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Corso di Telematica A.A. 2003-2004Prof. Salvatore Marano 1 Lezione 21 – Sistemi Cellulari I Concetti Generali e GSM.

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1 Corso di Telematica A.A Prof. Salvatore Marano 1 Lezione 21 – Sistemi Cellulari I Concetti Generali e GSM

2 Corso di Telematica A.A Prof. Salvatore Marano 2 Introduzione r Il termine “cellulare” proviene dalla suddivisione dell’area di copertura del sistema in celle r Una cella è formalmente definita come l’area nella quale l’uso delle risorse di comunicazione radio di una Mobile Station (MS) è controllato da una singola Base Station (BS) r La dimensione e la forma della cella e le risorse allocate per ogni cella dettano la performance del sistema m Dato il numero di utenti, la frequenza media delle chiamate, la durata media del tempo di chiamata

3 Corso di Telematica A.A Prof. Salvatore Marano 3 Sistema Radiomobile

4 Corso di Telematica A.A Prof. Salvatore Marano 4 Sistema Radiomobile connesso Switch

5 Corso di Telematica A.A Prof. Salvatore Marano 5 Sistema Cellulare Semplice Switch PSTN/ISDN

6 Corso di Telematica A.A Prof. Salvatore Marano 6 Area di copertura di una cella r Idealmente l’area coperta da una cella è di forma circolare r Molti fattori ne influenzano la forma reale m Riflessione, rifrazione dei segnali, presenza di una collina o di una valle o di un edificio molto alto e la presenza di particelle nell’aria r La forma reale della cella è determinata dalla intensità del segnale ricevuto nell’area

7 Corso di Telematica A.A Prof. Salvatore Marano 7 Area di copertura ideale Base Station

8 Corso di Telematica A.A Prof. Salvatore Marano 8 Area di copertura modellata Base Station

9 Corso di Telematica A.A Prof. Salvatore Marano 9 Area di copertura reale Base Station

10 Corso di Telematica A.A Prof. Salvatore Marano 10 Forma dell’area di copertura di una cella Modelli ad esagono, quadrato e triangolo equilatero. Nei modelli matematici e nelle simulazioni si usano gli esagoni come prima scelta e i quadrati come seconda

11 Corso di Telematica A.A Prof. Salvatore Marano 11 Copertura Radio (non-cellulare) r Gli operatori di sistemi convenzionali radiomobili, radio e TV e di servizi di localizzazione puntano a massimizzare l’area di copertura. r La copertura di un segnale radio è proporzionale a: m Altezza dell’antenna trasmittente m Potenza del trasmettitore m Sensibilità del ricevitore al rapporto segnale- rumore r L’altezza dell’antenna è la più importante

12 Corso di Telematica A.A Prof. Salvatore Marano 12 Copertura Radio (cellulare) r Filosofia opposta a quella dei sistemi non- cellulari r L’antenna è resa più bassa possibile per coprire solo l’area della cella (e permettere il riuso delle frequenze) r La potenza del segnale è bassa al punto giusto da permettere una qualità accettabile del segnale r La sensibilità del ricevitore è da relazionare alla dimensione della cella

13 Corso di Telematica A.A Prof. Salvatore Marano 13 Dimensione di una cella radio Contorni dell’intensità di campo Tx S2S2 S1S1 S3S3 S4S4 S5S5 Rx Se la soglia di Rx è S 5, e Rx è il ricevitore standard per il sistema allora il raggio R definisce la dimensione della cella. R La dimensione della cella quindi è controllata da: potenza Tx, altezza antenna Tx, e soglia Rx.

14 Corso di Telematica A.A Prof. Salvatore Marano 14 Schemi di riuso delle frequenze r Time Domain r Space Domain: m La stessa frequenza è usata in due differenti aree contemporaneamente come nei sistemi Broadcast Radio. m La stessa frequenza è usata ripetutamente nella stessa area generale di servizio come nei sistemi Cellulari Mobili

15 Corso di Telematica A.A Prof. Salvatore Marano 15 Riuso delle frequenze r In un sistema mobile, un canale radio consiste di una coppia di frequenze (full-duplex, uplink e downlink) r Il riuso delle frequenze è il concetto chiave dei sistemi cellulari r Un canale radio A radio che usa una frequenza f 1 in una cella con raggio R può essere riusata a distanza D. r Gli utenti in celle diverse possono usare la stessa frequenza contemporaneamente. r Una progettazione del sistema impropria può causare un livello di Interferenza Co-Canale inaccettabile.

16 Corso di Telematica A.A Prof. Salvatore Marano 16 Concetto di riuso delle frequenze D f1f1 f1f1 R R Dal concetto di “Riuso delle Frequenze” arriva il termine “Interferenza Co-canale” Segnale desiderato Segnale indesiderato Interferenza co-canale

17 Corso di Telematica A.A Prof. Salvatore Marano 17 Cluster N = 7 N = 3 N = 4

18 Corso di Telematica A.A Prof. Salvatore Marano 18 Riuso delle frequenze con cluster N =

19 Corso di Telematica A.A Prof. Salvatore Marano 19 Geometria della cella D R R R

20 Corso di Telematica A.A Prof. Salvatore Marano 20 Distanza D R R

21 Corso di Telematica A.A Prof. Salvatore Marano 21 Indice di riuso dove: D:Distanza tra i centri delle celle R:Raggio della cella q:Indice di riuso N:Dimensione del cluster Ipotizzando celle esagonali di uguale grandezza

22 Corso di Telematica A.A Prof. Salvatore Marano D R

23 Corso di Telematica A.A Prof. Salvatore Marano 23 Esempio 1 per N = 4 e R = 5 km La distanza minima alla quale è possibile riutilizzare la stessa frequenza è approsimativamente 3.5 volte R, in questo caso km

24 Corso di Telematica A.A Prof. Salvatore Marano D R

25 Corso di Telematica A.A Prof. Salvatore Marano 25 Esempio 2 per N = 7 e R = 5 km La distanza minima alla quale è possibile riutilizzare la stessa frequenza è approsimativamente 4.6 volte R, in questo caso km

26 Corso di Telematica A.A Prof. Salvatore Marano 26 Distanza della frequenza di riuso Dipende da: r Il numero di co-canali in vicinanza della cella centrale, r Il tipo di scenario geografico, r Altezza dell’antenna, e r Potenza trasmessa in ogni cella.

