Introduzione alle Reti Mobili

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1 Introduzione alle Reti Mobili Università di Parma - Appunti del Corso di Telematica A. Lazzari, Giugno 2000 SOMMARIO 1. PRINCIPI GENERALI DELLE RETI MOBILI INTRODUZIONE LA RETE D ACCESSO: IL CONCETTO CELLULARE FUNZIONAMENTO DI UNA RETE CELLULARE Capacità di traffico Gestione della mobilità RETI ANALOGICHE DI 1 A GENERAZIONE IL SISTEMA GSM STORIA E STANDARDIZZAZIONE SERVIZI FORNITI DA GSM ARCHITETTURA DI RETE L'utente mobile e la stazione mobile (MS) Base Station Subsystem e interfaccia radio La Rete primaria SVILUPPI RECENTI DI GSM Servizi Dati SISTEMI DI TERZA GENERAZIONE: DA GSM A UMTS...19

2 1. Principi generali delle Reti Mobili 1.1 Introduzione Chiamiamo rete mobile una rete geografica i cui i nodi terminali sono mobili, ossia possono accedere al servizio mentre sono in movimento su un punto qualsiasi del territorio servito (area di copertura) 1. Una rete di questo tipo serve una popolazione di stazioni mobili (i comuni telefonini) su un'area di copertura che appartiene alla superficie terrestre 2. A parte la mobilità, il servizio è lo stesso di cui usufruisce il nodo terminale di una rete fissa. Quindi nel caso della telefonia, che è il tipo di servizio più diffuso e a cui si farà riferimento implicitamente nel seguito, l'utente riceve un servizio commutato punto-punto. Siamo quindi in un contesto diverso da quello di alcune reti per servizi speciali (radiotaxi, polizia ecc.) in cui la comunicazione è di tipo uno-a-molti (la centrale parla e tutti ascoltano). Una rete mobile comprende due parti fondamentali: 1. Una rete primaria ( core network ), basata su centri di controllo che sono nodi funzionanti a commutazione di circuito collegati alla rete telefonica fissa (PSTN). 2. Una rete d'accesso basata sull'uso di canali radio. Questa costituisce la parte più tipica del sistema. Queste reti hanno quindi una parte d'accesso che usa trasmissione radio e sono dette comunemente Reti Radiomobili. 1.2 La rete d accesso: il concetto cellulare La trasmissione via radio è usata comunemente nelle reti di telecomunicazione per ottenere giunzioni, realizzando dei ponti radio in cui due stazioni fisse comunicano in modo punto-punto mediante antenne fortemente direzionali. Nel caso delle reti mobili si ha una stazione base, fissa, che comunica con il mobile. Dato che la posizione relativa può essere qualsiasi sia in termini di distanza che di direzione, sia il mobile che 1 Il terminale deve potersi spostare su un punto qualsiasi di tutta l'area servita. Un telefono di tipo cordless è vincolato a rimanere in connessione con la propria centrale locale e non rientra pertanto in questo tipo di servizio. 2 Le località fuori costa (navi in navigazione) e i punti elevati sulla superficie terrestre (aerei in volo) sono fuori copertura. Non sono quindi serviti da questo tipo di reti. pag. 2 Reti Mobili - Un Introduzione

3 la stazione base devono usare antenne omnidirezionali realizzando così una trasmissione di tipo diffusivo. Si aggiunga a ciò il fatto che la distanza fra i due non è costante e che durante il movimento del mobile possono frapporsi ostacoli di vario tipo, per rendersi conto che i problemi sono diversi e più complessi di quelli che si hanno nella realizzazione di un ponte radio. Per quanto riguarda il fatto che occorre dare a ogni mobile un canale trasmissivo distinto, si trasmette dalla stazione base un segnale di una data frequenza portante per un dato mobile, una seconda portante per un altro mobile e così via, fino ad esaurire eventualmente la banda di frequenze a disposizione. La trasmissione da stazione base a mobile è detta di tipo downlink, quella nel verso opposto da mobile a base è detta uplink. Anche nel verso uplink ogni mobile trasmette su una frequenza sua propria, per cui si ha in definitiva una banda di frequenze utilizzate in un verso, una banda di uguale ampiezza utilizzata nel verso opposto. Chiaramente l'approccio ora visto non permette di ricoprire grandi distanze (le potenze trasmissive sono limitate) né di servire un gran numero di utenti (la banda disponibile è limitata, dell'ordine di qualche centinaio di canali). Entrano in gioco allora due concetti fondamentali: la suddivisione in celle del territorio e la riutilizzazione delle frequenze. A uplink downlink B centro di controllo PSTN STAZ BASE 1 C STAZ BASE 3 STAZ BASE 2 D STAZ BASE 4 Figura 1 - Principio di funzionamento di una rete cellulare La Figura 1 illustra lo schema di massima di una rete cellulare. Ogni stazione base è collegata con un circuito punto-punto al centro di controllo, quest ultimo mette le stazioni base in comunicazione fra loro e tutto il sistema con la rete telefonica fissa. Una cella è una porzione di territorio servita da una stazione base, nell esempio della figura gli utenti A e B sono in contatto radio con la stazione base N.1 e quindi si trovano nella cella N.1, l utente C si trova nella cella N.2, l utente D, essendo fuori del raggio d azione di qualsiasi stazione base, è fuori copertura. All'interno di una cella viene utilizzata solo una parte delle frequenze disponibili. Reti Mobili - Un Introduzione pag. 3

