7)GSM - Appunti sistema cellulare di seconda generazione PDF

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sbobbinature della lezione della prof....

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GSM Cenni Storici Il GSM (Global System for Mobile), introdotto in Europa nel 1991, è un sistema cellulare di seconda generazione, cioè di tipo digitale, nato per risolvere il problema della frammentazione degli standard nel continente. Il sistema GSM consente di usufruire, grazie alla modulazione digitale, di una molteplicità di servizi. Oltre alle comunicazioni vocali, permette la trasmissione di fax e di dati ad una velocità di 9,6kbps, o la possibilità di beneficiare di servizi come il trasferimento di chiamata e l’identificazione del numero chiamante. E’ stato anche incluso un servizio d’invio e di ricezione di brevi messaggi di testo (Short Messaging Service – SMS), composti da 160 caratteri con codifica ASCII a 7 bit. Il servizio Cell Broadcast, invece, permette alle stazioni base di trasmettere ripetutamente dei messaggi verso tutti i terminali mobili, in modo da poter fornire informazioni utili sul traffico, sulle condizioni meteorologiche, sulla posizione geografica e così via. Il processo di standardizzazione del GSM è cominciato nel 1982, epoca in cui gli operatori utilizzavano ancora standard analogici incompatibili. Con la creazione del Groupe Spéciale Mobile (il significato iniziale dell’acronimo GSM), incaricato di realizzare uno standard per un sistema cellulare pubblico paneuropeo. In realtà lo standard doveva indicare come l’elemento funzionale dovesse comunicare con gli altri quindi si definirono i protocolli sulle interfacce  nel 1987 viene firmato un primo Memorandum of Understanding (MoU) tra 15 operatori Telecom in rappresentanza di 12 Nazioni (europee) con i seguenti obiettivi: 

coordinare lo sviluppo temporale delle reti GSM europee e verificarne lo standard



pianificare l’introduzione dei servizi



concordare politiche di instradamento e la tariffazione (modalità e prezzi)

L’industria e i ricercatori europei puntarono, infatti, tutto sul digitale, credendo fortemente nello sviluppo delle tecniche di compressione e dell’elaborazione digitali del segnale come criteri basilari per un sistema conveniente e di qualità alta. Nel 1988 venne istituito l’l’ETSI organo di standardizzazione a livello mondiale. Considerando la vasta diffusione si decise di estendere il GSM alle frequenze di 1800 MHz. Nel 1991 vi fu il lancio commerciale del GSM, ma data la mancanza dei terminali mobili l’utilizzo del GSM partì nel 1992. Collochiamo il GSM nella generazione 2+, in quanto offriva non solo servizi a commutazione di circuito ma anche di pacchetto. Nel 1992 viene rilasciato lo standard definitivo relativo a GSM, che a questo punto diventa l’acronimo di Global System for Mobile Communications. Nel 1992 vi fu l’introduzione ufficiale dei sistemi GSM commerciali e nel 1993: il MoU raccoglie 62 membri di 39 paesi; inoltre altre 32 organizzazioni in rappresentanza di 19 paesi partecipano come osservatori in attesa di firmare il MoU. 1994-95: introduzione degli SMS 1995-97: introduzione dei servizi a 1800 MHz 1996: standardizzazione dei codificatori enhanced sia full che half-rate 1997: terminali dual-band con codificatore enhanced 1999: standard GPRS per la trasmissione a pacchetto e primi terminali WAP (Wireless Access Protocol) su circuito commutato 2000/01: introduzione dei servizi GPRS 2008: Fin dalla sua nascita, la tecnologia non ha conosciuto crisi, infatti, negli ultimi 10 anni, anzi, la sua crescita è stata esponenziale.

