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

Introduzione Il termine “cellulare” proviene dalla suddivisione dell’area di copertura del sistema in celle 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) La dimensione e la forma della cella e le risorse allocate per ogni cella dettano la performance del sistema Dato il numero di utenti, la frequenza media delle chiamate, la durata media del tempo di chiamata Corso di Telematica A.A. 2003-2004 Prof. Salvatore Marano

Sistema Radiomobile Corso di Telematica A.A. 2003-2004 Prof. Salvatore Marano

Sistema Radiomobile connesso Switch Corso di Telematica A.A. 2003-2004 Prof. Salvatore Marano

Sistema Cellulare Semplice Switch PSTN/ISDN Corso di Telematica A.A. 2003-2004 Prof. Salvatore Marano

Area di copertura di una cella Idealmente l’area coperta da una cella è di forma circolare Molti fattori ne influenzano la forma reale 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 La forma reale della cella è determinata dalla intensità del segnale ricevuto nell’area Corso di Telematica A.A. 2003-2004 Prof. Salvatore Marano

Area di copertura ideale Base Station Corso di Telematica A.A. 2003-2004 Prof. Salvatore Marano

Area di copertura modellata Base Station Corso di Telematica A.A. 2003-2004 Prof. Salvatore Marano

Area di copertura reale Base Station Corso di Telematica A.A. 2003-2004 Prof. Salvatore Marano

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 Corso di Telematica A.A. 2003-2004 Prof. Salvatore Marano

Copertura Radio (non-cellulare) Gli operatori di sistemi convenzionali radiomobili, radio e TV e di servizi di localizzazione puntano a massimizzare l’area di copertura. La copertura di un segnale radio è proporzionale a: Altezza dell’antenna trasmittente Potenza del trasmettitore Sensibilità del ricevitore al rapporto segnale-rumore L’altezza dell’antenna è la più importante Corso di Telematica A.A. 2003-2004 Prof. Salvatore Marano

Copertura Radio (cellulare) Filosofia opposta a quella dei sistemi non-cellulari L’antenna è resa più bassa possibile per coprire solo l’area della cella (e permettere il riuso delle frequenze) La potenza del segnale è bassa al punto giusto da permettere una qualità accettabile del segnale La sensibilità del ricevitore è da relazionare alla dimensione della cella Corso di Telematica A.A. 2003-2004 Prof. Salvatore Marano

Dimensione di una cella radio Tx S2 S1 S3 S4 S5 Rx Contorni dell’intensità di campo Se la soglia di Rx è S5, 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. Corso di Telematica A.A. 2003-2004 Prof. Salvatore Marano

Schemi di riuso delle frequenze Time Domain Space Domain: La stessa frequenza è usata in due differenti aree contemporaneamente come nei sistemi Broadcast Radio. La stessa frequenza è usata ripetutamente nella stessa area generale di servizio come nei sistemi Cellulari Mobili Corso di Telematica A.A. 2003-2004 Prof. Salvatore Marano

Riuso delle frequenze In un sistema mobile, un canale radio consiste di una coppia di frequenze (full-duplex, uplink e downlink) Il riuso delle frequenze è il concetto chiave dei sistemi cellulari Un canale radio A radio che usa una frequenza f1 in una cella con raggio R può essere riusata a distanza D. Gli utenti in celle diverse possono usare la stessa frequenza contemporaneamente. Una progettazione del sistema impropria può causare un livello di Interferenza Co-Canale inaccettabile. Corso di Telematica A.A. 2003-2004 Prof. Salvatore Marano

Concetto di riuso delle frequenze Dal concetto di “Riuso delle Frequenze” arriva il termine “Interferenza Co-canale” Segnale desiderato Segnale indesiderato Interferenza co-canale f1 f1 D R R Corso di Telematica A.A. 2003-2004 Prof. Salvatore Marano

Cluster N = 3 N = 4 2 2 1 N = 7 1 3 3 4 3 6 1 4 7 2 5 Corso di Telematica A.A. 2003-2004 Prof. Salvatore Marano

Riuso delle frequenze con cluster N = 7 2 4 3 1 7 5 6 4 2 5 7 6 Corso di Telematica A.A. 2003-2004 Prof. Salvatore Marano

Geometria della cella R D R R Corso di Telematica A.A. 2003-2004 Prof. Salvatore Marano

Distanza R D R Corso di Telematica A.A. 2003-2004 Prof. Salvatore Marano

Indice di riuso Ipotizzando celle esagonali di uguale grandezza dove: D: Distanza tra i centri delle celle R: Raggio della cella q: Indice di riuso N: Dimensione del cluster Corso di Telematica A.A. 2003-2004 Prof. Salvatore Marano

R D 2 4 3 1 4 2 4 1 3 1 2 4 2 3 1 4 2 Corso di Telematica A.A. 2003-2004 Prof. Salvatore Marano

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 17.32 km Corso di Telematica A.A. 2003-2004 Prof. Salvatore Marano

R 4 1 3 6 5 2 7 D 4 1 3 6 5 2 7 4 1 3 6 5 2 7 4 1 3 6 5 2 7 4 1 3 6 5 2 7 Corso di Telematica A.A. 2003-2004 Prof. Salvatore Marano

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 22.91 km Corso di Telematica A.A. 2003-2004 Prof. Salvatore Marano

