Universitˆ di Roma ÒLa SapienzaÓ Sommario. + Sistemi di accesso radio ed evoluzione. + Ambiente radio. + Sistemi radiomobili

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1 Universitˆ di Roma ÒLa SapienzaÓ Sommario SISTEMI DI ACCESSO RADIO PER TERMINALI MOBILI Andrea Baiocchi Master in Ingegneria dellõemergenza Roma, 22 marzo Sistemi di accesso radio ed evoluzione + Ambiente radio + Sistemi radiomobili di 2 generazione: GSM di generazione 2+: GPRS di 3 generazione: UMTS + Sistemi di accesso locale + Sistemi satellitari 1 2 Sistemi di accesso radio Bande di frequenza (1/2) + Sistemi cellulari NMT, ETACS, AMPS; GSM, D-AMPS, IS-95, GPRS; UMTS, CDMA Sistemi per accesso locale Cordless: CT1/2; DECT Wireless Local Area Networks (WLAN): IEEE , ETSI Hiperlan, Bluetooth + Sistemi diffusivi Digital Video Broadcasting (DVB) + Sistemi di rilegamento radio Wireless Local Loop (WLL): DECT, LMDS, MMDS + Sistemi satellitari + GSM: uplink MHz; downlink MHz + DCS: up MHz; down MHz + UMTS FDD: uplink MHz; downlink MHz TDD licensed , ; unlicensed DECT: MHz + IEEE : ,5 MHz (ISM band) + Bluetooth: MHz (ISM band) 3 4

2 Bande di frequenza (2/2) Evoluzione dei sistemi radiomobili + Sistemi satellitari + Sistemi radiomobili di 1 generazione analogici solo voce es. ETACS + Sistemi radiomobili di 2 generazione numerici voce + dati a bassa velocitˆ (SMS, WAP) banda < 10 kbit/s es. GSM, IS-136 (TDMA), IS-95 (CDMA) 5 6 Evoluzione dei sistemi radiomobili Evoluzione del sistema GSM + Sistemi radiomobili di generazione 2+ gestione avanzata delle comunicazioni dati banda < 144 kbit/s es. GPRS (pacchetto), HSCSD (circuito) + Sistemi radiomobili di 3 generazione comunicazioni multimediali accesso mobile ad Internet convergenza tra servizi vocali e dati banda < 384 kbit/s (full area coverage) banda < 2 Mbit/s (local are coverage) es. UMTS, IMT-2000 Global Mobile Multimedia Circuit and packet data services < 64 kbit/s Global roaming: 900, 1800, 1900 Mhz Mobile telephony with international roaming message services (SMS), data up to 9.6 kbit/s (WAP) Supplementary services UMTS Phase 2+ Phase 2 7 8

3 Evoluzione sistemistica e tecnologica Copertura cellulare + Accesso radio Gestione dinamica delle risorse Tecniche di accesso multiplo Ð CDMA, OFDM + Architettura di rete Convergenza fisso-mobile Ð Piattaforma di trasporto unica, integrazione del servizi, larga banda + Tecnologie Smart antennas Software Ð Software radio, reti radiomobili riconfigurabili + Il territorio diviso in celle + Ogni cella contiene una stazione radio base + Ad ogni utente mobile assegnato un canale duplex di collegamento con la stazione radio base + Ogni stazione radio base comunica con tutti i mobili nella cella e con una centrale (MSC) + Un MSC controlla un certo numero di celle ed connessa alla rete fissa f4 f4 f5 f5 f3 f3 f1 f1 f6 f6 Rete fissa MSC 1 MSC 2 f2 f2 f7 f7 f4 f4 f5 f5 f3 f3 f1 f1 f6 f6 f2 f2 f7 f Copertura cellulare Copertura cellulare + Una cella una porzione di territorio coperto da un unica stazione radio + Ad ogni cella assegnata almeno una frequenza portante + La distanza di riuso delle frequenze dipende la geografia del terreno dallõaltezza dellõantenna dalla potenza trasmessa + Modelli di celle + La copertura cellulare consente un aumento della capacitˆ del sistema mediante il riuso delle frequenze + Una frequenza pu essere riutilizzata in un altra cella a distanza tale da rendere trascurabile lõinterferenza 11 Celle ideali Modello esagonale (nessuna sovrapposizione) Celle reali 12

