IL SISTEMA CELLULARE GSM/DCS 1800 GLOBAL SYSTEM FOR MOBILE COMMUNICATIONS Struttura e funzioni del Global System for Mobile communications (GSM)

IL SISTEMA GSM/DCS 1800: SOMMARIO Panoramica degli aspetti trasmissivi Architettura della rete GSM/DCS • Mobile Station (MS) • Base Transceiver Station (BTS) • Base Station Controller (BSC) • Mobile service Switching Center (MSC) • Operational and Maintenance Center (OMC) Aspetti del radiocollegamento • bande allocate e canalizzazione • modulazione e accesso • codifica della voce e di canale • modellistica del canale Aspetti di rete • gestione della risorsa radio (RRM) • gestione della mobilità (MM) • gestione delle comunicazioni (CM)

BREVE STORIA DEL SISTEMA GSM Inizio anni ‘80: diversi sistemi cellulari analogici incompatibili, sviluppati indipendentemente da varie nazioni (NMT, AMPS, RTMS, TACS ecc.). 1982: la Conference of European Posts and Telegraphs (CEPT) crea il Groupe Spécial Mobile (GSM) con il compito di sviluppare un Public Land Mobile System (PLMS) pan-europeo, con caratteristiche avanzate: • buona qualità della voce compressa • costo contenuto del terminale mobile e del servizio • possibilità di roaming internazionale • possibilità di supportare terminali mobili a bassissimo peso • possibilità di supportare diversi nuovi servizi • buona efficienza spettrale • compatibilità con il servizio ISDN. 1990: pubblicazione delle specifiche del sistema GSM (Global System for Mobile Communications). 1993: vi sono già 36 reti GSM attive in 22 nazioni, tra cui l’Italia. Attualmente vi sono centinaia di reti GSM attive su tutti i continenti, compresa l’America del Nord, con nomi diversi (GSM, DCS1800, PCS1900).

Diffusione del sistema GSM nel mondo con GSM senza GSM

PANORAMICA DEGLI ASPETTI TRASMISSIVI Bande di frequenza e canalizzazione Cluster di celle e riuso di frequenza Antenne utilizzate dalla BTS e dalla MS Tecniche di modulazione e accesso Compressione della voce e codifica di canale Servizi supportati e velocità di trasmissione

Bande di frequenza e canalizzazione La International Telecommunication Union (ITU) ha allocato, per il sistema GSM, la banda 890-915 MHz per i collegamenti uplink (mobile verso stazione radio base) e la banda 935-960 MHz per i collegamenti in senso opposto (downlink). Bande allocate per il sistema DCS1800: 1710-1785 MHz per i collegamenti uplink e 1805-1880 MHz per i collegamenti downlink. Bande allocate per il sistema PCS1900: 1850-1910 MHz per i collegamenti uplink e 1930-1990 MHz per i collegamenti downlink. Le bande suddette sono ripartite in sottobande adiacenti di larghezza 200 kHz, ciascuna destinata ad ospitare una portante. Coesistenza di altre reti (es. TACS) e ripartizione delle risorse di banda tra i vari operatori. Terminali mobili mono-banda o a banda multipla.

Cluster di celle e riuso di frequenza - I Il cluster di celle tipico del sistema GSM comprende 9 celle, con tre siti “tricellulari” posizionati nei punti 1,2,3. Le diverse celle del cluster utilizzano frequenze portanti tutte diverse tra loro per contenere l’interferenza co-canale.

Cluster di celle e riuso di frequenza - II Un’altra possibile disposizione utilizzabile è quella a sette celle Questa soluzione sembra più vantaggiosa della precedente in termini di capacità di rete, ma necessita di una quantità maggiore di infrastrutture fisse.

Antenne utilizzate dalla BTS angolo di tilt Le antenne di un sito tricellulare sono direttive ed illuminano un settore angolare largo all’incirca 120 gradi Le antenne di un sito monocellulare sono omnidirezionali sul piano orizzontale

Antenne utilizzate dalla BTS - Esempi 1

Antenne utilizzate dalla BTS - Esempi 2 fascio di aliasing Diagrammi di irradiazione isofrequenziali ottenuti dalla composizione di più diagrammi elementari singolo pannello come realizzare un’antenna quasi isotropica a partire da antenne direttive

Antenne utilizzate dalla BTS - Esempi 3

Antenne utilizzate dalla BTS - Esempi 4 Antenne dual-band

Antenne utilizzate dalla BTS - Esempi 5

Antenne utilizzate dalla MS Nei terminali mobili palmari l’antenna è di tipo filare con lunghezza pari a pochissimi centimetri (≤l/2). Il diagramma di irradiazione è praticamente isotropico Nei terminali mobili autotrasportati l’antenna è di tipo filare con lunghezza pari ad es. a l/2. Il diagramma di irradiazione è praticamente isotropico sul piano orizzontale e debolmente direttivo sul piano verticale.

