Reti Radiomobili. Fiandrino Claudio. Anno accademico 2009/ agosto 2010

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1 Reti Radiomobili Anno accademico 2009/2010 Fiandrino Claudio 22 agosto 2010

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3 Indice I Teoria 5 1 Concetti base 7 2 Reti cellulari 13 3 GSM Architettura di rete Canali fisici Canali logici Mapping dei canali sui canali fisici Procedure GPRS 37 5 WiMAX 43 6 UMTS 47 7 Standard IEEE II Esercizi 65 8 Esercizi parte iniziale Esercizio n Testo Risoluzione Esercizio n Testo Risoluzione Esercizio n Testo Risoluzione III

4 IV INDICE 9 Esercizi su reti cellulari Esercizio n Testo Risoluzione Esercizio n Testo Risoluzione Esercizio n Testo Risoluzione Esercizi sul GSM Esercizio n Testo Risoluzione Esercizio n Testo Risoluzione Esercizio n Testo Risoluzione Esercizio n Testo Risoluzione Esercizio n Testo Risoluzione Esercizio n Testo Risoluzione Esercizi sul GPRS Esercizio n Testo Risoluzione Esercizi su Esercizio n Testo Risoluzione Esercizio n Testo Esercizio n Testo

5 INDICE V Risoluzione Esercizio n Testo Risoluzione Esercizio n Testo Risoluzione Esercizio n Testo Risoluzione Esercizio n Testo Risoluzione

6 VI INDICE

7 INDICE 1 Dedicato a Valentina G. perchè guardando i suoi dolci occhi non si può non essere felici!!! CF

8 2 INDICE

9 Prefazione La dispensa, realizzata a partire dagli appunti del corso, è suddivisa in due parti: una teorica e una di esercizi. Per ulteriori informazioni o segnalazioni di errori potete consultare il mio sito o contattarmi all indirizzo mail reperibile dal sito alla sezione contacts & links. Si ringrazia per la segnalazione di errori nella parte degli esercizi Luana Cintura e per la segnalazione di errori ortografici Benedetto di Nuzzo. 3

10 4 INDICE

11 Parte I Teoria 5

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13 Capitolo 1 Concetti base Propagazione del segnale radio Tabella delle grandezze fondamentali Definizione Simbolo Formula Energia per bit E b - Bit rate R b - Potenza del segnale trasmesso P t E b R b Guadagno in ricezione G R - Guadagno in trasmissione G T - Distanza tx e rx d - Potenza in ricezione P r P t G R G ( ) T 4πd n Attenuazione L λ P t P r = (4πd)n G R G T ( ) f n c Il segnale nello spazio libero si attenua diversamente rispetto a quanto accade realmente (n = 2):. P r decresce in modo quadratico con d;. la direttività di antenna cambia l attenuazione;. con l aumentare della frequenza l attenuazione cresce in modo quadratico; 7

14 8 CAPITOLO 1. Concetti base. il segnale si propaga in via retta. Nella propagazione reale (n > 2) invece:. esistono elementi che assorbono e diffondono il segnale;. esistono elementi che rifraggono il segnale;. esistono ostacoli che diffraggono e riflettono il segnale;. esistono ostacoli in movimento e variabili nel tempo;. gli utenti si muovono. Multipath Il multipath è quel fenomeno per cui al ricevitore arrivano diverse copie del segnale con diversa ampiezza e ritardo; queste copie sono chiamate echi. I parametri per caratterizzare il multipath in condizioni statiche di canale sono:. τ: massimo ritardo di propagazione;. B c : banda del canale multipath. Si osservi che: τ = 1 B c Se un segnale di banda B presenta B << B c si parla di flat fading: tutte le componenti spettrali sono trattate allo stesso modo. Nel caso in cui B > B c il fading è selettivo in frequenza: ogni componente può essere trattata in modo diverso e si parla di selective fading. Tale distinzione nel dominio delle frequenze avviene ipotizzando la geometria ferma (condizioni statiche di canale); in realtà, invece, si assiste a movimenti degli utenti che rendono la geometria del sistema variabile nel tempo e nello spazio. Per questo motivo la distinzione nel dominio temporale è fra fading lento e fading veloce. Il movimento relativo tra ricevitore e trasmettitore causa uno shift di frequenza che prende il nome di effetto Doppler. Indicando con f d0 la massima frequenza del segnale con presenza di effetto Doppler si può definire: t c = 1 f d0 il tempo di coerenza del canale. I parametri t c e f d0 sono condizioni dinamiche di canale.

15 9 Se il tempo di simbolo del segnale trasmesso t s è maggiore di t c si parla di fading veloce (fast fading): il canale cambia più velocemente del tempo di emissione di un tempo di simbolo. Quando invece t s < t c il fading è lento e prende il nome di fading lento o shadowing (ombreggiatura). L attenuazione dovuta al fast fading è soprattutto per i movimenti veloci di trasmettitore e ricevitore e ad ostacoli mobili; il shadowing, invece, è dovuto ad ostacoli di grandi dimensioni come palazzi. Protezione degli errori Vengono applicate tecniche:. FEC;. ARQ;. a diversità. Le tecniche FEC prevedono:. codici a blocco;. codici convoluzionari. Si segnala l uso dell interleaving: modificando l ordine di invio dei seimboli si abbassa la correlazione degli errori. Il canale wireless causa errori a burst (a grappoli) che indeboliscono la codifica di canale; con l interleaving si cerca di renderli indipendenti. Nei sistemi wireless viene usata come tecnicha ARQ lo Stop & wait. Le tecniche a diversità prevedono:. diversità spaziale con l utilizzo di più antenne;. diversità di frequenza inviando il segnale su più frequenze;. diversità di tempo ripetendo la trasmissione in momenti diversi. Trasmissione a banda larga Le tecniche spread spectrum vengono implementate a livello fisico per combattere il multipath. Per usare CDMA a livello MAC come tecnica di accesso serve necessariamente implementare una delle tecniche spread spectrum (non vale il contrario):. frequency hopping spread spectrum;