4 La Figura 2 illustra una parte di territorio suddivisa in 14 celle 1. Al centro di ogni cella è rappresentata una stazione base. Le stazioni base sono disposte in modo da rendere il più uniforme possibile la distanza fra il perimetro e il centro della cella e facendo in modo che fra le celle non ci siano discontinuità. Si ottiene ciò disponendo celle di forma esagonale e collocando al centro di ogni cella una stazione base equipaggiata con antenna omnidirezionale (ossia con apertura di 360 nel piano orizzontale). Un mobile che si trova in una cella comunica con la stazione base di quella cella; quando passa in una cella adiacente comunica con la stazione base della nuova cella. Figura 2 - Suddivisione del territorio in celle Per evitare interferenze non si può usare la stessa frequenza in due celle contigue. Pertanto all'interno di una cella il gestore di una rete può utilizzare solo una parte delle frequenze disponibili. Le stesse frequenze sono però riutilizzabili in celle non adiacenti e sufficientemente distanti. Avendo quindi a disposizione un dato numero di frequenze occorre distribuirle su un certo numero di celle in modo da rispettare queste condizioni. L'insieme di celle contigue all'interno delle quali vengono distribuite tutte le frequenze disponibili è detto cluster. La Figura 3 mostra ad esempio un cluster costituito da 7 celle, numerate da 1 a 7. Con questa configurazione le frequenze disponibili verranno suddivise in sette gruppi: nella cella N. 1 si userà un primo gruppo di frequenze, nella cella N. 2 un secondo gruppo e così via. Nei cluster adiacenti a quello evidenziato l'allocazione delle frequenze riprenderà con lo stesso criterio e così per il resto della rete. In definitiva nelle celle N. 1 di tutti i cluster si useranno le stesse frequenze, lo stesso vale per le celle N. 2 di tutti i cluster e così via. Celle in cui si usano le stesse frequenze sono dette celle isofrequenziali. Con l'organizzazione a cluster tutte le celle che hanno la stessa posizione nel cluster (ad esempio tutte le celle N. 5) sono isofrequenziali. 1 Questo schema è solo esemplificativo. Il numero di celle necessario in una rete a copertura nazionale è dell'ordine delle migliaia o decine di migliaia. pag. 4 Reti Mobili - Un Introduzione

5 R D Figura 3 - Cluster di celle Finora si è supposto che le stazioni base siano collocate nel centro delle celle. In tal modo occorre installare un sito (ossia una stazione base completa di ricetrasmettitori, sistema d'antenna, alimentazione ecc.) in ogni cella. In pratica si preferisce spesso, per economizzare sul numero di siti, raggruppare più stazioni in un unico sito piazzandole in un vertice comune a tre celle (Figura 4). Con questa soluzione si realizzano delle celle cosiddette corner excited (in contrapposizione alla soluzione precedente in cui le celle sono di tipo center excited). In questo caso le antenne non sono più omnidirezionali ma hanno un'apertura di 120. Ogni pallino nero rappresenta un sito, comprendente tre stazioni base con antenne di apertura 120. Figura 4 - Celle corner excited L'adozione di celle corner excited comporta anche diverse configurazioni dei cluster, che avrà le celle raggruppate tre a tre. Ad esempio nella Figura 5 è illustrato il cluster a 9 celle di uso comune nelle attuali reti GSM. Reti Mobili - Un Introduzione pag. 5

6 Figura 5 - Cluster di celle corner excited della rete GSM 1.3 Funzionamento di una rete cellulare Capacità di traffico. L'impossibilità di utilizzare in celle adiacenti le stesse frequenze è dovuta a problemi di interferenza. Il rapporto S/I (Segnale/Interferenza)fra il segnale S che arriva al mobile dalla sua stazione base e la somma I dei segnali che arrivano al mobile - alla stessa frequenza portante - da altre stazioni base deve essere superiore a una certa soglia. Questi segnali interferenti sono sempre presenti poiché il segnale propagato si attenua con legge esponenziale man mano che ci si allontana dalla sorgente; tende quindi a zero in modo asintotico senza annullarsi completamente. Questo fenomeno è detto interferenza isofrequenziale (o interferenza co-canale - cochannel interference). Distanziando opportunamente le sorgenti si riesce comunque a controllare il fenomeno ottenendo un rapporto S/I sufficientemente alto. Supponendo di aver fissato il raggio R delle celle, resta determinata la potenza S dei trasmettitori: essa dev'essere tale che sul perimetro della cella il mobile riceva un segnale sufficiente. Fissato il rapporto S/I risulta nota allora la distanza D a cui devono essere poste le celle isofrequenziali. Ci si può chiedere a questo punto qual è il numero N di celle che compongono il cluster. Semplici considerazioni geometriche portano alla relazione: D R = 3N Il rapporto D/R si chiama fattore di riuso e caratterizza la capacità di smaltire traffico di una data rete cellulare. Un gestore, avendo a disposizione un certo numero di frequenze, deve suddividerle in N gruppi: quanto maggiore è il fattore di riuso tanto maggiore sarà il numero di celle per cluster e quindi in ogni cella si avranno a disposizione meno frequenze (e quindi meno conversazioni contemporanee). Il numero di conversazioni contemporanee per unità di superficie territoriale può essere aumentato - a parità di tutte le altre condizioni - diminuendo le dimensioni della cella; ma ciò implica un maggior numero di siti e maggiori costi. È chiaro comunque che per servire un'utenza pag. 6 Reti Mobili - Un Introduzione