Tecniche di modulazione e accesso Limitazioni tipiche sul canale radiomobile: scarsità di banda scarsità di energia sul mobile limitazione di spazio e peso sul mobile nonlinearità del canale (specie sull’uplink) LA RISPOSTA È... Modulazione Gaussian Minimum Shift Keying (GMSK) modulazione binaria a fase continua efficiente spettralmente ed energeticamente inviluppo costante relativa semplicità del ricevitore Accesso FDMA/TDMA possibilità di trasmissione/ricezione discontinua (DTX,DRX) 124 portanti spaziate di 200 kHz (GSM) trama TDMA composta da 8 slot un canale fisico è rappresentato da un burst per trama canali dedicati e canali comuni

Compressione della voce e codifica di canale Per risparmiare banda è necessario comprimere la voce, ovvero codificarla riducendone la ridondanza ma non la qualità, in modo che ad un segnale vocale corrisponda un flusso binario sensibilmente inferiore al flusso standard PCM (64 kbit/s). Attraverso la cosiddetta codifica RPE-LTP (Regular Pulse Excitation - Long Term Prediction) si arriva alle velocità: • Codificatore full-rate: 13 kbit/s • Codificatore half-rate: 6.5 kbit/s. RISULTATO Per proteggere il segnale trasmesso dagli errori indotti dal canale (rumore e distorsione), è necessario codificare il segnale introducendo ridondanza in misura dipendente dal tipo di segnale (voce/dati/segnalazione). Per la voce e per i dati si usa un codice convoluzionale concatenato con un interleaver a blocchi, mentre per la segnalazione viene usato anche un codice a blocco (di Fire). La ridondanza è variabile per i dati e la segnalazione. RISULTATO

Servizi supportati e velocità di trasmissione servizio telefonia full-duplex con voce codificata. • codifica standard: 13 kbit/s • codifica half-rate: 6.5 kbit/s servizio trasmissione dati da/a POTS, ISDN, PSPDN,CSPDN con vari protocolli (X.25, X.32 ecc.). • velocità standard: max 9.6 kbit/s servizio fax (ITU-T Rec. T.30) con apposito adattatore. messaggeria (SMS) bidirezionale per messaggi alfanumerici brevi (fino a 160 bytes). servizi vari di gestione delle chiamate (segreteria, identificazione del chiamante, teleconferenza ecc.). accesso diretto a Internet (GPRS, previsto come fase 2+ di GSM)

ARCHITETTURA DELLA RETE GSM SIM = Subscriber Identity Module ME = Mobile Equipment BTS = Base Transceiver Station BSC = Base Station Controller (G)MSC = (Gateway) Mobile services Switching Center HLR = Home Location Register VLR = Visitor Location Register EIR = Equipment Identity Register AuC = Authentication Center

La stazione mobile (MS) Consiste di un apparato terminale mobile (ME, Mobile Equipment) più una smart card detta Subscriber Identity Module (SIM). Il ME è identificato dall’International Mobile Equipment Identity (IMEI). La SIM consente la mobilità personale, indipendentemente dal ME utilizzato. La SIM contiene l’International Mobile Subscriber Identity (IMSI), indipendente dall’IMEI, usata per identificare l’abbonato, più una chiave segreta ed altre informazioni. La SIM può essere inoltre protetta da una password o da un PIN (Personal Identity Number).

Il sottosistema stazione base (BSS) interfaccia A basata sul protocollo SS7 al Mobile service Switching Center (MSC) BSC BTS Il BSC gestisce le risorse radio per una o più BTS, in particolare controlla il setup dei canali radio, il frequency hopping, gli handover intra-cella e inter-BTS. interfaccia A-bis, basata sul Link Access Protocol on Data (LAPD) BTS la BTS ospita i ricetrasmettitori radio (uno per portante) che definiscono una cella ed implementa i protocolli di collegamento con le MS. BSS

Base Transceiver Station Esempio di unità BTS Base Transceiver Station Contiene l’hardware per l’interfaccia radio (modem, amplificatori, combinatori ecc.) e per l’interfaccia verso la BSC 1.75 m

Base Station Controller Esempio di unità BSC Base Station Controller 2 m Nell’unità sono ospitate (con ridondanza) le interfacce di linea da/verso le BTS e la MSC, nonché le funzioni di segnalazione

Transcoder and Rate Adaptor Unit Esempio di unità TRAU Transcoder and Rate Adaptor Unit 2 m È installata presso la MSC ed ha la funzione di convertire il flusso codificato GSM in flussi standard multipli di 64 kbit/s, e viceversa.

The Network and Switching Subsystem (NSS) - I È l’insieme delle principali funzioni di commutazione e dei data base preposti alla gestione dei dati e della mobilità degli utenti, vale a dire registrazione, autenticazione, set-up chiamate, procedure di handover ecc. MSC MSC HLR VLR AuC GMSC GMSC HLR VLR AuC VLR La segnalazione tra le diverse funzionalità del NSS avviene con un formato detto Signaling System 7 (SS7), usato anche per la segnalazione di tronco nell’ISDN. In particolare il protocollo di segnalazione SS7 è usato sull’interfaccia A tra MSC e BSC. EIR HLR MSC AuC

The Network and Switching Subsystem (NSS) - II MSC GMSC a/da PSTN/ISDN a/da BSS a/da BSS VLR VLR alla PSTN/ISDN MSC=Mobile Switching Center GMSC=Gateway MSC HLR=Home Location Register VLR=Visitor LR EIR=Equipment Identity Register AuC=Authentication Center A MSC HLR a/da BSS AuC VLR alla PSTN/ISDN EIR NSS

Il centro di commutazione radiomobile (MSC/GMSC) È il componente principale del Sottosistema di Rete, e si comporta come un normale nodo di commutazione della rete PSTN/ISDN. È connesso a quattro registri: l’Home Location Register (HLR) e il Visitor Location Register (VLR) consentono l’instradamento delle chiamate e le capacità di roaming del GSM, mentre l’Equipment Identity Register (EIR) e L’Authentication Center (AuC) vengono usati per scopi di autenticazione e sicurezza. Esso provvede alla registrazione, autenticazione, aggiornamento della posizione, handover e instradamento delle chiamate di un abbonato roamer.