16 10 CAPITOLO 1. Concetti base. direct sequence spread spectrum;. orthogonal frequency division multiplexing. Il frequency hopping si realizza trasmettendo il segnale saltando da una frequenza ad un altra secondo una sequenza pseudo causale conosciuta da trasmettitore e ricevitore. Il direct sequence spread spectrum prevede la moltiplicazione di un segnale per una sequenza pseudo casuale di spread che è un segnale a banda larga: tutto ciò aumenta il bit rate e la banda del segnale da inviare. Ad ogni bit da trasmettere si fa corrispondere una sequenza di +1 e -1 chiamati chip; il numero di chip associati al simbolo, detto spreading factor, permette di regolare l allargamento di banda. Nei sistemi a banda larga si possono distinguere le diverse copie create dal multipath con un rake receiver (ricevitore a rastrello). Se si riportano in fase tutte le copie catturate esse si sommano rendendo il segnale forte e chiaramente demodulabile; il problema di implementazione è la stima delle fasi. OFDM OFDM è l abbreviazione per la tecnica spread spectrum orthogonal frequency division multiplexing. E utilizzata come base per gli standard a/g: divide la banda in numerosi canali a banda più piccola con portanti ortogonali fra loro e molto vicine. In questo modo la trasmissione viene parallelizzata su più canali che essendo a banda stretta hanno un basso bit rate: in primo luogo i vantaggi immediati sono il poco consumo di potenza, la robustezza della trasmissione e, avendo un tempo di simbolo lungo, il fading piatto. Problema del Near far Lo spreading e il despreading funzionano bene se tutti i segnali arrivano con lo stesso livello di potenza. Quando due utenti trasmettono alla stessa potenza, ma da distanze diverse, il segnale dell utente più vicino arriverà all antenna della stazione base con potenza maggiore. Il controllo di potenza in uplink viene effettuato costantemente: la stazione base notifica ai terminali quale livello di potenza usare. In uplink le soluzioni adottate sono:. controllo di potenza ad anello chiuso;

17 11. controllo di potenza ad anello aperto;. controllo di potenza ad anello esterno. In downlink invece si implementa il downlink power control.

18 12 CAPITOLO 1. Concetti base

19 Capitolo 2 Reti cellulari Introduzione La rete cellulare è una rete per cui la copertura geografica è realizzata con una tassellazione a celle: porzioni di area geografica che unite ricoprono perfettamente una zona. La prerogativa importante di una rete cellulare è quella per cui gli utenti, spostandosi di cella in cella, non perdano una comunicazione in atto; questa procedura prende il nome di handover. I concetti di reti cellulari e reti wireless è diverso; la differenza sostanziale è che le reti wireless offrono accesso con canale radio, senza cavi, ma non specificano come avviene la copertura geografica. Copertura Cellulare La stazione base trasmette dando la possibilità agli utenti che si trovano entro il suo raggio di copertura di comunicare; se gli utenti, infatti, non si trovano in quella zona ricevono un segnale con qualità scadente, inadatto a sostenere una comunicazione, mentre dentro il raggio di copertura la stazione base trasmette un segnale di qualità buona o ottima (a seconda della distanza fra utente e stazione). Ogni stazione base viene collegata via cavo ad altri nodi della rete fissa. Inzialmente (anni 70) le regioni di copertura erano molto grandi (raggio di alcuni km) e si utilizzava, per una sola stazione, l intero spettro delle frequenze. Oggi, invece, le stazioni coprono aree più piccole quindi, a differenza di prima, le antenne erogano una potenza minore. Inoltre celle vicine usano frequenze diverse per evitare interferenze. I tre principi fondamentali su cui si basa la buona progettazione e gestione di reti cellulari sono: 13

20 14 CAPITOLO 2. Reti cellulari Celle. copertura a celle;. gestione della mobilità;. riuso delle frequenze. Il territorio viene tassellato interamente con celle: la copertura non deve avere zone vuote in tutta l area. Per ottenere una tassellazione totale le celle possono avere forma di:. quadrati;. triangoli equilateri;. esagoni. Poichè in origine le stazioni base disponevano di antenne isotropiche, le celle risultavano avere forma circolare; questa forma, però, non garantisce copertura totale. Il poligono che approssima meglio un cerchio è l esagono quindi, fra i tre disponibili, viene usato questo per approssimare una copertura a celle. Si approssima, infatti, la copertura reale con esagoni perchè le celle non sono perfettamente regolari, ma la loro forma e dimensione dipende da:. potenza delle antenne;. guadagno di antenna;. morfologia del territorio;. condizioni di propagazione. A seconda della morfologia del territorio si distinguono:. microcelle: celle con raggio di m, poste su cabine telefoniche o semafori coprono aree urbane;. macrocelle: celle con raggio molto più ampio, coprono aree rurali e solitamente vengono poste su campanili. Gestione della mobilità La mobilità è l elemento caratterizzante le reti cellulari; per la sua realizzazione occorrono alcune procedure:. roaming;. location updating;. paging;. handover.

21 15 Roaming Il roaming è la possibilità di rintracciare l utente se si sposta all interno della rete. Occorre ovviamente memorizzare su una base dati le informazioni utili sugli utenti; per le reti cellulari la localizzazione avviene su base Location Area (LA) che altro non è se non un insieme di celle. Location Updating Questa procedura permette di aggiornare la rete cellulare sulla posizione dell utente. Nella LA ogni cella diffonde in broadcast il LAI (Location Area Identifier); se un utente riceve un LAI diverso da quell memorizzato informa la rete del suo spostamento richiedendo un location updating per aggiornare la sua nuova posizione. Paging Serve a comunicare ad un utente di una chiamata in arrivo; la rete invia il messaggio di paging in tutte le le cella della LA per identificare la posizione dell utente destinatario. Quando lo trova può iniziare le procedure per la comunicazione. Più è grande un LA e meno spesso gli utenti si sposteranno quindi il location updating verrà attivato raramente; tuttavia occorrerà molto più tempo per identificare un utente destinatario di una chiamata perciò la procedura di paging sarà effettuata sovente. Handover Questa procedura consente il trasferimento di una chiamata in corso da una cella ad una cella adiacente nel caso in cui l utente compia tale spostamento. Tale procedura è molto complicata e può succedere che se mancano risorse nella cella di destinazione la chiamata cada. Riuso delle frequenze Avendo a disposizione un numero limitato di risorse radio si cerca di:. assicurare la copertura del territorio;. servire un numero elevato di utenti. Ogni canale ha una larghezza di banda che, per GSM, è pari a 200 khz; lo spettro delle frequenze viene diviso in N: numero di canali. Per ognuno di essi si definisce una frequenza portante.