27 Corso di Telematica A.A Prof. Salvatore Marano 27 La distanza di riuso della frequenza può essere determinata da: Dove N è la dimensione del cluster

28 Corso di Telematica A.A Prof. Salvatore Marano 28 Relazione N-D r Ipotizzando che le celle trasmettano tutte alla stessa potenza. r D in termini di R per un dato N: m N = 4D = 3.46R m N = 7D = 4.6R m N = 12D = 6R m N = 19D = 7.55R r Aumentare N corrisponde ad aumentare D

29 Corso di Telematica A.A Prof. Salvatore Marano 29 Obiettivi di progetto r Copertura di segnale m Coprire l’intera area con un minimo numero di celle. m Il 100% di copertura dell’area è impossibile. r Copertura di traffico m Riuscire nelle ore di punta a dare un servizio con un livello accettabile di Grade of Service (GoS). m Numero di canali per cella e carico del traffico.

30 Corso di Telematica A.A Prof. Salvatore Marano 30 Modello di trasmissione radiomobile 11 2 m 2 km o più Percorso diretto Percorso riflesso 3m

31 Corso di Telematica A.A Prof. Salvatore Marano 31 Situazione migliore 11 2 m 2 km o più Percorso diretto Percorso riflesso 3m

32 Corso di Telematica A.A Prof. Salvatore Marano 32 Propagation Path Loss In ambiente radiomobile, la potenza ricevuta al ricevitore è data (teoricamente) da: C = portante ricevuta R = distanza tra Tx e Rx  = costante dove: La pendenza della curva di perdite è 40 dB per decade, cioè un mobile che si muove da 1 a 10 km sperimenterà una perdita nel segnale di 40 dB. Nello spazio libero (come nei collegamenti in microonde) questa relazione è:

33 Corso di Telematica A.A Prof. Salvatore Marano 33 La differenza nella potenza ricevuta a due distanze differenti risulterà essere: In un ambiente radiomobile reale, la pendenza della curva di path-loss varia con: La variabile  varia tra 2 e 5 dipendentemente dalle reali condizioni ma non può essere meno di 2 (free space). dB

34 Corso di Telematica A.A Prof. Salvatore Marano 34 Rapporto D/R RR D C1C1 C1C1 P0P0 P0P0 f1f1 f1f1 C/I =  q = D/R

35 Corso di Telematica A.A Prof. Salvatore Marano 35 La sfida r Ridurre l’interferenza co-canale ad un livello accettabile. r Più è grande N più grande sarà D. r Aumentare la distanza significa ridurre l’interferenza co-canale. r Un sistema con N grande porta ad inefficienza nella gestione. r La sfida è ottenere il più piccolo N che realizza le performance richieste.

36 Corso di Telematica A.A Prof. Salvatore Marano 36 Interferenza co-canale r Il riuso delle frequenze è limitato dall’interferenza co-canale. r La dimensione della cella è determinata dall’intensità del segnale. r Il livello di soglia del ricevitore è settato alla dimensione della cella. r Per una fissata dimensione della cella, l’interferenza co-canale è una funzione del parametro q = D/R.

37 Corso di Telematica A.A Prof. Salvatore Marano 37 Fattore di riduzione dell’interferenza co-canale L’interferenza co-canale è una funzione di q, che è chiamato fattore di riduzione dell’interferenza co-canale La distanza di separazione è una funzione di K I e C/I K I è il numero di cella interferenti nel primo strato, C/I è il rapporto carrier-to-interference per il mobile in esame

38 Corso di Telematica A.A Prof. Salvatore Marano Interfering Cell First tier Second tier D R

39 Corso di Telematica A.A Prof. Salvatore Marano 39 Celle con interferenza co-canale

40 Corso di Telematica A.A Prof. Salvatore Marano 40 Caso peggiore nell’interferenza co- canale

41 Corso di Telematica A.A Prof. Salvatore Marano 41 C/I è calcolato come: Segnale desiderato Segnale non desiderato L’equazione sopra diventa:

42 Corso di Telematica A.A Prof. Salvatore Marano 42 e q k è il fattore di riduzione dell’interferenza co-canale del k th co-canale interferente nella cella.

43 Corso di Telematica A.A Prof. Salvatore Marano 43 Esempio N = 4D = 3.46Rq = 3.46 N = 7D = 4.6Rq = 4.6 N = 12D = 6Rq = 6 N = 19D = 7.55Rq = 7.55

44 Corso di Telematica A.A Prof. Salvatore Marano 44 Per ridurre l’interferenza r Cell splitting r Cell sectoring

45 Corso di Telematica A.A Prof. Salvatore Marano 45 Cell Splitting r Un modo per fronteggiare l’aumento del traffico è dividere la cella in tante celle più piccole r Poichè l’area di copertura della cella è più piccola, i livelli di potenza trasmessa saranno più bassi e questo ridurrà l’interferenza co- canale.

46 Corso di Telematica A.A Prof. Salvatore Marano 46 Cell Splitting - Metodo A Original Cell

47 Corso di Telematica A.A Prof. Salvatore Marano 47 Cell Splitting - Metodo B Original Cell

48 Corso di Telematica A.A Prof. Salvatore Marano 48 Cell splitting

49 Corso di Telematica A.A Prof. Salvatore Marano 49 Cell Sectoring r Antenne omnidirezionali r Antenne direttive m E’ difficile progettare tali antenne, e il più delle volte, un antenna copre un’area di 60° o 120° m Le celle servite da tali antenne sono chiamate celle settorizzate

50 Corso di Telematica A.A Prof. Salvatore Marano 50 Sectoring of cells with directional antennas

51 Corso di Telematica A.A Prof. Salvatore Marano 51 Disposizione tipica su un’antenna Tx Rx two Rx antennas for diversity

52 Corso di Telematica A.A Prof. Salvatore Marano 52 Vantaggi del sectoring r Richiede la copertura di un’area più piccola ad ogni antenna e da qui il livello di potenza in trasmissione richiesto è più basso r Aiuta anche nel decrementare l’interferenza tra i canali r E’ stato osservato che aumenta anche l’efficienza spettrale del sistema generale

53 Corso di Telematica A.A Prof. Salvatore Marano 53 Interferenza co-canale per antenne direttive

54 Corso di Telematica A.A Prof. Salvatore Marano 54 Modo alternativo di fornire settorializzazione r Piazzando le antenne direttive negli angoli di tre celle adiacenti r Ciò richiede un numero di torri per antenne triplo rispetto al caso in cui le antenne erano al centro della cella.

