Sistemi di connessione wireless

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1 Capitolo 2 Sistemi di connessione wireless 2.1 Il sistema GSM Il Global System for Mobile Communication (GSM) è indubbiamente il sistema radio digitale per telefonia mobile che ha riscontrato il maggior successo [43]. La sua costante evoluzione e quella dei suoi derivati (DCS-1800 e PCS-1900) sono una delle chiavi dell impressionante crescita che ormai da 10 anni lo caratterizza. In questo paragrafo vedremo una descrizione del sistema GSM: partendo da qualche nozione storica vedremo i principali aspetti dei servizi forniti, le caratteristiche tecniche e l organizzazione della rete Introduzione Si può far coincidere la nascita delle comunicazioni mobili con l invenzione della modulazione FM da parte di E.H. Armstrong nel 1935 [34]. Negli anni 40 vennero creati i primi sistemi di telefonia mobile riservati, però, ad una stretta cerchia di enti, come polizia o vigili del fuoco, utilizzanti la tecnica FM. La svolta, però, si ebbe con l avvento dei sistemi cellulari: concepiti negli anni 40 vennero sperimentati negli anni 60 e introdotti in sistemi commerciali negli anni 80. L idea alla base di questi sistemi è quella di suddividere l area che deve essere coperta dal servizio in celle di dimensione limitata, in modo da permettere il riutilizzo delle frequenze [33]: ogni cella è coperta da una stazione radio che trasmette su un certo set di canali radio, differenti da quelli delle stazioni adiacenti. Nei sistemi non cellulari la trasmissione è di tipo broadcast (TV, radio,...): si utilizzano stazioni ad elevata potenza per coprire aree anche vaste, ma se il numero di utenti da servire è molto elevato ecco praticamente impedita la realizzazione a causa dell elevato numero di canali necessari. Generalmente si cerca di usare celle con forme regolari 42

2 CAPITOLO 2. SISTEMI DI CONNESSIONE WIRELESS 43 (si possono immaginare di forma esagonale), anche se in realtà la non omogenea propagazione del segnale radio (dovuta ad ostacoli) provoca distorsioni nella forma delle celle. Inoltre la dimensione della cella viene scelta in base a diversi criteri. Non può superare un certo valore a causa dei tempi di propagazione ed ai tempi di risposta del sistema utilizzato, ma non può neanche scendere troppo: mentre da un lato, infatti, si aumenterebbe la capacità del sistema (numero di utenti che possono essere serviti), dall altro diminuirebbe il riuso delle frequenze, ed inoltre sarebbe necessario gestire un numero maggiore di handover (cioè passaggi da una cella ad una adiacente; si veda ). I primi sistemi cellulari introdotti (in America prima ed in Europa poi) erano di tipo analogico: utilizzando una modulazione FM permettevano l uso di un canale ad un solo utente alla volta, non erano per nulla sicuri (l identificazione dell utente era effettuata tramite un numero di serie trasmesso dall apparato mobile che quindi non risultava difficile da clonare), e non erano adatti alla trasmissione di dati. I primi di questa famiglia di sistemi furono l AMPS (Advanced Mobile Phone Standard) nel 1979 in America seguito dall NMT (Nordic Mobile Telephone) nel 1981 prima in Svezia e poi in altri paesi. Successivamente in Inghilterra, nel 1985 venne introdotto il TACS (Total Access Communications System), a cui fece seguito l ETACS (Extended TACS). All inizio degli anni 80, ogni paese era caratterizzato da un proprio sistema e non esisteva possibilità di roaming internazionale, con conseguente limitazione del mercato della telefonia mobile [32]. Nel 1982 durante un congresso CEPT (Conférence Européenne des Postes et des Télélecommunications) venne istituito un gruppo di esperti con il compito di sviluppare un sistema comune ai paesi dell Europa Occidentale, con caratteristiche non banali come: Buona qualità della conversazione Basso costo per terminali e gestione risorse Possibilità di effettuare roaming internazionale Buona efficienza in banda Compatibilità con il sistema ISDN Dopo alcuni anni passati per decidere quale tecnica utilizzare, nel 1989 il compito passò all ETSI (European Telecommunication Standards Institute), e finalmente, nel 1990 venne pubblicata la prima parte delle specifiche del nuovo standard (PHASE