22 16 CAPITOLO 2. Reti cellulari N canali vengono a loro volta partizionati in cluster; un cluster è l insieme delle celle (G) adiacenti che usano tutto lo spettro di frequenze, ovvero tutti gli N canali. Si indica con K la partizione descritta: K = N G Il fattore di riutilizzo delle frequenze è definito come: F r = 1 G L insieme delle celle, nel territorio, che utilizzano le stesse frequenze prende il nome di celle co-canale: sono queste celle che possono creare interferenze nelle comunicazioni. Per questo motivo quando si progetta un sistema cellulare occorre capire dove posizionarle; la regola è: spostamento di i celle, rotazione di 60 in senso antiorario e spostamento di j celle. Tutto ciò realizza l equazione: G = i 2 + j 2 + ij Indicando con S lo spettro delle frequenze e M il numero di cluster per area, si definisce la capacità della rete: C = M G K S N = C = M G N G S N = C = M S A parità di G: se il raggio della cella R è piccolo, maggiore sarà M per coprire la zona quindi crescerà la capacità del sistema, ma occorreranno molte più antenne per garantire la copertura perciò aumenterà il costo di gestione. A parità di grandezza della cella, ossia di raggio R, si introduce il parametro D che misura la distanza delle celle co-canale: maggiore è D, minore è l interferenza prodotta migliorando la qualità delle comunicazioni. Si definisce: Q = D R = 3G Il rapporto C dato dalla potenza della portante sulla potenza dell interferente è un parametro molto importante per capire la qualità di un sistema. I Considerando le interferenze delle celle co-canale del primo tier, celle di forma esagonale e di raggio R fissato, approssimando l attenuazione con la distanza di un fattore n si ottiene l uguaglianza: C I = ( 3G) n 6

23 17 Più grande è G, maggiore è Q e maggiore è C migliorando la qualità del I sistema perchè D sarà grande causando poca interferenza. Se G è piccolo, invece, occorrono molti canali per coprire l area in quanto i cluster sono piccoli; ciò provoca un aumento della capacità del sistema, ma anche dei costi come enunciato in precedenza. Il trade off di queste reti è quindi qualità/capacità. Alcune tecniche di progetto permettono di aumentare la capacità riducendo l interferenza. Esse sono:. splitting;. sectoring;. tilting. Splitting Lo splitting consiste nel sostituire celle grandi con un certo numero di celle più piccole. Sectoring La cella viene divisa in settori con l installazione di antenne direttive. Ogni settore utilizza frequenze diverse riducendo quindi l interferenza; la configurazione tipica viene chiamata tri-cellulare perchè prevede 3 settori per cella: i settori vengono creati con 3 antenne direttive a 120. Tilting L uso di antenne direttive causa interferenza, anche elevata, ma solo nella direzione di propagazione privilegiata. Si può ridurre tale disturbo inclinando le antenne verso il basso di qualche grado (operazione di tilt). Evoluzione delle dimensioni dei cluster Nei sistemi analogici con cluster di 19 o 21 celle servivano rapporti C I alti, con lo scopo di avere una corretta demodulazione dei segnali. Con sistemi digitali si è passati da cluster di 7 o 9 celle fino ad avere, ai giorni nostri, anche solo un cluster per cella. Questo avviene perchè per garantire la corretta demodulazione ora occorrono rapporti di C I molto più bassi.

24 18 CAPITOLO 2. Reti cellulari Tecniche di copertura cellulare Utilizzando antenne direttive si possono creare celle con forme e dimensioni diverse come:. celle ad ombrello;. celle per copertura autostradale o ferroviaria. Le frequenze e i canali possono essere allocati:. staticamente (Fixed Channel Allocation - FCA);. dinamicamente (Dynamic Channel Allocation - DCA). Per l allocazione statica il piano di frequenze può venire cambiato di tanto in tanto per migliorare le prestazioni della rete, ma non è molto adatto a zone in cui la concentrazione di traffico si evolve nel tempo. Questa situazione è risolta utilizzando una pianificazione dinamica, tuttavia nella pratica si utilizzano soluzioni ibride. Infatti un allocazione completamente dinamica deve tenere conto di alcuni problemi; il più imporante è sicuramente accertarsi che cambiando frequenza non si interferisca con celle adiacenti.

25 Capitolo 3 GSM 3.1 Architettura di rete L architettura di rete GSM prevede: BSS. BSS;. MSC;. Network & Switching Subsystem;. Identificativi dei terminali. La BSS (Base Station Subsystem) è formata da: BTS. BTS (Base Transceiver Station) è l interfaccia fisica;. BSC (Base Station Controller) controlla le risorse sull interfaccia radio. Le BTS sono collocate in punti adatti alla migliore trasmissione nella cella; erogano il segnale con una potenza da cui dipende l effettiva dimensione della cella (si parla di celle adattabili) e tale potenza è almeno di due ordini di grandezza inferiore rispetto al segnale TV. Inoltre le BTS trasmettono solo quando le risorse servono effetivamnete a qualche utente, mentre nel caso della televisione la trasmissione è continua. Ogni BTS può avere da 1 a 16 interfacce radio; ogni interfaccia radio gestisce 2 canali FDM (trame) e ogni canale FDM corrisponde a 8 canali TDM. Al massimo si possono gestire 32 trame FDM (256 trame TDM). Il numero di canali supportati è sempre pari e multiplo di 2 in quanto uno 19