4 Caratteristiche accesso mobile Caratteristiche accesso mobile + La risorsa radio una risorsa condivisa tra gli utenti di una cella Il numero di canali in una cella normalmente inferiore al numero di utenti presenti in essa + I canali radio devono essere allocati e rilasciati dinamicamente + LÕallocazione e il rilascio del canale radio sono funzioni addizionali rispetto alla gestione della chiamata + La richesta di chiamata di un mobile presentata su un particolare canale ad accesso casuale + La chiamata entrante comunicata al mobile mediante un canale di ÒpagingÓ di tipo broadcast + Una stazione mobile assume due stati idle Ð nessuna chiamata attiva, la stazione ascolta i segnali broadcast attivo Ð attiva una chiamata, allocato alla stazione un canale bidirezionale Location management Handover + Per la localizzazione del terminale sono possibili tre strategie localizzazione a livello di cella Ð il terminale mobile segnala alla rete ogni cambo di cella + Si attiva questa procedura se una chiamata attiva al momento in cui il terminale passa nellõarea di copertura di un altra cella Ð il segnale di paging inviato in un unica cella localizzazione ubiqua Ð il segnale di paging inviato in tutte le celle Ð nessun tipo di segnalazione definizione di un area di localizzazione + La procedura necessita di meccanismi di rivelazione dellõattraversamento del confine tra due celle meccanismi di commutazione dal canale relativo alla cella attuale e quello relativo alla nuova cella Ð un area di localizzazione formata da un insieme di celle Ð il terminale mobile segnala alla rete quando entra in una cella appartenente ad un altra location area + La commutazione tra i due canali deve avvenire in modo da essere trasparente allõutente Ð il segnale di paging inviato su tutte le celle della location area 15 16

5 Roaming Copertura cellulare + Aree di territorio diverse possono essere coperte da sistemi cellulari gestiti da gestori diversi + La funzione di roaming consente ad un utente di accedere anche a sistemi diversi da quello con cui ha sottoscritto lõabbonamento + La funzione di roaming necessitˆ di compatibilitˆ tra terminale e rete accordi amministrativi (es. tariffazione) tra i gestori di rete Handover Handover + Location updating Location Area Cella Obiettivi GSM Obiettivi GSM + Servizi sistema pan-europeo servizi ISDN servizi speciali in ambiente di mobilitˆ + Qualitˆ di servizio qualitˆ comparabile con quella dei sistemi analogici a 900 MHz possibilitˆ di proteggere le informazioni trasmesse mediante tecniche crittografiche + Aspetti di rete piano di numerazione compatibile con le Raccomandazioni ITU-T nessuna modifica delle reti terrestri utilizzazione degli esistenti sistemi di segnalazione possibilitˆ di utilizzare diversi schemi di tassazione in reti diverse + Utilizzazione della risorsa radio alta efficienza spettrale 19 20

6 Servizi offerti dal sistema GSM Servizi offerti dal sistema GSM + Bearer services 3.1 khz integrity trasferimento di dati asincroni a commutazione di circuito ( bit/s) e interlavoro con la rete telefonica pubblica (PSTN) trasferimento di dati sincroni a commutazione di circuito ( bit/s), interlavoro con la PSTN, con le reti pubbliche per dati a commutazione di circuito (CSDN) e con la ISDN accesso asincrono alle PSPDN attraverso funzionalitˆ PAD ( bit/s) accesso sincrono alle PSPDN attraverso funzionalitˆ PAD ( bit/s) + I servizi di comunicazione di dati possono essere trasparente Ð i dati trasmessi non sono protetti da eventuali errori di trasmissione non-trasparente Ð sulla tratta radio utilizzato il metodo ARQ 21 + Teleservizi telefonia Ð bit rate attuale 13 kbit/s; in futuro bit rate dimezzato (6.5 kbit/s) servizio di chiamate di emergenza (emergency call service) Ð collegamento con un centro nazionale tramite numerazione semplificata servizi telematici Ð videotex, teletex, facsimile gruppo 3, Message Handling service (X.400, ecc.) trasferimento di messaggi brevi (short message service) Ð messaggi di lunghezza massima 180 ottetti con riscontro di consegna Servizi supplementari Ð number identification, call offering, call completion, multy party, closed user group, charging, call restriction, user-to-user signalling 22 Trasmissione dei dati nel GSM Sottosistemi GSM + Sono possibili 7 tipi di connessioni dati nel GSM Nome Ritmo di utente (bit/s) Ritmo intermedio (kbit/s) QoS (BER residuo) Round trip delay TAF- IWF (ms) + Mobile Station (MS) + Base Station Sub-System (BSS) TCH/F9.6, T TCH/F4.8, T TCH/F2.4, T TCH/F9.6, NT TCH/H4.8, T TCH/H2.4, T TCH/H4.8, NT ² ² bassa media media alta bassa media alta 330 ms 330 ms 200 ms > 330 ms 600 ms 600 ms > 600 ms 23 + Mobile service Switching Center (MSC) + Home Location Register (HLR) + Visitor Location Register (VLR) + Gateway Mobile Switching Center (GMSC) 24