3 CAPITOLO 2. SISTEMI DI CONNESSIONE WIRELESS 44 1), che nel frattempo aveva assunto il nome attuale: Global System for Mobile Communications. A metà dell anno seguente iniziano i primi servizi commerciali basati sul GSM, che dopo pochi mesi (1993) conta già 36 reti in 22 paese. La grande innovazione del GSM fu quella dell introduzione del digitale, grazie alla crescente fiducia nei nuovi DSP dotati di potenze inimmaginabili sino a poco tempo prima. Le specifiche dettate dall ETSI danno luogo ad uno standard aperto, ma molto potente ed intelligente, che garantisce l interoperabilità tra sistemi di costruttori differenti grazie alle oltre 6000 pagine di standard in cui si descrivono le caratteristiche che devono avere le varie unità funzionali facenti parte dell archittetura GSM. Oggi, tramite l introduzione di nuovi servizi come il GPRS, stiamo vivendo la cosidetta PHASE 2+ cioè la fase intermedia tra la telefonia di seconda generazione (GSM) e quella di terza generazione (UMTS). Infine va ricordato che il GSM, anche se nato in Europa, è divenuto di gran lunga il sistema più utilizzato al mondo, così come le sue estensioni, cioè il DCS (in Europa) ed il PCS-1900 (in America), che lavorando a frequenze maggiori permettono di diminuire la dimensione di una cella ed aumentare il numero di utenti serviti GSM: Architettura del sistema Una generica rete GSM è costituita da molte entità funzionali, che però possono essere raggruppate in quattro gruppi fondamentali [32]: Mobile Station (MS): è il terminale mobile utilizzato dall abbonato. E formato dal telefono vero e proprio e dalla SIM card; Base Station SubSystem (BSS): Sottosistema che si occupa della gestione del link radio con il terminale. Al suo interno si distingue tra BTS (Base Transceivers Station) e BSC (Base Station Controller); Network SubSystem (NS): è il sottosistema con il compito di effettuare le commutazioni per mettere in contatto utenti mobili tra di loro, utenti fissi con quelli mobili e viceversa; il componente principale è l MSC (Mobile services Switching Center); Operation and Support Subsystem (OSS): sottosistema che soprintende al corretto funzionamento e al settaggio della rete. Nella figura 2.1 è possibile avere una visione d insieme di una tipica rete GSM. Le varie unità funzionali, così come i sottosistemi, comunicano tra di loro attraverso

4 CAPITOLO 2. SISTEMI DI CONNESSIONE WIRELESS 45 interfacce indicate anch esse nella figura 2.1, come per esempio Um che è l interfaccia tra l unità mobile e la stazione base. D ora in poi, per facilitare la stesura, useremo gli acronimi per individuare le parti della rete a cui si fa riferimento, e quindi l unità mobile diventerà MS, e così via. Figura 2.1: Architettura ed interfacce di un sistema GSM Mobile Station (MS) Come detto la MS rappresenta la stazione mobile, attraverso la quale l utente può accedere ai servizi GSM. E costituita da due parti: una smart-card detta SIM Card (Subscriber Identify Module) e da un terminale mobile (ME: Mobile Equipment). La prima è rimovibile dal terminale stesso e permette di identificare il propietario di un qualsiasi terminale GSM. Vediamo in dettaglio. SIM Card La SIM Card è sostanzialmente costituita da un piccolo processore, una ROM che contiene il sistema operativo e gli algoritmi, una RAM di piccole dimensioni per il temporaneo salvataggio di dati ed una E 2 PROM usata per memorizzare dati non

5 CAPITOLO 2. SISTEMI DI CONNESSIONE WIRELESS 46 volatili dell abbonato (come numeri di telefono o SMS oppure PIN). Le prestazioni e le possibilità offerte possono variare da carta a carta, anche se le funzionalità di base sono specificate dall ETSI [6]. Ogni SIM card contiene un codice utente chiamato IMSI (International Mobile Subscriber Identity), una chiave segreta Ki (Individual subscribers authentication key), un algoritmo di autenticazione (detto A3) ed uno di criptatura detto A8. Più in là verrà spiegato come questi dati risultino fondamentali per l utilizzo dei servizi GSM. Un problema che può affliggere le SIM è l utilizzo limitato della E 2 PROM. Il continuo leggere/scrivere, infatti, comporta un usura della memoria, e fino a qualche tempo fa, per esempio, si garantiva il corretto funzionamento per circa due anni (in media cicli scrittura/lettura). Ultimamente, però, tale limite è stato portato a circa cicli. La piedinatura della SIM è specificata anch essa nelle specifiche ETSI [6], ed è visibile nella figura 2.2 Figura 2.2: PIN-Out SIM CARD Mobile Equipment (ME) Il terminale mobile è identificato univocamente da un numero seriale chiamato IMEI (International Mobile Equipment Identify), di 15 cifre. In qualsiasi momento, come vedremo più in la nel capitolo, il gestore dei servizi GSM è in grado di stabilire se il numero IMEI corrisponde ad un terminale valido oppure ad uno non abilitato ad usufruire dei servizi (per esempio perchè rubato). Gli ME sono classificati in 5 classi in base al livello della loro potenza trasmissiva, che tra l altro possono variare, previo accordo con il BSC (vedere più in là GSM: Radio Link), tra 15 livelli Base Station SubSystem (BSS) Il sottosistema BSS è composto da due unità funzionali che si occupano della gestione del collegamento radio tra MS ed il resto della rete (figura 2.1): BTS (Base Transceiver Station) e BSC (Base Station Controller). L interfaccia utente-bts è