26 20 CAPITOLO 3. GSM serve per il downlink e uno per l uplink: i transceiver radio possono sempre e solo trasmettere o ricevere, non eseguono mai le due operazioni contemporaneamente come in Ethernet. Poichè su ogni trama ci sono 8 slot si possono gestire al più 8 telefonate contemporaneamente. Le BTS effettuano codifica di canale, modulazione e demodulazione dei segnali, combattono il multipath con un frequency hopping che in GSM è lento ed effettuano l interleaving. Tra le funzioni è anche prevista la misurazione di parametri importanti per la rete come la qualità dei canali; tali informazione vengono mandate alle BSC. Le BTS implementano la diversità spaziale e sono sincronizzate con gli utenti mediante clock; se esiste anche una sincronizzazione fra BTS, questo facilita la procedura di handover. BSC Ogni BSC controlla più BTS (da alcune decine ad alcune centinaia) e si occupa prevalentemente di concentrare il traffico verso le MSC e smistarlo verso le BTS. BSC e BTS sono collegate o via cavo o con ponti radio a 2 Mbit/s, ossia con 32 canali PCM ognuno a 64kbit/s. Ogni canale PCM supporta il traffico di 4 slot GSM codificato a 13 kbit/s; ogni portante deve avere 3 canali PCM: uno per la segnalazione e 2 per il traffico in modo tale da supportare 8 slot. La transcodifica della voce a 13 kbit/s in trasmissione a 64 kbit/s avviene nella BSC grazie alla Transcoder Rate Adaptation Unit (TRAU). BTS e BSC possono essere collegate anche per distanze lunghe in quanto il traffico è leggero (13kbit/s) mentre BSC e MSC devono essere vicini altrimenti, a 64kbit/s, il traffico ha un costo maggiore sia dal punto di vista finanziario, se le infrastutture sono di proprietà altrui, sia dal punto di vista della banda utilizzata. Riepilogando i compiti della BSC sono:. transcodifica: GSM in PCM;. analisi delle misure radio delle BTS con relativa decisione e gestione di handover;. controllo delle risorse radio come la gestione delle frequenze e loro assegnazione dinamica fra le BTS;

27 3.1. Architettura di rete 21 MSC. gestione del paging;. manutenzione del BSS. L MSC (Mobile Switching Center) è un commutatore a circuito con funzionalità di segnalazione per la gestione della mobilità degli utenti. Le sue principali funzionalità sono:. gestione della mobilità;. controllo delle chiamate (procedure di autenticazione);. supporto ai servizi;. allocazione delle risorse e creazione delle connessioni fra TM;. instradamento delle chiamate. Un caso particolare di MSC è il GMSC (Gateway MSC) che interfaccia la rete GSM con nodi di altre reti. Network & Switching Subsystem I componenti di questo sistema sono: HLR. HLR (Home Location Register);. VLR (Visitor Location Register);. EIR (Equipment Identity Register);. AuC (Authentication Center). Questo database contiene:. i dati permanenti degli utenti, come l IMSI.. i dati temporanei degli utenti utili alla gestione della mobilità, come l identificativo del VLR a cui sono registrati. E collocato dove sono presenti GMSC. VLR E un database che contiene le informazioni relative al MSC e alle aree di competenza presso cui si trovano i TM in quel momento (informazioni come dispositivo attached o detached). E collocato presso ogni MSC.

28 22 CAPITOLO 3. GSM EIR E il database con i dati degli apparecchi rubati o difettosi. AuC Genera le chiavi di cifratura; è associato all HLR e serve per autenticare le SIM. Gli obbiettivi della sicurezza forniti da AuC sono:. autenticazione degli utenti;. cifratura per la protezione delle comunicazioni. Queste operazioni sono effettuate con crittografia utilizzando il metodo challenge & response. Identificativi dei terminali Gli identificativi dei terminali sono essenzialmente:. IMSI (International Mobile Subscriber Identity): identificativo di utente molto importante, si cerca di proteggerlo usandolo il meno possibile;. TMSI (Temporaney Mobile Subscriber Identity): identificativo temporaneo di utente, usato per l autenticazione; se non si possiede o il dispositivo non è utilizzato per lungo tempo occorre usare l IMSI per tale procedura;. MSISDN (Mobile Station ISDN): numero di telefono;. MSRN (Mobile Station Routing Number): numero usato dalla rete per l instradamento delle chiamate;. IMEI (International Mobile Equipment Identity): identificativo dell hardware dell apparecchio;. IMEISV (International Mobile Equipment Identity Software Version): identifica il sistema software del dispositivo. 3.2 Canali fisici La gestione delle frequenze prevede l utilizzo, per l Europa, di:. 124 canali a 900MHz (125-1);. 374 canali a 1800MHz (375-1);

29 3.2. Canali fisici 23 Solitamente i canali uplink vengono posti sulle frequenze più basse delle bande assegnate perchè hanno meno attenuazione. Uplink e downlink sono accoppiati con spaziatura fissa di:. 45MHz a 900MHz;. 95MHz a 1800MHz; Tutti gli elementi della rete rispettano lo standard:. distanza delle portanti 200kHz;. codifiche full rate (13kbit/s) - half rate (6.5kbit/s);. modulazione GMSK;. controllo di potenza ad anello chiuso;. uso dell interleaving. GSM utilizza una tecnica di accesso, a livello MAC, mista FDMA/TDMA: lo spettro viene diviso in canali FDM da 200kHz e ognuno di essi è ancora diviso in 8 canali TDM (slot). Ogni utente può trasmettere per uno slot ogni trama FDM e, per ridurre il consumo di potenza ed energia, tace per gli altri 7 slot. Tabella riassuntiva su grandezze fondamentali Grandezza Valore Formula Velocità al trasmettitore 271 kbit/s - Durata trama FDM 4.615ms - [ ] Durata slot TDM 577µs 8 Bit per slot bit [ ] La trasmissione in GSM è ottenuta con separazione in tempo e frequenza (FDD è Frequency Division Duplexing e TDD è Time Division Duplexing, composti FDD + TDD): per questo motivo il transceiver è unico e può o solo trasmettere (uplink) o solo ricevere (downlink). Queste due fasi sono sincronizzate su base slot e, per garantire la separazione descritta in precedenza, sono sfasate di 3 slot. Poichè utenti con terminali a distanza diversa dalla BTS subirebbero ritardi di propagazione diversi causando interferenza, si introduce un meccanismo chiamato Timing Advance: con l invio di una sequenza di bit nota la BTS

