 cifre)--mobile Network Code(2) Mobile Subscriber Identification Number Temporary Mobile Subscrier Identity (TMSI) Identita temporanea assegnata da un VLR ad una MS per evitare di trasmettere l IMSI sulla tratta radio; 4 ottetti, struttura non standardizzata International Mobile Equipment Identity (IMEI) Identifica in modo univoco un apparato mobile (HW), memorizzato in HW dal costruttore. Contiene: TAC =Type Approval Code (6 cifre); FAC (Final Assembly Code), 2 cifre (luogo di costruzione/assemblaggio), SNR(Serial Number), 6 cifre 66

67 Correlate mobilita utenti Numeri e ID in GSM Location Area Identity (LAI) Identifica la location area all interno della quale si trova correntemente l MS.Memorizzato nel VLR. Contiene Mobile Country Code, Mobile Network Code (operatore), Location Area Code Cell Global Identity (CGI), identifica la cella (LAI+Cell Identity che identifica una cella all interno di una location area) Regional Subscription Zone Identity (RSZI) Serve nel caso di abbonamenti con accesso solo su base regionale in cui serve quindi poter identificare le regioni all interno delle quali e permesso all utente di fare roaming. Base Station Identity Code (BSIC) E un codice colore che permette all MS di distinguere tra BTS adiacenti.ogni BTS invia il proprio BSIC sul canale logico Synchronization channel su una portante predefinita. 67

68 3.3 Interfaccia Radio Reti Radiomobili

69 Interfaccia radio si si veda O. O. Bertazioli, L. L. Favalli, GSM-GPRS, Hoepli Informatica 2002 Capitolo 6 69

70 Interfaccia Radio FDD (Frequency Division Duplexing) 45 MHz di separazione uplink/downlink uplink downlink 200 khz TDM Frame ms f BTS Transmits f down 3 slot offset uplink/downlink MS Transmits f up Time slot = 577 μs 70

71 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 71

72 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 72

73 Sincronismo nel GSM Sincronismo di portante 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 73

74 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 74

75 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 75

76 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 76

77 Sincronismo di slot In genere si effettua una scelta conservativa per cui il tempo di guardia è: Tg = max(2 i τ i ) 77

78 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 78

79 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 9 bit, pari a 33,3 μsec) 2) stima ritardo 4) trasmissioni successive 1) prima trasmissione 3) invio stima ritardo 79

80 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 80

81 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 81

82 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 (dopo aggiunta di ridondanza per correzione degli errori) Half Rate channels: velocità lorda di 11,4 Kb/s Full Rate Half Rate Tf ThTh slot trama 1 trama 2 Tf Tf ThTh t t 82

83 Qualche conto Codificatore vocale genera 260 bit ogni 20 ms 13 kbps Una volta aggiunta la codifica di canale si arriva a 456 bit ogni 20ms 22.8 Kbps Ogni portante ha un data rate pari a Kbps corrisponde ad una velocita lorda di 33.8Kbps per slot Una volta che si tolgono da questi 33.8Kbps i bit usati dall equalizzatore, per includere info sul tipo di pacchetto trasmesso, i tempi di guardia etc. si arriva ad una velocita per dati+ codifica di canale pari a 24.7Kbps 24.7Kbps 22.8 Kbps (effettivamente necessari) danno un avanzo di 1.9 Kbps per canale dati vedremo che tale avanzo non va sprecato uno slot ogni 13 trame usato per canale si segnalazione associato/dedicato al canale dati 1.9Kbps * 13=24.7Kbps 83

84 Una curiosita. 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)... 84

85 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 85

86 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 (Base Station Identity Code,BSIC) e un indicazione del numero di trama (FN), 25 bit + ridondanza per codifica di canale. BCCH (Broadcast Control Channel): trasporta informazioni generali a tutti gli utenti serviti da una base station, 184 byte codificati (quali parametri dell algoritmo di frequency hopping, numero di canali di controllo comune allocati, numero di blocchi per canale AGCH, etc.). 86

87 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. 87

88 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 segnale 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 ) 88

