GSM Global System for Mobile communications. Architettura di rete

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1 GSM Global System for Mobile communications Architettura di rete

2 Architettura GSM (1/2) MS SIM MS: Mobile Station SIM: Subscriber Identity Module ME: Mobile Equipment BSS OMC OSS NMC NSS OSS: Operation and Support Subsystem OMC: Operation and Maintenance Center NMC: Network Management Center ME Um BTS BTS A Bis BSC BSC A HLR MSC EIR AuC GMSC VLR PSTN ISDN PSPDN CSPDN BSS: Base Station Subsystem BTS: Base Transceiver Station BSC: Base Station Controller NSS: Network and Switching Subsystem MSC: Mobile service Switching Center GMSC: Gateway MSC HLR: Home Location Register VLR: Visitor Location Register EIR: Equipment Identification Register AuC: Authentication Center

3 Architettura GSM (2/2)

4 Mobile Station La Mobile Station (MS) è costituita dal Mobile Equipment (il terminale) e da una Smart Card detta Subscriber Identity Module (SIM). La SIM è una smart card che contiene tutti i dati relativi all utente e personalizza il terminale. MS SIM Mobile Equipment Il Mobile Equipment è univocamente identificato dal codice IMEI (International Mobile Equipment Identity). I terminali si suddividono in cinque classi in base alla massima potenza di trasmissione Classe I Classe II Classe III Classe IV Classe V 20W 8W 5W 2W 0.8W ME SIM card La SIM card è costituita da un processore e da circuiti di memoria e permette di gestire l autenticazione del terminale, la sicurezza della trasmissione e le informazioni relative all utente. In particolare la SIM card contiene il codice IMSI (International Mobile Subscriber Identity) e la chiave Ki che permettono di identificare univocamente l abbonato. IMEI e IMSI+Ki sono indipendenti e garantiscono la mobilità personale. La SIM è protetta da usi non autorizzati da un numero di identità personale (PIN) e può essere adoperata anche per altri servizi (numeri abbreviati, rubrica, lista di preferenze, )

5 Base Station Subsystem BTS BSS BSC Il Base Station Subsystem è costituito da due elementi: la BTS (Base Transceiver Station) e il BSC (Base Station Controller) che comunicano attraverso l interfaccia standard A bis, rendendo possibile (come nel resto della rete) operazioni tra componenti costruiti da fornitori differenti. BTS A Bis BSC BTS La BTS determina l estensione della copertura radio di una cella tramite apparati transceivers e gestisce la comunicazione con le Mobile Stations e le relative procedure radio. Gli apparati radio di una BTS (transceivers) devono essere dimensionati in numero sufficiente per garantire la capacità desiderata. BSC Il BSC si occupa della gestione di una o più BTS. In particolare ha funzioni di: allocazione e rilascio dei canali di comunicazione commutazione e processamento dei segnali controllo della qualità e della potenza del collegamento gestione degli handover controllo del traffico di segnalazione e broadcast frequency hopping

6 Network and Switching Subsystem (I) HLR NSS AuC Il NSS è un sottosistema della rete GSM che implementa numerose funzionalità, tra le quali la più importante è la commutazione e l instradamento delle chiamate. Il componente principale è quindi il Mobile service Switching Center (MSC). MSC EIR GMSC VLR MSC L MSC costituisce il centro di commutazione della rete GSM e controlla tutti i BSS dell area di sua competenza. In particolare si occupa di: Instauramento e instradamento delle chiamate tra MS della rete Controllo degli handover Registrazione e aggiornamento della posizione del mobile GMSC Il GMSC è un particolare tipo di MSC che costituisce l interfaccia tra la rete GSM e altre reti (mobili o fisse). Le chiamate provenienti da reti esterne vengono instradate al GMSC della rete GSM dell utente destinatario che provvede a localizzare l area in cui si trova tale utente e ad instradare la richiesta all MSC di competenza.