30 24 CAPITOLO 3. GSM determina il tempo di propagazione. Siccome il Timing Advance è definito come: t a = 2 t p il terminale può anticipare la sua trasmissione di questo tempo per compensare il ritardo. Il Timing Advance è limitato dal tempo di turnaround di transceiver e compensa ritardi fino a 233µs ( 35km, raggio massimo delle celle GSM). Frequency hopping Il frequency hopping viene usato in GSM per la trasmissione di messaggi consecutivi della stessa comunicazione inviandoli su frequenze diverse. L uso è deciso dall operatore; se viene adoperato permette il guadagno di 2dB riducendo il fading. In GSM il frequency hopping è lento perchè solo ogni a trama, 4.615ms, avviene il cambio di frequenza; la risintonizzazione fra trasmettitore e ricevitore ha cadenza con un tempo non superiore al millisecondo. Burst in GSM I tipi di burst trasmessi sui canali fisici in GSM sono:. normali;. di accesso;. di sincronizzazione;. correzione di frequenza;. dummy. Burst normali I burst normali servono per la trasmissione di messaggi sia sui canali di traffico che di controllo. Sono composti da:. 114 bit di dati utente (codec-data);. 26 bit per sincronizzazione ed equalizzazione (Training sequence);. S-bit per indicare se il burst contiene dati utente o di segnalazione (2 bit di stealing);. T-bit posti a 0 come tempi di guardia e inizio di demodulazione (6 bit);

31 3.2. Canali fisici 25. GP periodo per consentire l accensione-spegnimento dei trasmettitori (8.25 bit). In totale, escludendo GP, il burst ha durata 148 bit (sommando anche il GP si ottengono i bit). Burst di accesso Questi burst vengono usati nelle fasi di setup, quando un TM non è ancora sincronizzato con la BTS. La composizione di un burst di accesso è:. ext-t: una sequenza di 8 bit fissa ( );. 4 bit di sincronizzazione, usati per calcolare il Timing Advance (syncbit);. 36 bit di dati utente (codec-data);. Extended GP: periodo di guardia (68.25 bit). Burst di sincronizzazione Questi burst vengono inviati dalla BTS per la sincronizzazione dei TM: se non si hanno informazioni essi usano come ritardo di propagazione il massimo ammesso dallo standard (37.5 km anche se convenzionalmente si usa come distanza massima 35km). La struttura dei burst di sincronizzazione è:. T-bit posti a 0, hanno la stessa funzione descritta nei burst normali (6 bit);. 39 bit di codec-data usati per la sincronizzazione globale, contengono anche informazioni per identificare l operatore e la cella;. 64 bit di Extended Training Sequence usati per l equalizzazione;. GP periodo di guardia (8.25 bit). Burst di correzione di frequenza Vengono inviati periodicamente dalla BTS per consentire la correzione degli oscillatori dei TM. La composizione di questi burst è:

32 26 CAPITOLO 3. GSM. T-bit posti a 0, sempre con la stessa funzione descritta nei burst normali (6 bit);. sequenza con tutti 0 di 142 bit: equivale a trasmettere una sinusoide pura per tutto il burst: avviene grazie la modulazione utilizzata (GMSK);. GP tempo di guardia (8.25 bit). Burst dummy Vengono inviati sugli slot vuoti se è necessario tenere alta la potenza della portante. Sono burst normali in cui, al posto dei dati, vengono trasmessi tutti 0 e i bit di stealing vengono eliminati. Le BTS li usano solo per l individuazione della portante C0. Tabella riassuntiva su grandezze fondamentali Grandezza Valore Formula [ ] 148 Velocità di trasmissione media 32kbit/s [ ] 114 Velocità per burst normali 24.7 kbit/s Velocità voce più codifica canale 22.8kbit/s - Velocità segnalazione 1.9 kbit/s [ ] Tramatura GSM La tramatura in GSM viene divisa in:. per ogni canale FDM ci sono 8 slot TDM (4.615ms);. multitrame di traffico: 26 trame (120ms);. multitrame di segnalazione: 51 trame (235.4ms);. supertrame (6.13 s):. 26 multitrame di controllo;. 51 multitrame di traffico;. ipertrama: 2048 supertrame (3 h 28 m 53 s 760 ms).

33 3.3. Canali logici Canali logici I canali logici si dividono in:. canali di controllo (segnalazione);. canali di traffico. Canali di controllo I canali di controllo servono per:. segnalazione di rete:. parametri della cella;. sincronizzazione delle BTS;. sincronizzazione dei ricevitori (TM);. segnalazione di utente:. controllo delle chiamate;. misure di prestazioni (qualità del segnale, controllo di potenza). Per la segnalazione di rete esistono: 1. FCCH (Frequency Correction Channel). E un canale solo unidirezionale downlink; permette sincronizzazione di frequenza al TM trasmettendo una sequenza nota. 2. SCH (Syncronization Channel). Trasporta su 6 bit il BSIC (Base Station Identity Code) che permette l identificazione di cella e su 19 bit il RFN (Reduced Frame Number) il numero di trama. Il SCH quindi trasporta 25 bit ed è un canale monodirezionale downlink. 3. BCCH (Broadcast Control Channel) trasporta 184 bit tra cui:. numero di canali di controllo comuni;. numero di blocchi riservati al canale AGCH. distanza dei messaggi di paging verso lo stesso terminale;. LAI: Location Area Identity. Il BCCH permette lo scanning delle frequenze all accensione del TM; inoltre è diverso per ogni cella. Per la segnalazione di utente esistono:. CCCH (Common Control Channel): sono canali comuni;

34 28 CAPITOLO 3. GSM. DCCH (Dedicated Control Channel): sono canali dedicati. Per quanto riguarda i canali di controllo comuni essi si suddividono in:. PCH (Paging Channel);. RACH (Random Access Channel);. AGCH (Access Grant Channel). Il PCH è unidirezionale downlink e:. serve a notificare all utente la chiamata entrante;. viene trasmesso in tutte le celle della LA. Il RACH è unidirezionale uplink; serve essenzialmente per chiedere accesso alla rete (inizio di chiamata e location update). E soggetto a collisioni. Il AGCH è unidirezionale downlink ed è usato per rispondere ad una richiesta da parte del TM mandata sul RACH. Alloca inoltre un canale di segnalazione SDCCH (Stand-Alone Dedicated Control Channel). I canali di controllo dedicati sono bidirezionali, a differenza di quelli comuni, e servono per gestire il controllo di chiamata; si suddividono in:. SDCCH (Stand-Alone Dedicated Control Channel);. SACCH (Slow Associated Control Channel);. FACCH (Fast Associated Control Channel). Lo SDCCH è usato per scambi di informazione come:. autenticazione;. identificazione;. procedure attivate prima dell assegnazione di uno slot di traffico. Il SACCH trasporta le informazioni:. sul timing advance;. sul controllo di potenza;. perse dal TM quando è spento per ragioni di risparmio di energia in quanto la comunicazione non è in corso. Il FACCH è utilizzato poco: serve solo per comunicazioni urgenti tra utente e rete, come la decisione di effetture l handover.