Distanza della frequenza di riuso Dipende da: Il numero di co-canali in vicinanza della cella centrale, Il tipo di scenario geografico, Altezza dell’antenna, e Potenza trasmessa in ogni cella. Corso di Telematica A.A. 2003-2004 Prof. Salvatore Marano

La distanza di riuso della frequenza può essere determinata da: Dove N è la dimensione del cluster Corso di Telematica A.A. 2003-2004 Prof. Salvatore Marano

Relazione N-D Ipotizzando che le celle trasmettano tutte alla stessa potenza. D in termini di R per un dato N: N = 4 D = 3.46R N = 7 D = 4.6R N = 12 D = 6R N = 19 D = 7.55R Aumentare N corrisponde ad aumentare D Corso di Telematica A.A. 2003-2004 Prof. Salvatore Marano

Obiettivi di progetto Copertura di segnale Copertura di traffico Coprire l’intera area con un minimo numero di celle. Il 100% di copertura dell’area è impossibile. Copertura di traffico Riuscire nelle ore di punta a dare un servizio con un livello accettabile di Grade of Service (GoS). Numero di canali per cella e carico del traffico. Corso di Telematica A.A. 2003-2004 Prof. Salvatore Marano

Modello di trasmissione radiomobile Percorso diretto 30 - 100 m Percorso riflesso q1 3m q2 2 km o più Corso di Telematica A.A. 2003-2004 Prof. Salvatore Marano

Situazione migliore Percorso diretto 30 - 100 m 3m q1 Percorso riflesso q2 2 km o più Corso di Telematica A.A. 2003-2004 Prof. Salvatore Marano

Propagation Path Loss In ambiente radiomobile, la potenza ricevuta al ricevitore è data (teoricamente) da: dove: C = portante ricevuta R = distanza tra Tx e Rx a = costante 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: Corso di Telematica A.A. 2003-2004 Prof. Salvatore Marano

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 g varia tra 2 e 5 dipendentemente dalle reali condizioni ma non può essere meno di 2 (free space). dB Corso di Telematica A.A. 2003-2004 Prof. Salvatore Marano

Rapporto D/R C1 C1 C/I = g C/I = g f1 f1 D P0 P0 R R q = D/R Corso di Telematica A.A. 2003-2004 Prof. Salvatore Marano

La sfida Ridurre l’interferenza co-canale ad un livello accettabile. Più è grande N più grande sarà D. Aumentare la distanza significa ridurre l’interferenza co-canale. Un sistema con N grande porta ad inefficienza nella gestione. La sfida è ottenere il più piccolo N che realizza le performance richieste. Corso di Telematica A.A. 2003-2004 Prof. Salvatore Marano

Interferenza co-canale Il riuso delle frequenze è limitato dall’interferenza co-canale. La dimensione della cella è determinata dall’intensità del segnale. Il livello di soglia del ricevitore è settato alla dimensione della cella. Per una fissata dimensione della cella, l’interferenza co-canale è una funzione del parametro q = D/R. Corso di Telematica A.A. 2003-2004 Prof. Salvatore Marano

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 KI e C/I KI è il numero di cella interferenti nel primo strato, C/I è il rapporto carrier-to-interference per il mobile in esame Corso di Telematica A.A. 2003-2004 Prof. Salvatore Marano

1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 Interfering Cell First tier Second tier R D Corso di Telematica A.A. 2003-2004 Prof. Salvatore Marano

Celle con interferenza co-canale Corso di Telematica A.A. 2003-2004 Prof. Salvatore Marano

Caso peggiore nell’interferenza co-canale Corso di Telematica A.A. 2003-2004 Prof. Salvatore Marano

Segnale non desiderato C/I è calcolato come: Segnale desiderato Segnale non desiderato L’equazione sopra diventa: Corso di Telematica A.A. 2003-2004 Prof. Salvatore Marano

e qk è il fattore di riduzione dell’interferenza co-canale del kth co-canale interferente nella cella. Corso di Telematica A.A. 2003-2004 Prof. Salvatore Marano

Esempio N = 4 D = 3.46R q = 3.46 N = 7 D = 4.6R q = 4.6 Corso di Telematica A.A. 2003-2004 Prof. Salvatore Marano

Per ridurre l’interferenza Cell splitting Cell sectoring Corso di Telematica A.A. 2003-2004 Prof. Salvatore Marano

Cell Splitting Un modo per fronteggiare l’aumento del traffico è dividere la cella in tante celle più piccole 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. Corso di Telematica A.A. 2003-2004 Prof. Salvatore Marano

Cell Splitting - Metodo A Original Cell Corso di Telematica A.A. 2003-2004 Prof. Salvatore Marano

Cell Splitting - Metodo B Original Cell Corso di Telematica A.A. 2003-2004 Prof. Salvatore Marano

Cell splitting Corso di Telematica A.A. 2003-2004 Prof. Salvatore Marano

Cell Sectoring Antenne omnidirezionali Antenne direttive E’ difficile progettare tali antenne, e il più delle volte, un antenna copre un’area di 60° o 120° Le celle servite da tali antenne sono chiamate celle settorizzate Corso di Telematica A.A. 2003-2004 Prof. Salvatore Marano

Sectoring of cells with directional antennas Corso di Telematica A.A. 2003-2004 Prof. Salvatore Marano

Disposizione tipica su un’antenna Rx Tx Rx two Rx antennas for diversity Corso di Telematica A.A. 2003-2004 Prof. Salvatore Marano