6 CAPITOLO 2. SISTEMI DI CONNESSIONE WIRELESS 47 chiamata Um, di cui abbiamo già detto qualcosa in precedenza, mentre quella che permette di comunicare tra BTS e BSC è chiamata Abis. Per poter permettere la comunicazione tra unità di diversi fornitori e non essere legati a soluzioni propietarie, questa interfaccia è stata standardizzata. Base Transceiver Station (BTS) Con tale nome indichiamo l entità funzionale che ospita i radio transceivers che definiscono una cella. Esistono svariate configurazioni di BTS, a seconda del luogo che esse devono coprire. Per esempio, esistono BTS a configurazione clover, oppure a configurazione diversity: quest ultime consistono di due antenne riceventi poste ad un multiplo dispari di un quarto di lunghezza d onda (30cm per i 900MHz del GSM). Essendo l elemento presente in tutte le celle il BTS deve avere dei requisiti molto importanti: innanzitutto il costo, che deve essere il minor possibile visto l alto numero di BTS necessarie per garantire il servizio; robustezza ed affidabilità, poi non sono affatto da trascurare. Come già detto, le BTS gestiscono la comunicazione radio con le MS, e in dettaglio i loro compiti sono: Gestione del Frequency Hopping Gestione Trasmissione Discontinua (DTX) Controllo dinamico della potenza (DPC) Gestione algoritmi di cifratura Misura della qualità della trasmissione ed invio informazioni alla BSC che prenderà le adeguate decisioni. Questi aspetti verranno discussi nelle prossime sezioni del capitolo, in particolare nella sezione Base Station Controller (BSC) Controlla ed amministra le risorse radio per una o più BTS. Infatti per un grosso centro urbano, solitamente, sono necessarie molte BTS, ma bastano pochi (se non addirittura uno) BCS. I compiti principali sono la gestione del settaggio dei canali radio, il Frequency Hopping e l handover. Il BSC è l unità che fornisce l anello di connessione tra il centro di commutazione (MSC) e la stazione mobile.

7 CAPITOLO 2. SISTEMI DI CONNESSIONE WIRELESS 48 Essendo difficilmente nella stessa locazione fisica, BTS e BSC sono collegate da una linea dedicata a 2 Mbs, che mette a disposizione 32 canali a 64Kbs. Qualora invece esse siano co-locate, non si necessita della linea dedicata Network SubSystem (NS) Nella figura 2.1 questo sottosistema viene chiamato Intelligent Network, in quanto è la parte dell architettura GSM che ha il compito di instradare le telefonate, verificare l autenticità dei terminali mobili che richiedono l accesso alla rete, identificare gli utenti che utilizzano la rete per poter effettuare il calcolo della tariffa da applicare. Per fornire tutti questi servizi si ha bisogno di diverse unità funzionali che sono descritte di seguito. Naturalmente la distinzione non è sempre così netta: molti gestori preferiscono inglobare vari apparati in uno, così da poter utilizzare interfacce propietarie, e non dover quindi implementare quelle interfacce specificate nel protocollo SS#7 (Signalling System Number 7)[32] utilizzato per le linee principali ISDN (vedere 1.4.1) e correntemente usato per molte linee telefoniche pubbliche. Mobile services Switching Center (MSC) E l unità funzionale più importante del sottosistema in esame ed a tutti gli effetti funziona come un nodo di switch di una normale rete telefonica fissa. Esso gestisce l instaurazione del collegamento, la tariffazione ed il controllo dello stesso, avvalendosi di altre unità funzionali come per esempio l AuC (si veda oltre). Naturalmente esistono più MSC distribuiti sull intera superficie coperta dalla rete. Ogni MSC serve una determinata area, e permette il collegamento alle linee fisse, sia quelle di dati (PSPDN e CSPDN) che a quelle classiche come ISDN e PSTN. L MSC ha in carico un certo numero di celle secondo una struttura gerarchica (vedere 2.1.3), e deve servire tutte le MS in quell area. Per farlo si appoggia al VLR, database che memorizza temporaneamente informazioni (come il numero MSISDN degli utenti, un numero con un massimo di 15 cifre composto dal Country Code, dal National Destination Code e dal Subscriber Number) relative alle MS presenti in quel momento nell area di interesse dell MSC. Come detto in precedenza, la quasi totalità degli operatori realizza MSC e VLR come un unica entità funzionale, e si parla allora di MSC/VLR area. Gateway Mobile Switching Center (GMSC) Si tratta di un particolare MSC che costituisce il punto di accesso ad una rete GSM. Tutte le chiamate provenienti da reti fisse o da reti di altri operatori vengono