55 Corso di Telematica A.A Prof. Salvatore Marano 55 Posizionamento delle antenne Base Station

56 Corso di Telematica A.A Prof. Salvatore Marano 56 Posizionamento delle antenne (campagna) Base Station

57 Corso di Telematica A.A Prof. Salvatore Marano 57 Il concetto di Trunking r Il trunking è il secondo concetto che rende possibile le comunicazioni cellulari. r Non tutti i mobili sono attivi nello stesso momento. r Un sistema radiomobile convenzionale si basa su allocazione permanente dei canali. r Sistemi radiomobili “Trunked” sono basati sull’assegnamento su richiesta dei canali. r Il trunking rende efficiente l’uso dello spettro di frequenze.

58 Corso di Telematica A.A Prof. Salvatore Marano 58 Esempio 4 circuiti sono condivisi per le 4 conversazioni contemporanee

59 Corso di Telematica A.A Prof. Salvatore Marano 59 Intensità del segnale e parametri della cella r Quando una MS si muove allontanandosi dalla BS della cella, l’intensità del segnale si indebolisce, e ad un certo punto entra in azione un meccanismo noto come m Handover m Handoff, hand-off, or hand off in Nord America

60 Corso di Telematica A.A Prof. Salvatore Marano 60 Contorni di intensità del segnale

61 Corso di Telematica A.A Prof. Salvatore Marano 61 Intensità del segnale ricevuto

62 Corso di Telematica A.A Prof. Salvatore Marano 62 Variazione nella potenza ricevuta

63 Corso di Telematica A.A Prof. Salvatore Marano 63 Handover r Per ricevere e interpretare i segnali correttamente, la MS deve ricevere una minima intensità di potenza P min. r La MS tra i punti X 3 e X 4 può essere servita sia da BS i che BS j. r Se la MS ha un link radio con BS i e si sta muovendo con continuità verso BS j, allora il cambio di link da BS i a BS j è conosciuto come handoff

64 Corso di Telematica A.A Prof. Salvatore Marano 64 Handover region

65 Corso di Telematica A.A Prof. Salvatore Marano 65 Handover area r Regione tra X 3 e X 4 r Dove realizzare un handover dipende da molti fattori m Una opzione è di fare handoff a X 5, dove le due BSs hanno uguale intensità m Una considerazione critica è che l’handoff non dovrebbe essere realizzato troppo presto per evitare che la MS debba tornare a collegarsi alla cella precedente, essendosi mossa avanti e indietro

66 Corso di Telematica A.A Prof. Salvatore Marano 66 Per evitare l’effetto ‘ping-pong’ r Alla MS è concesso rimanere connessa all’attuale link radio con BS i finchè il segnale di BS j supera quello di BS i di una certa soglia specificata E

67 Corso di Telematica A.A Prof. Salvatore Marano 67 Altri fattori che influenzano l’handover r Area e forma della cella r In una situazione ideale la configurazione della cella deve coincidere con la velocità delle MSs e avere confini più ampi dove il rate di handover è minimo m La mobilità di un MS è difficile da predire m Ogni MS ha uno schema di mobilità differente

68 Corso di Telematica A.A Prof. Salvatore Marano 68 GSM – Global System for Mobile Communications

69 Corso di Telematica A.A Prof. Salvatore Marano 69 Sommario r Introduzione r Interfaccia radio r Gestione della mobilità nel sistema GSM r Architettura del sistema GSM r Funzione di handover r Gestione delle comunicazioni r Gestione della sicurezza

70 Corso di Telematica A.A Prof. Salvatore Marano 70 Obiettivi GSM r Servizi m sistema pan-europeo m servizi ISDN m servizi speciali in ambiente di mobilità r Qualità del servizio m qualità comparabile con quella dei sistemi analogici a 900 MHz m possibilità di proteggere le informazioni trasmesse mediante tecniche crittografiche r Utilizzazione della risorsa radio m alta efficienza spettrale

71 Corso di Telematica A.A Prof. Salvatore Marano 71 Obiettivi GSM r Aspetti di rete m piano di numerazione compatibile con le Raccomandazioni CCITT m nessuna modifica delle reti terrestri m utilizzazione degli esistenti sistemi di segnalazione m possibilità di utilizzare diversi schemi di tassazione in reti diverse m realizzazione di reti mobili pubbliche con aree di servizio in comune

72 Corso di Telematica A.A Prof. Salvatore Marano 72 Servizi offerti dal sistema GSM r La fornitura di servizi dipende da: m dati contenuti nell’abbonamento dell’utente, sia in termini di servizi sottoscritti sia di aree geografiche m le “capacità” della rete da cui l’utente riceve servizio (possono essere utilizzate reti diverse, grazie al roaming) m le capacità del terminale utilizzato dall’utente (per es., non si possono ricevere fax con un terminale esclusivamente per fonia) r Servizi base e servizi supplementari r I servizi base offerti dal GSM sono: voce, dati e Short Message Service (SMS)

73 Corso di Telematica A.A Prof. Salvatore Marano 73 Servizi offerti dal sistema GSM r Teleservizi m telefonia bit rate attuale 13 kbit/s m servizio di chiamate di emergenza (emergency call service, 112) collegamento con un centro nazionale tramite numerazione semplificata m servizi telematici videotex, teletex, facsimile gruppo 3, Message Handling service (X.400, ecc.) m trasferimento di messaggi brevi (short message service) messaggi di lunghezza massima 160 ottetti con riscontro di consegna m servizi supplementari number identification, call offering, call completion, multy party, closed user group, call restriction, user-to-user signalling