7 Network and Switching Subsystem (II) HLR MSC EIR NSS AuC GMSC VLR L operazione di localizzazione degli utenti GSM per il corretto instradamento delle chiamate viene svolta dall MSC (per chiamate interne alla rete) o dal GMSC (per chiamate da reti esterne) in collaborazione con il Visitor Location Register (VLR) e con l Home Location Register (HLR). HLR L HLR memorizza permanentemente le informazioni relative agli utenti della rete (profilo d utente, eventuali servizi supplementari abilitati, riferimento al VLR corrente). L HLR è tipicamente un computer stand-alone senza capacità di commutazione in grado di gestire centinaia di migliaia di utenti. VLR Il VLR è un database temporaneo che contiene informazioni relative agli utenti che si trovano in quel momento nella area di sua competenza (profilo utente, parametri di sicurezza, eventuali servizi supplementari abilitati, location area, stato del terminale). Normalmente i costruttori implementano il VLR assieme all MSC poiché così le rispettive aree geografiche di pertinenza coincidono e si semplifica la segnalazione.

8 Network and Switching Subsystem (III) HLR NSS AuC I rimanenti due elementi del NSS si occupano principalmente della gestione della sicurezza delle comunicazioni e della stessa rete. MSC EIR GMSC VLR EIR L Equipment Identity Register è un database che contiene le liste dei codici IMEI di tutti i terminali della rete e viene utilizzato dal gestore per impedire l accesso ai terminali non autorizzati (poiché rubati o di tipo non approvato) AuC L Authentication Center contiene un database protetto dove sono custoditi i codici di autenticazione e gli algoritmi degli abbonati necessari per la creazione dei parametri di autenticazione e che sono presenti anche nella SIM card. L autenticazione viene effettuata ogni volta che il terminale si collega alla rete GSM, quando riceve o effettua chiamate o SMS, durante l attivazione, durante la procedura di location area update, alla richiesta di attivazione, disattivazione o interrogazione dei servizi supplementari. La procedura di autenticazione e di codifica del canale radio è svolta in combinazione dall AuC (che comunica con l HLR) e dalla SIM.

9 Operation and Support Subsystem OMC OSS NMC L OSS è la sottorete che si occupa di coordinare tutte le attività di controllo e manutenzione della rete per poterne garantire il corretto funzionamento. L OSS è costituito da due unità funzionali: l Operation and Maintenance Center (OMC) e il Network Management Center (NMC) OMC L OMC si occupa di monitorare e controllare il corretto funzionamento della rete gestita da uno o più MSC. In particolare ha funzioni di: gestire la configurazione dei parametri e controllare le prestazioni di tutti gli elementi di rete che ricadono nell area geografica di sua competenza gestire i guasti, gli allarmi e verificare lo stato del sistema, con la possibilità di effettuare test per la verifica delle prestazioni e del suo corretto funzionamento gestire la sicurezza raccogliere i dati relativi al traffico degli abbonati necessari per la fatturazione NMC L NMC offre la visibilità globale di tutte le attività di controllo e si occupa del coordinamento e della gestione di tutti gli OMC presenti nella rete GSM

10 Procedure: chiamata da fisso a mobile In base al numero del mobile chiamato, la rete fissa contatta il GMSC corrispondente; Tramite le cifre del codice IMSI, il GMSC individua l HLR in cui è registrato il numero chiamato; Accedendo all HLR si individua l identificativo del VLR-MSC presso cui è attualmente registrato il mobile chiamato; Il GMSC instrada quindi la chiamata verso l MSC corrispondente alla zona individuata; L MSC ricerca nel proprio dominio il mobile facendo spedire un messaggio di paging dalle BTS di propria competenza; Il mobile risponde al messaggio di paging alla propria BTS; Viene aperto un canale bidirezionale tra mobile e MSC (tramite la BTS servente) per effettuare l autenticazione del mobile e la cifratura delle comunicazioni; Conclusa positivamente l autenticazione la rete assegna al mobile un canale di traffico e viene stabilita la connessione tra i due terminali;