7 MS e BSS Network & Switching Sub-system (NSS) Interfaccia radio BTS BSS SS7 VLR MSC HLR BTS BTS Interfaccia Abis BSC Interfaccia A AuC Dati dõutente GMSC PSTN, ISDN Controllo Interfaccia radio Funzioni del GSM + Schema FDMA/TDMA con frequency hopping MHz (sottobanda 1) MHz (sottobanda 2) ocuupazione spettrale 25 Mhz per sottobanda spaziatura portanti: 200 khz le portanti di up-link e di down-link sono spaziate di 45 Mhz per ogni sottobanda sono utilizzate 122 portanti (su 124 possibili); 8 canali (vocali o dati) per portante. bit rate per portante kbit/s + Canali vocali bidirezionali 13 kbit/s (full rate) 6.5 kbit/s (half rate) + Canali dati bidirezionali a 12, 6 o 3.6 kbit/s 27 + Gestione delle risorse radio Controllo della potenza e dellõanticipo temporale Paging Accesso iniziale Handover (preparazione, decisione, esecuzione) Gestione della trasmissione (modalitˆ di trasmissione, cifratura, trasmissione discontinua) Gestione dei canali radio (configurazione dei canali di una cella, allocazione di canali dedicati) + Gestione della mobilitˆ Selezione della Public Land Mobile Network da cui ricevere servizio (PLMN selection) Selezione della cella da cui ricevere servizio (cell selection) Aggiornamento della localizzazione (Location Updating, LU) Attach/Detach + Gestione della sicurezza + Gestione della comunicazione 28

8 Procedura di handover Sicurezza A-MSC R-MSC BSC BSC BSC BTS BTS BTS BTS A A-bis Interfaccia radio + Le procedure di sicurezza sono necessarie: per proteggere la rete da accessi fraudolenti per garantire la riservatezza della comunicazione + Le funzioni di sicurezza includono autenticazione dellõutente radio path encryption user identity protection Autenticazione Autenticazione + Personal Identity Number (PIN) utilizzato per accedere alla SIM non trasmesso sullõinterfaccia radio + Procedura di accesso alla rete ogni utente possiede una propria chiave (K j ) memorizzata nella SIM lõoperatore conosce la stessa chiave (K j ) memorizzata nellõhlr la rete trasmette allõutente una sequenza casuale (RAND) di 128 bit lõutente applica un algoritmo (A3) che, noti RAND e K j, produce una parola di 32 bit (SRES) che viene trasmessa alla rete la rete, conoscendo a sua volta RAND e K j, controlla la correttezza della risposta + LÕalgoritmo A3 tale che: noti RAND e K j, il calcolo di SRES molto semplice noti RAND e SRES, il calcolo di K j molto complesso + La scelta dellõalgoritmo A3 dipende dallõoperatore + Schema della procedura di autenticazione K j RAND RAND A3 A3 K j + La chiave K j non mai trasmessa sullõinterfaccia radio MOBILE SRES uguale? SRES RETE 31 32

9 Encryption User Identity Protection + EÕ usata per proteggere le informazioni (utente e segnalazione) sullõinterfaccia radio + La codifica ottenuta mediante un operazione di EX-OR dei 114 data bits di ogni burst con una sequenza pseudo random + LÕoperazione inversa eseguita sul lato opposto dellõinterfaccia + La sequenza pseudo random generata da un algoritmo detto A5 + EÕ utilizzata per proteggere le informazioni sulla localizzazione degli utenti + Viene evitato di trasmettere lõidentificatore dellõutente (IMSI) sullõinterfaccia radio in modo non protetto + Viene utilizzato unõidentificatore temporaneo (TMSI) che viene assegnato allõutente per tutta la durata della sua permanenza nella location area General Packet Radio Service - GPRS Architettura GPRS + Obiettivo: fornire un accesso ad Internet di tipo wireless ad alte prestazioni a basso costo + Metodologia: applicazione della multiplazione statistica sulla tratta radio evoluzione dalla commutazione di circuito alla commutazione di pacchetto + Il GPRS stato definito come un nuovo bearer service del GSM per il supporto di dati per lõaccesso ad Internet BTS MS SMS-GMSC BSC BTS G d SGSN G b G f G r G s EIR MSC/VLR G p G n HLR Other GPRS nets GGSN G i GGSN PDNs 35 36