7 sempre più densa si deve a un certo punto aumentare il numero di celle sul territorio. Questo fatto è comune: in città si hanno celle piccole, in campagna celle grandi Gestione della mobilità. Sebbene una rete cellulare sia di massima simile a una rete fissa, esistono alcuni aspetti specifici - legati alle caratteristiche del mezzo fisico radio e al fatto che l'utente è mobile - che richiedono funzionalità di supervisione aggiuntive. In particolare il primo aspetto comporta che si cerchi di sfruttare la capacità trasmissiva in aria nel modo più efficiente possibile, allocandola a un mobile solo quando questo ne ha stretto bisogno e rilasciandola non appena possibile. A differenza di quanto avviene in una rete fissa, un terminale d utente non ha quindi sempre a disposizione dei canali di servizio su cui mandare o ricevere la segnalazione, ma questi gli vengono assegnati solo quando servono. Quanto al secondo aspetto è chiaro che la corrispondenza biunivoca fra l utente e il corrispondente punto d attacco in centrale (per la rete telefonica l utente è il doppino) qui non ha più senso: l identità è associata in modo fisso solo al mobile, che se la porta in giro attraverso la rete. Vediamo ora in modo sommario le funzionalità essenziali di una rete cellulare Affiliazione Quando un mobile viene attivato (il telefonino viene acceso), oppure quando si passa da una zona non coperta a una zona coperta ci si deve notificare alla rete. Per questo il mobile trasmette la propria identità alla stazione base della cella in cui si trova. Questa trasmissione avviene su canali di servizio presenti in ogni cella e che ovviamente utilizzano una delle frequenze di quella cella. Il primo problema sarà allora sintonizzarsi sulla frequenza appropriata. A questo punto osserviamo un fatto che dovrebbe essere evidente, ma che è utile ricordare: il mobile è sempre in grado di riconoscere tutte le frequenze usate nella rete. L affiliazione alla rete avviene allora nel modo seguente 1 : 1. Ogni stazione base irradia in continuazione un canale (canale irradiato, di tipo broadcast, trasmesso in verso downlink) che contiene informazioni relative a quella cella; 2. Il mobile spazza tutte le frequenze e, fra tutti i canali broadcast che riesce a sentire (e che provengono da diverse stazioni base), sceglie quello di qualità migliore: quella è la sua cella; 3. Dalle informazioni ottenute sul canale irradiato il mobile ricava l accesso a un canale uplink su cui invia la propria identità; 1 Lo schema qui illustrato è solo esemplificativo. La procedura esatta dipende dal tipo di rete (AMPS, GSM, ). Questa riserva vale anche per le rimanenti funzioni di supervisione. Reti Mobili - Un Introduzione pag. 7

8 4. L informazione è acquisita dalla centrale di commutazione che ha competenza suo quella zona Selezione cella Dopo essere stato affiliato il mobile attivo (ma che non parla) può cambiare cella; il cambiamento di cella consiste nell'aggiornare la frequenza di ricezione. Questo aggiornamento avviene ascoltando in continuazione i canali irradiati e sintonizzandosi sulla frequenza che si riceve meglio, secondo quanto visto al punto 2. del paragrafo precedente. Il punto in cui ciò avviene è determinato dall'intensità dei segnali provenienti dalle stazioni e costituisce il confine fra le celle. Questo confine è dunque qualcosa di labile, nel senso che non è un punto rigidamente fisso sul terreno ma varia di volta in volta a seconda di come il segnale si propaga e di come è ricevuto dal mobile. Il fatto che sia stata selezionata una nuova cella rimane noto solo al mobile. Solitamente la rete viene avvisata solo quando il mobile passa da un'area ("location area", comprendente molte celle) a un'altra Paging La funzionalità di paging 1 serve a raggiungere un mobile che deve essere allertato per qualche motivo. È questa la tipica situazione di una chiamata che arriva al mobile. Il paging viene effettuato su iniziativa della centrale di commutazione che emette un comando a tutte le stazioni base di una certa area in cui si suppone che si trovi il mobile. Ogni stazione base effettua il paging mandando su un canale irradiato un messaggio indirizzato al mobile cercato. Tutti i mobili attivi della cella ricevono il messaggio, solo il destinatario risponde. Se dopo alcuni tentativi di paging il destinatario non risponde (terminale spento oppure fuori copertura) viene dichiarato fuori rete e per poter nuovamente comunicare dovrà ripetere la procedura di affiliazione Handover Nel passare da una cella a un'altra un mobile che ha una chiamata in corso deve terminare la comunicazione con la vecchia stazione base e mettersi in contatto con la nuova stazione base. Il tutto avviene "al volo", senza che l'utente se ne renda conto, disconnettendo quindi un circuito fra il mobile e la vecchia base e connettendone immediatamente un altro con la nuova base. Questa funzione si chiama handover (handoff per gli americani) ed è caratteristica di tutti i sistemi cellulari. La Figura 6 schematizza il funzionamento. Il mobile, - che ha una chiamata in corso - sta passando dalla cella A alla cella B. Durante tutta la chiamata il mobile tiene sotto controllo i segnali broadcast che arrivano dalle celle circostanti, ne misura il livello e invia periodicamente il risultato della misura alla propria stazione base. La stazione base inoltra questa misura al proprio 1 to page in inglese significa convocare qualcuno chiamandolo ad alta voce fuori da un gruppo. pag. 8 Reti Mobili - Un Introduzione