Vantaggi del sectoring Richiede la copertura di un’area più piccola ad ogni antenna e da qui il livello di potenza in trasmissione richiesto è più basso Aiuta anche nel decrementare l’interferenza tra i canali E’ stato osservato che aumenta anche l’efficienza spettrale del sistema generale Corso di Telematica A.A. 2003-2004 Prof. Salvatore Marano

Interferenza co-canale per antenne direttive Corso di Telematica A.A. 2003-2004 Prof. Salvatore Marano

Modo alternativo di fornire settorializzazione Piazzando le antenne direttive negli angoli di tre celle adiacenti Ciò richiede un numero di torri per antenne triplo rispetto al caso in cui le antenne erano al centro della cella. Corso di Telematica A.A. 2003-2004 Prof. Salvatore Marano

Posizionamento delle antenne Base Station Corso di Telematica A.A. 2003-2004 Prof. Salvatore Marano

Posizionamento delle antenne (campagna) Base Station Corso di Telematica A.A. 2003-2004 Prof. Salvatore Marano

Il concetto di Trunking Il trunking è il secondo concetto che rende possibile le comunicazioni cellulari. Non tutti i mobili sono attivi nello stesso momento. Un sistema radiomobile convenzionale si basa su allocazione permanente dei canali. Sistemi radiomobili “Trunked” sono basati sull’assegnamento su richiesta dei canali. Il trunking rende efficiente l’uso dello spettro di frequenze. Corso di Telematica A.A. 2003-2004 Prof. Salvatore Marano

Esempio 4 circuiti sono condivisi per le 4 conversazioni contemporanee Corso di Telematica A.A. 2003-2004 Prof. Salvatore Marano

Intensità del segnale e parametri della cella 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 Handover Handoff, hand-off, or hand off in Nord America Corso di Telematica A.A. 2003-2004 Prof. Salvatore Marano

Contorni di intensità del segnale Corso di Telematica A.A. 2003-2004 Prof. Salvatore Marano

Intensità del segnale ricevuto Corso di Telematica A.A. 2003-2004 Prof. Salvatore Marano

Variazione nella potenza ricevuta Corso di Telematica A.A. 2003-2004 Prof. Salvatore Marano

Handover Per ricevere e interpretare i segnali correttamente, la MS deve ricevere una minima intensità di potenza Pmin. La MS tra i punti X3 e X4 può essere servita sia da BSi che BSj. Se la MS ha un link radio con BSi e si sta muovendo con continuità verso BSj, allora il cambio di link da BSi a BSj è conosciuto come handoff Corso di Telematica A.A. 2003-2004 Prof. Salvatore Marano

Handover region Corso di Telematica A.A. 2003-2004 Prof. Salvatore Marano

Handover area Regione tra X3 e X4 Dove realizzare un handover dipende da molti fattori Una opzione è di fare handoff a X5, dove le due BSs hanno uguale intensità 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 Corso di Telematica A.A. 2003-2004 Prof. Salvatore Marano

Per evitare l’effetto ‘ping-pong’ Alla MS è concesso rimanere connessa all’attuale link radio con BSi finchè il segnale di BSj supera quello di BSi di una certa soglia specificata E Corso di Telematica A.A. 2003-2004 Prof. Salvatore Marano

Altri fattori che influenzano l’handover Area e forma della cella 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 La mobilità di un MS è difficile da predire Ogni MS ha uno schema di mobilità differente Corso di Telematica A.A. 2003-2004 Prof. Salvatore Marano

GSM – Global System for Mobile Communications Corso di Telematica A.A. 2003-2004 Prof. Salvatore Marano

Sommario Introduzione Interfaccia radio Gestione della mobilità nel sistema GSM Architettura del sistema GSM Funzione di handover Gestione delle comunicazioni Gestione della sicurezza Corso di Telematica A.A. 2003-2004 Prof. Salvatore Marano

Obiettivi GSM Servizi Qualità del servizio sistema pan-europeo servizi ISDN servizi speciali in ambiente di mobilità Qualità del servizio qualità comparabile con quella dei sistemi analogici a 900 MHz possibilità di proteggere le informazioni trasmesse mediante tecniche crittografiche Utilizzazione della risorsa radio alta efficienza spettrale Corso di Telematica A.A. 2003-2004 Prof. Salvatore Marano

Obiettivi GSM Aspetti di rete piano di numerazione compatibile con le Raccomandazioni CCITT nessuna modifica delle reti terrestri utilizzazione degli esistenti sistemi di segnalazione possibilità di utilizzare diversi schemi di tassazione in reti diverse realizzazione di reti mobili pubbliche con aree di servizio in comune Corso di Telematica A.A. 2003-2004 Prof. Salvatore Marano

Servizi offerti dal sistema GSM La fornitura di servizi dipende da: dati contenuti nell’abbonamento dell’utente, sia in termini di servizi sottoscritti sia di aree geografiche le “capacità” della rete da cui l’utente riceve servizio (possono essere utilizzate reti diverse, grazie al roaming) le capacità del terminale utilizzato dall’utente (per es., non si possono ricevere fax con un terminale esclusivamente per fonia) Servizi base e servizi supplementari I servizi base offerti dal GSM sono: voce, dati e Short Message Service (SMS) Corso di Telematica A.A. 2003-2004 Prof. Salvatore Marano