Il registro dei residenti (HLR) Funzionalmente c’è un solo HLR per ogni rete GSM, anche se esso viene implementato come un data base distribuito. Contiene tutte le infomazioni identificative di ciascun abbonato alla rete GSM (MSISDN, IMSI, servizi abilitati), insieme alla posizione corrente di ciascuno di essi (se attivo). MSISDN IMSI MSRN Non è solo un registro passivo dove si scrivono/leggono dei dati, ma va visto come una vera e propria unità con funzioni autonome, quali la richiesta alle MSC/VLR lasciate dal roamer della cancellazione dello stesso dal rispettivo VLR. La posizione corrente del mobile è normalmente nella forma dell’indirizzo di segnalazione del Visitor Location Register (VLR) corrente associato al mobile.

Il registro dei visitatori (VLR) Il MSC non contiene informazioni relative ad alcuna particolare MS, questa informazione essendo confinata ai registri di locazione. Il VLR è un data base contenente parte delle informazioni del HLR richieste per il controllo locale delle chiamate e per la fornitura dei servizi previsti, per ciascun MS correntemente posizionato in una certa area geografica. Allo scopo di semplificare la segnalazione, di solito c’è un VLR associato a ciascun MSC, per cui l’area controllata dal VLR coincide con le Location Area di un MSC.

Equipment Identity Register (EIR) È un data base contenente l’elenco di (teoricamente) tutti gli apparati mobili, dove ciascuna MS è identificata dal suo IMEI. ? Un IMEI è dichiarato non valido se esso risulta rubato o di tipo non approvato per la rete o per la funzione richiesta.

Il centro di autenticazione (AuC) Consiste in un data base protetto che ospita una copia delle chiavi segrete memorizzate in ciascuna carta SIM, usate per l’autenticazione e la cifratura sul canale radio. La procedura di autenticazione viene attivata ogni qual volta un abbonato accede alla rete, per accertare la sua identità

Il centro operativo e di manutenzione (OMC) È il centro “amministrativo” delle rete, con compiti di esercizio e manutenzione: MSC OMC compiti di esercizio giornaliero (aggiornamento abbonati, raccolta dati di tassazione ecc.); valutazione del corretto dimensionamento delle risorse radio della rete; distribuzione ottimale del carico sui vari elementi della rete di connessione; controllo della qualità del servizio; attività di manutenzione. MSC • MSC Collegamento alle MSC con X.25 su linea dedicata o sull’interfaccia A con protocollo X.25 o SS7.

ASPETTI DEL RADIOCOLLEGAMENTO Bande allocate e canalizzazione Accesso (FDMA/TDMA con FH) Struttura delle trame Sincronizzazione di trama Velocità di trasmissione Codifica vocale Codifica di canale Modulazione Potenze trasmesse Sensibilità dei ricevitori Modellistica del canale Dimensioni delle celle Rapporto segnale-interferenza

Bande allocate e canalizzazione passo di canalizzazione comune e pari a 200 kHz PCN = Personal Communication Network PCS = Personal Communication System

Accesso multiplo - I Combinazione di accesso multiplo a divisione di frequenza e di tempo (FDMA/TDMA). Ciascuno dei suddetti canali frequenziali viene poi suddiviso nel tempo, usando uno schema TDMA. La banda disponibile viene suddivisa in canali frequenziali spaziati di 200 kHz. Una o più di queste frequenze portanti vengono assegnate a ciascuna BTS. •

La durata di uno slot TDMA è pari a 15/26 ms ≈ 0.577 ms. Accesso multiplo - II Un canale fisico è costituito dunque dalla associazione di uno slot TDMA e di una delle frequenze portanti. 0.577 ms La durata di uno slot TDMA è pari a 15/26 ms ≈ 0.577 ms. • 4.615 ms Un gruppo di 8 slot costituisce una trama TDMA, di durata pari a 120/26 ms ≈ 4.615 ms.

Canali fisici La frequenza della portante varia da un burst all’altro (SFH, Slow Frequency Hopping) secondo una legge che, a partire dalla cella e dal mobile assegnati, mappa univocamente il numero corrente di trama su un canale radio. opzione del provider! Un canale fisico utilizza sempre lo stesso numero di time slot in tutte le trame. Più precisamente, quindi, un canale fisico è definito da un numero di time slot, dalla sequenza dei numeri di trama e dalla legge di frequency hopping.

Struttura delle trame di traffico/segnalazione - I Le trame TDMA sono identificate da un numero di trama, che è ciclico e va da 0 a 26·51·2048-1=2 715 647; un ciclo ha pertanto durata pari a 3 h 28’ 53.76” (ipertrama). L’ipertrama consiste di 2048 supertrame (durata: 6.12 s), a loro volta costituite da 51 multitrame di 26 trame ciascuna o da 26 multitrame di 51 trame ciascuna. Le multitrame da 26 trame ciascuna (durata: 120 ms) sono utilizzate nella trasmissione dei canali di traffico (TCH). Le multitrame da 51 trame ciascuna (durata: 235 ms) sono utilizzate per i canali comuni e per i canali di controllo (CCH).

Struttura delle trame di traffico/segnalazione - II L’ipertrama è costituita da 2048 supertrame

Struttura della multitrama di traffico multitrama di traffico (durata = 120 ms) trame di traffico voce/dati (TCH/F-H) trame di traffico voce/dati (TCH/F-H) I canali SACCH sono associati ai relativi canali di traffico, hanno velocità ridotte (1/24 o 1/12 di quella nominale) e trasportano informazioni di tipo non urgente, come le misure radio utilizzate per gli handover, i livelli di potenza e gli anticipi in trasmissione del mobile. Slow Associated Control channel (SACCH) (viene utilizzato un solo frame per i canali TCH/H).