9 controllore (questo invio non è rappresentato in figura. Il controllore potrebbe essere ad esempio la centrale di commutazione a cui è collegata la stazione base) A Stazione base MISURA COMANDO controllore COMANDO B Stazione base Il mobile trasmette continuamente attraverso la propria stazione base A le misure dei segnali ricevuti dalle celle contigue. Il controllore decide che la nuova cella è B, quindi riserva un canale in B e manda gli opportuni comandi al mobile e alle due stazioni base. Figura 6 - Schema di handover Il controllore tiene sotto osservazione le misure provenienti dal mobile. Quando dal loro andamento nel tempo risulta che tocca alla stazione base B di servire il mobile, viene mandato un comando sia ad A che a B. In seguito a questo comando A comanda al mobile di sintonizzassi su una certa frequenza della cella B, e quindi libera il circuito in aria usato dal mobile. B connette un circuito verso il controllore con un circuito in aria che avrà predisposto, il mobile si sintonizzerà su questo nuovo circuito. Il controllore infine provvederà a disconnettere il circuito con A e commutare la chiamata su quello con B. A questo punto la voce segue il percorso mobile-bcontrollore- rete fissa e l'handover è completato. 1.4 Reti analogiche di 1 a generazione È convenzione classificare l'introduzione delle reti cellulari - la cui diffusione risale a meno di 20 anni - in tre fasi successive cui corrispondono altrettante generazioni di rete, caratterizzate di massima dalle seguenti proprietà: 1. Reti di 1 a generazione. Sono reti analogiche; per servizio esclusivamente voce; permettono di ricevere servizio solo dal proprio gestore; non hanno funzionalità di riservatezza. Attualmente sono in progressivo declino. In Italia il sistema TACS rientra in questa categoria. 2. Reti di 2 a generazione. Sono completamente numeriche; forniscono servizio per voce e per dati; permettono a un utente di essere servito entrando in aree ricoperte da altri gestori (funzionalità di roaming); preservano la riservatezza crittografando l'informazione trasmessa via radio. Le attuali reti GSM rientrano in questa categoria. 3. Reti di 3 a generazione. Costituiscono un'evoluzione delle reti GSM e forniscono servizi mobili multimediali (oltre alla voce: gestione di , avvisi in tempo reale, navigazione Internet, localizzazione del mobile e simili). Il sistema più noto è detto Universal Mobile Telecommunications System (UMTS) e la sua entrata in servizio è prevista fra 2-3 anni. Reti Mobili - Un Introduzione pag. 9

10 Advanced Mobile Phone Service (AMPS) è stata la prima rete telefonica cellulare analogica, introdotto da AT&T nel 1983 e usata negli Stati Uniti. AMPS usa frequenze nella banda MHz per la trasmissione downlink e MHz per la trasmissione uplink. La banda è divisa in canali da 30 khz mediante tecniche a divisione di frequenza (FDMA). Nordic Mobile Telephone (NMT) è stata la prima rete cellulare europea a copertura nazionale, entrata in servizio nel 1984 nei paesi scandinavi nella versione NMT 450 (operante cioè nella banda attorno a 450 MHz). Una versione più recente è NMT 900. Total Access Cellular System (TACS), introdotto nel 1985, opera nella banda di frequenze di 900 MHz (la stessa di GSM). 2. Il Sistema GSM 2.1 Storia e Standardizzazione All inizio degli anni 80 la Conference Européenne des administration des Postes et des Télécommunications (CEPT) istituì il Groupe Spéciale Mobile (GSM), con il compito di definire un sistema cellulare paneuropeo di seconda generazione. Nel 1989 venne fondato lo European Telecommunications Standards Institute (ETSI) che prese in carico la maggior parte delle attività tecniche di CEPT e in cui confluì quindi il gruppo GSM. Nel 1993, tenendo conto dell interesse suscitato dal sistema a livello mondiale, l'attività di specifica fu allargata ad altri Enti anche extraeuropei, il comitato tecnico di ETSI venne ribattezzato Special Mobile Group (SMG) 1 e la sigla GSM passò a indicare il sistema cellulare assumendo così l'attuale significato di Global System for Mobile communications. Le specifiche GSM si sono accresciute per Fasi. La prima versione funzionante di specifiche è la versione 3 (apparsa nel 1991) che è stata chiamata Fase 1 e corrisponde a un insieme minimo di funzionalità. Nel 1993 vengono emesse le specifiche di Fase 2, corrispondenti alla versione 4 delle specifiche. A partire dal 1996 inizia la Fase 2 plus, che è emessa a cadenza annuale sotto forma di versioni successive. Si ha così la versione 5, seguita dalla versione 6 nel 1997 e così via fino alla versione 8 del A questo punto il gruppo SMG viene sciolto e confluisce nel Third Generation Partnership Project (3GPP) avente lo scopo di definire il sistema di terza generazione. I lavori di specifica sul sistema GSM sono sostanzialmente conclusi. 2.2 Servizi forniti da GSM GSM è una rete pubblica numerica ISDN di tipo multiservizio, anche se la sua funzione di gran lunga più utilizzata è quella per il servizio voce. Dall ISDN fissa deriva i concetti di servizi portanti, teleservizi e servizi supplementari e il modello di protocolli basato su User Plane e Control Plane. 1 In inglese. pag. 10 Reti Mobili - Un Introduzione