35 3.4. Mapping dei canali sui canali fisici 29 Canali di traffico I canali di traffico voce o dati si dividono in:. velocità piena: Full Rate Traffic Channel (TCH/F) a 22.8 kbit/s;. velocità dimezzata: Half Rate Traffic Channel (TCH/H) a 11.4 kbit/s. Il traffico ha le seguenti velocità: Voce Traffico Full rate 13kbit/s fino a 14.4kbit/s Half rate 6.5 kbit/s 2.4/ 4.8 kbit/s Normalmente per il traffico dati il massimo bit rate è 9.6kbit/s, ma a seconda della codifica di canale usata può cambiare. 3.4 Mapping dei canali sui canali fisici I canali di segnalazione di rete trasportano informazione per tutti gli utenti:. SCH, FCCH trasportano informazioni fisse;. BCCH informazioni che variano periodicamente. I segnali di controllo comuni (PCH, RACH, AGCH) trasportano informazioni in modo asincrono, sporadico mentre il SDCCH solo per periodi limitati. La frequenza portante su cui vengono trasmessi è sempre la C0:. FCCH e SCH usano sempre il time slot 0 (TS0) della C0 downlink;. BCCH, PCH, RACH, AGCH possono usare tutti gli slot pari della C0 downlink/uplink;. SDCCH usa se possibile TS0 oppure TS1. Per poter riconoscere la C0 tra le altre i TM la ricevono sempre con una potenza maggiore rispetto alle altre frequenze portanti. Dal punto di vista temporale:. i canali di segnalazione comuni vengono trasmessi periodicamente con periodicità fissa;. PCH, AGCH, SDCCH sono multiplati nel tempo (PCH è favorito per l importanza che riveste sulle prestazioni del sistema mentre SDCCH e AGCH si allocano solo su richiesta.

36 30 CAPITOLO 3. GSM Il mapping può cambiare da cella a cella e la possibile scelta viene effettuata dall operatore: il tipo di mapping adottato viene comunicato sul BCCH. La multitrama di segnalazione dura 51 trame: sono organizzate in 5 blocchi da 10 ad esclusione della 51 che viene lasciata libera. Un terminale impegnato sul TCH in una comunicazione effettua comunque delle misurazioni sulle BSS a lui vicine usando la trama libera della multitrama di traffico; siccome multitrame di controllo (51 trame) e multitrame di traffico (26 trame) hanno dimensioni prime fra loro le misurazioni effettuate risultano essere fatte su tutti gli slot TS0 della multitrama di controllo. 3.5 Procedure Le procedure in GSM sono:. registrazione all accesione;. roaming e location update;. chiamate;. handover;. procedure di spegnimento (detach). Registrazione Quando un TM è spento l IMSI è registrato presso il VLR come detach; se viene acceso si scandiscono le frequenze alla ricerca della portante C0 per:. sintonizzazione con FCCH;. sincronismo con SCH;. acquisizione delle informazioni importanti sulla rete (ad esempio il LAI) tramite BCCH. Se il LAI è uguale a quello memorizzato nel TM l IMSI viene registrato come attached tramite la procedura di IMSI-attach; seguono autenticazione, cifratura e invio al TM del nuovo TMSI. Se il LAI è diverso oppure non ne era stato memorizzato nessuno si esegue la procedura di first registration:. il TM richiede il location update inviando l IMSI;. il VLR segnala al HLR di aggiornare il puntatore e segna l IMSI come attached;

37 3.5. Procedure 31. il VLR invia al TM il nuovo TMSI con cui potrà autenticarsi in seguito. Normalmente l autenticazione viene effettuata inviando il TMSI ricevuto in precedenza: il VLR segna attached il dispositivo e invia al TM un nuovo TMSI utilizzabile per una nuova autenticazione. Roaming e location update Il TM misura le potenze delle C0 della propria BTS e delle BTS vicine; il cambiamento di cella è deciso dal TM e non viene avvertita la rete finchè non si cambia LA. Roaming in un area servita dallo stesso VLR I passi fondamentali sono:. il TM riceve un LAI diverso da quello memorizzato mediante BCCH;. il TM invia una nuova richiesta di accesso sul RACH;. la BTS, con AGCH, assegna un SDCCH al TM;. il TM invia richesta di location update mandando il vecchio LAI e il TMSI;. si effettuano l autenticazione e la cifratura (in questo ordine);. l MSC accetta la localizzazione, aggiorna il VLR e riassegna un nuovo TMSI al TM;. il TM conferma la ricezione del nuovo TMSI;. il BSC rilascia il SDCCH. Roaming in un area servita da VLR diversi I passi fondamentali in questo caso sono:. il TM riceve un LAI diverso da quello memorizzato mediante BCCH;. il TM invia una nuova richiesta di accesso sul RACH;. la BTS, con AGCH, assegna un SDCCH al TM;. il TM invia richesta di location update mandando il vecchio LAI e il TMSI;. l MSC contatta il vecchio VLR per ottenere i dati del TM (IMSI);. l MSC contatta l HLR per aggiornare il puntatore al nuovo VLR (per poter essere rintracciabili);

38 32 CAPITOLO 3. GSM. procedura di autenticazione e cifratura;. l HLR fa cancellare al vecchio VLR i dati del TM;. l MSC accetta la nuova localizzazione e assegna un nuovo TMSI al TM;. il TM conferma la ricezione del nuovo TMSI;. il BSC rilascia il SDCCH. Location Update Il location update in GSM è periodico, con periodo di un ora. Viene effettuato anche se il TM non cambia LA perchè può servire nel caso in cui un messaggio di IMSI-detach venga perso. In questo caso il VLR capisce che il TM è spento e ne aggiorna il puntatore segnandolo come detach. Chiamate I tipi di chiamata possono essere:. effettuata dal TM;. destinata al TM. Chiamate in uscita I passi fondamentali per effettuare una chiamata sono:. composizione del numero (MSISDN);. richiesta di accesso alla rete con RACH;. assegnazione di un canale da parte di AGCH al TM;. richiesta di servizio su SDCCH;. autenticazione e cifratura;. invio di un nuovo TMSI da parte del MSC;. con invio di messaggio sul SDCCH il TM inizia la procedura di setup;. assegnazione di un canale dedicato TCH da parte di MSC e BTS;. l MSC completa la chiamata;