74 Corso di Telematica A.A Prof. Salvatore Marano 74 Servizi offerti dal sistema GSM r Funzioni di identificazione. m SIM (Subscriber Identity Module) personalizza il terminale GSM r Funzioni di sicurezza m Autenticazione m Cifratura dell’informazione sulla tratta radio m Protezione della informazione di localizzazione r Funzioni OAM m Gestione degli abbonati m Esercizio m Manutenzione

75 Corso di Telematica A.A Prof. Salvatore Marano 75 Sommario r Introduzione r Interfaccia radio r Gestione della mobilità nel sistema GSM r Architettura del sistema GSM r Procedure GSM r Gestione delle comunicazioni r Gestione della sicurezza

76 Corso di Telematica A.A Prof. Salvatore Marano 76 Interfaccia radio r Utilizza una schema FDMA/TDMA (frequency hopping): m MHz (sottobanda 1 uplink) MHz (sottobanda 2 downlink) m spaziatura portanti: 200 kHz m per ogni sottobanda sono utilizzate 122 portanti (su 124 possibili); m 8 canali (vocali o dati) per portante. r Canali vocali bidirezionali a 13 kbit/s r Canali dati bidirezionali a 12, 6 o 3.6 kbit/s

77 Corso di Telematica A.A Prof. Salvatore Marano 77 Canali sull’interfaccia radio r Canali disponibili per il trasferimento dell’informazione d’utente: m Traffic Channels - TCH TCH/F (Full rate) –canale vocale bidirezionale a 13 kbit/s o canale dati a 12, 6, 3.6 kbit/s; TCH/H (Half rate) –canale vocale bidirezionale a 7 kbit/s o canale dati a 6, 3.6 kbit/s; m Slow Associated Control Channel - SACCH è associato ad ogni canale TCH è trasporta messaggi di segnalazione relativi allo stato dell'interfaccia radio (circa 2 mess./s). m Un canale TCH ed il canale SACCH associato ad esso sono detti TACH m Fast Associated Control Channel - FACCH è il canale TCH quando questo è utilizzato per segnalazione relativa all'instaurazione e all'abbattimento di chiamate e ad handover

78 Corso di Telematica A.A Prof. Salvatore Marano 78 Canali sull’interfaccia radio r Canali per la procedura di accesso m Random Access Chanell - RACH (da MS a BS) multipla le richieste di accesso; m Paging and Access Grant Control Channel - PAGCH (da BS a MS) è utilizzato per il paging e per l'assegnazione dei canali di traffico. r Invio di massaggi brevi m Cell Broadcast Channel - CBCH

79 Corso di Telematica A.A Prof. Salvatore Marano 79 Canali sull’interfaccia radio r Canali di sincronizzazione (da BS a MS) m Frequency Correction Channel - FCCH trasporta il riferimento di frequenza relativo alla cella m Synchronization Channel - SCH trasporta il riferimento temporale per l'allineamento di ogni MS m Broadcast Control Channel - BCCH (da BS a MS) trasporta informazioni sulla cella e sulla struttura del canale di paging

80 Corso di Telematica A.A Prof. Salvatore Marano 80 Accesso multiplo r Ogni canale ha la sua sequenza temporale e frequenziale r I canali bidirezionali hanno distanza frequenziale fissa (45 MHz) tra le portanti delle due direzioni e la stessa sequenza temporale r L'organizzazione dei canali è sempre ciclica, ma la durata dei cicli differisce da canale a canale

81 Corso di Telematica A.A Prof. Salvatore Marano 81 Accesso multiplo r L'unità di trasmissione è detta BURST (148 bit) m è emesso in opportune finestre temporali e frequenziali m presenza di un tempo di guardia m presenza di un ‘ midambolo ’ per l’equalizzazione di canale r Le finestre frequenziali (portanti) sono spaziate di 200 kHz; le finestre temporali (slot) si alternano ogni ms 200 kHz frequenza tempo ms slot

82 Corso di Telematica A.A Prof. Salvatore Marano 82 Sommario r Introduzione r Interfaccia radio r Gestione della mobilità nel sistema GSM r Architettura del sistema GSM r Procedure GSM r Gestione delle comunicazioni r Gestione della sicurezza

83 Corso di Telematica A.A Prof. Salvatore Marano 83 GSM: Aspetti generali r Il sistema GSM può essere considerato un sistema di accesso mobile alla rete terrestre di TLC r Le caratteristiche peculiari di un accesso mobile sono: m la gestione della mobilità m la gestione della risorsa radio r La copertura del territorio è di tipo cellulare

84 Corso di Telematica A.A Prof. Salvatore Marano 84 Copertura cellulare r Una cella è una porzione di territorio coperto da un unica stazione radio r Ad ogni cella è assegnata una frequenza portante r La celle hanno convenzionalmente dimensioni esagonali

85 Corso di Telematica A.A Prof. Salvatore Marano 85 Copertura cellulare r Consente un aumento della capacità del sistema mediante il riuso delle frequenze r Una frequenza può essere riutilizzata in un altra cella a distanza tale da rendere trascurabile l’interferenza r La capacità di un sistema può essere aumentata m aumentando il numero delle frequenze m aumentando il riuso delle frequenze diminuendo il diametro delle celle diminuendo la potenza in trasmissione

86 Corso di Telematica A.A Prof. Salvatore Marano 86 Copertura cellulare r La dimensione minima delle celle dipende da m efficienza di utilizzo dello spettro m velocità degli utenti mobili m costo degli impianti r La dimensione massima dipende da considerazioni di potenza (ma non solo…) r Dimensione delle celle nel sistema GSM m dimensione minima > 300 metri m dimensione massima < 35 km

87 Corso di Telematica A.A Prof. Salvatore Marano 87 Caratteristiche accesso mobile r La risorsa radio è una risorsa condivisa tra gli utenti di una cella m Il numero di canali in una cella è normalmente inferiore al numero di utenti presenti in essa r I canali radio devono essere allocati e rilasciati dinamicamente r La richiesta di chiamata di un mobile è presentata su un particolare canale ad accesso casuale (RACH) di uplink r La chiamata entrante è comunicata al mobile mediante un canale di “paging” di tipo broadcast (PAGCH) di downlink