11 Procedure: chiamata da mobile Il terminale compone il numero e invia la richiesta alla BTS servente; L MSC della BTS servente analizza i dati del chiamante in collaborazione con il VLR e autorizza o impedisce la chiamata; Se la chiamata autorizzata è diretta verso la stessa rete GSM l MSC inizia una procedura di interrogazione del HLR in base all IMSI del chiamato e la procedura prosegue in maniera analoga alla chiamata da fisso a mobile; Se la chiamata autorizzata è diretta altrove la chiamata viene inoltrata al GMSC che provvede ad un suo corretto instradamento verso la rete esterna;

12 Procedure: handover I La mobilità degli utenti è uno dei principali vantaggi offerti dai sistemi cellulari. Questo può causare la necessità di cambiare la cella che offre il servizio al terminale per poter garantire all utente una buona qualità del segnale in conseguenza a spostamenti. Il GSM prevede una procedura che permetta di effettuare la commutazione del canale di comunicazione in maniera trasparente all utente (in modo automatico e senza interruzioni alla comunicazione). Tale procedura è detta handover

13 Procedure: handover II La procedura di handover permette di riallocare dinamicamente le risorse associate ad un utente. La procedura di handover viene decisa dalla rete sulla base delle misure effettuate dal terminale mobile Esistono differenti tipi di handover: Intra Cell e Intra BSC Cambiamento del canale di traffico e della frequenza all interno della stessa cella. E dovuto a problemi di qualità sul canale Inter Cell e Intra BSC E controllata totalmente dal BSC che si occupa di instaurare la nuova connessione, ordina al terminale di passare al nuovo canale, termina la connessione vecchia e aggiorna del VLR Inter Cell e Inter BSC Il BSC originario interroga l MSC per identificare la BTS destinataria che non è di sua competenza. L MSC instaura una nuova connessione con il BSC target e gestisce tramite il nuovo BSC il passaggio di canale del terminale e l aggiornamento del VLR Inter MSC E la procedura di handover più onerosa i termini di segnalazione poiché implica la comunicazione tra due MSC, che tramite i rispettivi BSC delle BTS coinvolte gestiscono il passaggio di canale del terminale e l aggiornamento del VLR

14 Struttura del canale I Il sistema GSM è di tipo FDD (la separazione tra uplink e downlink avviene in frequenza) Il metodo di accesso alle risorse del sistema GSM è stato scelto sia a divisione di tempo che di frequenza TDMA/FDMA. Divisione in frequenza P-GSM (GSM standard o primary GSM) 25 MHz suddivisi in 124 portanti spaziate di 200 KHz uplink: 890 MHz MHz; downlink: 935 MHz MHz E-GSM (Extended GSM) 35 MHz suddivisi in 174 portanti spaziate di 200 KHz uplink: 880 MHz MHz; downlink: 925 MHz MHz Divisione di tempo Ogni sottobanda è suddivisa temporalmente in 8 intervalli (time slot) della durata di 0.577ms I time slots sono organizzati in una struttura gerarchica più complessa: Frame: 8 time slots (4.616 msec) Multiframe: 26 frame per canali di traffico o 51 frame per canali di controllo Superframe: 51 multiframe di traffico o 26 multiframe di controllo Hyperframe: 2048 superframe I frame sono numerati progressivamente all interno del hyperframe (da 1 a con una periodicità di quasi 3.5 ore) Ogni canale TDMA/FDMA è identificato dalla terna time slot, frame, portante

15 Accesso Multiplo TDMA-FDMA P F T Ibrido TDMA-FDMA: 248 canali di 200 KHz ciascuno multiplati in frequenza, ognuno dei quali supporta 8 canali multiplati nel tempo (0.577 ms per slot temporale)