89 Dedicated CONTROL CHANNELS Slow Associated Control Channel (SACCH) In downlink: comandi per il controllo di potenza le informazioni del 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) BCCH-FREQ-NCELL N (# portante BCCH delle celle adiacenti) BSIC-NCELL N (BSIC delle celle adiacenti) 89

90 Uso dei canali per set up di un canale di traffico Mobile BCCH BS Ci si aggancia alla BS con FCCH, SCH,BCCH messaggi relativi alla cella, ai canali paging, RACH AGCH SDCCH TCH + SACCH richiesta di accesso assegnazione SDCCH segnalazione traffico + assegnazione TCH 90

91 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 91

92 92

93 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 93

94 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. Questo tipo di trama usata da TCH, SACCH, FACCH, PCH, SDCCH,BCCH, AGCH normal burst 94

95 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) 95

96 96 Multitrama Multitrama TCH TCH half duplex half duplex Nota su come si legge il diagramma temporale: 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 S A C C H

97 Canali di segnalazione comune Un particolare slot (slot 0) su una particolare portante (C 0 o portante fondamentale) tra quelle associate alla cella viene usato per ricavare uno o più canali in modalità supertrama da 51 trame ( ms). Nella direzione downlink la portante fondamentale e sempre trasmessa ad una potenza maggiore delle altre, cosa che consente alle stazioni mobili non ancora agganciate di riconoscerla, sincronizzarsi sulla portante e ascoltare le info necessarie per agganciarsi alla cella. trama 0 trama 2 trama supertrama 97

98 98

99 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 (PCH, AGCH in downlink) 10 trame 0 50 trama. F S B C F S C C F S C 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 99

100 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 - 100

101 Why 26 and 51? Last frame (idle) in TCH multiframe (Frame #25) used as search frame! T T T T T T T T T T T T S T T T T T T T T T T T T - An active call transmits/receive in 25 frames, except the last one. - in this last frame, it can monitor the BCCH of this (and neighbor) cell - this particular numbering allows to scan all BCCH slots during a superframe 101

102 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 102

103 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 dato che non e stato ancora calcolato il timing advance, in modo da evitare sovrapposizioni temporali con il time slot successivo (calcolo basato su: max dim. Cella 35Km) 103

104 Classificazione dei Bursts Frequency Correction Burst usato sul canale di sincronizzazione (Frequency Correction Channel - FCCH) 142 bits sono posti a 0 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 104

105 Normal Burst 148 bit = µs T 3 Coded bits 57 S 1 Training Sequence 26 S 1 Coded bits 57 T 3 Guard Period μs T-bits: bit di coda posti sempre a 0 S-bits: (stealing bits) segnalano se il burst contiene dati utente o di segnalazione (canali SACCH o FACCH, anche solo uno dei due blocchi puo contenere segnalazione nel caso del FACCH) 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 105

106 Access Burst T 8 Synchronisation 41 Coded bits 36 T 3 Guard Period μs 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 Usato sul canale RACH per stimare timing advance 106

107 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 107

108 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 E informazione codificati diventano 78 bit Fondamentale, deve divisi in due pezzi da 39 bit essere ben protetta e 64 bit di training sequence ben decodificata 8.25 bit di periodo di guardia 108

109 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 Trasmesso sui canali PCH e AGCH quando non ci sono informazioni da trasmettere Contiene bits 2 x 3 tail control bits 142 pseudo-random sequence 8.25 bits di periodo di guardia 109

110 3.5 Procedure Reti Radiomobili

111 Procedure si si veda O. O. Bertazioli, L. L. Favalli, GSM-GPRS, Hoepli Informatica 2002 Capitolo

112 Esempi di procedure GSM Accensione della Mobile Station e prima registrazione Roaming e Location Updating Chiamata originata da utente mobile Chiamata terminata su utente mobile Handover Registrazione periodica Spegnimento della MS 112

113 Registrazione e Location Update 113

114 Accensione di una MS Procedure seguenti l accensione: Selezione di Cella (Cell Selection): la MS sceglie la BTS su cui attestarsi Registrazione (avviene sempre con una procedura di Location Update): la MS informa l MSC di competenza della sua presenza in quella Location Area 114