Ritardo downlink-uplink I TCH relativi all’uplink ed al downlink per un utente mobile sono separati da tre intervalli di slot (alla BTS) per evitare la trasmissione e la ricezione simultanee se non vi fosse ritardo di propagazione! in realtà la MS deve anticipare!

Canali di traffico (TCH) I canali di traffico TCH/F (full-rate) consentono la trasmissione di voce codificata a 13 kbit/s o di dati alla velocità massima di 9.6 kbit/s (ora 14.4 kbit/s). Gli stessi canali TCH/F vengono utilizzati per la segnalazione inerente al set-up o al rilascio di una chiamata,o all’esecuzione degli handover ecc. (in tal caso lo stealing flag nel burst viene settato a 1). Oltre ai suddetti TCH/F vi sono i canali half-rate TCH/H (non ancora implementati ovunque), che consentono il raddoppio della capacità voce attraverso l’impiego di codificatori a 6.5 kbit/s al posto degli attuali 13 kbit/s. Vi sono anche canali TCH a 1/4 o a 1/8 della velocità, usati per segnalazione e detti Stand-Alone Dedicated Control Channels (SDCCH, SDCCH/4, SDCCH/8). Essi sono utilizzati per il servizio SMS, per l’aggiornamento della posizione del mobile ecc.

Canali di controllo/segnalazione (CCH) - I Sono definiti nell’ambito di una multitrama costituita da 51 trame, sincronizzata (a livello di supertrama) con quella a 26 trame dei TCH per facilitarne il monitoraggio da parte degli utenti mobili. Vi sono dei canali comuni (ad es. il Broadcast Control Channel, BCCH) che il mobile ascolta anche se nello stato idle (stand-by), per stabilire se esso viene chiamato o per inizializzare una chiamata. Vi sono dei canali dedicati che i mobili utilizzano per passare allo stato attivo; inoltre nel corso di una comunicazione essi eseguono il monitoraggio continuo delle BTS circostanti per consentire l’handover e per altre funzioni.

Canali di controllo/segnalazione (CCH) - II Broadcast Control Channel (BCCH): invio continuo sul downlink delle informazioni relative a identità BTS, allocazione delle frequenze e sequenze di FH. Frequency Correction Channel (FCCH) e Synchronization (SCH) Channel: usato per la sincronizzazione del mobile alla frequenza di portante e alla trama della cella (inizio trama e numerazione time slot); ciascuna BTS irradia un FCCH e un SCH esattamente sui primi slot di trame dedicate. Random Access Channel (RACH): di tipo Slotted Alhoa, usato dal mobile per richiedere l’accesso alla rete. Paging Channel (PCH): usato per allertare un mobile di una chiamata in arrivo. Access Grant Channel (AGCH): usato per allocare un SDCCH ad un mobile per segnalazione (allo scopo di ottenere un canale dedicato), a seguito di una richiesta sul RACH.

Canali di traffico e segnalazione normali Struttura dei burst Canali di traffico e segnalazione normali Il burst più corto si usa per l’accesso alla rete, che avviene sul canale RACH (Random Access Channel) con tecnica Slotted Aloha Canale FCCH Canale SCH

Struttura dei burst di traffico Tenendo conto della struttura della multitrama di traffico, la velocità di trasmissione dei dati è pari a 22.8 kbit/s, mentre la velocità di trasmissione sul canale è 270.83 kbit/s gli 8.25 intervalli di bit di guardia hanno lo scopo di evitare collisioni tra burst adiacenti

Codifica della voce - I GSM è un sistema numerico, per cui la voce, che è inerentemente analogica, deve essere digitalizzata. ...0110100110101000110110010100010010011100101010100101... Come miglior compromesso tra qualità e complessità (costo, ritardo di elaborazione, consumo di potenza) si è optato per l’algoritmo noto come Regular Pulse Excited - Long Term Prediction (RPE-LTP). Il metodo più impiegato per ISDN e per PSTN sulle linee multiplex ad alta velocità e sulle fibre ottiche è il PCM, la cui velocità (64 kbit/s) è però eccessiva.

Codifica della voce - II predizione errore di predizione (residuo) a basso contenuto informativo Invece di trasmettere x(n) , vengono trasmessi i coefficienti del filtro, più una versione codificata dell’errore di predizione (Linear Prediction Coding, LPC) I campioni precedenti x(n-1),…, x(n-L), che non cambiano molto rapidamente, vengono utilizzati, attraverso una combinazione lineare (filtro), per prevedere l’ampiezza x(n) del campione corrente . ^ Il numero dei dati da trasmettere è inferiore!

Codifica della voce - III In ricezione è possibile realizzare la struttura inversa alla precedente e pilotarla con l’errore di predizione y(n), che costituisce la sequenza di eccitazione,ottenendo così la sequenza di partenza x(n) ... Questa tecnica viene ulteriormente affinata notando che quando si pronunciano le vocali il segnale emesso è pressoché periodico (con periodo di pochi ms), e che il residuo y(n) contiene quindi una componente periodica che può essere predetta e rimossa con un predittore a lungo termine (LTP) di semplice realizzazione. nuova sequenza di eccitazione

Codifica della voce - IV Il parlato viene suddiviso in blocchi di 20 ms (160 campioni), per ciascuno dei quali il codificatore genera 260 bit, invece dei 1280 bit di un segnale PCM standard. Il rapporto di compressione è pari a circa 5:1. Pertanto la voce codificata corrisponde a 13 kbit/s, cui vanno aggiunti ulteriori bit di codifica di canale.