88 Corso di Telematica A.A Prof. Salvatore Marano 88 Location management r Per la localizzazione del terminale sono possibili tre strategie m localizzazione a livello di cella il terminale mobile segnala alla rete ogni cambio di cella il segnale di paging è inviato in un unica cella m localizzazione ubiqua il segnale di paging è inviato in tutte le celle nessun tipo di segnalazione m definizione di un area di localizzazione un area di localizzazione è formata da un insieme di celle il terminale mobile segnala alla rete quando entra in una cella appartenente ad un altra location area il segnale di paging è inviato su tutte le celle della location area

89 Corso di Telematica A.A Prof. Salvatore Marano 89 Handover r Si attiva questa procedura se una chiamata è attiva al momento in cui il terminale passa nell’area di copertura di un altra cella r La procedura necessita di m meccanismi di rivelazione dell’attraversamento del confine tra due celle m meccanismi di commutazione dal canale relativo alla cella attuale e quello relativo alla nuova cella r La commutazione tra i due canali deve avvenire in modo da essere trasparente all’utente

90 Corso di Telematica A.A Prof. Salvatore Marano 90 Roaming r Aree di territorio diverse possono essere coperte da sistemi cellulari gestiti da gestori diversi r La funzione di roaming consente ad un utente di accedere anche a sistemi diversi da quello con cui ha sottoscritto l’abbonamento r La funzione di roaming necessità di m compatibilità tra terminale e rete m accordi amministrativi (es. tariffazione) tra i gestori di rete

91 Corso di Telematica A.A Prof. Salvatore Marano 91 Copertura cellulare Cella Location Area Handover + Location updating

92 Corso di Telematica A.A Prof. Salvatore Marano 92 Stati della stazione mobile r Una stazione mobile assume due stati m idle : nessuna chiamata è attiva sceglie la BCCH ( Broadcast control channe l)che sente con maggiore potenza ascolta i segnali broadcast che si trovano sulla canale BCCH eventualmente svolge location update m attivo : è attiva una chiamata trasferisce la voce sul canale a lui dedicato effettua delle misure sulla potenza delle celle ‘lontane’ comunica le misure fatte ala rete eventualmente svolge procedure di handover e roaming m idle => attivo : a seguito di una richiesta sul canale RACH –volontà dell’utente –paging

93 Corso di Telematica A.A Prof. Salvatore Marano 93 Sommario r Introduzione r Interfaccia radio r Gestione della mobilità nel sistema GSM r Architettura del sistema GSM r Funzione di handover r Gestione delle comunicazioni r Gestione della sicurezza

94 Corso di Telematica A.A Prof. Salvatore Marano 94 Sottosistemi GSM NSS RETI ESTERNE OSSBSSMS USERS OPERATORE Interfaccia AInterfaccia radio

95 Corso di Telematica A.A Prof. Salvatore Marano 95 BSSSistema stazione baseNSSSottosistema di rete BSCControllore stazione baseMSC Centro di commutazione servizi mobili BTS Stazione base ricetrasmittente HLRRegistro utenti locali BSStazione baseVLRRegistro utenti ospiti MSStazione mobileAuCCentro di autenticazione OSSCentro di gestione della rete EIRRegistro identità apparato OMCCentro operativo e di manutenzione Architettura di rete GSM

96 Corso di Telematica A.A Prof. Salvatore Marano 96 Sottosistemi GSM r Mobile Station (MS) m Mobile Termination (MT) m Terminal Equipment (TE) (+Terminal Adapter, TA) m Subscriber Identity Module (SIM) r Base Station Sub-System (BSS) m Base Transceiver Station (BTS) m Base Station Controller (BSC)

97 Corso di Telematica A.A Prof. Salvatore Marano 97 Sottosistemi GSM r Network and Switching Subsystem (NSS) m Mobile service Switching Center (MSC) m Home Location Register (HLR) m Visitor Location Register (VLR) m Gateway Mobile Switching Center (GMSC) m Interworking Function (IWF) m Equipment Identity Register (EIR) r Operation and Maintenance Subsystem (OSS)

98 Corso di Telematica A.A Prof. Salvatore Marano 98 Mobile Station (MS) r Terminale mobile: include le funzioni di m gestione dell’interfaccia radio (mobile termination functions) m interfaccia con l’utente umano (altoparlanti, microfono, tastiera) m adattamento per altri tipi di terminali (PCs, Fax, etc.) Mobile Termination Mobile Termination Terminal Adaptor Terminal Equipment

99 Corso di Telematica A.A Prof. Salvatore Marano 99 Subscriber Identity Module (SIM) r Smart card rimovibile o plug-in SIM r Informazioni relative all’utente m identificazione dell’utente m identificazione della home network m servizi accessibili dall’utente (profilo) m dati dell’utente (es. numeri abbreviati) r Informazioni per la sicurezza della comunicazione m codici di protezione (PIN code) m chiavi di codifica r SIM roaming

100 Corso di Telematica A.A Prof. Salvatore Marano 100 Base Station Sub-system (BSS) r La BSS esegue funzioni di m gestione dell'interfaccia radio m connessione della MS con la rete fissa r Le funzioni della BSS sono suddivise in m Base Transceiver Station (BTS) comprende i dispositivi di trasmissione e di ricezione radio, di co-decodifica della voce e di adattamento del rate in caso di dati m Base Station Control (BSC) comprende le funzioni di gestione dell'interfaccia radio (allocazione e rilascio dei canali radio, handover, ecc.)