Servizi offerti dal sistema GSM Teleservizi telefonia bit rate attuale 13 kbit/s servizio di chiamate di emergenza (emergency call service, 112) collegamento con un centro nazionale tramite numerazione semplificata servizi telematici videotex, teletex, facsimile gruppo 3, Message Handling service (X.400, ecc.) trasferimento di messaggi brevi (short message service) messaggi di lunghezza massima 160 ottetti con riscontro di consegna servizi supplementari number identification, call offering, call completion, multy party, closed user group, call restriction, user-to-user signalling Corso di Telematica A.A. 2003-2004 Prof. Salvatore Marano

Servizi offerti dal sistema GSM Funzioni di identificazione. SIM (Subscriber Identity Module) personalizza il terminale GSM Funzioni di sicurezza Autenticazione Cifratura dell’informazione sulla tratta radio Protezione della informazione di localizzazione Funzioni OAM Gestione degli abbonati Esercizio Manutenzione Corso di Telematica A.A. 2003-2004 Prof. Salvatore Marano

Sommario Introduzione Interfaccia radio Gestione della mobilità nel sistema GSM Architettura del sistema GSM Procedure GSM Gestione delle comunicazioni Gestione della sicurezza Corso di Telematica A.A. 2003-2004 Prof. Salvatore Marano

Interfaccia radio Utilizza una schema FDMA/TDMA (frequency hopping): 890-915 MHz (sottobanda 1 uplink) - 935-960 MHz (sottobanda 2 downlink) spaziatura portanti: 200 kHz per ogni sottobanda sono utilizzate 122 portanti (su 124 possibili); 8 canali (vocali o dati) per portante. Canali vocali bidirezionali a 13 kbit/s Canali dati bidirezionali a 12, 6 o 3.6 kbit/s Corso di Telematica A.A. 2003-2004 Prof. Salvatore Marano

Canali sull’interfaccia radio Canali disponibili per il trasferimento dell’informazione d’utente: 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; 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). Un canale TCH ed il canale SACCH associato ad esso sono detti TACH 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 Corso di Telematica A.A. 2003-2004 Prof. Salvatore Marano

Canali sull’interfaccia radio Canali per la procedura di accesso Random Access Chanell - RACH (da MS a BS) multipla le richieste di accesso; Paging and Access Grant Control Channel - PAGCH (da BS a MS) è utilizzato per il paging e per l'assegnazione dei canali di traffico. Invio di massaggi brevi Cell Broadcast Channel - CBCH Corso di Telematica A.A. 2003-2004 Prof. Salvatore Marano

Canali sull’interfaccia radio Canali di sincronizzazione (da BS a MS) Frequency Correction Channel - FCCH trasporta il riferimento di frequenza relativo alla cella Synchronization Channel - SCH trasporta il riferimento temporale per l'allineamento di ogni MS Broadcast Control Channel - BCCH (da BS a MS) trasporta informazioni sulla cella e sulla struttura del canale di paging Corso di Telematica A.A. 2003-2004 Prof. Salvatore Marano

Accesso multiplo Ogni canale ha la sua sequenza temporale e frequenziale I canali bidirezionali hanno distanza frequenziale fissa (45 MHz) tra le portanti delle due direzioni e la stessa sequenza temporale L'organizzazione dei canali è sempre ciclica, ma la durata dei cicli differisce da canale a canale Corso di Telematica A.A. 2003-2004 Prof. Salvatore Marano

Accesso multiplo L'unità di trasmissione è detta BURST (148 bit) è emesso in opportune finestre temporali e frequenziali presenza di un tempo di guardia presenza di un ‘ midambolo ’ per l’equalizzazione di canale Le finestre frequenziali (portanti) sono spaziate di 200 kHz; le finestre temporali (slot) si alternano ogni 0.577 ms 200 kHz frequenza tempo 0.577 ms slot Corso di Telematica A.A. 2003-2004 Prof. Salvatore Marano

Sommario Introduzione Interfaccia radio Gestione della mobilità nel sistema GSM Architettura del sistema GSM Procedure GSM Gestione delle comunicazioni Gestione della sicurezza Corso di Telematica A.A. 2003-2004 Prof. Salvatore Marano

GSM: Aspetti generali Il sistema GSM può essere considerato un sistema di accesso mobile alla rete terrestre di TLC Le caratteristiche peculiari di un accesso mobile sono: la gestione della mobilità la gestione della risorsa radio La copertura del territorio è di tipo cellulare Corso di Telematica A.A. 2003-2004 Prof. Salvatore Marano

Copertura cellulare Una cella è una porzione di territorio coperto da un unica stazione radio Ad ogni cella è assegnata una frequenza portante La celle hanno convenzionalmente dimensioni esagonali 7 6 3 6 3 4 2 1 4 2 2 1 5 7 6 5 7 4 7 6 3 3 4 2 Corso di Telematica A.A. 2003-2004 Prof. Salvatore Marano

Copertura cellulare Consente un aumento della capacità del sistema mediante il riuso delle frequenze Una frequenza può essere riutilizzata in un altra cella a distanza tale da rendere trascurabile l’interferenza La capacità di un sistema può essere aumentata aumentando il numero delle frequenze aumentando il riuso delle frequenze diminuendo il diametro delle celle diminuendo la potenza in trasmissione Corso di Telematica A.A. 2003-2004 Prof. Salvatore Marano

Copertura cellulare La dimensione minima delle celle dipende da efficienza di utilizzo dello spettro velocità degli utenti mobili costo degli impianti La dimensione massima dipende da considerazioni di potenza (ma non solo…) Dimensione delle celle nel sistema GSM dimensione minima > 300 metri dimensione massima < 35 km Corso di Telematica A.A. 2003-2004 Prof. Salvatore Marano