8 CAPITOLO 2. SISTEMI DI CONNESSIONE WIRELESS 49 passate a questo particolare MSC, contenente una lista di numeri MSISDN (Mobile Station ISDN) con relativo HLR. Il GMSC interroga allora l HLR relativo all utente desiderato per ottenere le informazioni necessarie all instaurazione della chiamata. Da notare che per semplicità solitamente c è un GMSC per gestore, e che, sebbene la funzione svolta dal GMSC sia differente da quella dell MSC, essa è quasi sempre implementata in quest ultimo. Home Location Register (HLR) Insieme con il VLR e l MSC esso provvede a fornire le informazioni necessarie all instradamento della telefonata. Si tratta di un database in cui il gestore della rete immagazzina in modo permanente i dati di un utente: il numero MSISDN, i servizi attivati dallo stesso, l IMSI (contenuto anche nella SIM). Sebbene logicamente esista un unico HLR relativo ad una rete di un operatore, esso può essere realizzato come unità distribuita. Nell HLR, sotto forma di indirizzo, è mantenuta traccia dell ultimo VLR in cui è stata registrata la MS. Associato ad un HLR solitamente si trova anche un AuC per effettuare l autenticazione dell utente. Visitor Location Register (VLR) Il VLR mantiene temporaneamente informazioni relative agli utenti che si trovano correntemente nella sua area d interesse (vedi 2.1.3), e prelevate dall HLR. Quando una MS cambia zona ed entra in un area servita da un MSC/VLR diversa da quella in cui si trovava prima, il nuovo VLR memorizza la presenza dell MS interrogando l HLR per ottenere i dati necessari, e contemporaneamente viene aggiornato anche l HLR sulla posizione corrente della MS all interno della rete. I principali dati memorizzati dal VLR sono: stato della MS (accesa, spenta,...); servizi attivati dall utente; IMSI, MSISDN e altri parametri di sicurezza; indicativo della Local Area in cui si trova la MS. Autentication Center (AuC) E l unità funzionale incaricata di verificare la legittimità della richiesta di accesso all rete da parte di un utente. Ogni volta che la MS riceve o effettua una chiamata, oppure durante i location updates effettuati dalla rete, o ancora quando l utente attiva o consulta servizi offerti dal gestore, l AuC entra in gioco. Tramite sofisticati algoritmi chiamati A3 e A8, e con l ausilio della chiave Ki e IMSI contenute nella SIM Card dell utente, l AuC oltre a verificare la vera identità dell utente, si occupa anche

9 CAPITOLO 2. SISTEMI DI CONNESSIONE WIRELESS 50 di cifrare l informazione sul canale radio, per proteggere gli abbonati da eventuali intercettazioni. L AuC è l unico database protetto perchè in esso sono contenute informazioni vitali sia per l utente che per il gestore. Equipment Identify Register (EIR) Per verificare la validità di un terminale mobile (ME) che si connette alla rete, si sfrutta questo database. In esso sono contenuti i numeri IMEI che caratterizzano i terminali mobili, classificati in tre liste: White List (ME omologati ed in regola), Black List (ME bloccati perchè rubati o non autorizzati), Gray List (tutti gli IMEI non omologati o appartenenti a ME difettosi). Sebbene esso sia un unità logicamente unica, non è raro trovarlo realizzato in modo distribuito. Inoltre è preferibile separarlo dagli altri registri. Attualmente i vari gestori si stanno attrezzando per la creazione di un registro EIR globale in modo da identificare tutti gli ME non autorizzati in tutte le reti GSM Operation and Support SubSystem (OSS) Attraverso l Operation and Maintenance Center (OMC) e il Network Management Center (NMC), questo sistema si occupa della supervisione dell intero sistema, coordinando le varie attività. L OMC è un unità funzionale che permette al gestore di sorvegliare e controllare il corretto funzionamento di una parte del sistema: ad un OMC, infatti, corrispondono diversi MSC e le BSC e BTS ad esso associate. Il compito di ogni OMC è quello di gestire allarmi e guasti e fornire strumenti di test per analizzare le prestazioni della rete, raccogliere tutte le informazioni necessarie alla fatturazione delle chiamate per un utente. A livello globale, poi, subentra l NMC, che gestisce tutti gli OMC di un network GSM: Network services areas La necessità di assicurare la funzione di roaming sia nazionale che internazionale richiede di immagazzinare dati in appositi registri in modo che i gestori sappiano sempre dove sono i loro abbonati, come ampiamente descritto in precedenza. Per facilitare questo compito l area geografica del sistema GSM viene suddivisa in modo gerarchico in sotto-aree. La figura 2.3 mostra la gerarchia di cui sopra. Con PLMN indichiamo Public Land Mobile Network che in pratica è l area coperta da un unico gestore. In Italia, per esempio, esistono quattro PLMN, date da

10 CAPITOLO 2. SISTEMI DI CONNESSIONE WIRELESS 51 Figura 2.3: Organizzazione area PLMN TIM, Wind, Omnitel e Blu. Tutte le PLMN dei paesi che adottano il GSM, allora, danno la rete GSM totale, detta GSM Area. Ogni PLMN è univocamente individuata da un codice di nazione MCC (Mobile Country Code) e da un codice gestore MNC (Mobile Network Code). Per esempio la Wind in Italia è identificata da MCC MNC Ogni PLMN area è ulteriormente scomposta in sotto-aree chiamate MSC/VLR area, in quanto ognuna di queste aree è coperta da un unico MSC a cui è abbinato anche il VLR. Raramente è possibile trovare aree in cui MSC e VLR sono separate e ci si riferisce come MSC e VLR area rispettivamente. Nella figura 2.4 viene raffigurata la scomposizione dell area PLMN in varie aree MSC/VLR. Figura 2.4: MSC/VLR service Areas Ogni area MSC/VLR è scomposta ulteriormente in aree chiamate Location Areas (LAs), nelle quali una MS può muoversi liberamente, senza che il VLR e quindi l HLR debbano essere modificati. Quando la MS sta per ricevere una telefonata, tramite un apposito canale radio, viene trasmessa un informazione all interno della sola LA in cui la MS si trova. Se questa MS cambia Location Area, invia un messaggio chiamato Location Updating che procede aggiornando il VLR (e di conseguenza l HLR se si cambia VLR). Anche le LAs sono identificate da un codice detto Location Area Identify (LAI), strutturato come segue