101 Corso di Telematica A.A Prof. Salvatore Marano 101 MS e BSS BTS BSC Interfaccia Abis Interfaccia radio BSS Interfaccia A OSS

102 Corso di Telematica A.A Prof. Salvatore Marano 102 Stazione Radio Base

103 Corso di Telematica A.A Prof. Salvatore Marano 103 Mobile Switching Centre (MSC) r Esegue le funzioni di gestione delle chiamate che interessano le MS r Anchor-MSC (A-MSC) m corrisponde all'MSC che prende in carico la chiamata all'atto dell'instaurazione m rimane invariato per tutta la durata della chiamata r Relay-MSC (R-MSC) m corrisponde all'MSC che può essere coinvolto, nel corso di una chiamata, a causa di un handover tra due aree gestite da MSC diversi

104 Corso di Telematica A.A Prof. Salvatore Marano 104 Home Location Register (HLR) r E’ un database che contiene le informazioni relative a m i profili d’utente (tipo di contratto, servizi accessibili, configurazione dei servizi supplementari,…) m la localizzazione attuale dell’utente r Le informazioni di localizzazione sono aggiornate ogniqualvolta un utente oltrepassa il confine tra due aree di localizzazione r Associato allo HLR e’ l’Autentication Centre (AuC) che gestisce i dati per l’autenticazione dell’utente r L’HLR di una rete GSM può essere ridondato per motivi di affidabilità e/o di traffico

105 Corso di Telematica A.A Prof. Salvatore Marano 105 Visitor Location Register (VLR) r Memorizza le informazioni sul profilo degli utenti che risiedono temporaneamente nell’area coperta dal VLR (area di localizzazione) r Può contenere informazioni di maggior dettaglio sulla localizzazione dell’utente r Le funzionalità di un VLR sono normalmente integrate in quelle di un MSC

106 Corso di Telematica A.A Prof. Salvatore Marano 106 Gateway MSC (GMSC) r Normalmente è un MSC che esegue le funzionalità di interfacciamento con una rete esterna (PSTN, ISDN, PSPDN, etc.) r Nel caso di chiamate entranti (dirette verso un utente GSM) ha il compito di interrogare l’HLR per reperire l’informazione di localizzazione r MSC, VLR, HLR e GMSC compongono il Network & Switching Sub-system (NSS). Per gli scambi di informazione di controllo, queste macchine dialogano tramite la rete di segnalazione SS7

107 Corso di Telematica A.A Prof. Salvatore Marano 107 Network & Switching Sub-system (NSS) MSC VLR GMSC HLR AuC SS7 PSTN, ISDN Dati d’utenteControllo

108 Corso di Telematica A.A Prof. Salvatore Marano 108 Operation & Maintenance Sub-system (OSS) r Network Operation e Maintenance: “pilotare” la rete e mantenerne l’integrità fisica e funzionale m Operation and Maintenance Centers (OMCs) r Subscription management and charging (HLR, SIM) m Creazione e archiviazione dei profili di utente m Valutazione degli addebiti (Accounting) m Fatturazione (Billing)

109 Corso di Telematica A.A Prof. Salvatore Marano 109 Tutta la rete

110 Corso di Telematica A.A Prof. Salvatore Marano 110 Architettura GSM r E’ composta da quattro piani funzionali m Transmission gestisce il mezzo trasmissivo m Radio Resource Management (RR) fornisce un link stabile tra la MS e l'MSC m Mobility Management (MM) gestisce i data base per la localizzazione della MS m Communication Management (CM) fornisce i mezzi per le comunicazioni d'utente Transmission RR MM CM

111 Corso di Telematica A.A Prof. Salvatore Marano 111 Architettura GSM r Trasmissione m Fornisce i mezzi per trasferire informazione di utente (voce e dati) su tutti i segmenti tra macchine remote nel percorso della comunicazione (MS-BTS-BSC-MSC(s)-GMSC-reti esterne) m Fornisce i mezzi per trasferire segnalazione tra entità GSM m Include funzioni dello strato fisico (modulazione, codifica, accesso multiplo TDM e FDM) e degli strati di collegamento e di rete (queste ultime solo per la segnalazione) r Radio Resource m Coinvolge soprattutto la MS e la BSC, ma anche BTS e MSC (inter-MSC handover) m Le funzioni essenziali sono accesso iniziale, paging e handover

112 Corso di Telematica A.A Prof. Salvatore Marano 112 Architettura GSM r Mobility Management m Coinvolge la SIM nella MS e le basi di dati HLR e VLR. r Communication Management m Call Control Coinvolge gli MSC/VLR, i GMSC, l’HLR Le funzioni essenziali instaurazione, mantenimento e abbattimento delle chiamate e instradamento delle stesse m Supplementary Services Management Coinvolge solo la MS e l’HLR m Short Message Service Per i messaggi punto-punto agisce un cosiddetto Short Message Service Centre (SM-SC)

113 Corso di Telematica A.A Prof. Salvatore Marano 113 Architettura GSM CM MM RR Trans. MSBTSBSC MSC (VLR) HLR GMSC

114 Corso di Telematica A.A Prof. Salvatore Marano 114 Sommario r Introduzione r Interfaccia radio r Gestione della mobilità nel sistema GSM r Architettura del sistema GSM r Funzione di handover r Gestione delle comunicazioni r Gestione della sicurezza

115 Corso di Telematica A.A Prof. Salvatore Marano 115 Funzione di handover r Consente il cambio di canale radio mentre la MS è nello stato “dedicato”, senza interruzione della comunicazione r Classificazione dell’handover in relazione alla causa m Rescue Handover è provocato da condizioni di degradazione della qualità del canale radio (rischio di interruzione della comunicazione, cut-off) m Confinement Handover si pone l’obiettivo di minimizzare l’interferenza globale nell’interfaccia radio; a tale scopo, confina le MS in un'area geografica ottimale in relazione all'interferenza complessiva m Traffic Handover si applica in caso di sovraccarico di una cella passando, se possibile, utenti a celle adiacenti più scariche

116 Corso di Telematica A.A Prof. Salvatore Marano 116 Funzione di handover r Classificazione degli handover secondo il punto di scambio m Intra BTS si ha cambio di canale nell'interfaccia radio con la stessa BTS (stessa cella) m Inter BTS (Intra BSC) il nuovo canale appartiene ad una diversa BTS, ma sempre sotto il controllo della stessa BSC m Inter BSC (Intra MSC) il nuovo canale è gestito da una nuova BCS, ma sempre sotto il controllo dello stesso MSC m Inter MSC si ha transizione tra due aree gestite da due MSC diversi (R-MSC)

117 Corso di Telematica A.A Prof. Salvatore Marano 117 Funzione di handover A-MSCR-MSC A A-bis Interfaccia radio BSC MSC/VLR BTSBTS BTSBTS BTSBTS BTSBTS BSC MSC/VLR