In pratica si fa così... Codifica della voce - V ridondanza a breve termine + ridondanza a lungo termine + innovazione innovazione innovazione quantizzata ridondanza a lungo termine + innovazione ridondanza a lungo termine stimata ridondanza a lungo termine + innovazione ricostruite

codifica convoluzionale codifica a blocco (Fire) Codifica di canale A causa dei disturbi naturali (es. rumore termico) e provocati dall’attività umana (interferenze) la voce, i dati e le segnalazioni vanno protetti dagli errori occasionali commessi dal ricevitore. codifica convoluzionale codifica a blocco (Fire) interleaving a blocchi. Nel sistema GSM la protezione si ottiene tramite: convoluzionale rate 1/2 a blocco (6,4) interleaver

Codifica di canale La voce ed i dati alle differenti velocità, nonché la segnalazione, impiegano algoritmi di codifica specifici, con diversi livelli di ridondanza che garantiscono differenti gradi di protezione.

Codifica di canale per la voce - I I 260 bit che rappresentano il generico blocco vocale di 20 ms vengono suddivisi in 3 classi, a seconda della loro importanza: • Classe Ia (50 bit) - massima sensibilità agli errori • Classe Ib (132 bit) - sensibilità moderata agli errori • Classe II (78 bit) - minima sensibilità agli errori Ai 50 bit della classe Ia vengono aggiunti 3 bit attraverso un codificatore a blocco ciclico (CRC) per consentire la rivelazione di errori. Se in ricezione si rileva un errore in questo gruppo di bit, l’intero blocco di 260 bit viene scartato in quanto ritenuto incomprensibile e viene sostituito con una versione attenuata dell’ultimo blocco valido.

Codifica di canale per la voce - II I 53 bit della classe Ia insieme ai 132 bit della classe Ib ed a 4 bit di coda (totale: 189 bit) sono inviati ad un codificatore convoluzionale di rate 1/2 e constraint length 4. I 378 bit così ottenuti sono uniti ai 78 bit di classe II (non protetti), in modo da ottenere una sequenza di 456 bit, corrispondente ad un bit rate di 22.8 kbps. Ciascuna sequenza viene sottoposta ad interleaving a blocchi, ovvero viene suddivisa in 8 sottosequenze di 57 bit ciascuna, che vengono inviate, in ordine alterato, su 8 burst di altrettante trame di traffico consecutive. Poiché ogni burst ospita 2 sequenze da 57 bit, ogni TB trasporta traffico relativo a 2 blocchi vocali consecutivi A e B. I bit del blocco A occupano le posizioni pari all’interno del burst mentre quelli del blocco B le posizioni dispari.

Catena di elaborazione per i segnali vocali Per un segnale dati sono assenti i blocchi di speech coding and decoding, ed è diversa la codifica di canale

Struttura del segnale - I La modulazione impiegata è la Gaussian Minimum Shift Keying (GMSK), che è una modulazione binaria a fase continua (CPM): energia per bit freq. della portante fase della portante segnale trasmesso fase in eccesso intervallo di bit simboli informativi (±1) segnale modulante risposta in fase del modulatore indice di modulazione (h=1/2)

Struttura del segnale - II Risposta in fase del modulatore Impulso in frequenza h(t) è una gaussiana di banda B a -3 dB pari a BT b = . 3

Schema del modulatore GMSK Il filtro gaussiano, smussando l’impulso in frequenza rispetto all’andamento rettangolare, consente di ottenere uno spettro più compatto.

GMSK - Spettro di potenza e diagramma ad occhio Al diminuire della banda del filtro gaussiano, lo spettro diventa sempre più compatto Il diagramma a occhio (componente I o Q) mostra la presenza di un livello modesto di ISI sul canale gaussiano istante ottimale campionamento

GMSK - Demodulatore sub-ottimo su canale gaussiano La modulazione GMSK può essere approssimata con una modulazione lineare I-Q con offset Quindi sul canale gaussiano si può usare un demodulatore I-Q in offset

Struttura del canale radiomobile cammino riflesso cammino diretto cammino diffratto Il canale radiomobile è caratterizzato da: • una molteplicità di cammini (canale multipath) dovuti a riflessioni e diffrazioni del campo e.m. dall’ambiente circostante, che possono introdurre selettività in frequenza; • tempo-varianza della risposta, dovuta al movimento della MS, che introduce variazioni nel livello del segnale ricevuto (selettività nel tempo)

Selettività nel tempo CRITERI PROGETTUALI Il processo “livello ricevuto” può ritenersi stazionario in senso lato in un tempo entro il quale non varia apprezzabilmente il tipo di ambiente e la distanza MS-BTS. Andamento tipico a breve termine (valore RMS pressoché costante) del livello del segnale ricevuto su un terminale mobile dotato di velocità costante v (ambiente urbano). A lungo termine il valore RMS subisce variazioni secondo una legge del tipo , dove d è la distanza TX-RX e g è un esponente compreso tra 2 e 4. L’ampiezza del segnale ricevuto può essere ritenuta costante in tempi molto minori di l /v (l /v @ 20 ms @ 50 km/h per il sistema GSM)

Selettività in frequenza CRITERI PROGETTUALI Il canale può ritenersi non selettivo in frequenza se la banda del segnale è molto più piccola dell’inverso della dispersione temporale. La risposta impulsiva di un canale multipath stazionario è del tipo Ad esempio, se la dispersione temporale è dell’ordine di 10 ms, non si ha selettività in frequenza solo per segnali la cui banda è molto minore di 100 kHz. numero di percorsi ritardi di propagazione coefficienti complessi

Modello statistico del segnale ricevuto Un buon modello statistico per l’ampiezza del segnale ricevuto in ambiente urbano (TU), dove in genere TX e RX non sono in vista e quindi non esiste il raggio diretto, è quello di Rayleigh: In ambiente rurale (RA) o collinare (HT), dove tipicamente esiste il raggio diretto, un modello più realistico è quello di Rice:

Canali radio standard Nell’ambiente TU si assume assente il raggio diretto

Struttura del demodulatore sul canale con fading ha funzione di equalizzatore adesso è necessario stimare ed equalizzare il canale burst per burst! contiene la fase della portante termini di ISI da fornire all’equalizzatore di Viterbi

Schema funzionale TRX

Salti in frequenza (FH) L’algoritmo di frequency hopping, radiodiffuso sul BCCH, associa un canale radio alla particolare combinazione corrente di cella del cluster, di utente e di numero di trama. L’introduzione dei salti in frequenza allevia il problema del fading da cammini multipli, che è fortemente dipendente dalla frequenza Un ulteriore effetto benefico è quello della “randomizzazione” dell’interferenza co-canale dovuta ai cluster adiacenti.