11 CAPITOLO 2. SISTEMI DI CONNESSIONE WIRELESS 52 dove LAC sta per Location Area Code. LAI = MCC / MNC / LAC Figura 2.5: Location Areas Infine l elemento fondamentale è la cella, che tra l altro da il nome ai sistemi cellulari. Ogni cella è servita da un unica BTS, ed è identificata da un codice detto Cell Global Identify (CGI), composto dai vari sottocampi visti in precedenza. CGI = MCC / MNC / LAC / CI dove CI sta per Cell Identify, che indica la cella all interno della LA. Più celle geograficamente adiacenti sono raggruppate in una LA, come illustrato nella figura 2.6. Figura 2.6: Celle GSM: Radio Link In questa sezione vedremo quali sono le caratteristiche fisiche del collegamento radio utilizzato dal GSM [3] [4]. International Telecommunication Union (ITU) ha assegnato le seguenti bande per il sistema GSM: MHz per l uplink, cioè il collegamento dall MS alla BTS; MHz per il downlink, cioè per la comunicazione da BTS verso MS.

12 CAPITOLO 2. SISTEMI DI CONNESSIONE WIRELESS 53 Successivamente vennero aggiunti 10 MHz in ogni banda realizzando il cosiddetto E-GSM (Extended GSM). Lo studio del sistema, negli ultimi anni, ha portato alla realizzazione di sistemi GSM compatibili, che funzionano, però a frequenze diverse da quelle specificate dal GSM: tali sistemi sono meglio noti come DCS-1800 e PCS Il primo è tipicamente europeo e funziona ad una frequenza doppia rispetto al GSM normale ( MHz per l uplink e MHz per il downlink), permettendo vantaggi non indifferenti soprattutto nelle città (maggior penetrazione negli edifici, celle più piccole e quindi maggior numero di utenti serviti). Il secondo è un sistema americano che funziona a 1900 MHz ( MHz per l uplink e MHz il Downlink). Nella tabella 2.1 sono riassunti i parametri dei principali sistemi GSM. L acronimo ARFCN significa Absolute Radio Frequency Channel Number, ed è un numero assegnato ad ogni portante per identificare univocamente il canale fisico. UpLink (MHz) DownLink (MHz) Canali (ARFCN ) GSM-P (Primary) E-GSM (Extended) e DCS PCS GSM-R (RailWay) GSM GSM GSM Tabella 2.1: Bande riservate ai principali sistemi GSM Multiplazione FDMA/TDMA La banda GSM (parliamo del GSM primario) viene suddivisa in tanti canali per sfruttare la tecnica del riuso delle frequenze. Come si deduce dalla 2.1 nel caso di GSM-P i canali sono 124 ed hanno un ampiezza di 200 KHz. Una o più di queste portanti, o canali che dir si voglia, vengono assegnate ad ogni stazione base. Sappiamo che celle adiacenti non possono usare le stesse frequenze ed è per questo motivo che viene definito cluster l insieme delle M celle adiacenti necessarie ad esaurire gli N canali disponibili. Ogni singola portante viene suddivisa in 8 time slots ognuno della durata di ms seguendo uno schema TDMA (Time Division Multiple Access), la cui unità fondamentale è appunto il time slot, chiamato burst period ed equivalente a 15/26 ms. Otto burst periods vengono raggruppati nella TDMA frame, l unità

13 CAPITOLO 2. SISTEMI DI CONNESSIONE WIRELESS 54 fondamentale per la creazione di canali logici. Questa TDMA frame ha la durata di ms. I canali di traffico sono organizzati in multiframe da 26 TDMA frames (120 ms) mentre quelli di controllo in gruppi da 51 frames (circa 236 ms). A loro volta questi sono inseriti in superframe (1326 frame) della durata di 6.12 secondi. Infine 2048 superframe formano un hyperframe, composta da 2 22 TDMA frame, numerate progressivamente (FN: frame number). Queste definizioni sono cicliche e si ripetono ogni tre ore circa (la durata di un hyperframe). Un canale fisico, allora, è individuato dalla trama (FN), dal time slot (TS) e dalla frequenza portante Canali Logici I canali individuati possono essere suddivisi in dedicated channels, allocati alla MS, e in common channels, usati dalla MS nello stato inattivo (idle mode). In totale i canali fisici risultano essere 992 per ogni cluster (124x8), ed i canali logici devono essere inseriti nella struttura TDMA. Nella figura 2.7 si può notare il riassunto dei canali utilizzati dal GSM. Figura 2.7: Canali logici nel GSM Un canale TCH (Traffic CHannel) è utilizzato pe trasportare voce e dati. Esso è formato da una multitrama di 26 TDMA frames (quindi 120 ms). Di queste 26 frames, 24 sono utilizzate effettivamente per i dati da trasportare, mentre una è usata per il SACCH (Slow Associated Control Channel), canale che in uplink trasporta informazioni per un corretto monitoraggio del collegamento, come la potenza del segnale, ed in downlink trasporta eventuali SMS ed informazioni in eccesso del canale BCCH che altrimenti andrebbero perse. La rimanente non è utilizzata. Tra downlink ed uplink i canali TCH sono divisi da 3 time slots, in modo da semplificare