10 Architettura GPRS Architettura GPRS + EÕ basata sul concetto di GPRS Support Node (GSN) hanno lo scopo di instradare i pacchetti dati emessi dagli utenti alla reti dati fissa e viceversa + SGSN: Serving GSN il GSN relativo alla service area in cui si trova la MS esegue le funzioni: Ð packet routing Ð mobility management (attach/deattach and location management) Ð logical link management Ð authentication and charging + GGSN: Gateway GSN il GSN che gestisce le funzioni di interfaccia con le reti dati esterne esegue le funzioni: Ð adattamento del formato dei pacchetti da e verso le reti esterne (es. IP, X.25, ATM, etc.) Ð conversione di indirizzamento Ð adattamento di protocolli + Esiste una relazione many-to-many tra SGSN e GGSN Un GGSN lõinterfaccia con una PDN per una pluralitˆ di SGSN Un SGSN pu inviare i suoi pacchetti verso una pluralitˆ di GGSN Servizi in GPRS Qualitˆ di servizio + Il GPRS offre due tipologie di bearer service point-to-point (PTP) point-to-multipoint (PTM) + Il PTP service pu essere Connectionless (PTP-CLNS) Ð per accesso a rete IP Connection oriente (PTP-CONS) Ð per lõaccesso a reti dati con connessione (es. X.25) + EÕ possibile inviare messaggi SMS su GPRS + Il GPRS supporta diverse classi di qualitˆ di servizio definite sessione per sessione + Le classi di servizio sono caratterizzate da service precedence (3 livelli) affidabilitˆ (3 classi) Ð parametri: lost packets, duplicated packets, out of sequence packets, corrupted packets delay (4 classi) Ð il ritardo definito come il tempo necessario a trasferire un pacchetto GPRS tra due MS (se si trovano nella stessa rete) o tra MS e lõinterfaccia Gi throughput Ð specifica il bit rate di picco e medio 39 40

11 Qualitˆ di servizio Portata su un time slot Class Lost packet Duplicated packet Probability for Out of sequence packet Corrupted packet Classi di affidabilitˆ Class 128 byte packet Mean delay 95% delay 1024 byte packet Mean delay 95% delay < 0.5 s < 5 s < 50 s < 1.5 s < 25 s < 250 s < 2 s < 15 s < 75 s < 7 s < 75 s < 375 s Classi di Ritardo 4 Best effort Best effort Best effort Best effort Interfaccia radio UMTS + Consente la trasmissione contemporanea su pi canali della stessa trama TDMA + Uplink e downlink sono gestiti separatamente + I canali sono allocati esclusivamente per la trasmissione (o ricezione) di un pacchetto + In una cella i canali fisici dedicati al GPRS sono denominati PDCH (Packet Data Channel) e possono essere un sottoinsieme di quelli previsti nellõinterfaccia GSM + Il sistema UMTS il sistema radiomobile Europeo di terza generazione + EÕ una soluzione che fa parte della famiglia di standard ITU denominata IMT-2000 (International Mobile Telecommunication ) + Fattori innovativi universalitˆ dei servizi forniti attraverso lõinterazione diretta con Internet requisiti di trasporto (144, 384, 2048 kbit/s) gestione di comunicazioni a variable bit rate e con asimmetria di servizio 43 44

12 UMTS Architettura dõaccesso UMTS + Accesso radio basato su uno schema CDMA (Code Division Mulktiple Access) Core Network I u codice UTRAN frequenza frequenza trama frequenza RNS Site Controller RNC I ub Site Controller I ur Site Controller RNC I ub Site Controller RNS FDMA tempo TDMA tempo CDMA tempo BTS BTS BTS B-node BTS BTS BTS B-node BTS BTS BTS B-node BTS BTS BTS B-node UMTS Radio Access Network UMTS Radio Access Network + La UTRAN (UMTS Radio Access Network) delimitata da due interfacce U u che separa lõutran dalla MS U i che separa lõutran dalla core network + LÕUTRAN costituita da Radio Network Subsystems (RNS) che sono costituiti da un invieme di entitˆ dette Node B da un controllore centrale (Radio network Controller - RNC) + Un Node B sovrintende ad un cluster di celle + Un RNC rappresenta il confine tra il mondo radio ed il resto della rete ed esegue: la gestione dei protocolli con il terminale sulle interfacce I ub e I ur gestione degli handover tra diversi B-node gestione della macrodiversitˆ + I protocolli di trasporto nellõutran si basano su ATM AAL2 per il trasporto dei servizi radio e flussi dõutente circuit oriented IP su AAL5 per il trasporto di flussi dõutente packet oriented + AllÕinterno dellõutran due RNC possono essere collegati tra loro tramite lõinterfaccia I ur 47 48