PLMN GSM – Caratteristiche Generali Descriviamo nel dettaglio la rete GSM. Una rete GSM viene chiamata PLMN (Public Lenght Mobile Network), quando ci riferiamo alla rete realizzata da un operatore. Infatti, un operatore per poter fornire un servizio GSM deve generare una rete PLMN. Tra le caratteristiche generali di un sistema digitale di seconda generazione (2G), come il GSM, troviamo:



accesso multiplo di tipo multicarrier TDMA



riuso di frequenze fisso



servizi: o telefonia con numerosi servizi supplementari o dati a circuito (a singolo canale o a canale multiplo) o dati a pacchetto (GPRS – General Packet Radio Service)

In un primo momento i servizi erano legati solamente alla telefonia. Successivamente si è aggiunta la possibilità di utilizzare servizi dati prima a circuito e con l’avvento del GPRS si passò ai così detti servizi dati a pacchetto.

Bande di Frequenze Assegnate e Portanti Radio Nell’assetto globale dell’etere, abbiamo porzioni di spettro che sono state adibite per diversi sistemi. Per quanto riguarda il GSM abbiamo uno spettro che si estende tra 925-960 MHz, vediamo che per il TACS era prevista la banda tra 880 e 915 MHz ma, in effetti, quando il sistema TACS è stato abolito il GSM si è esteso anche in questa banda (esistono anche telefonini a 1800 MHz). Vediamo un po’ più in dettaglio i valori di banda che vengono assegnati.

Essendo il GSM un’applicazione principalmente telefonica, deve essere full duplex, conseguentemente abbiamo bisogno di definire sia le frequenze in UpLink che quelle DownLink: 1. Porzione di Spettro in UpLink  880-915 MHz 2. Porzione di Spettro in DownLink  925-960 MHz Questa porzione di spettro è proprio quella lasciata dal TACS successivamente utilizzata dal GSM. In realtà, il sistema GSM non è stato sviluppato per lavorare soltanto in queste frequenze che sono quelle telefoniche ma per le altre applicazioni, infatti, si parla di GSM anche a 400 o 450 MHz. Questo significa che noi utilizziamo lo spettro standard, soltanto che vado ad operare su portanti diverse. Ovviamente il fatto che i telefoni cellulari sfruttino il GSM non assicura che lavorino in tutte le bande, infatti, il terminale deve essere necessariamente multibanda perché deve poter operare nelle diverse bande. Altra considerazione da fare è legata al fatto che, in un determinato intervallo di tempo abbiamo a che fare con 124 portanti + 50. Da dove viene il numero 124, che coincide con il numero di portanti che dovremo assegnare alle singole celle? Sappiamo che tra una portante e l’altra esiste una banda di 200 KHz affinché non si manifesti il fenomeno dell’interferenza, quindi, se calcoliamo:

[

]

Affinché non vi siano interferenze la prima portante non si usa  124 portanti.

Supponiamo di assegnare ad un segnale la prima portante. La portante che viene assegnata alla cella in UpLink sarà ad una frequenza di 890+0.2 = 890.02 MHz, mentre per sapere qual è la frequenza in DownLink basta sommare alla frequenza in Up 45 MHz che coinciderà con la prima che si trova in DownLink  935.2 MHz automaticamente conosciamo la frequenza in DownLink.

Quello che però viene detto al mobile, non è il valore della frequenza alla quale trasmettere bensì un numero, infatti le portanti sono numerate. Le portanti sono identificate da n (ARFCN –Absolute Radio Frequency Channel Number): () Se stiamo operando a 1800 MHz la distanza tra le portanti è 95 MHz.

Assegnazione delle Frequenze in Italia Tutto lo spettro è di proprietà del governo che mette all’asta le frequenze agli operatori. Ad esempio, vediamo l’assegnazione delle portanti nel 1999:

Guardando la figura notiamo che le portanti che vanno dalla 8 alle 64 le ha acquistate TIM. Con l’avvento di nuovi operatori come la Wind, le portanti che vanno dalla 51 alla 74 potevano

essere utilizzate da TIM soltanto nelle aree urbane delle grandi città, mentre quelle stesse frequenze potevano essere utilizzate per le aree extraurbane dal nuovo operatore.