16 Struttura del canale II Caratteristiche basi GSM up-link /-0.1MHz ms 20ms 20ms burst Β=25ΜΗz FDMA Blocco A Blocco B Blocco C /-0.1MHz ms Il segnale vocale è codificato con 260 bits ogni 20 ms (co-dec GSM di prima generazione, o full-rate), per una bit-rate netta per utente di 13 kbps Ogni spezzone di segnale di 260 bit viene protetto con codici di canale che lo portano a 456 bit (cui corrisponde una bit-rate di 22.8 kbps) Questo blocco è poi suddiviso in otto sottoblocchi di 57 bit ciascuno dei quali viene trasmesso in un mezzo burst (nell altro mezzo burst si trasmette un sottobolocco del blocco precedente o successivo - ogni blocco è interallacciato con il blocco precedente e con quello seguente).

17 Struttura del canale III GT 8.25 TB 3 Data 57 S 1 TS bit ( ms ) Time slot ( ms ) Data 57 S 1 TB 3 GT 8.25 GT Guard Time TB Tail Bit S Stealing bits TS Training Sequence All interno di ogni time slot viene trasmesso un pacchetto di dati (burst) normalmente composto da 148 bits; in particolare l informazione viene suddivisa in due pacchetti di 57 bit; ai pacchetti di dati viene aggiunti uno stealing bit (S) che indica se il blocco contiene dati di traffico o di segnalazione; al centro del time slot è inserito un midambolo di 26 bit costituito da una sequenza nota (training sequence) che viene utilizzata per le operazioni di sincronizzazione ed equalizzazione; i bit di testa e di coda (TB) sono posti sempre a zero; 148 bits trasmessi in msec bit-rate lorda 270 kbps viene in realtà inserito un tempo di guardia (GT) durante il quale non si ha trasmissione (serve per consentire l accensione e lo spegnimento dei trasmettitori e per limitare la sovrapposizione di canali adiacenti); considerando il GT la durata di un time slot si porta a ms.

18 Struttura del canale IV I dati sono trasmessi ad una bitrate lorda di 270 kbps I dati per un singolo utente sono trasmessi in un solo time slot per frame la bitrate lorda per singolo utente si riduce a 270/8 = 33 kbps Di tali 33 kbps, solo una parte rappresentano effettivi bits di informazione dell utente. Eliminando l overhead di livello fisico la bitrate per utente diventa di 114 bit (2 x 57 bit) trasmessi in ms (1 frame), cioè di 24.7 kbps. Queste sono ulteriormente ridotte per la multiplazione di dati utenti e segnali di controllo (su 26 trame 24 sono dati di traffico utente e 2 sono segnalazione) arrivando a 22.8 kbps La voce è trasmessa con una bitrate di 13 kbps, mentre i dati sono trasmessi fino a 9.6 kbps. I rimanenti bit di traffico sono utilizzati per codici a correzione di errore Il GSM adotta la modulazione GMSK (Gaussian Minimum Shift Keying), che vanta un inviluppo costante, fase continua ed uno spettro compatto

19 Trasmissione del segnale vocale 13 kbps: 260 bit per 20 ms Voice sampling 22.8 kbps: 456 bit per 20 ms Voice sampling CRC Convolutional code 1/ kbps: 8 blocchi da 57 bit per 20 ms x 57 bit in un time slot GT TB Data S TS Data S TB GT 1 time slot per frame frame di traffico e 2 frame di controllo in un superframe

20 Frequency hopping La suddivisione in sottobande di 200 KHz non è sufficiente per ottenere una diversità in frequenza intrinseca per ripararsi da fenomeni quali: effetti delle fluttuazioni rapide del canale radio l interferenza co-canale generate in uplink da due terminali di celle vicine che utilizzino lo stesso time slot e la stessa frequenza E stata introdotta come contromisura la tecnica del frequency hopping che prevede di trasmettere l informazione su diverse frequenze seguendo opportune sequenze di salti in frequenza che essendo note al ricevitore (sono comunicate sul canale di controllo BCCH, trasmesso sul time slot 0 di ogni frame) consentono di recuperare parte dell informazione attraverso codici a correzione d errore. Frequency Time I terminali GSM sono intrinsecamente flessibili in frequenza, nel senso che debbono comportare sia come un trasmettitore che come un ricevitore Il frequency hopping è ottenuto sfruttando questa caratteristica intrinseca dei terminali che consente di gestire agevolmente i salti in frequenza Il frequency hopping GSM è detto lento poiché i salti in frequenza non avvengono all interno dello stesso time slot, che viene trasmesso tutto sulla stessa frequenza