115 Cell Selection MS scandisce le portanti radio che sente le portanti scandite sono le c0 (su cui non si applica il frequency hopping) sono quelle dove viene trasmesso il BCCH tali portanti sono a potenza costante, maggiore della potenza usata per trasmettere le altre frequenze (se neccessario si usano i dummy burst per gli slot vuoti) e a queste portanti non viene applicato il frequency hopping MS si aggancia alla portante radio che riceve più forte Attraverso il canale FCCH la MS si allinea alla frequenza trasmessa dalla BTS Attraverso il canale SCH la MS si sincronizza con la BTS e ne riceve l ID (BSIC Base Station Identity Code), viene identificata la trama corrente A questi punto la MS può leggere il BCCH che contiene LAI (Location Area Identity) - Livello di potenza della MS CGI (Cell Global Identity) MCC (Mobile Country Code) MNC (Mobile Network Code) 115

116 Due casi: Registrazione LAI ricevuto coincide con quello memorizzato nella SIM (Cellulare spento e riacceso nella stessa LA). Chiamata ad una procedura di IMSI attach con cui la MS attiva il proprio IMSI memorizzato nel VLR corrente (significa che l utente era precedentemente registrato presso il VLR, quando di era disconnesso era stato settato un flag detached riconoscendo che l utente non era piu collagato non viene effettuato paging verso utenti detached). Nessun LAI memorizzato o LAI ricevuto diverso da quello memorizzato (Cellulare spento e riacceso in una LA diversa). Chiamata alla procedura di Location Update 116

117 Quando? Location Update (1) all accensione della MS (se necessario); registrazione periodica (e.g. 30 min, se non arriva location update periodica il VLR segna l utente come detached implicit detach); cambio di Location Area a seguito di spostamenti della MS (per roaming); Due casi di Location Update: Spostamento tra diverse LA ma facenti capo allo stesso MSC/VLR (caso più semplice) LA 1 LA 2 BTS 1 BTS 2 BSC BSC MSC VLR 117

118 Location Update (2) Roaming tra diverse LA facenti capo a diversi MSC/VLR LA 2 LA 1 BTS 2 BTS 1 BSC BSC 2 MSC VLR 1 MSC VLR 118

119 Location Update - Intra MSC Nel System Information Message diffuso sul canale BCCH e contenuta la location area identifier (LAI), agganciata la nuova cella quindi l MS si rende conto della necessita di un location update. Location Update Req +TMSI vecchio +LAI nuovo Location Update Req BSC MSC VLR Location Update Ack+TMSI nuovo BTS 2 Location Update Ack +TMSI nuovo IMSI Nuovo TMSI Nuovo LAC 119

120 Location Update - Intra MSC MS Messaggi CHAN REQ IMMEDIATE ASSIGNMENT LOC UPD REQ AUTH REQ AUTH RES CIPH MOD CMD CIPH MOD COMPLETE LOC UPD ACK + TMSI new Canali RACH AGCH SDCCH SDCCH SDCCH SDCCH SDCCH SDCCH Access burst Assegn. Di un SDCCH RETE TMSI Reallocation Complete TMSI REALL CMD CHAN REL SDCCH SDCCH 120

121 Location Update inter MSC HLR MSC (old) VLR MSC (new) VLR BTS (new) 121

122 Location Update inter MSC MS BSS MSC VLR new VLR old HLR 1. channel assignment 2. location update request (TMSI+LAI) 3. request subscriber identity (TMSI) 4. provide subscriber identity (IMSI) 5. request subscriber data 6. provide subscriber data 7. security procedures 8. HLR update 10. Location update 9. acknowledgement update 11. cancel old location 12. location cancelling accepted 122

123 Call Set Up 123

124 Chiamata originata da rete fissa PSTN PSTN GSM/DCS Instaurare una comunicazione su rete fissa è di per sé difficile Instaurare una comunicazione tra rete fissa e rete mobile richiede uno sforzo ancora maggiore 124

125 Call Set-up Step by Step (1) A L utente PSTN/ISDN compone il Mobile Subscriber International ISDN Number (MSISDN) del chiamato PSTN MSISDN MSISDN: = Country Code (Italy) 347 = National Destination code = Subscriber Number 125