11 2.3 Architettura di Rete Una rete GSM è classificata come una rete mobile terrestre pubblica (Public Land Mobile Network - PLMN) e serve una popolazione di stazioni mobili (Mobile Station - MS). Comprende una rete d'accesso radio che utilizza una banda trasmissiva nella frequenza intorno a 900 MHz e una rete primaria a commutazione di circuito a 64 kbit/s. Questo sistema è noto come GSM 900. Esiste poi una versione più recente utilizzante una rete d'accesso nella banda 1800 MHz e detta inizialmente DCS 1800, ma nota ora con la denominazione di GSM La Figura 7 illustra l architettura generale evidenziando i principali elementi di rete: la stazione mobile MS, la rete d accesso (RAN) basata sul sottosistema BSS, la rete primaria basata sulla centrale di commutazione (MSC) e sui registri HLR e VLR che contengono la base dati degli utenti mobili. Um (interfaccia aria) BTS BTS Stazione Base CONTROLLORE BSC HLR A VLR CENTRALE DI COMMUTAZIONE MSC MS MOBILE BTS BSS RETE FISSA ( RAN ) Figura 7 - Architettura del sistema GSM L'utente mobile e la stazione mobile (MS) Un sistema GSM fornisce servizio agli abbonati, qualsiasi sia la loro posizione all'interno di una zona di servizio, definita da un operatore o da più operatori fra i quali siano stati istituiti degli accordi reciproci. Per ottenere ciò l'utente utilizza una stazione mobile che ha la caratteristica di essere costituita da due elementi separabili: 1. Un apparato mobile che fornisce le funzionalità di trasmissione radio e logiche necessarie a comunicare con la rete; 2. Una scheda amovibile chiamata Subscriber Interface Module (SIM) che contiene le caratteristiche dell'abbonato, in particolare la sua identità definita dal codice detto International Mobile Subscriber Identity (IMSI). Reti Mobili - Un Introduzione pag. 11

12 Quando si parla di mobile in una rete GSM si intende quindi l'insieme formato dall'apparato e dalla SIM card. IMSI è un codice che identifica univocamente un contratto d'utenza (ossia una SIM card) e non deve essere confuso col numero d'abbonato. Il numero d'abbonato (quello che si compone per chiamare l'utente) è associato alla SIM card ma non in maniera univoca (un utente potrebbe avere più numeri, ad esempio uno per servizio voce e uno per servizio dati) Base Station Subsystem e interfaccia radio. La rete d'accesso radio (RAN) è costituita da stazioni base dette Base Transceiver Station (BTS). A ogni BTS corrisponde una cella e viceversa. Una BTS comprende uno o più ricetrasmettitori chiamati TRX; si ha un TRX per ogni portante usata in quella cella. Più BTS di una certa zona comunicano con un Base Station Controller (BSC). Un BSC controlla un certo numero di stazioni radio (BTS, quindi di celle) ed è collegato mediante giunzioni di tipo convenzionale (E1) a un nodo di commutazione della rete primaria (MSC). L'insieme di un BCS e delle BTS ad esso collegate costituisce un Base Station Subsystem (BSS). La rete d'accesso (RAN) di un sistema GSM è formata da più BSS (Figura 7). L'interfaccia radio è l'interfaccia fra il mobile e la BTS. Per analogia con l'isdn terrestre, in cui al rilegamento d'utente competerebbe il punto di riferimento U, questa interfaccia è indicata con la sigla Um (dove il suffisso m sta per "mobile"). Similmente a ISDN, all'interfaccia Um sono presenti uno user plane e un control plane su cui corrono dei protocolli organizzati in tre strati Risorse radio e canali radio Ogni portante GSM usa una banda trasmissiva di 200 khz. GSM 900 utilizza le frequenze nella banda MHz per il verso uplink e MHz per il downlink, fornendo un massimo di 124 portanti (i valori di frequenza estremi sono esclusi). GSM 1800 utilizza la banda MHz in uplink e MHz in downlink, fornendo un massimo di 374 portanti. Il sistema PCS 1900 (variante USA del GSM) usa le bande e MHz per un massimo di 298 portanti GSM 900, che ha minore attenuazione, si presta meglio a ottenere celle più grandi ed è quindi più adatto nelle aree rurali. I gestori italiani utilizzano entrambe le bande: GSM 900 per la copertura di base, GSM 1900 per le aree urbane. L'interfaccia radio utilizza una stessa portante per più mobili mediante uno schema a divisione di tempo detto Time Division Multiple Access (TDMA). Il segnale di una portante radio è organizzato in trame trasmissive (trame TDMA). In GSM una trama TDMA è costituita da otto intervalli di tempo e può fornire quindi otto canali numerici multiplati a divisione di tempo; chiamiamo canali fisici questi canali. In definitiva all'interfaccia radio si usa una combinazione delle due tecniche di divisione di frequenza (FDMA) e divisione di tempo (TDMA). All'interfaccia Um si adotta una modalità trasmissiva chiamata frequency hopping. Essa consiste nel far sì che la trasmissione di un dato canale avvenga utilizzando una portante in una certa trama TDMA, una portante diversa nella trama successiva e così via fino a sfruttare più portanti (di solito fino a 4-5) fra quelle disponibili nella cella. Il salto di frequenza avviene una volta per trama in un mobile, otto volte per trama in una BTS. Lo scopo è di compensare differenze di qualità fra le diverse frequenze, migliorando la qualità globale della trasmissione. pag. 12 Reti Mobili - Un Introduzione