Trasmissione discontinua per la voce (DTX) Il burst di traffico vocale viene generato e trasmesso solo quando è presente il segnale,la cui rilevazione è affidata ad un voice activity detector (VAD). VANTAGGI SVANTAGGI riduzione dell’interferenza co-canale dovuta ai cluster adiacenti risparmio di energia (aspetto rilevante per le MS) possibili errori di falsa rivelazione e di mancata rivelazione della voce, che hanno rispettivamente impatto sull’efficienza della DTX o sulla qualità della voce (clipping) In assenza della voce, introduzione del comfort noise di livello calibrato sulla stima del rumore di fondo

Ricezione discontinua (DRX) La tecnica DRX è utilizzata dalla MS quando essa si trova nello stato di attesa di chiamate (idle o stand-by). Consiste nell’accensione dei circuiti di ricezione solamente quando sull’antenna è presente il sotto-canale di segnalazione relativo alla MS. Z Z Z Z Z Z Z Z Z Ciascuna MS deve ascoltare soltanto il proprio sotto-canale, che le è assegnato al momento dell’accesso alla rete, rimanendo nel modo idle nel resto del tempo, e minimizzando quindi i requisiti di potenza. Il canale di paging (PCH), utilizzato dalla BTS per segnalare una chiamata in arrivo, è infatti strutturato in sotto-canali (slot).

Classi di potenza Per il sistema GSM sono definite 5 classi di potenza di picco della MS, e 2 classi per il DCS1800 veicolari palmari La potenza è variabile con step di 2 dB dalla potenza di picco relativa alla classe considerata fino ad un minimo di 13 dBm (20 mW).

Controllo di potenza È opzionale per il provider, e presenta il vantaggio di incrementare la capacità della rete minimizzando l’interferenza, oltre a consentire un risparmio di energia. Sia la MS che la BTS sono in grado di misurare il livello e/o la qualità (BER) dei segnali ricevuti. La MS effettua la misura e passa l’informazione alla BSC, che alla fine decide se e quando il livello di potenza debba essere cambiato; analoga procedura viene eseguita dalla BTS-BSC nei confronti della MS. La potenza trasmessa (sia da MS che da BTS) è la più piccola compatibile con la qualità minima stabilita per il segnale

Dimensione delle celle La dimensione delle celle è legata alla densità geografica di utenti da servire: maggiore è questa densità, minore deve essere il diametro delle celle, e minori le potenze irradiate per mantenere accettabile il rapporto segnale-interferenza. La dimensione massima delle celle è pari a circa 35 km; questa si trova ricordando che l’anticipo di trasmissione è codificato con 6 bit, e quindi esso è al più 64 intervalli di bit, ovvero 236 ms. La dimensione minima si trova nei centri urbani e può essere inferiore al km (micro e picocelle).

Limiti all’interferenza co-canale e da canale adiacente Le specifiche GSM stabiliscono un limite (9 dB) al rapporto tra segnale e interferenza co-canale. Tale limite consente di stabilire quale deve essere il fattore di riuso delle frequenze e quindi il numero di celle del cluster. Circa l’interferenza da canale adiacente, il ricevitore deve funzionare correttamente quando il suddetto canale ha potenza fino a 10 dB superiore a quella utile. Ciò pone requisiti stringenti sullo spettro del segnale e sulle risposte dei filtri separatori di canale.

SOTTOSISTEMA DI RETE E COMMUTAZIONE (NSS) Funzioni principali del Network & Switching Subsystem (NSS) gestione delle procedure di handover per il passaggio da una cella ad un’altra. aggiornamento delle posizioni delle MS all’interno della rete registrazione e autenticazione degli utenti routing delle chiamate Queste funzioni sono eseguite principalmente attraverso il Mobile Application Part (MAP) costruito sul protocollo Signaling System n. 7 (SS7), che è lo stesso protocollo di segnalazione utilizzato nella rete ISDN.

Struttura del protocollo di segnalazione - I TDMA=Time Division Multiple Access LAPDm=Link Access Protocol for the Data channel (modified) MTP=Message Transfer Part SCCP=Signaling Connection Control Part RR=Radio Resource BSSMAP=BSS Management Part MM=Mobility Management CM=Communication Management

Struttura del protocollo di segnalazione - II Protocollo di segnalazione strutturato fondamentalmente in 3 livelli, dipendenti dall’interfaccia (IF) considerata. Il primo livello è quello fisico, che impiega le strutture di canale già viste sull’IF radio. Il secondo è quello di data link. Sull’IF radio utilizza una versione modificata (m) del protocollo LAPD di ISDN, mentre sull’IF A usa il protocollo Message Transfer Part (MTP) Layer 2 di SS7. .