126 Call Set-up Step by Step (2) B La rete PSTN/ISDN analizza il numero e contatta il GMSC della PLMN del chiamato grazie al National Destination Code (NDC) C GMSC riceve attraverso SS7 un messaggio con l MSISDN composto GSM Network HLR PSTN VLR MSISDN GMSC 126

127 Call Set-up Step by Step (3) D Il GMSC risale all indirizzo dell HLR dove sono memorizzati i dati del chiamato (il GMSC non conosce la posizione della MS!!) E Il GMSC manda all HLR un messaggio di send routing information F L HLR analizza il messaggio e identifica l indirizzo del VLR dove la MS chiamata è attualmente registrata PSTN GSM Network VLR HLR MSISDN GMSC VLR MSC 127

128 Call Set-up Step by Step (4) G L HLR manda un messaggio di provide roaming number alla coppia MSC/VLR H L MSC/VLR alloca temporaneamente Mobile Station Roaming Number (MSRN) per la chiamata HLR Request Message VLR VLR GMSC MSC 128

129 Call Set-up Step by Step (5) I L MSC inoltra l MSRN all HLR J Il GMSC analizza l MSRN instrada la chiamata verso l MSC/VLR che presiede la LA dove si trova la MS HLR MSRN VLR VLR GMSC MSC 129

130 Call Set-up Step by Step (6) K L MSC/VLR attiva la procedura di paging identifica la LA dove si trova il mobile, grazie all IMSI ordina al BSC di iniziare il paging. Per tutte le BSC della location area. L BSC ordina alle BTS di diffondere su canale di paging (PCH) il messaggio di paging indirizzato alla MS (this message contains the TMSI assigned to the MS) M La MS risponde al messaggio di paging iniziando una procedura di accesso sul Random Access CHannel (RACH) per richiedere uno Stand alone Dedicated Control CHannel (SDCCH) 130

131 Call Set-up Step by Step (7) N L MSC/VLR attiva le procedure di autenticazione e cifratura P La rete assegna un canale di traffico (TCH) per la comunicazione Q MSC/VLR avverte il chiamante che il telefono chiamato sta squillando R Il chiamante è avvertito che il chiamato ha risposto S La connessione è stabilita 131

132 Summary of the Call Set-up Steps (1) Fixed Caller PSTN/ ISDN GMSC HLR MSC/VLR BSC+BTS Called MS Initial Address message Call Setup (MSISDN) Analyse Number Call Setup (MSISDN) MSISDN MSRN Call Setup (MSRN) Send routing info IMSI MSRN Provideroaming number Page Page resp. Ack. Page req. (PCH) Channel req. (RACH) Assign (AGCH). Page res. (SDCCH) Authenticat.,ciphering,TMSI reallocat. 132

133 Summary of the Call Set-up Steps (2) Fixed Caller PSTN/ ISDN GMSC HLR MSC/VLR BSC+BTS Called MS Connection Setup Connection Confirmation TCH Assign Command. TCH Assign Complete Ringing Connection established Ringing notice Unhook notice Alert Connect Connect ack. Squillo Avviso sgancio 133

134 MS compone il numero Chiamata originata da MS L MSC servente analizza i dati del chiamante e: autorizza o impedisce la chiamata attiva la procedura di instradamento Se il chiamante appartiene alla stessa rete GSM, viene iniziata una procedura di send routing info per ottenere l MSRN la procedura è simile a quella per chiamate originate da PSTN Se il chiamato non appartiene alla stessa rete del chiamante, la chiamata viene inoltrata al GMSC. 134

135 Summary of the Call Set-up Steps EXC GMSC HLR MSC/VLR BSS MS 1. channel assignment 2. Authenticat., ciphering,tmsi reallocat. 8.set up the call 3. call setup 4. check services etc. 5. all ok 6. call is proceeding 7. allocate TCH 9. call set up done 10. alert 11. if B answers the call will be connected 135

136 Summary of the Call Set-up Steps EXC GMSC HLR MSC/VLR BSS MS 1. CHANNEL ASSIGNMENT 1. channel assignment 2. Authenticat., ciphering,tmsi reallocat. MS BTS/BSC CHAN REQ BTS/BSC MS IMM ASSIGN 5. all ok (canale SDCCH assegnato) MS BTS/BSC MSC/VLR CM-SERV 8.set up REQ the calle ACK (Connection management 9. call set up done service request e ACK) 4. check services etc. (richiesta avvio di inizio connessione) 3. call setup 6. call is proceeding 7. allocate TCH 10. alert 11. if B answers the call will be connected 136