14 CAPITOLO 2. SISTEMI DI CONNESSIONE WIRELESS 55 l elettronica. Così una MS che riceve al time slot T k sulla portante F i ritrasmetterà all istante T k+3 sulla portante F i 45MHz. Nei restanti time slot la MS può ascoltare in modo da gestire i possibili handovers che si verificano. Nella figura 2.8 è possibile vedere la struttura TDMA di un canale TCH. Figura 2.8: Struttura TDMA per un canale TCH I Common Channels sono accessibili sia ad una MS in modalità inattivo (idle) oppure ad una MS in modalità dedicato: nel primo caso sono utilizzati per portare la MS nella modalità dedicata, mentre nel secondo caso la MS utilizza i canali di controllo per gestire gli handovers oppure per scambiare informazioni con le base stations adiacenti. La struttura è quella descritta precedentemente e formata da 51 TDMA frames. Questi canali possono essere raggruppati come segue: Broadcast Channel (BCH): Canali che trasmettono informazioni generali da BTS a MS (punto-multipunto). BCCH (Boadcast Control Channel) trasmette informazioni come l identificazione della BTS, le sequenze per il frequency hopping. FCCH (Frequency Correction Channel) e SCH (Synchronization Channel) sono usati per sincronizzare la MS alla struttura di time slot della cella, e ogni cella trasmette un solo FCCH ed un solo SCH nei time slot numero 0. Common Control CHannels (CCCH): Sono canali usati per operazioni di controllo. Sono tutti monodirezionali, ma non tutti downlink. Il canale PCH (Paging Channel) è usato per informare una MS dell arrivo di una chiamata,

15 CAPITOLO 2. SISTEMI DI CONNESSIONE WIRELESS 56 ed è downlink in tutte le celle di una Location Area (vedere sezione 2.1.3). Il canale RACH (Random Access Channel) è monodirezionale uplink, ed è usato dalla MS per accedere alla rete. Infine AGCH (Access Grant Channel) viene utilizzato per allocare il canale richiesto dalla MS tramite RACH. Dedicated Control CHannels (DCCH): Canali usati durante una connessione per scambiare informazioni che altrimenti andrebbero perse. Per esempio SACCH (Slow Associated Control Channel) è usato per trasmettere, in downlink, SMS durante una chiamata, mentre in uplink è usato per trasmettere le misurazioni effettuate dalla MS per mantenere un buon contatto radio Struttura Burst Esistono quattro tipi differenti di burst usati per trasmissioni in GSM. Di seguito se ne da una breve descrizione. Normal Burst(NB): La struttura è quella della figura 2.8. Si nota che questo pacchetto è lungo bit, e occupa ms approssimativamente, il che porta ad una velocità di trasmissione di Kbs. L informazione viene trasmessa in due tranche di 57 bit l una. I bit di guardia (in numero pari a 8.25) non sono realmente trasmessi, ma costituiscono il tempo necessario per non far sovrapporre burst appartenenti a time slot differenti (corrisponde a circa 30µs, e quindi circa 9 Km). Il Normal Burst è usato da TCH e dai canali BCCH, SACCH, FACCH, SDCCH. Frequency correction burst (FB): Usato dal canale FCCH. Ha una struttura differente rispetto al burst normale, anche se la durata è la medesima. Synchronization burst(sb): Come per FB anche questo burst ha la stessa durata del burst normale ma differente struttura interna. E utilizzato dal canale SCH. Access burst(ab): Utilizzato dal canale RACH è il burst più corto, con soli 88 bit. Infine esisterebbe un ulteriore burst, però banale, chiamato Dummy Burst (DB), usato quando nessun altro canale richiede informazioni. Esso non trasporta alcun tipo di informazioni.