13 Che cosa il DECT? Parametri di sistema + EÕ uno standard ETSI per prestazioni cordless evolute + EÕ una tecnologia di accesso + EÕ integrato con lõinfrastruttura di rete fissa + EÕ in grado di fornire servizi/applicazioni di telefonia vocale e di comunicazioni di dati in ambiente sia pubblico che privato FT PTs CCFP RFP RFP PP PP PP Tecnica di accesso multiplo uplink MC-TDMA/TDD Banda RF 1880Ö1900 MHz # slots per trama 24 (12 down+12 up) # trame per multitrama 16 # bits per slot bits Durata della trama 10 ms Ritmo binario a RF per portante 1152 kbit/s Ritmo binario netto del canale base 32 kbit/s Codifica vocale ADPCM Potenza trasmessa nominale 250 mw Estensione 20 m, 300 m Canali di controllo dedicati assenti Multiplazione inf. utente e segnal. in ogni burst Allocazione del canale dinamica Applicazioni del DECT Sistemi standard: IEEE (1/2) + Esempi di servizi/applicazioni Wireless PABX, cordless domestico wireless local loop, servizi di mobilitˆ al pubblico, servizi per gruppi chiusi di utente servizio supplementare al servizio telefonico di base Voice/Fax/Video Telephone /Shared Workspace/Database Query Remote Login/Document Retrievial/File Transfer/World Wide Web + Sistema flessibile per evoluzione verso applicazioni multimediali 51 + Attivitˆ iniziata nel 1988 nellõambito del IEEE Dal 1990 stato costituito uno standard autonomo, appunto IEEE Lo standard stato completato nel 1997; un gruppo di studio si occupa della ridefinizione dello strato fisico nella banda dei 5 GHz con velocitˆ Å20 Mbit/s + Disponibili prodotti commerciali e chip sets + Include funzioni specifiche di WLAN controllo della potenza gestione delle frequenze crittografia autenticazione 52

14 Sistemi standard: IEEE (2/2) Che cosõ Bluetooth? + Ritmi binari dellõinterfaccia radio: 1 Mbit/s o 2 Mbit/s + Banda di frequenza: GHz + Modulazione: DSSS con DBPSAK o DQPSK; FHSS con 2 o 4 GFSK con BT=0.5 + MAC: protocollo con contese CSMA/CA o protocollo senza contese PCF (Point Coordination Function) con lista di polling + Topologia reti con infrastruttura (Access Point, AP: Basic Service Set, BSS; Extended Service Set, ESS) reti ad hoc (solo un BSS autonomo) 53 + Bluetooth unõ interfaccia radio per comunicazioni a corto raggio (10 metri) + Nasce per consentire una connettivitˆ radio tra una molteplicitˆ di terminali (ad hoc networks). + Opera nella banda ISM ( MHz) che disponibile in tutto il mondo senza licenza + Il Bluetooth SIG (Special Interest Group) stato formato nel 1998 da Ericsson, IBM, Intel, Nokia, Toshiba + Pi di 1036 societˆ di elettronica e tlc nel mondo si sono mostrate favorevoli ad una implementazione di Bluetooth nei propri progetti. + Le specifiche complete sono disponibili sul sito 54 Il sistema Bluetooth Caratteristiche dei satelliti LEO Requisiti del sistema: -deve operare universalmente -deve supportare servizi voce e dati -piccolo, poco costoso, con bassi consumi Possibili applicazioni: + Circular/slightly elliptical orbit under 2000 km + Orbit period ranges from 1.5 to 2 hours + Diameter of coverage is about 8000 km + Round-trip signal propagation delay less than 20 ms Landline + Maximum satellite visible time up to 20 min + System must cope with large Doppler shifts Personal Ad-hoc Networks Data/Voice Access Points 55 + Atmospheric drag results in orbital deterioration 56

15 Copertura Configurazioni 57 58