Caratteristiche accesso mobile La risorsa radio è una risorsa condivisa tra gli utenti di una cella Il numero di canali in una cella è normalmente inferiore al numero di utenti presenti in essa I canali radio devono essere allocati e rilasciati dinamicamente La richiesta di chiamata di un mobile è presentata su un particolare canale ad accesso casuale (RACH) di uplink La chiamata entrante è comunicata al mobile mediante un canale di “paging” di tipo broadcast (PAGCH) di downlink Corso di Telematica A.A. 2003-2004 Prof. Salvatore Marano

Location management Per la localizzazione del terminale sono possibili tre strategie 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 localizzazione ubiqua il segnale di paging è inviato in tutte le celle nessun tipo di segnalazione 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 Corso di Telematica A.A. 2003-2004 Prof. Salvatore Marano

Handover Si attiva questa procedura se una chiamata è attiva al momento in cui il terminale passa nell’area di copertura di un altra cella La procedura necessita di meccanismi di rivelazione dell’attraversamento del confine tra due celle meccanismi di commutazione dal canale relativo alla cella attuale e quello relativo alla nuova cella La commutazione tra i due canali deve avvenire in modo da essere trasparente all’utente Corso di Telematica A.A. 2003-2004 Prof. Salvatore Marano

Roaming 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 l’abbonamento La funzione di roaming necessità di compatibilità tra terminale e rete accordi amministrativi (es. tariffazione) tra i gestori di rete Corso di Telematica A.A. 2003-2004 Prof. Salvatore Marano

Copertura cellulare Cella Location Area Handover + updating Corso di Telematica A.A. 2003-2004 Prof. Salvatore Marano

Stati della stazione mobile Una stazione mobile assume due stati 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 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 idle => attivo : a seguito di una richiesta sul canale RACH volontà dell’utente paging Corso di Telematica A.A. 2003-2004 Prof. Salvatore Marano

Sommario Introduzione Interfaccia radio Gestione della mobilità nel sistema GSM Architettura del sistema GSM Funzione di handover Gestione delle comunicazioni Gestione della sicurezza Corso di Telematica A.A. 2003-2004 Prof. Salvatore Marano

Sottosistemi GSM OPERATORE RETI ESTERNE USERS OSS BSS MS NSS Interfaccia A Interfaccia radio Corso di Telematica A.A. 2003-2004 Prof. Salvatore Marano

Architettura di rete GSM NSS BTS BSC BSS MSC HLR VLR AuC EIR OMC NMC OSS PSTN ISDN MS BS BSS Sistema stazione base NSS Sottosistema di rete BSC Controllore stazione base MSC Centro di commutazione servizi mobili BTS Stazione base ricetrasmittente HLR Registro utenti locali BS Stazione base VLR Registro utenti ospiti MS Stazione mobile AuC Centro di autenticazione OSS Centro di gestione della rete EIR Registro identità apparato OMC Centro operativo e di manutenzione Corso di Telematica A.A. 2003-2004 Prof. Salvatore Marano

Sottosistemi GSM Mobile Station (MS) Base Station Sub-System (BSS) Mobile Termination (MT) Terminal Equipment (TE) (+Terminal Adapter, TA) Subscriber Identity Module (SIM) Base Station Sub-System (BSS) Base Transceiver Station (BTS) Base Station Controller (BSC) Corso di Telematica A.A. 2003-2004 Prof. Salvatore Marano

Sottosistemi GSM Network and Switching Subsystem (NSS) Mobile service Switching Center (MSC) Home Location Register (HLR) Visitor Location Register (VLR) Gateway Mobile Switching Center (GMSC) Interworking Function (IWF) Equipment Identity Register (EIR) Operation and Maintenance Subsystem (OSS) Corso di Telematica A.A. 2003-2004 Prof. Salvatore Marano

Mobile Station (MS) Terminale mobile: include le funzioni di gestione dell’interfaccia radio (mobile termination functions) interfaccia con l’utente umano (altoparlanti, microfono, tastiera) adattamento per altri tipi di terminali (PCs, Fax, etc.) Mobile Termination Terminal Adaptor Equipment Corso di Telematica A.A. 2003-2004 Prof. Salvatore Marano

Subscriber Identity Module (SIM) Smart card rimovibile o plug-in SIM Informazioni relative all’utente identificazione dell’utente identificazione della home network servizi accessibili dall’utente (profilo) dati dell’utente (es. numeri abbreviati) Informazioni per la sicurezza della comunicazione codici di protezione (PIN code) chiavi di codifica SIM roaming Corso di Telematica A.A. 2003-2004 Prof. Salvatore Marano

Base Station Sub-system (BSS) La BSS esegue funzioni di gestione dell'interfaccia radio connessione della MS con la rete fissa Le funzioni della BSS sono suddivise in 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 Base Station Control (BSC) comprende le funzioni di gestione dell'interfaccia radio (allocazione e rilascio dei canali radio, handover, ecc.) Corso di Telematica A.A. 2003-2004 Prof. Salvatore Marano

MS e BSS BSS BSC radio OSS BTS A Interfaccia Abis Corso di Telematica A.A. 2003-2004 Prof. Salvatore Marano

Stazione Radio Base Elementi radianti Struttura porta antenne Locale apparati Corso di Telematica A.A. 2003-2004 Prof. Salvatore Marano