Struttura del protocollo di segnalazione - III Gestione delle Risorse Radio (RRM), che controlla il setup, il mantenimento e la terminazione dei canali radio e fissi, compresi gli handover 1 Il terzo livello del protocollo di segnalazione è suddiviso in 3 sottolivelli Gestione della Mobilità (MM), che controlla le procedure di aggiornamento della posizione e di registrazione, nonché di sicurezza ed autenticazione 2 Gestione delle Comunicazioni (CM), che controlla le chiamate e i servizi supplementari quali lo Short Message Service (SMS) 3 La segnalazione tra le diverse componenti della rete fissa (es. tra i registri HLR e VLR) avviene tramite il protocollo Mobile Application Protocol (MAP), costruito sulle Transaction Capabilities Application Part (TCAP), il livello più alto di SS7.

GESTIONE DELLA RISORSA RADIO (RRM) Il livello RR controlla l’instaurazione, il mantenimento e la terminazione del collegamento (sia radio che fisso) tra MS e MSC. A tale scopo esso crea e gestisce una sessione RR, che viene iniziata dalla MS attraverso la procedura di accesso (sia per chiamata entrante che uscente) e terminata alla fine della comunicazione. In particolare, il livello RR controlla l’assegnazione dei canali dedicati per il set-up di una comunicazione nonché la struttura dei sotto-canali di paging. Come detto, il livello RR provvede al mantenimento di una comunicazione cambiando eventualmente una o più volte il canale fisico sul quale essa ha luogo (handover). Esso gestisce alcuni aspetti radio come il controllo della potenza, la trasmissione e la ricezione discontinua, la sincronizzazione dei burst nel link di ritorno.

Quattro diversi tipi di handover: Handover - I In una rete cellulare, i collegamenti radio e fissi non sono assegnati in modo permanente durante una chiamata, ma possono variare. Quattro diversi tipi di handover: handover interni handover tra canali (slot tempo/frequenza) nella stessa cella handover tra celle controllate dallo stesso BSC Il termine “handover” indica la commutazione di una chiamata su un canale o su una cella differente e, insieme alle procedure di accesso, costituisce una delle funzioni più importanti controllate dal livello RR. handover tra celle controllate da BSC diversi, sotto un unico MSC; handover tra celle controllate da MSC diversi. handover esterni

Handover - II Gli handover interni coinvolgono un solo BSC e, per risparmiare banda di segnalazione, sono gestiti dal BSC senza intervento del MSC salvo nella fase finale di notifica. Gli handover esterni sono gestiti dagli MSC coinvolti. L’MSC iniziale (detto anchor MSC) rimane responsabile delle funzioni relative alle chiamate, ad eccezione dei successivi handover inter-BSC, gestiti dal MSC corrente (detto relay MSC).

Handover - III Gli handover possono essere decisi dal MSC come mezzo di bilanciamento del traffico... …oppure dal mobile, il quale negli slot in cui non vi è trasmissione misura il livello dei canali BCCH delle celle vicine, e forma una lista delle celle migliori candidate all’handover. Tali dati vengono periodicamente (almeno una volta al secondo) trasmessi al MSC e usati per l’algoritmo di handover.

Handover - IV Un vero e proprio algoritmo di handover non è specificato nelle raccomandazioni GSM. Ve ne sono due tipi base, entrambi correlati al controllo di potenza: L’algoritmo a “prestazioni minime accettabili” dà priorità al controllo di potenza sull’handover, in modo che quando il livello del segnale scende sotto un certo limite, viene incrementata la potenza trasmessa dalla MS. Quando questa misura non migliora le prestazioni, allora viene attivata la procedura di handover. L’algoritmo a “bilancio di potenza” usa l’handover per tentare di mantenere o migliorare la qualità dei segnali con potenza uguale o inferiore. Evita l’allargamento delle celle e riduce l’interferenza, ma risulta piuttosto complicato. Semplice ma tende ad estendere e sovrapporre le celle, nonché ad incrementare l’interferenza.

GESTIONE DELLA MOBILITÀ (MM) E’ uno specifico livello costruito sopra il livello RR, ed ha la scopo di gestire le funzioni derivanti dalla mobilità della MS (gestione della localizzazione), nonché gli aspetti di autenticazione e di sicurezza. La gestione della localizzazione comprende le procedure che consentono alla rete di conoscere la posizione corrente della MS, in modo da rendere possibile l’instradamento verso di essa di chiamate provenienti dall’esterno. Le procedure di autenticazione hanno lo scopo di accertare l’effettiva identità dell’utente attraverso lo scambio di opportuni codici identificativi. La sicurezza attiene alla cifratura dei messaggi trasmessi, in modo da renderli inintelligibili alle eventuali intercettazioni, e alla verifica della legittimità di uso dell’hardware attraverso controllo del codice IMEI.

Aree di localizzazione Un mobile acceso viene informato di una chiamata in arrivo da un messaggio di paging trasmesso sul PCH. Due soluzioni estreme: inviare il messaggio di paging di ogni chiamata su tutte le celle far notificare al sistema la posizione corrente del mobile a livello di singola cella spreco di banda radio! grande frequenza di messaggi di aggiornamento della posizione! Compromesso: raggruppare le celle in aree di localizzazione (LA). I messaggi di aggiornamento della posizione sono richiesti nel passaggio tra diverse aree, mentre le chiamate vengono trasmesse solo sui PCH delle celle coinvolte.