16 CAPITOLO 2. SISTEMI DI CONNESSIONE WIRELESS Codifica vocale Il metodo utilizzato nell ISDN per digitalizzare la voce, e cioè il PCM, non può essere applicato anche nel GSM, per via della mole di dati da trasmettere (64 Kbs). Partendo dai requisiti necessari (buona qualità, poco consumo di potenza per l implementazione, piccolo tempo di delay necessario per l elaborazione) e dal fatto che il parlato è molto ridondante, il gruppo di studio adottò un codificatore a tre stadi chiamato RPE-LPC-LTP (Regular Pulse Excited - Linear Predictive Coder with Long Term Predictor), in grado di fornire una qualità maggiore rispetto ai sistemi analogici in soli 13 Kbps. Il parlato è diviso in frame di 20 ms, ognuno codificato in 260 bit (da qui i 13 Kbps totali) Codifica di canale e modulazione Per ovviare al problema dato dal rumore che si somma all informazione utile trasmessa, il sistema GSM adotta una codifica di canale effettuata da un codificatore convoluzionale, ed in più effettua un interleaving dei blocchi trasmessi. L algoritmo usato è diverso per i dati e per la voce, ma qui verrà descritto solo quello per il parlato. Da analisi e test effettuati è stato notato che dei 260 bits usati per codificare 20 ms di voce (vedere ), non tutti sono affetti da disturbi allo stesso modo. Si sono infatti individuate tre classi di bit: Classe Ia: 50 bits molto sensibili agli errori. Classe Ib: 132 bits mediamente sensibili. Classe II: 78 bits poco sensibili. Alla classe Ia vengono aggiunti tre bit di CRC (Cyclic Redundance Code) ottenendo una sequenza di 53 bit. Questa, insieme con i 132 bit della classe Ib ed a 4 bit di coda (189 bit in tutto), viene fatta passare per un codificatore convoluzionale 1/2, ottenendo 378 bits ai quali vanno aggiunti i 78 della classe II senza protezione, ottenendo così 456 bit per ogni 20 ms di parlato, che da un bit rate di 22.8 Kbs. Come detto in precedenza questi 456 bits sono separati in otto gruppi da 57 bits, e trasmessi in otto periodi di burst. Siccome ogni burst può portare due blocchi da 57 bits, ogni burst porta dati di due campioni differenti (interleaving). Ogni burst è trasmesso alla velocità di Kbs, ed il segnale digitale corrispondente viene modulato usando GMSK (Gaussian-filtered Minimum Shift Keying), una modulazione scelta per i buoni compromessi tra efficienza in banda e semplicità del trasmettitore.

17 CAPITOLO 2. SISTEMI DI CONNESSIONE WIRELESS Equalizzazione A causa del fenomeno dei cammini multipli, la qualità della trasmissione radio può venire alquanto degradata. Il GSM, all interno di un Normal Burst, trasmette sempre una sequenza nota di 26 bit. Il ricevitore conosce anch esso la sequenza e considerando le modifiche da essa subite durante il tragitto ricostruisce la funzione di trasferimento del canale e ne ricava l inverso così da ottenere un canale prossimo all ideale (funzione di trasferimento ideale) Frequency Hopping Per ovviare a problemi come quello dell interferenza di canale o dei cammini multipli visti in precedenza (dipendenti dalla frequenza alla quale si trasmette), il GSM utilizza un algoritmo di Frequency Hopping (salto in frequenza): i messaggi successivi di una stessa comunicazione vengono trasmessi su portanti diverse mantenendo lo stesso time-slot assegnato all inizio della comunicazione stessa. L algoritmo necessario viene trasmesso sul canale BCCH (quindi broadcast), e per questo motivo il time-slot 0 non è soggetto a frequency hopping Trasmissione/Ricezione discontinua E stato verificato che durante una normale conversazione una persona parla effettivamente per meno del 40% del tempo. La trasmissione discontinua (Discontinuous Transmission, DTX), si avvale di questa importante conoscenza per ridurre l interferenza di co-canale e per risparmiare potenza, disattivando la trasmissione nei momenti di silenzio. Il problema, non banale, diventa allora distinguere adeguatamente tra rumore di fondo e parlato: infatti se si confonde il parlato con il rumore di fondo al ricevitore vi è una fastidiosa situazione di clipping, mentre viceversa i vantaggi della DTX diminuirebbero vistosamente. E stato altresì rilevato, poi, che la totale assenza di rumore di fondo al ricevitore non è una situazione gradevole per l ascoltatore. Si è pensato bene, allora, di ricostruire al ricevitore un rumore di fondo, detto comfort noise, durante le effettive pause di silenzio. Per ridurre ulteriormente la potenza sprecata dalla MS (fino al 90%), durante due operazioni di paging da parte della BTS la MS può andare in sleep-mode. Infatti la MS deve monitorare solo il suo sottocanale di paging, e leggendo il valore di 4 bit trasmesso dal canale BCCH che indicano il multiplo di 51 frame (un valore di 3 fornisce 3 x 51 = 707 ms circa), risalire al tempo necessario per effettuare un