137 Summary of the Call Set-up Steps 2. Authentication, ciphering, TMSI allocation MSC/VLR BTS/BSC MS AUTH. REQUEST MS BTS/BSC MSC/VLR AUTH. RESPONSE MSC/VLR BTS/BSC MS CIPH. MODE CMD MS BTS/BSC MSC/VLR CIPH. MODE COM 8.set up the call MSC/VLR BTS/BSC MS TMSI REALLOC. CMD MS BTS/BSC MSC/VLR TMSI REALLOC. COM EXC GMSC HLR MSC/VLR BSS MS 9. call set up done 1. channel assignment 2. Authenticat., ciphering,tmsi reallocat. 4. check services etc. 5. all ok 3. call setup 6. call is proceeding 7. allocate TCH 10. alert 11. if B answers the call will be connected 137

138 Summary of the Call Set-up Steps EXC GMSC HLR MSC/VLR BSS MS 1. channel assignment 2. Authenticat., ciphering,tmsi reallocat. 8.set up the call 3. call setup (cifre chiamato) 4. check services etc. 5. all ok 6. call is proceeding 7. allocate TCH 9. call set up done 10. Alert (telefono chiamato squilla) 11. if B answers the call will be connected (CONN/CONN ACK) 138

139 Chiamata originata (1) BSC 3 MSC VLR 3 PSTN BTS 1-Accesso e allocazione di risorse per la segnalazione 2 -Autenticazione e cifratura,scambio dell identificativo del chiamato e allocazione del canale di traffico 3 -Instradamento della chiamata 139

140 Chiamata originata (2) Canali RACH CHAN REQ IMM ASSIGN Procedura di rete SDCCH assignment MS SDCCH SDCCH SDCCH SABM UA SET UP ASSIGNMENT CONNECT ACK Service Request Authentication Ciphering TCH/SACCH Assignment RETE TCH SACCH DISCONNECT RELEASE RELEASE COMPLETE TCH/SACCH Release 140

141 Handover 141

142 Handover e GSM In GSM la procedura di handover è decisa dalla rete, tuttavia la decisione viene presa essenzialmente in base a misure effettuate da MS Quando MS si connette ad una cella, il relativo BSC gli comunica un elenco di canali alternativi (BCCH di 6 celle adiacenti), su cui effettuare misure di potenza RF; Il risultato di queste misure viene trasmesso al BSC su canale SACCH ogni 480 msec Il BSC analizza le misurazioni dal mobile, le integra con le misure effettuate dalle BTS ed eventualmente decide l handover 142

143 Requisiti Handover La procedura richiede criteri per individuare la necessità di un handover procedure per commutare una comunicazione da un canale radio ad un altro Tutto questo deve essere invisibile all utente 143

144 Parametri di attivazione Misure lato MS Intensità del segnale ricevuto sulle portanti BCCH delle celle adiacenti (RXLEVNCELLn) Intensità di segnale ricevuto sul canale di traffico TCH attivo (RXLEV) Qualità del canale di traffico attivo TCH (RXQUAL) 144

145 Parametri di attivazione- Misure lato BTS Intensità segnale ricevuto dalla MS sul canale di traffico (RXLEV) Qualità del canale di traffico dalla MS (RXQUAL) Distanza dalla MS, utilizzando la tecnica di Timing Advance 145

146 Perché l Handover Qualità trasmissiva inadeguata (RXLEV e/o RXQUAL scendono sotto una certa soglia) Distanza MS/BTS sale sopra un limite massimo (informazione disponibile alla BS in base al timing advance) Motivi di traffico (cella troppo carica ) Esigenze di controllo e manutenzione 146

147 Tipi di Handover 4 tipi di Handover Intra Cell - Intra BSC Inter Cell - Intra BSC Inter Cell - Inter BSC sotto lo stesso MSC Inter MSC Gli handover devono essere effettuati in tempi molto Brevi (tempi tipici <=100 ms) 147