13 Le trame TDMA (Figura 8) sono organizzate in una struttura di multitrama. I bit trasmessi negli intervalli di tempo sono organizzati in canali logici. Un canale logico può coincidere o non con un canale fisico. I canali logici presenti in un certo intervallo di tempo dipendono non solo dalla posizione dell'intervallo di tempo all'interno della trama, ma anche dalla posizione della trama all'interno della multitrama 1. Figura 8 - Struttura trasmissiva all'interfaccia Um SACCH (Slow Associated Control Channel) è un canale associato a ogni canale di traffico e serve per portare informazioni di controllo, principalmente misure radio per effettuare handover, e messaggi SMS. A ogni canale di traffico TCH è associato un SACCH (bidirezionale). Nella multitrama da 26 trame (Figura 8) le trame 0-24 portano canali di traffico, la trama 25 porta i SACCH. La trama 12 è vuota. In totale si hanno 24 trame utili di traffico. FACCH (Fast Associated Control Channel) non è d altra parte un canale associato vero e proprio, ma indica un uso alternativo del canale TCH. Questo uso non provoca problemi in fase di connessione e disconnessione, quando la chiamata non è in fase di conversazione e il FACCH è usato per portare la segnalazione d utente. Interferisce invece con il traffico durante la conversazione, in questo caso si dice che FACCH ruba la capacità a TCH e questo fatto è segnalato dalla presenza dello stealing bit (che è il 58esimo bit degli encrypted). Questo fatto si verifica in fase di handover quando c è bisogno di una segnalazione veloce e il traffico utile deve comunque essere brevemente interrotto. Non tutti i canali logici hanno la stessa capacità, di conseguenza un intervallo di tempo può portare un canale o un aggregato di più canali logici, a seconda del tipo. Fra i diversi aggregati di canali logici che è possibile trovare in un intervallo di tempo, alcuni importanti sono: Un TCH (Traffic CHannel): canale di traffico, esiste nello user plane ed è presente sia in uplink che in downlink. 1 Un meccanismo simile esiste anche nelle giunzioni numeriche della telefonia "classica", dove più trame di un flusso E1 sono organizzate in supertrame in modo da portare, nel 16 intervallo di tempo, più canali di segnalazione associata. Reti Mobili - Un Introduzione pag. 13

14 Due TCH/H (Traffic Channel/Half rate). TCH/F è un canale di traffico di capacità uguale alla metà del precedente (che è spesso indicato come TCH/F - Full rate). Otto SDCCH (Stand-alone Dedicated Control CHannel). Canali destinati a portare informazioni di controllo fra mobile e rete, in modo punto-punto. Un BCCH (Broadcast Control CHannel). Canale di controllo irradiato da BTS (esiste quindi solo in downlink) e condiviso da tutte le stazioni. Un RACH (Random Access CHannel). Canale di controllo di tipo multiaccesso condiviso da tutte le stazioni e ricevuto da BTS (solo in uplink, è un poco il simmetrico di BCCH). I canali di traffico (TCH) sono allocati su base chiamata dalle centrali di commutazione. Servono a trasportare voce digitalizzata oppure per fornire servizi portanti commutati a circuito (per trasmissione dati). TCH/H trasporta voce codificata con metà dei bit, utilizzando algoritmi più spinti (e ottenendo qualità più scadente). Tutti gli altri canali sono utilizzabili solo per informazioni di controllo utente/rete ed esistono quindi nel control plane. SDCCH è parte di una famiglia di canali di controllo detti Dedicated Control CHannel (DCCH) che comprende due categorie: Stand Alone DCCH (SDCCH) e Associated DCCH (ACCH). Questi canali sono usati per trasportare la segnalazione utente-rete (analogamente al canale D di ISDN) e per informazioni di localizzazione (aggiornamento della distanza mobile-bts). Oltre ai canali di controllo dedicati esistono i canali di controllo comuni CCCH (Common Control CHannel). In uplink CCCH prende il nome di RACH: è un canale multiaccesso gestito con un metodo d'accesso a contesa (metodo Aloha, analogo al CSMA/CD delle reti Ethernet) e serve al mobile per entrare inizialmente nel sistema (ad esempio quando il mobile viene attivato). In downlink CCCH prende il nome di BCCH: permette l'allocazione di un primo canale di controllo di tipo DCCH e di diffondere informazioni di ricerca del mobile (paging). BCCH è unico per ogni cella, quindi se in una cella vengono usate più portanti (come accade comunemente) una sola di esse trasmette il BCCH. BCCH ha la funzione di diffondere informazioni che permettono al mobile di accedere al sistema Protocolli di controllo Nel control plane allo strato 2 dell'interfaccia Um si usa un protocollo derivato da LAPD e chiamato LAPDm. LAPDm, che usa una finestra trasmissiva di ampiezza 1, è descritto nello standard GSM La Figura 9 illustra uno schema di massima dei protocolli presenti nel control plane. pag. 14 Reti Mobili - Un Introduzione

15 RR CC MM LAPDm RR LAPDm LAPD LAPD SCCP CC MM SCCP TDMA TDMA L1 L1 MTP MTP Um Abis MS BTS BSC A MSC Figura 9 - Il Control Plane alle varie interfacce A livello 3 si ha una suddivisione in sottostrati, dal basso verso l'alto: Risorse Radio (RR), specificato nello Standard GSM 04.08; Gestione della Mobilità (Mobility Management - MM); Gestione delle Connessioni (Connection Management - CM). Il sottostrato CM comprende più entity parallele (equivalenti in pratica ad altrettanti control plane), specializzate a seconda delle funzioni svolte: Controllo della chiamata (Call Control - CC), utilizza un protocollo specificato in GSM 04.08; Gestione dei servizi supplementari, utilizzano i protocolli 04.10, 04.8x e 04.9x; Servizi di messaggi corti (SMS), utilizza il protocollo GSM Il sottostrato RR ha il compito di allocare, controllare e rilasciare i canali radio. Questa funzione comprende la gestione delle procedure di handover e l'invio costante di misure in verso uplink. RR comprende inoltre i messaggi ricevuti dal mobile in stato idle (ossia quando non ha chiamate in corso), fra questi i messaggi di SYSTEM INFORMATION trasmessi sul BCCH. Infine RR provvede alle funzioni di crittografia. Il sottostrato MM assicura la costante localizzazione del mobile. Comprende inoltre funzioni legate alla sicurezza quali l'autenticazione per verificare l'identità del mobile. A differenza degli strati precedenti, che erano tutti terminati fra mobile e BTS, MM è terminato fra il mobile e la rete primaria (nodo MSC). Quindi una connessione virtuale MM è trasportata - fra mobile e BTS - da una sottostante connessione RR che subisce successivi relay fra BTS e BSC e fra questo e MSC. In occasione di un handover la connessione MM rimane comunque attiva 1. 1 Nel caso (raro) di handover fra due MSC diversi la connessione viene trasferita - con tutto il suo contesto - sul nuovo MSC e quindi prosegue fra il mobile e la nuova peer entity. Reti Mobili - Un Introduzione pag. 15