39 3.5. Procedure 33. l MSC avvisa che il chiamato sta ricevendo la segnalazione (si sente il cellulare squillare);. avviso di risposta sempre dal MSC;. il TM connette la chiamata e si rilascia il SDCCH. Chiamate in entrata I passi fondamentali per descrivere il processo effettuato per la ricezione una chiamata sono:. composizione da parte di un utente del MSISDN del TM;. conoscendo l MSISDN la rete indirizza la chiamata verso un GMSC;. il GMSC determina l HLR del TM con MSISDN;. il GMSC invia al HLR del TM un messaggio con MSISDN del TM da chiamare;. l HLR con questa informazione determina l IMSI del TM e provvede a trovare presso quale VLR il TM è registrato in quel momento;. l HLR invia una richiesta di informazioni di roaming presso il VLR;. il VLR invia all HLR il MSRN (Mobile Station Routing Number, identificativo usato per instradare le chiamate);. l HLR lo invia al GMSC;. il GMSC instrada la chiamata verso l MSC più vicino al VLR del TM;. l MSC con l IMSI individua la LA del TM;. l MSC invia un messaggio di page verso la BSC che provvede a mandare il messaggio di paging verso tutte le BTS della LA;. ogni BTS effettua il paging sul PCH con il TMSI del TM;. il TM risponde a questi messaggi sul RACH con access burst;. viene assegnato un SDCCH con AGCH al TM della BTS;. autenticazione e cifratura. riallocazione del TMSI da parte di MSC e BTS;. assegnazione di TCH;. avviso del TM al MSC che il cellulare del chiamato squilla;

40 34 CAPITOLO 3. GSM. il TM avvisa l MSC che il chiamato risponde;. l MSC connette la chiamata sul TCH e conferma. Se il cellulare del chiamato è spento il VLR conosce questa informazione perchè il puntatore è segnato come detach. In questo caso non si invia il messaggio di page evitando tutta la parte successiva della procedura. Handover Ogni TM comunica alla rete misure relative all intesità e qualità del segnale: sulla base di queste misure ed altre effettuate dalle BTS, la BSC può decidere se e quando effettuare l handover. Procedura di Locating La procedura di locating è una procedura per la raccolta delle misure prima citate. Al TM vengono comunicati gli identificativi di 6 BTS su cui devono essere effetuate misurazioni delle portanti C0. Il TM deve misurare in downlink:. l intesità del segnale ricevuto su C0: misurazione RXLEVNCELL;. l intesità del segnale ricevuto su TCH: misurazione RXLEV;. la qualità del segnale ricevuto su TCH: misurazione RXQUAL. La BTS misura in uplink RXLEV e RXQUAL; inoltre valuta la distanza con il TM. Ad intervalli regolari il TM comunica le misure alla BSC. La BSC crea una lista ordinata su cui si inseriscono le BTS che forniscono le prestazioni migliori. Quando la BSC decide di effettuare l handover si sceglie la BTS in base alla lista; per evitare rimpalli (ping-pong) fra BTS precedente e nuova si associa una penalità alla prima. Motivi per effettuare handover L handover può essere fatto perchè i livelli di qualità dei segnali sono inferiori ad una certa soglia oppure nel caso in cui la distanza tra BTS e TM sia superiore ad una distanza predefinita. Anche quando il traffico su una cella è eccessivo si può ricorrere all handover, come nell eventualità che occorrano alla rete interventi di manutenzione alle stazioni base.

41 3.5. Procedure 35 Tipi di handover I tipi studiati sono:. intracella;. tra BTS con BSC diversi e MSC diversi (caso generale). Handover intracella Avviene da un canale di frequenze ad un altro, ma fra la stessa BTS. Può avvenire perchè:. RXQUAL è basso;. RXLEV è basso;. non ci sono BTS che possono servire meglio il TM. Handover fra BTS con BSC e MSC diversi Quando la BSC decide di effettuare handover contatta il vecchio MSC che a sua volta contatta quello nuovo; esso provvede ad effettuare l allocazione di un handover-number e lo comunica al vecchio MSC, il quale lo utilizza per l instradamento. Il nuovo MSC apre un nuovo circuito con la BSC che lo apre verso la BTS e prenota un nuovo TCH. A questo punto il vecchio MSC viene avvertito e la vecchia BSC ordina al TM di sintonizzarsi con il FACCH sul nuovo TCH. Il TM cambia TCH e il vecchio MSC commuta la chiamata con successivo rilascio del vecchio circuito. Prima di usare il nuovo canale TCH viene mandato un messaggio con RACH per far calcolare il nuovo Timing Advance da usare nella comunicazione. Procedura di detach Il TM invia un messaggio con richiesta di spegnimento (IMSI-detach) e come immediata conseguenza il VLR aggiorna il puntatore come inattivo, detach. Di questa operazione la rete non invia riscontri (ACK) all utente e neppure l HLR riceve comunicazione. Nel caso si perda l IMSI-detach si è già parlato delle azioni intraprese dalla rete nella sezione di location update.