Mobile Switching Centre (MSC) Esegue le funzioni di gestione delle chiamate che interessano le MS Anchor-MSC (A-MSC) corrisponde all'MSC che prende in carico la chiamata all'atto dell'instaurazione rimane invariato per tutta la durata della chiamata Relay-MSC (R-MSC) corrisponde all'MSC che può essere coinvolto, nel corso di una chiamata, a causa di un handover tra due aree gestite da MSC diversi Corso di Telematica A.A. 2003-2004 Prof. Salvatore Marano

Home Location Register (HLR) E’ un database che contiene le informazioni relative a i profili d’utente (tipo di contratto, servizi accessibili, configurazione dei servizi supplementari,…) la localizzazione attuale dell’utente Le informazioni di localizzazione sono aggiornate ogniqualvolta un utente oltrepassa il confine tra due aree di localizzazione Associato allo HLR e’ l’Autentication Centre (AuC) che gestisce i dati per l’autenticazione dell’utente L’HLR di una rete GSM può essere ridondato per motivi di affidabilità e/o di traffico Corso di Telematica A.A. 2003-2004 Prof. Salvatore Marano

Visitor Location Register (VLR) Memorizza le informazioni sul profilo degli utenti che risiedono temporaneamente nell’area coperta dal VLR (area di localizzazione) Può contenere informazioni di maggior dettaglio sulla localizzazione dell’utente Le funzionalità di un VLR sono normalmente integrate in quelle di un MSC Corso di Telematica A.A. 2003-2004 Prof. Salvatore Marano

Gateway MSC (GMSC) Normalmente è un MSC che esegue le funzionalità di interfacciamento con una rete esterna (PSTN, ISDN, PSPDN, etc.) Nel caso di chiamate entranti (dirette verso un utente GSM) ha il compito di interrogare l’HLR per reperire l’informazione di localizzazione 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 Corso di Telematica A.A. 2003-2004 Prof. Salvatore Marano

Network & Switching Sub-system (NSS) MSC VLR GMSC HLR AuC SS7 PSTN, ISDN Dati d’utente Controllo Corso di Telematica A.A. 2003-2004 Prof. Salvatore Marano

Operation & Maintenance Sub-system (OSS) Network Operation e Maintenance: “pilotare” la rete e mantenerne l’integrità fisica e funzionale Operation and Maintenance Centers (OMCs) Subscription management and charging (HLR, SIM) Creazione e archiviazione dei profili di utente Valutazione degli addebiti (Accounting) Fatturazione (Billing) Corso di Telematica A.A. 2003-2004 Prof. Salvatore Marano

Tutta la rete Corso di Telematica A.A. 2003-2004 Prof. Salvatore Marano

Architettura GSM E’ composta da quattro piani funzionali Transmission gestisce il mezzo trasmissivo Radio Resource Management (RR) fornisce un link stabile tra la MS e l'MSC Mobility Management (MM) gestisce i data base per la localizzazione della MS Communication Management (CM) fornisce i mezzi per le comunicazioni d'utente CM MM RR Transmission Corso di Telematica A.A. 2003-2004 Prof. Salvatore Marano

Architettura GSM Trasmissione Radio Resource 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) Fornisce i mezzi per trasferire segnalazione tra entità GSM 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) Radio Resource Coinvolge soprattutto la MS e la BSC, ma anche BTS e MSC (inter-MSC handover) Le funzioni essenziali sono accesso iniziale, paging e handover Corso di Telematica A.A. 2003-2004 Prof. Salvatore Marano

Architettura GSM Mobility Management Communication Management Coinvolge la SIM nella MS e le basi di dati HLR e VLR. Communication Management Call Control Coinvolge gli MSC/VLR, i GMSC, l’HLR Le funzioni essenziali instaurazione, mantenimento e abbattimento delle chiamate e instradamento delle stesse Supplementary Services Management Coinvolge solo la MS e l’HLR Short Message Service Per i messaggi punto-punto agisce un cosiddetto Short Message Service Centre (SM-SC) Corso di Telematica A.A. 2003-2004 Prof. Salvatore Marano

Architettura GSM CM MM RR Trans. MS BTS BSC MSC (VLR) HLR GMSC Corso di Telematica A.A. 2003-2004 Prof. Salvatore Marano

Sommario Introduzione Interfaccia radio Gestione della mobilità nel sistema GSM Architettura del sistema GSM Funzione di handover Gestione delle comunicazioni Gestione della sicurezza Corso di Telematica A.A. 2003-2004 Prof. Salvatore Marano

Funzione di handover Consente il cambio di canale radio mentre la MS è nello stato “dedicato”, senza interruzione della comunicazione Classificazione dell’handover in relazione alla causa Rescue Handover è provocato da condizioni di degradazione della qualità del canale radio (rischio di interruzione della comunicazione, cut-off) 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 Traffic Handover si applica in caso di sovraccarico di una cella passando, se possibile, utenti a celle adiacenti più scariche Corso di Telematica A.A. 2003-2004 Prof. Salvatore Marano

Funzione di handover Classificazione degli handover secondo il punto di scambio Intra BTS si ha cambio di canale nell'interfaccia radio con la stessa BTS (stessa cella) Inter BTS (Intra BSC) il nuovo canale appartiene ad una diversa BTS, ma sempre sotto il controllo della stessa BSC Inter BSC (Intra MSC) il nuovo canale è gestito da una nuova BCS, ma sempre sotto il controllo dello stesso MSC Inter MSC si ha transizione tra due aree gestite da due MSC diversi (R-MSC) Corso di Telematica A.A. 2003-2004 Prof. Salvatore Marano