16 La funzionalità CC ha lo scopo di attivare le connessioni a circuito fra il mobile e un corrispondente utente della rete fissa o mobile. Il protocollo usato in questo strato è derivato dal corrispondente protocollo ISDN Q Allocazione delle funzionalità agli elementi di rete Come visto, degli strati presenti all'interfaccia Um gli strati 1 e 2 sono gestiti dalla BTS, il sottostrato RR è gestito dalla BSC e gli strati superiori dall'msc. Esistono in realtà alcune deviazioni da questa regola; ma comunque l'approccio globale rientra nello schema seguente: 1. La stazione base (BTS) gestisce tutto ciò che riguarda la trasmissione radio; 2. Il controllore delle stazioni base (BSC) organizza l'allocazione, la supervisione e il rilascio dei canali. L'allocazione e il rilascio avvengono sotto comando dell'msc; 3. L'MSC gestisce la formazione e lo svincolo delle chiamate a circuito e in genere tutto ciò che richiede la conoscenza dell'identità dell'abbonato. L'MSC chiede l'allocazione dei canali di controllo o di traffico utilizzati dall'utente, ma non si cura del fatto che questi canali siano di tipo radio, questi aspetti sono delegati al BSS. Il BSS da parte sua ignora l'identità dell'abbonato e tutto ciò che ad essa si riferisce ma si limita ad attivare dei canali radio che saranno utilizzati in un modo che lui ignora. Notiamo a questo proposito una differenza fondamentale fra la rete mobile e la rete fissa. In quest'ultima la rete d'accesso è un insieme di risorse (i doppini d'utente) dedicati e sempre disponibili. Nella rete mobile la rete d'accesso è un pool di risorse (i canali radio) condiviso fra tutti gli utenti; queste risorse sono scarse e quindi il loro uso è ottimizzato allocandole solo quando servono e - nel GSM - usando tecniche di codifica atte ad aumentarne il numero (in pratica codificando la voce a basso bitrate ricavando dalla stessa banda più canali a bassa capacità). Per gli stessi motivi la codifica della voce non è un semplice campionamento (che darebbe luogo a un flusso di 64 kbit/s, se fatto con la tecnica PCM) ma usa algoritmi sofisticati che danno luogo a un flusso di 16 kbit/s (8 kbit/s nel caso di "half rate" con bassa qualità). D'altra parte le condizioni di forte (e variabile) disturbo presenti all'interfaccia aria costringono a mettere in opera dei meccanismi di recupero di errore basati su tecniche di correzione (Forward Error Correction - FEC). Questi, unitamente all'aggiunta di sequenze note di bit che servono al ricevitore per decodificare il flusso (training sequence - vedi Figura 8) fanno sì che il flusso totale per canale passi da 16 a 22 kbit/s circa La Rete primaria La rete primaria, detta anche Network and Switching Subsystem (NSS) comprende tre elementi di rete: 1. Mobile Services Switching Center (MSC); 2. Home Location Register (HLR); 3. Visitor Location Register (VLR). pag. 16 Reti Mobili - Un Introduzione

17 Mobile Services Switching Center (MSC) MSC è un commutatore a circuito di tipo telefonico ma adattato al servizio GSM. Infatti è capace, come già visto di effettuare la gestione di richieste di servizio provenienti dal mobile. In aggiunta MSC deve gestire i problemi connessi alla mobilità dell'utente. Per fare questo utilizza delle basi dati chiamate Visitor Location Register (VLR) e Home Location Register (HLR). A ogni MSC è associato un VLR. In definitiva un MSC comunica da una parte con le BSC, dall'altra con la rete fissa (PSTN/ISDN), con i location register ed eventualmente con altre reti GSM Home Location Register (HLR) Questa base dati contiene tutti gli utenti di una data rete (ossia di un dato gestore). Per ogni rete (ossia per ogni gestore) esiste un unico HLR 1. Lo HLR contiene tutti i dati amministrativi di un utente, nonché la sua posizione attuale. Quest'ultimo dato è sotto forma di un puntatore al VLR associato col mobile Visitor Location Register (VLR) Questa base dati tiene informazioni relative alle stazioni mobili attive in una certa zona chiamata location area. Esiste un VLR per ogni location area. I dati sono copiati dall'hlr. Attualmente i fabbricanti di reti realizzano un VLR insieme con un MSC, per cui la location area viene a coincidere con le celle controllate dall'msc e la segnalazione fra i due elementi di rete risulta semplificata. Una stazione mobile che viene attivata in una certa location area, o che si sposta in una nuova location area, è registrata nel nuovo VLR e viene de-registrata dal vecchio VLR. 2.4 Sviluppi recenti di GSM Servizi Dati Un sistema GSM può fornire, oltre al teleservizio di telefonia, anche servizi portanti per dati a commutazione di circuito e di pacchetto. High Speed Circuit Switched Data (HSCSD), previsto nel sistema GSM di fase 2, è un servizio portante a circuito che fornisce una capacità massima di 57,6 kbit/s. Questo valore è ottenuto concatenando fino a quattro timeslot TDMA, ognuno dei quali fornisce 14,4 kbit/s. 1 L'unicità dell'hlr è funzionale. Dal punto di vista della realizzazione esso può risiedere su più macchine, per motivi di dimensionamento e per affidabilità (ridondanza dei dati). Reti Mobili - Un Introduzione pag. 17