148 Intra Cell - Intra BSC Handover Air A BTS BSC TC Old radio channel New radio channel 148

149 Intra Cell - Intra BSC Handover Handover più semplice, deciso autonomamente dal BSC Cambiamento del canale di traffico (TCH) e in genere anche della frequenza all interno di una BTS Causato da: qualità insufficiente del canale TCH MENTRE il livello di ricezione e buono nessun altra BTS può garantire una qualità migliore 149

150 Inter Cell-Intra BSC Handover La procedura di handover è completamenmte controllata dal BSC il BSC identifica la migliore BTS e il migliore TCH per la MS, grazie alle informazioni che sono state raccolte il BSC instaura una connessione verso la nuova BTS e riserva il nuovo canale TCH il BSC ordina all MS di sintonizzarsi sul nuovo canale e la vecchia portante radio viene rilasciata (segnalazione su canale logico FACCH) l MS inizia ad inviare traffico sul nuovo canale la vecchia connessione è rilasciata il BSC informa l MSC/VLR dell avvenuto handover 150

151 Ulteriori Operazioni Dopo l handover la MS deve acquisire informazioni sulle nuove celle adiacenti attraverso lo Slow Associated Control CHannel (SACCH) Se l handover ha determinato un cambiamento di LA la MS deve richiedere una procedura di Location Update 151

152 Inter Cell - Inter BSC Handover Air New cell / BTS A BTS BSC TC MSC VLR BTS BSC TC Old cell / BTS 152

153 Inter Cell-Inter BSC Handover La procedura di handover è iniziata dal BSC il BSC identifica la migliore BTS e il migliore TCH per la MS il BSC corrente invia un messaggio all MSC/VLR perché la nuova BTS è controllata da un altro BCS l MSC instaura una connessione verso il nuovo BSC il nuovo BSC riserva un canale radio per la MS e la vecchia portante viene rilasciata il nuovo BSC ordina alla MS di sintonizzarsi sul nuovo canale radio (TCH) L MS inizia ad inviare traffico sul nuovo canale radio, dopo che l MSC ha commutato la connessione verso il nuovo BSC la vecchia connessione è rilasciata 153

154 Inter MSC Handover Air New cell / BTS A BTS BSC TC MSC VLR BTS BSC TC MSC VLR Old cell / BTS Handover più complesso perché coinvolge differenti MSC/VLR La chiamata è instradata dall MSC iniziale (Anchor) all MSC finale 154

155 Inter MSC Handover (1) La procedura è iniziata dal BSC il BSC corrente decide l handover verso una BTS controllata da un altro MSC/VLR il BSC corrente invia un comando di handover request all MSC/VLR iniziale l MSC/VLR iniziale invia una richiesta all MSC/VLR finale l MSC/VLR finale alloca un HandOver Number (HON) e lo trasmette all MSC/VLR iniziale 155

156 Inter MSC Handover (2) L MSC/VLR finale instaura una connessione verso il nuovo BSC il nuovo BSC riserva un canale di traffico per la MS L MSC/VLR initial invia sul FACCH tramite I vecchi BSC e BTS un comando di handover alla MS la MS si sintonizza sul nuovo canale la MS inizia ad inviare traffico sul nuovo canale la vecchia connessione viene rilasciata location update + la rete (HLR) viene informata sul nuovo MSC/VLR sotto cui si trova l utente 156

157 HandOver Number Stesso formato di MSRN e MSISDN HON = CC + NDC + SN CC = Country Code NDC = National Destination Code SN = Subscriber Number SN points to a database in case of MSISDN located in the HLR in case of HON and MSRN located in VLR HON contiene informazioni sufficienti per permettere al GMSC di instradare la chiamata verso l MSC destinazione 157

158 Spegnimento di una MS Allo spegnimento la MS invia alla rete un ultimo messaggio di IMSI detached Il messaggio arriva all MSC/VLR che marca come detached l utente fino ad una successiva riattivazione non verra piu effettuato paging verso l utente ma in caso di chiamate si segnalera automaticamente al chiamante che l utente non e raggiungibile 158

159 Orario 159