21 Blocchi di segnali vocali di 8 x 57 bit Interleaving (1/2) burst X A5 B1 = midambolo A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 A8 burst X+1 A6 B2 burst X+2 A7 B3 burst X+3 A8 B4 B1 B2 B3 B4 B5 B6 B7 B8 burst X+4 B5 C1 C1 C2 C3 C4 C5 C6 C7 C8 burst X+5 B6 C2 burst X+6 B7 C3 burst x+7 B8 C ms 4.6ms Analogamente nel dominio del tempo la durata del periodo elementare della trama del sistema GSM non consente di avere diversità di tempo intrinseca e viene utilizzata come contromisura la tecnica dell interleaving che ha lo scopo di disperdere su più spezzoni e su più canali le lunghe sequenze di errori di canale. Le tecniche di frequency hopping e di interleaving offrono diversità imperfette e non sono quindi sufficienti per recuperare totalmente la distorsione del canale. Si devono quindi aggiungere codici in grado di realizzare la correzione degli errori residui. La tecnica di interleaving utilizzata nel sistema GSM è detta di interleaving diagonale: tale interlacciamento comporta un ritardo di ricetrasmissione, che nel caso dell esempio è di circa 40 ms. La tecnica di interlacciamento diagonale permette comunque di minimizzare questo ritardo.

22 Interleaving (2/2) 260 bits 456 bits (260 + channel coding) 57 bits 57 bits 57 bits 57 bits 57 bits 57 bits 57 bits 57 bits Mapped on the transmission time-slot Ogni blocco di 456 bits cioe mescolato al blocco precedente ed a quello successivo e viene trasmesso su 8 time-slot distinti (e dunque 8 frame, dato che ad ogni utente viene assegnato un solo time-slot per frame)

23 Procedure radio Discontinuous transmission La Discontinuos Transmission (DTX) è una procedura che, sfruttando la caratteristica per cui una persona mediamente parla per meno del 40% in una normale conversazione, disattiva il trasmettitore durante i periodi di silenzio. Il vantaggio del DTX è quello di permettere al terminale di risparmiare potenza (e quindi di prolungare la durata delle batterie). Questa tecnica presenta l ulteriore vantaggio di ridurre l interferenza cocanale Discontinuous reception Il canale di paging è strutturato in sotto-canali Ogni terminale mobile deve ascoltare solamente il proprio sotto-canale. Nei rimanenti time slots il terminale può andare in sleep mode, dove la potenza utilizzata è minima. Power control Sia il mobile che la BTS operano al minor livello di potenza che consenta di mantenere una qualità di segnale accettabile. I livelli di potenza possono essere aumentanti o diminuiti con un passo di 2dB nell intervallo di potenze che parte da 13dBm (20mW) fino alla potenza di picco relativa alla classe di appartenenza del terminale

24 Procedure Radio Timing Advance Terminali a distanza diversa dalla BTS servente subiscono ritardi di propagazione differenti si può generare sovrapposizione e quindi interferenza fra time slot adiacenti. Per limitare questo effetto, la BTS ordina ai ME di anticipare/ritardare la trasmissione (ricezione) in modo da compensare il ritardo di propagazione (timing advance - TA). A causa della mobilita dei terminali, il TA deve essere aggiornato nel corso della comunicazione. Il massimo shift di rice-trasmissione è pari a 233 µsec (corrispondente ad una distanza di 32 km)