18 General Packet Radio Service (GPRS) è un servizio dati a pacchetto fornito da una rete GSM. GPRS ottiene l'allocazione dinamica della capacità trasmissiva in aria, e anche per questo motivo è molto più efficiente di un servizio a circuito. Per poter fornire questo servizio occorrono due nuovi nodi di rete: 1. Support GPRS Serving Node (SGSN) è un nodo a pacchetto collegato con una nuova interfaccia Gb al BSC. È essenzialmente un concentratore di traffico; 2. Gateway GPRS Serving Node (GGSN) è un nodo a pacchetto collegato con una nuova interfaccia Gn al SGSN. Ha lo scopo principale di inoltrare il traffico dati verso una rete fissa per dati (ad. Es. una rete pubblica X.25). Figura 10 - I principali protocolli del servizio GPRS In Figura 10 sono illustrati i principali protocolli utilizzati in GPRS. A livello OSI 3 (rete) è previsto di fornire un servizio X.25 o, in alternativa, un servizio di internetworking basato sul protocollo IP. Quest ultima soluzione è probabilmente preferita dai gestori e il servizio X.25 potrebbe in pratica non venire messo in campo. Qualunque sia la soluzione scelta, la differenziazione fra Control Plane e User Plane non ha più senso e per questo servizio è presente, alle varie interfacce, un unica pila di protocolli. Alle interfacce Gb e Gn, che appartengono alla rete primaria, si hanno stratificazioni di protocolli abbastanza consuete e non dettagliate in figura. Caratteristiche sono invece le funzioni svolte all interfaccia aria e Abis, ossia le funzioni svolte fra MS e BSC (la BTS si comporta come un semplice relay fisico). Sopra lo strato trasmissivo è presente uno strato MAC che realizza l accesso al mezzo condiviso (canale uplink visto da tutte le MS della cella che usano GPRS). Questo metodo MAC è alquanto diverso da quelli usati nelle LAN, dato che qui le contese per l accesso al canale sono risolte da BSC che assegna il canale ai vari richiedenti in modo da non avere collisioni 1. 1 Questa assegnazione avviene mediante un canale di servizio e relativo protocollo, presenti nel Control Plane. Quest ultimo viene quindi usato, ma solo per allocare dinamicamente il canale. Una volta che il canale è allocato alla MS il tarsferimento di un pacchetto non richiede più alcuna funzionalità di Control Plane. pag. 18 Reti Mobili - Un Introduzione

19 Sopra lo strato MAC esistono ancora varie stratificazioni, che nel loro complesso forniscono allo strato Rete una funzione di Data Link di tipo connection oriented. Esse sono: 1. Radio Link Control (RLC). Questo protocollo è terminato da BSC e serve a trasferire unità di lunghezza costante, in modo da utilizzare al meglio i timeslot della trama TDMA; 2. Logical Link Control (LLC). Questo protocollo è terminato da SGSN e ha le stesse funzioni che può avere in una LAN, in particolare trasferisce dei frame che incapsulano i pacchetti di livello 3. Per poter adattare questi frame nei timeslot di RLC, fra MS e BSC è presente una funzione di Segmentation And Reassembly (SAR). 3. Sistemi di terza generazione: da GSM a UMTS Universal Mobile Telecommunications System (UMTS) è un sistema cellulare di terza generazione. UMTS costituisce la naturale evoluzione di GSM e ha lo scopo di fornire servizi mobili di tipo multimediale. La rete d'accesso di UMTS si chiama UTRAN (UMTS Terrestrial Radio Access Network) e utilizza la tecnica trasmissiva chiamata CDMA. Code Division Multiple Access (CDMA) è un metodo d'accesso a un canale radio in cui tutti trasmettono in un'unica banda di frequenze. Il trasmettitore codifica l'informazione usando una sequenza pseudocasuale; questa sequenza è nota anche al ricevitore che la usa per decodificare l'informazione. Ogni diversa sequenza pseudocasuale corrisponde a un diverso canale trasmissivo. CDMA è una tecnica del tipo a spettro diffuso ("spread spectrum"). Uno dei vantaggi di CDMA è che, tollerando di sua natura l'interferenza isofrequenziale, permette di riutilizzare la stessa banda nelle celle adiacenti realizzando così dei cluster a una sola cella. Oltre che nelle tecniche trasmissive, la rete d'accesso (come pure la rete primaria) differirà da quella attuale per il tipo di trasporto: la commutazione di circuito e di pacchetto saranno molto più integrate di oggi, fino all'eventuale scomparsa della commutazione di circuito che potrebbe venire abbandonata o eventualmente emulata al di sopra del pacchetto. Si tratta comunque di opzioni non ancora consolidate, per cui è difficile prevedere oggi come saranno effettivamente le reti che saranno messe in campo. Probabilmente più soluzioni saranno adottate dai diversi gestori nei diversi contesti in cui andranno a operare. Oltre che nelle funzionalità di trasporto, ci si attendono da UMTS sostanziali innovazioni a livello applicativo. Queste funzioni riguardano soprattutto i mobili e gli information server collegati alla rete, meno la rete stessa. Anche qui i possibili sviluppi sono incerti, tuttavia esistono già alcuni standard applicativi orientati a questo ambiente. Il più noto è forse il Wireless Application Protocol (WAP), variante di HTTP adatta a un contesto mobile. Reti Mobili - Un Introduzione pag. 19

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