18 CAPITOLO 2. SISTEMI DI CONNESSIONE WIRELESS 59 altra operazione di paging: durante questo tempo la MS può tranquillamente andare in sleep-mode. Tale tecnica è chiamata Discontinuous Reception (DRX) Controllo dinamico della potenza In base alla potenza massima con cui le MS possono trasmettere sul canale radio, esse sono raggruppate in cinque classi illustrate nella tabella 2.2. Per minimizzare l interferenza di co-canale e per non sprecare troppa energia delle batterie, sia la MS che la BTS trasmettono al minor livello di potenza necessario per mantenere una determinata qualità del servizio (Dynamic Power Control, DPC). Classe 900 MHz 1800 MHz 1900 MHz 1 20 Watt 1 Watt 1 Watt 2 8 Watt 0.25 Watt 0.25 Watt 3 5 Watt 4 Watt 2 Watt 4 2 Watt Watt Tabella 2.2: Classi in cui sono raggruppate le MS in base al loro picco massimo di trasmissione. La MS misura la qualità del segnale (basata sul Bit Error Ratio) e passa l informazione alla BSC che è l unica candidata a decidere se e quando aumentare il livello di potenza. Bisogna agire con cura per non creare instabilità nel sistema. Le trasmissioni sul canale RACH avvengono sempre al massimo della potenza concessa in quella cella [3][4] GSM: Network Aspects La rete GSM è a tutti gli effetti una rete di telecomunicazioni, in cui, al contrario della rete fissa, è richiesto di controllare alcune funzioni come l interfaccia radio e la mobilità degli utenti. Per funzionare correttamente è necessario che le varie unità funzionali collaborino alacremente, scambiandosi molte informazioni (soprattutto MSC-VLR-HLR) per gestire i vari handover e l instradamento delle chiamate. Il GSM, come si è già accennato in precedenza, utilizza un protocollo utilizzato nelle linee ISDN per provvedere a questo scambio di informazioni. Tale protocollo prende il nome di Common Channel Signalling System number 7 (SS7).

19 CAPITOLO 2. SISTEMI DI CONNESSIONE WIRELESS Struttura del protocollo di segnalazione nel GSM Nella figura 2.9 viene indicata la stratificazione del protocollo usato dal GSM nelle principali unità funzionali. Il protocollo è strutturato in tre livelli generali, che variano a seconda dell unità funzionale. Figura 2.9: Strati protocollo GSM Layer 1: E il Physical Layer. Abbiamo visto che attraverso l interfaccia Um (quella tra MS e BTS) esso deve gestire la sincronizzazione, la modulazione e la codifica di canale, come descritto nella sezione Nel caso delle interfacce di terra (A e A-bis), invece, il physical layer assume l aspetto di un canale PCM. Layer 2: E il Data Link Layer. Tra MS e BTS si utilizza una versione modificata dello stesso strato utilizzato nelle linee ISDN chiamato LAPD. Nel caso GSM esso assume il nome di LAPDm. Attraverso l interfaccia A, invece, viene utilizzato MTP layer 2 dell SS#7 (Message Transfert Part). Layer 3: Questo livello è scindibile in tre sottoparti: 1. Radio Resource Management (RR): Si occupa del settaggio, mantenimento e chiusura di una connessione. Inoltre gestisce gli handovers (tranne quelli esterni). 2. Mobility Management (MM): Gestisce la localizzazione e le procedure di registrazione ed autenticazione delle MS. 3. Communication Management (CM): Si occupa del controllo delle chiamate, della gestione dei servizi supplementari e provvede a fornire il servizio SMS (Short Message Service).

20 CAPITOLO 2. SISTEMI DI CONNESSIONE WIRELESS 61 La comunicazione attraverso entità come HLR e VLR avviene utilizzando Mobile Application Part (MAP). MAP è costruito sulla parte alta di Transaction Capabilities Application Part (TCAP, lo strato più alto dell SS#7). Le specifiche del MAP sono abbastanza complicate, e ricoprono una buona parte delle specifiche del GSM Gestione risorse radio Lo strato RR sovrintende la creazione di un collegamento, sia esso radio o fisso, tra la MS e la MSC. Esso si occupa della configurazione dei canali radio e dell allocazione dei canali dedicati. Una sessione RR (il tempo in cui la MS rimane nella modalità dedicated) è sempre iniziata dalla MS, sia per una chiamata in uscita che per una risposta ad un messaggio di paging. Inoltre RR si occupa degli handovers (interni), della DTX/DRX e della gestione dinamica della potenza (DPC). Handovers E una delle funzioni principali del protocollo RR ed inoltre e una peculiarità dei sistemi cellulari: mantenere attiva una connessione anche se la MS si sposta significa dover cambiare cella di servizio o canali di trasmissione per continuare a garantire il servizio. Esistono quattro tipi di handover in un sistema GSM, che coinvolgono il trasferimento di una chiamata tra: Canali (o TDMA time-slot) nella medesima cella. Celle (BTS) sotto il controllo della medesima BSC. Celle sotto il controllo di differenti BSC ma appartenenti all area di interesse dello stesso MSC. Celle controllate da differenti MSC. I primi due tipi sono chiamati handovers interni e sono gestiti dalla BSC, che comunica l avvenuto handover alla MSC solo ad operazione effettuata, per non sovraccaricare la rete. Gli ultimi due tipi di handovers, invece, vengono chiamati esterni. E da notare che nell ultimo caso l MSC di partenza (anchor MSC) rimane responsabile di molte funzioni legate alla telefonata, mentre il nuovo MSC (relay MSC) deve occuparsi dei soli handover interni che eventualmente si verificano. Gli handovers possono essere richiamati sia dalla MS che dall MSC (per bilanciare il traffico della rete). Durante l inattività (idle-mode) la MS sonda i Broadcast Control Channel delle celle a lei vicine (fino ad un massimo di 16) e stila una lista delle migliori 6 celle candidate per un possibile handover, in base alla potenza del