Procedura di localizzazione - I La localizzazione del mobile avviene attraverso l’uso del MSC e di due registri: l’Home Location Register (HLR) e il Visitor Location Register (VLR) Il mobile: ascolta il canale BCCH per l’identificazione della LA rileva la nuova LA invia un messaggio di aggiornamento della posizione al MSC/VLR accensione del mobile o ingresso in una nuova LA (sia dello stesso che di un nuovo operatore PLMN)

Procedura di localizzazione - II 1. Invio delle informazioni di localizzazione del mobile (MSRN o, più spesso, indirizzo SS7 del MSC/VLR) utente NEW MSC/VLR HLR 2. Invio di un sottoinsieme delle informazioni relative all’abbonato per consentire il controllo delle chiamate 3. Invio di un messaggio alla vecchia MSC/VLR per la cancellazione della registrazione precedente OLD MSC/VLR

Procedura periodica di aggiornamento della posizione Per motivi di affidabilità (contro eventuali perdite di dati nel HLR e/o VLR), è previsto anche un aggiornamento periodico di posizione da parte dei mobili, anche se essi non sono in movimento. Il periodo di aggiornamento è scelto tenendo conto dell’intensità di traffico di segnalazione e della velocità con cui la rete può recuperare da eventuali eventi di fuori servizio dell’HLR o del VLR. Se un mobile non invia l’aggiornamento trascorso il tempo previsto, esso viene deregistrato. Una procedura legata all’aggiornamento di posizione e l’attach/detach dell’IMSI: un detach informa la rete che l’utente è irraggiungibile (evitando procedure di assegnazione canali e paging), mentre un attach informa il sistema che il mobile è di nuovo raggiungibile.

Autenticazione del mobile L’autenticazione coinvolge la scheda SIM del mobile ed il Centro di Autenticazione (AuC) A ciascun abbonato viene assegnata una chiave segreta, una copia della quale è memorizzata nella scheda SIM ed un’altra nell’AuC. Durante l’autenticazione, l’AuC genera un numero casuale e lo invia al mobile. Il mobile invia la SRES calcolata all’AuC, il quale la confronta con il risultato della sua elaborazione. Se le due parole coincidono il mobile è autenticato. Sia il mobile che l’AuC, impiegando sia il numero casuale che la chiave segreta, generano un’ulteriore parola (SRES, Signed Response) per mezzo di un algoritmo di cifratura chiamato A3.

Cifratura dei messaggi Lo stesso numero casuale iniziale, insieme alla chiave segreta, viene anche usato per calcolare una chiave di cifratura attraverso un algoritmo chiamato A8. La chiave di cifratura ed il numero di trama TDMA vengono impiegati dall’algoritmo A5 per creare delle sequenze di 114 bit che vengono XOR-moltiplicate ber i bit del burst. opzione del provider In tal modo la decifrazione dei segnali è estremamente difficoltosa, dato che alla codifica, all’interleaving, alla trasmissione TDMA si somma la cifratura.

Equipment Identity Register (EIR) Controllo dell’IMEI Un altro livello di sicurezza ha per oggetto il terminabile mobile stesso, e non la scheda SIM Equipment Identity Register (EIR) contiene una lista degli identificativi IMEI dei terminali POSSIBILI RISPOSTE INTERROGAZIONE DELL’EIR OK, terminale abilitato terminale sotto osservazione per possibili problemi terminale non abilitato (es. perché rubato o di tipo non ammesso)

GESTIONE DELLE COMUNICAZIONI (CM) Strato CM Controllo delle chiamate (CC) Gestione servizi supplementari (SSM) Short message service (SMS) La funzione più importante è la CC, nella quale sono state riprodotte le procedure ISDN codificate nella specifica Q.931, pur con le differenze dovute alla particolare applicazione. Tra le funzioni del CC sono comprese il set-up delle chiamate, la selezione del servizio desiderato, e il rilascio della chiamata

Numeri fissi dell’abbonato A differenza dell’utente di una rete fissa, un utente GSM può spostarsi in un’area molto vasta, coperta da differenti provider (roaming internazionale) Il numero che viene composto per l’accesso dall’esterno ad un utente GSM è il numero MSISDN (Mobile Subscriber ISDN) in accordo al piano di numerazione E.164 Per scopi interni alle reti GSM, un utente viene identificato attraverso il numero IMSI (International Mobile Subscriber Identity) punta ad una locazione dell’HLR! 222 11 111...1111 39 348 1234567 codice nazione (Italia) codice operatore Identificativo abbonato (almeno 10 cifre) codice nazione (Italia) codice operatore identificativo HLR e abbonato

Numeri temporanei del mobile Quando un mobile viene chiamato dall’esterno, la MSC corrente assegna ad esso un numero di routing temporaneo detto MSRN (Mobile Station Routing Number) per consentire il collegamento tra GMSC ed il mobile Alla registrazione e nel passaggio tra diverse aree di localizzazione, al mobile viene assegnato, da parte della MSC, un identificativo detto TMSI (Temporary Mobile Station Identity), che è un alias dell’IMSI utilizzato per aumentare la riservatezza Il MSRN viene assegnato chiamata per chiamata, e non lasciato al mobile per tutta la sua permanenza sotto la MSC, per la scarsità di numeri di routing a disposizione della MSC stessa Il TMSI viene concordato tra mobile e MSC con una comunicazione cifrata, ed è utilizzato per le comunicazioni MS-MSC (ad es. paging)

Routing delle chiamate fisso-mobile Abbonato fisso Switch PSTN/ISDN GMSC HLR Switch PSTN/ISDN MSC/VLR Stazione mobile MSISDN può mancare MSISDN MSISDN IMSI linea tratteggiata = interrogazione/risposta del HLR MSRN MSRN MSRN MSRN TMSI

Routing delle chiamate mobile-fisso Stazione mobile MSC/VLR Switch PSTN Abbonato fisso In questo caso il set-up della chiamata è molto più semplice, in quanto dalla MSC/VLR si può direttamente accedere alla rete fissa senza passare dal GMSC. Numero POTS Numero POTS Numero POTS