Funzione di handover A A-bis Interfaccia radio MSC/VLR MSC/VLR BSC BSC A-MSC R-MSC MSC/VLR MSC/VLR A BSC BSC BSC A-bis BTS BTS BTS BTS Interfaccia radio Corso di Telematica A.A. 2003-2004 Prof. Salvatore Marano

Funzione di handover La decisione di effettuare l'handover è sempre del BSC 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 L'R-MSC sceglie la cella destinazione migliore, mediando tra considerazioni radio (elaborate dal BSC) e considerazioni di traffico In caso di cella di destinazione gestita da un altro MSC, la gestione della procedura passa all'A-MSC Corso di Telematica A.A. 2003-2004 Prof. Salvatore Marano

Funzione di handover Un handover di qualunque tipo richiede La fase di preparazione Si raccolgono misure sul canale radio utilizzato e sulle BTS vicine 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 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 Corso di Telematica A.A. 2003-2004 Prof. Salvatore Marano

Misure per handover I parametri presi in esame nei criteri di handover sono Dati statici Max potenza della MS, della BTS che la serve e di quelle limitrofe Configurazione delle celle confinanti 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 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) Corso di Telematica A.A. 2003-2004 Prof. Salvatore Marano

Procedura di handover In tutti i casi di handover la fase di esecuzione si compone di ulteriori tre fasi: Fase 1 presentazione della richiesta di un handover tentativo di instaurazione di un nuovo path di trasmissione Fase 2 indicazione dell’instaurazione di un nuovo path invio del comando di handover alla MS Fase 3 accesso della MS al nuovo canale attivazione del nuovo path rilascio del vecchio path Corso di Telematica A.A. 2003-2004 Prof. Salvatore Marano

Procedura di handover BSC-old Switching Point BSC-new Decision Inizio della costruzione di un percorso Si richiede un handover Allocazione e attivazione del nuovo canale radio Fine della costruzione del percorso e comando di handover alla MS Comando di handover alla MS Accesso sul nuovo canale radio da parte della MS Rilascio del vecchio percorso La MS è sul nuovo canale Corso di Telematica A.A. 2003-2004 Prof. Salvatore Marano

Controllo della potenza Deve essere inizializzato ogni volta che cambia il canale radio; le caratteristiche sono Si applica indipendentemente ad ogni MS sia su uplink che su downlink Il vantaggio principale è la riduzione dell’interferenza globale; inoltre si ottiene un risparmio delle batterie E’ gestito dal BSC e si basa sulle misure di livello e qualità di BTS (uplink) e MS (downlink) 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 Il campo di variazione della potenza va da 20 a 30 dB Il passo di cambiamento è 2 dB Corso di Telematica A.A. 2003-2004 Prof. Salvatore Marano

Controllo dell’anticipo temporale 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 E’ necessario per mantenere elevata efficienza spettrale (piccoli guard times) ed evitare la sovrapposizione di burst in slots contigui Il guard time del burst normale è circa 30 µs 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 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 Corso di Telematica A.A. 2003-2004 Prof. Salvatore Marano

Sommario Introduzione Interfaccia radio Gestione della mobilità nel sistema GSM Architettura del sistema GSM Funzione di handover Gestione delle comunicazioni Gestione della sicurezza Corso di Telematica A.A. 2003-2004 Prof. Salvatore Marano

Gestione delle Comunicazioni La gestione delle comunicazioni consiste nelle procedure di controllo delle chiamate Procedura di instaurazione delle chiamate Procedura di abbattimento delle chiamate Gestione dei servizi supplementari Gestione del servizio “Short Messages” Corso di Telematica A.A. 2003-2004 Prof. Salvatore Marano

Gestione delle Comunicazioni La rete GSM può essere considerata come una rete di accesso alla rete terrestre (PSTN, ISDN) Le procedure di segnalazione sono una estensione di quelle ISDN Occorre tener conto degli aspetti legati alla gestione della mobilità del terminale Dal punto di vista della gestione delle chiamate il collegamento tra Mobile Station (MS) e Mobile Switching Centre (MSC) è considerato fisso Corso di Telematica A.A. 2003-2004 Prof. Salvatore Marano

Tipologie di chiamate La chiamata GSM coinvolge due “Party” Calling Party: corrisponde all’utente chiamante Called Party: corrisponde all’utente chiamato se è attivo il servizio “Call Forwarding” la Called Party può cambiare nel corso della chiamata Mobile Originating Call (MOC): è una chiamata originata da un utente GSM Mobile Terminating Call (MTC): è una chiamata diretta ad un utente GSM Corso di Telematica A.A. 2003-2004 Prof. Salvatore Marano

Scenario di rete HLR ISDN 1 GSM GMSC ISDN 2 GMSC GMSC: Gateway Mobile Switching Centre, è l’MSC che esegue le funzioni di gateway con la/le reti terrestri HLR ISDN 1 GSM GMSC ISDN 2 GMSC Corso di Telematica A.A. 2003-2004 Prof. Salvatore Marano