42 36 CAPITOLO 3. GSM

43 Capitolo 4 GPRS Considerazioni generali GPRS (Global Packet Radio Service) estende GSM per trasmissione di dati; la modalità di trasmissione è a pacchetto e, rispetto a GSM, introduce una tariffazione in base alla mole di dati scambiati anzichè sul tempo di utilizzo delle risorse di rete. Può interfacciarsi con qualsiasi rete a pacchetto come IP e supporta applicazioni che richiedono qualità del servizio QoS (Quality of Service) anche se a livello pratico questo aspetto non riveste una particolare importanza. GPRS è studiato espressamente per applicazioni di tipo transizionale e trasferimento di dati in due modalità:. trasmissione di dati discontinua frequente, con dimensione dei pacchetti inferiore a 500Byte;. trasmissione sporadica con dati di alcuni kbyte. Applicazioni I possibili utilizzi pratici in cui GPRS trova applicazione sono:. gestione delle flotte commerciali;. transazioni commerciali e finanziarie;. logistica e approvvigionamento;. allarmistica e telesorveglianza senza requisti di urgenza (ma se implementato in notturna con la rete IP scarica il servizio è offerto con buona qualità);. supporto di terminali con WAP. 37

44 38 CAPITOLO 4. GPRS WAP Il WAP (Wirelss Application Protocol) è nato sulla spinta di alcune casi produttrici di dispositivi cellulari come Nokia, Motorola ed Eriksson per garantire ai propri clienti che i contenuti web fossero disponibili sui terminali mobili in modo appropriato. WAP è praticamente un protocollo di traduzione e conversione da formato HTML in formato consono per gli apparecchi cellulari. Architettura di rete GPRS sfrutta l infrastruttura di rete fisica di GSM, ma sovrappone una rete logica in cui si introducono due nuovi nodi di rete, routers, in quanto la modalità di trasmissione è a pacchetto. I nuovi nodi sono:. SGSN (Service GPRS Support Node): svolge le funzioni del MSC;. GGSN (Gateway GPRS Support Node): connette la rete GSM con le altre reti a pacchetto; svolge le funzioni analoghe al GMSC. Per consentire la registrazione delle informazioni degli utenti si estende l HLR con un GPRS Register (GR) e, per garantire il passaggio di traffico a pacchetto, le BSS sono integrate con una PCU (Packet Control Unit). A differenza di GSM il terminale mobile ha tre stati operativi: ready, idle, stand-by e le Location Areas (LA) vengono divise in Routing Areas (RA) che deventano la base per la localizzazione degli utenti. GPRS e GSM devono coesistere quindi le celle non sono separate, ogni RA contiene più celle (e ogni LA contiene più RA), le BTS sono comuni a LA e RA e si utilizzano le stesse portanti e frequenze. Si precisa, però, che la priorità di traffico è data alla voce. Gli utenti vengono divisi in tre classi; a seconda del tipo di accesso che possono fare si distinguono:. utenti di classe A: possono accedere simultaneamente a GPRS e GSM;. utenti di classe B: possono accedere simultaneamente, ma con qualità e velocità ridotte;. utenti di classe C: non possono accedere simultaneamente. L architettura protocollare è simile a GSM, ma poichè la rete a commutazione di pacchetto, presenta molti aspetti comuni con la pila ISO/OSI; pur essendo disomogenea tra entità di rete diverse cerca di essere compatibile con UMTS.

45 39 Canali Canali logici In GPRS non è presente la limitazione di uno slot per trama per utente e i canali sono monodirezionali senza realazione tra uplink e downlink come accade in GSM. Elenco dei canali:. PBCCH: Packet BCCH;. PRACH: Packet RACH;. PPCH: Packet PCH;. PAGCH: Packet AGCH;. PDCH: Packet Data Channel, canale di traffico dati;. PACCH: Packet ACCH, è associato ad un canale dati asincrono come FACCH. Nelle celle con traffico trascurabile GPRS i canali di segnalazione comuni, come i primi quattro, sono condivisi con GSM; inoltre gli utenti devono comunque essere in grado di sentire e ricevere i canali broadcast GSM. Canali fisici L organizzazione è molto simile a GSM, la tramatura e l accesso a burst sono uguali; la multitrama è composta da 52 trame di 8 slot (26 2) di cui 48 (12 blocchi da 4 burst) sono dedicate al traffico e 4 per la segnalazione: in particolare per trasmettere informazioni sul timing advance. L unità base è il blocco radio: 4 burst lo formano ed è la quantità di dati minima che si può trasferire. Procedure Richiesta di trasferimento dati in uplink L utente inizia la richiesta sul PRACH con un Packet Channel Request; la rete risponde sul PAGCH con un Packet Uplink Assignment che alloca 8 radioblocchi. Per ottenere quantità diverse di risorse occorre completare la procedura con una parte opzionale in cui l utente invia sul PACCH una richiesta di Packet Resource Request e la rete risponde sempre con una Packet Uplink Assignement inviata ancora sul PACCH.

46 40 CAPITOLO 4. GPRS Richiesta di trasferimento dati in downlink In questo caso è la rete che inizia la comunicazione con un Packet Paging Request inoltrato sul PPCH a cui l utente risponce con una richiesta di Packet Channel Request inviata sul PRACH; si assegnano 8 radioblocchi anche in questo caso con un invio di Packet Uplink Assignment sul PAGCH. Come nel caso precedente per cambiare quantità di risorse si utilizzano le richieste di Packet Resource Request e la rete risponde nuovamente con una Packet Uplink Assignment: tali richieste e risposte sono inviate sul PACCH. Si conclude la procedura con la richiesta dell utente Packet Paging Response e la Packet Downlink Assignment scambiate sul PACCH. Dopo queste procedure tuttavia gli utenti possono ancora trasferire dati: occorre un ok dalla rete. Ogni blocco radio in downlink inizia con 3 bit definiti USF (Uplink Status Flag) che definiscono l assegnazione di un blocco radio uplink per un utente. Dopo le allocazioni nominali un utente può trasmettere effettivamente a partire dal blocco B x solo se nel blocco B x 1 downlink è stato tramsesso l USF con il suo ID. Infatti una volta stabiliti gli slot con le procedure descritte in precedenza, queste risorse sono riservate: gli utenti si pongono in ascolto sul canale e se leggono il loro ID possono trasmettere nel blocco successivo. Instradamento e mobilità L instradamento avviene su base RA anzichè LA e per gestire questa diversità rispetto a GSM si usano protocolli di tunnelling. L instradamento sulla rete fissa cambia solo se viene modificato l SGSN perchè se più RA sono collegate con lo stesso SGSN ciò influenza solo il paging. La mobilità è gestita in modo molto simile a GSM, durante un handover è possibile che il flusso di dati si interrompa come può accadere di perdere una telefonata per mancanza di risorse. Esistono differenti comportamenti sulla base degli stati degli utenti:. se è in stato ready effettua l handover ogni cambio di cella anche se non sta trasmettendo;. se è in stato di stand-by viene effettuato un aggiornamento ogni volta che si cambia RA;. in stato idle invece gli utenti eseguono le normali procedure in base LA.