118 Corso di Telematica A.A Prof. Salvatore Marano 118 Funzione di handover r La decisione di effettuare l'handover è sempre del BSC r Il BSC decide di attivare la procedura sulla base di misure di qualità di trasmissione effettuate dalla MS e dalla BTS, indicando al R-MSC una lista di celle candidate r L'R-MSC sceglie la cella destinazione migliore, mediando tra considerazioni radio (elaborate dal BSC) e considerazioni di traffico r In caso di cella di destinazione gestita da un altro MSC, la gestione della procedura passa all'A-MSC

119 Corso di Telematica A.A Prof. Salvatore Marano 119 Funzione di handover r Un handover di qualunque tipo richiede m La fase di preparazione Si raccolgono misure sul canale radio utilizzato e sulle BTS vicine m La fase di decisione Le misure raccolte sono elaborate (principalmente dal BSC) in un algoritmo che può innescare un handover, indicando una o più BTS candidate m La fase di esecuzione Sotto il coordinamento del punto di “scambio”, si instaura un percorso trasmissivo completo attraverso una delle BTS candidate e si rilascia il vecchio percorso, commutando la comunicazione sul nuovo

120 Corso di Telematica A.A Prof. Salvatore Marano 120 Misure per handover r I parametri presi in esame nei criteri di handover sono m Dati statici Max potenza della MS, della BTS che la serve e di quelle limitrofe Configurazione delle celle confinanti m Misure in tempo reale eseguite dalla MS La qualità trasmissiva del downlink (BER) Il livello di ricezione sul downlink del canale radio in uso Il livello di ricezione dalle BTS limitrofe m Misure in tempo reale eseguite dalla BTS La qualità trasmissiva dell’uplink (raw BER) Il livello di ricezione sull’uplink del canale radio in uso il valore di TA (Tempo di Anticipo)

121 Corso di Telematica A.A Prof. Salvatore Marano 121 Procedura di handover In tutti i casi di handover la fase di esecuzione si compone di ulteriori tre fasi: r Fase 1 m presentazione della richiesta di un handover m tentativo di instaurazione di un nuovo path di trasmissione r Fase 2 m indicazione dell’instaurazione di un nuovo path m invio del comando di handover alla MS r Fase 3 m accesso della MS al nuovo canale m attivazione del nuovo path m rilascio del vecchio path

122 Corso di Telematica A.A Prof. Salvatore Marano 122 Procedura di handover BSC-old Si richiede un handover Switching PointBSC-new Inizio della costruzione di un percorso Fine della costruzione del percorso e comando di handover alla MS Comando di handover alla MS Allocazione e attivazione del nuovo canale radio Decision Accesso sul nuovo canale radio da parte della MS La MS è sul nuovo canale Rilascio del vecchio percorso

123 Corso di Telematica A.A Prof. Salvatore Marano 123 Controllo della potenza r Deve essere inizializzato ogni volta che cambia il canale radio; le caratteristiche sono m Si applica indipendentemente ad ogni MS sia su uplink che su downlink m Il vantaggio principale è la riduzione dell’interferenza globale; inoltre si ottiene un risparmio delle batterie m E’ gestito dal BSC e si basa sulle misure di livello e qualità di BTS (uplink) e MS (downlink) m Per l’accesso sul RACH e a seguito dell’assegnazione iniziale si usa il valore di default emesso sul BCCH (ovvero la max potenza della MS, se questa è inferiore); in caso di handover o assegnazione successiva, è il BSC che comunica il nuovo valore iniziale di potenza che MS e BTS devono usare m Il campo di variazione della potenza va da 20 a 30 dB m Il passo di cambiamento è 2 dB

124 Corso di Telematica A.A Prof. Salvatore Marano 124 Controllo dell’anticipo temporale r Ha l’obiettivo di eliminare l’effetto dei ritardi di propagazione tra MS e BTS: una MS deve anticipare di TA l’istante di emissione dei burst rispetto all’istante nominale. Si inizializza ogni volta che cambia il canale radio r E’ necessario per mantenere elevata efficienza spettrale (piccoli guard times) ed evitare la sovrapposizione di burst in slots contigui m Il guard time del burst normale è circa 30 µs r Si applica quando una MS è nel modo dedicato: il valore di TA che la MS deve usare è controllato dalla BTS, che lo aggiorna tramite il SACCH ogni 480 ms r Il limite massimo sul valore di TA a sua volta implica un limite sulla massima distanza tra MS e BTS (raggio della cella); con i valori dati, il limite è 35 km

125 Corso di Telematica A.A Prof. Salvatore Marano 125 Sommario r Introduzione r Interfaccia radio r Gestione della mobilità nel sistema GSM r Architettura del sistema GSM r Funzione di handover r Gestione delle comunicazioni r Gestione della sicurezza

126 Corso di Telematica A.A Prof. Salvatore Marano 126 Gestione delle Comunicazioni r La gestione delle comunicazioni consiste nelle procedure di controllo delle chiamate r Procedura di instaurazione delle chiamate r Procedura di abbattimento delle chiamate r Gestione dei servizi supplementari r Gestione del servizio “Short Messages”

127 Corso di Telematica A.A Prof. Salvatore Marano 127 Gestione delle Comunicazioni r La rete GSM può essere considerata come una rete di accesso alla rete terrestre (PSTN, ISDN) r Le procedure di segnalazione sono una estensione di quelle ISDN r Occorre tener conto degli aspetti legati alla gestione della mobilità del terminale r Dal punto di vista della gestione delle chiamate il collegamento tra Mobile Station (MS) e Mobile Switching Centre (MSC) è considerato fisso

128 Corso di Telematica A.A Prof. Salvatore Marano 128 Tipologie di chiamate r La chiamata GSM coinvolge due “Party” r Calling Party: corrisponde all’utente chiamante r Called Party: corrisponde all’utente chiamato m se è attivo il servizio “Call Forwarding” la Called Party può cambiare nel corso della chiamata r Mobile Originating Call (MOC): è una chiamata originata da un utente GSM r Mobile Terminating Call (MTC): è una chiamata diretta ad un utente GSM