Identificatori MSISDN (Mobile Station ISDN Number) è il numero pubblico del terminale: Country Code (+39 Italy) National Destination Code (338 TIM; 347 Omnitel) Subscriber number IMSI (International Mobile Station Identifier) è il numero interno del sistema di GSM che identifica il terminale: Mobile Country Code (MCC) Mobile Network Code (MNC) Mobile Station Identification Number (MSIN) Corso di Telematica A.A. 2003-2004 Prof. Salvatore Marano

Instradamento di una MTC L’instradamento di una chiamata diretta ad un utente mobile si basa sul numero MSISDN (Mobile Station ISDN Number) La posizione fisica del terminale è contenuta nell’HLR L’HLR restituice al GMSC l’informazione di instradamento che identifica l’MSC di destinazione MSRN : Mobile Station Roaming Number Corso di Telematica A.A. 2003-2004 Prof. Salvatore Marano

Instradamento di una MTC Il primo tratto di instradamento si effettua in base al destination code che individua il GMSC di accesso alla rete GSM di destinazione Il GSMC interroga l’HLR inviando il subscriber number L’HLR contiene le informazioni relative all’area in cui si trova l’utente chiamato Mobile Station Roming Number (MSRN) L’instradamento finale avviene mediante il MSRN Corso di Telematica A.A. 2003-2004 Prof. Salvatore Marano

Instradamento di una MTC Soluzione diretta Routing Number (MSRN) 4 MSC ISDN GMSC 1 3 MSISDN MSRN GSM MSISDN HLR 2 Corso di Telematica A.A. 2003-2004 Prof. Salvatore Marano

Instradamento di una MTC Soluzione indiretta MSRN 6 MSC ISDN IMSI GMSC 1 5 3 MSISDN GSM MSRN 4 MSISDN MSRN HLR 2 Corso di Telematica A.A. 2003-2004 Prof. Salvatore Marano

Principi di tariffazione Ipotesi: La posizione dell’utente chiamato non è nota al chiamante L’utente chiamato ha diritto alla riservatezza sulla sua posizione attuale Soluzione: La tariffazione è basata sul principio della suddivisione Corso di Telematica A.A. 2003-2004 Prof. Salvatore Marano

Principi di tariffazione Tratte a, b, c, d : a carico del chiamante Tratta c’ : a carico del chiamato a Home Network LI b MSC GMSC c ISDN d LI =Local Interface c’ Visited Network MSC d Corso di Telematica A.A. 2003-2004 Prof. Salvatore Marano

Principi di tariffazione La tariffazione è sempre gestita dal GMSC La tariffazione della chiamata dipende dalla posizione del GSMC L’instradamento non è sempre ottimale Le modalità di tariffazione e di instradamento sono state scelte per la loro semplicità Corso di Telematica A.A. 2003-2004 Prof. Salvatore Marano

Sommario Introduzione Interfaccia radio Gestione della mobilità nel sistema GSM Architettura del sistema GSM Procedure GSM Gestione delle comunicazioni Gestione della sicurezza Corso di Telematica A.A. 2003-2004 Prof. Salvatore Marano

Gestione della sicurezza La sicurezza nel GSM ha due obiettivi protezione contro l’accesso non autorizzato confidenzialità dei dati di utente e di controllo Non è necessario proteggere le informazioni più di quanto avvenga nella PSTN o nella ISDN Le procedure definite allo scopo sono: autenticazione cifratura dei dati trasmessi sull’interfaccia radio (piano RR) gestione delle chiavi di cifratura I meccanismi di sicurezza del GSM non sono controllabili da utente Corso di Telematica A.A. 2003-2004 Prof. Salvatore Marano

Architettura per la sicurezza I ruoli fondamentali sono giocati da SIM e AuC Tutto è basato su una chiave di utente, memorizzata nella SIM (da dove neanche l’utente può leggerla!) e nell’AuC Il MSC/VLR ha alcuni “piccoli” ruoli decide la procedura di autenticazione esegue il confronto dei risultati dell’algoritmo eseguito da SIM e AuC nell’ambito della procedura decide il passaggio al modo di trasmissione cifrato memorizza la chiave di cifratura Corso di Telematica A.A. 2003-2004 Prof. Salvatore Marano

Protocolli per la sicurezza MSC/VLR MS SIM-ME protocol RIL3-MM MAP/D HLR SIM AuC MAP/G HLR-AuC protocol Corso di Telematica A.A. 2003-2004 Prof. Salvatore Marano

Funzione di autenticazione Si basa su un algoritmo, indicato con A3, cha ha in ingresso i due parametri Ki e RAND e restituisce il valore SRES Caratteristiche Ki può avere qualunque lunghezza (128 bit se trasferita in rete), è memorizzata nella SIM (neanche l’utente può leggerla!) e nel AuC RAND è una stringa binaria casuale di 128 bit SRES una stringa di 32 bit L’algoritmo A3 può essere scelto indipendentemente dai diversi operatori (semplificazione delle procedure amministrative) ed è basato sulle funzioni “one-way” 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 Corso di Telematica A.A. 2003-2004 Prof. Salvatore Marano

Funzione di cifratura Per semplificare sono possibili solo due casi: l’informazione (di utente e di segnalazione) è tutta in chiaro cifrata La chiave di cifratura Kc è (ri)calcolata ad ogni autenticazione a partire da Ki e RAND con un algoritmo denominato A8 è memorizzata nella SIM e nel record di utente nel VLR può essere letta dall’utente L’algoritmo di cifratura previsto nel GSM è indicato con A5 ed è unico per permettere facilmente il roaming Corso di Telematica A.A. 2003-2004 Prof. Salvatore Marano