129 Corso di Telematica A.A Prof. Salvatore Marano 129 Scenario di rete GMSC:Gateway Mobile Switching Centre, è l’MSC che esegue le funzioni di gateway con la/le reti terrestri GSMISDN 2 GMSC ISDN 1 GMSCHLR

130 Corso di Telematica A.A Prof. Salvatore Marano 130 Identificatori r MSISDN (Mobile Station ISDN Number) è il numero pubblico del terminale: m Country Code(+39 Italy) m National Destination Code (338 TIM; 347 Omnitel) m Subscriber number r IMSI (International Mobile Station Identifier) è il numero interno del sistema di GSM che identifica il terminale: m Mobile Country Code (MCC) m Mobile Network Code (MNC) m Mobile Station Identification Number (MSIN)

131 Corso di Telematica A.A Prof. Salvatore Marano 131 Instradamento di una MTC r L’instradamento di una chiamata diretta ad un utente mobile si basa sul numero MSISDN (Mobile Station ISDN Number) r La posizione fisica del terminale è contenuta nell’HLR r L’HLR restituice al GMSC l’informazione di instradamento che identifica l’MSC di destinazione r MSRN : Mobile Station Roaming Number

132 Corso di Telematica A.A Prof. Salvatore Marano 132 Instradamento di una MTC r Il primo tratto di instradamento si effettua in base al destination code che individua il GMSC di accesso alla rete GSM di destinazione r Il GSMC interroga l’HLR inviando il subscriber number r L’HLR contiene le informazioni relative all’area in cui si trova l’utente chiamato Mobile Station Roming Number (MSRN) r L’instradamento finale avviene mediante il MSRN

133 Corso di Telematica A.A Prof. Salvatore Marano 133 Instradamento di una MTC Soluzione diretta GSM ISDN HLR GMSC MSC MSISDN MSRN Routing Number (MSRN)

134 Corso di Telematica A.A Prof. Salvatore Marano 134 Instradamento di una MTC Soluzione indiretta GSM ISDN HLR GMSC MSC MSISDN MSRN MSISDN IMSI MSRN

135 Corso di Telematica A.A Prof. Salvatore Marano 135 Principi di tariffazione r Ipotesi: r La posizione dell’utente chiamato non è nota al chiamante r L’utente chiamato ha diritto alla riservatezza sulla sua posizione attuale r Soluzione: r La tariffazione è basata sul principio della suddivisione

136 Corso di Telematica A.A Prof. Salvatore Marano 136 Principi di tariffazione Tratte a, b, c, d : a carico del chiamante Tratta c’ : a carico del chiamato ISDN Home Network MSC Visited Network MSC a b c d c’ d GMSC LI LI =Local Interface

137 Corso di Telematica A.A Prof. Salvatore Marano 137 Principi di tariffazione r La tariffazione è sempre gestita dal GMSC r La tariffazione della chiamata dipende dalla posizione del GSMC r L’instradamento non è sempre ottimale r Le modalità di tariffazione e di instradamento sono state scelte per la loro semplicità

138 Corso di Telematica A.A Prof. Salvatore Marano 138 Sommario r Introduzione r Interfaccia radio r Gestione della mobilità nel sistema GSM r Architettura del sistema GSM r Procedure GSM r Gestione delle comunicazioni r Gestione della sicurezza

139 Corso di Telematica A.A Prof. Salvatore Marano 139 Gestione della sicurezza r La sicurezza nel GSM ha due obiettivi m protezione contro l’accesso non autorizzato m confidenzialità dei dati di utente e di controllo r Non è necessario proteggere le informazioni più di quanto avvenga nella PSTN o nella ISDN r Le procedure definite allo scopo sono: m autenticazione m cifratura dei dati trasmessi sull’interfaccia radio (piano RR) m gestione delle chiavi di cifratura r I meccanismi di sicurezza del GSM non sono controllabili da utente

140 Corso di Telematica A.A Prof. Salvatore Marano 140 Architettura per la sicurezza r I ruoli fondamentali sono giocati da SIM e AuC r Tutto è basato su una chiave di utente, memorizzata nella SIM (da dove neanche l’utente può leggerla!) e nell’AuC r Il MSC/VLR ha alcuni “piccoli” ruoli m decide la procedura di autenticazione m esegue il confronto dei risultati dell’algoritmo eseguito da SIM e AuC nell’ambito della procedura m decide il passaggio al modo di trasmissione cifrato m memorizza la chiave di cifratura

141 Corso di Telematica A.A Prof. Salvatore Marano 141 Protocolli per la sicurezza MSC/VLR MS SIM- ME protocol RIL3-MMMAP/D HLR SIM MSC/VLR AuC MAP/G HLR- AuC protocol

142 Corso di Telematica A.A Prof. Salvatore Marano 142 Funzione di autenticazione r Si basa su un algoritmo, indicato con A3, cha ha in ingresso i due parametri Ki e RAND e restituisce il valore SRES r Caratteristiche m Ki può avere qualunque lunghezza (  128 bit se trasferita in rete), è memorizzata nella SIM (neanche l’utente può leggerla!) e nel AuC m RAND è una stringa binaria casuale di 128 bit m SRES una stringa di 32 bit m L’algoritmo A3 può essere scelto indipendentemente dai diversi operatori (semplificazione delle procedure amministrative) ed è basato sulle funzioni “one-way” m La funzione è costruita secondo il meccanismo della sfida: si estrae un valore di RAND, si calcola SRES: la sfida consiste nel chiedere all’altro di calcolare il risultato a partire dallo stesso valore di RAND, verificando se ottiene lo stesso SRES

143 Corso di Telematica A.A Prof. Salvatore Marano 143 Funzione di cifratura r Per semplificare sono possibili solo due casi: l’informazione (di utente e di segnalazione) è tutta m in chiaro m cifrata r La chiave di cifratura Kc m è (ri)calcolata ad ogni autenticazione a partire da Ki e RAND con un algoritmo denominato A8 m è memorizzata nella SIM e nel record di utente nel VLR m può essere letta dall’utente r L’algoritmo di cifratura previsto nel GSM è indicato con A5 ed è unico per permettere facilmente il roaming


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