Trama TDMA Assegnata la portante n in UpLink e, conseguentemente per quanto detto anche in DownLink, nella porzione di spettro a 200 kHz non effettueremo una singola comunicazione ma bensì 8, numero legato al tipo di tecnica utilizzata ovvero FDMA-TDMA. La singola portante verrà dunque condivisa per otto comunicazioni, con una tecnica a divisione di tempo. La trama dovrà dunque essere fatta da 8 Time Slot  la durata di una trama è di 4,615 ms di conseguenza la durata di un singolo Time Slot equivale a 4,615 ms /8 = 0,577 ms. Il fatto che la trama dovrà essere costituita da 8 Time Slot lo decide lo standard. Facciamo un esempio: All’utente, quando viene assegnato un canale radio (canale fisico) e quindi viene assegnata una risorsa, verrà detta la frequenza e in numero di Time Slot in cui trasmettere. Quindi, all’utente viene detto di trasmettere, ad esempio, nella portante numero 20, quindi la frequenza sarà 890 + 0,2 × 20 = 894 MHz e nel Time Slot 2. Abbiamo assegnato la frequenza in UpLink ovvero il canale di trasmissione, ma l’utente dove dovrà ascoltare? Quale sarà la frequenza in DownLink? Nel canale alla frequenza 894 + 45 = 939 MHz. In quale Time Slot? Sempre nel numero due.

Guardando la figura notiamo che tra Up e Down c’era uno shift di 3 Time Slot. Cosa vuol dire? Questo avviene così che l’utente eviti di ascoltare e trasmettere contemporaneamente. Se ci fosse sincronismo all’inizio della trama tra Up e Down l’utente avrebbe dovuto compiere due

azioni contemporaneamente all’interno del Time Slot 2. L’utente che sa quando deve ascoltare sa anche che dopo 3 Time Slot dovrà trasmettere. In realtà, quello che si calcola è dopo quanti bit ci dovrà essere la trasmissione, infatti abbiamo che ogni portante viene modulata e complessivamente nella tratta radio abbiamo un con flusso a 270.833 Kbit/s, ma all’utente viene assegnato un Time Slot ogni 4,615 ms. Abbiamo detto che lo standard ci consente di avere 124 portanti costituite da 8 canali  quindi possiamo avere contemporaneamente 992 conversazioni che non coincidono con la capacità della rete PLMN bensì al numero di portanti che si possono avere all’interno del singolo cluster considerando che per le reti GSM è previsto il riuso delle frequenze. Ogni singolo Time Slot porta un canale telefonico che permette di trasmettere la voce codificata, infatti, se ricordiamo la politica dello standard per quanto riguarda la codifica di sorgente che è ibrida, siamo riusciti ad ottenere un basso rate in corrispondenza di una buona qualità del segnale. Dal codificatore di sorgente escono quindi 13 Kbit/s  Il flusso netto della voce in uscita al codificatore di sorgente è di 13 Kbit/s al quale seguirà anche la codifica di canale. Dal punto di vista dell’utente il suo effetto è quello di avere trasmesso in rete 13 Kbit/s. Altra caratteristica del GSM è legata al Power Control nell’ottica di ridurre l’interferenza. Questo, però, non ha niente a che vedere con quel controllo di potenza molto più importante che è legato al buon funzionamento del sistema. Quando parliamo di Discontinous Trasmission ci riferiamo al fatto che durante le pause del parlato la trasmissione della voce codificata viene interrotta per diminuire l’interferenza e il consumo energetico  abbasso l’interferenza nelle celle co-canali (se non parlo non ho la necessità di disturbare gli altri). Si tiene conto del fatto che in media si parla il 70% .

Architettura della Rete

Guardando la figura possiamo valutare quali sono gli elementi architetturali di una rete. Valutiamo i singoli elementi: 1. GSM SERVICE AREA stiamo parlando di tutta l’area del mondo dove posso avere un servizio GSM. 2. PLMN AREA è l’area entro la quale esiste un servizio GSM regolato da un determinato operatore. L’area che quell’operatore copre. Per quanto detto, la GSM SERVICE AREA sarà composta da tutte le PLMN AREA che insieme offrono un servizio GSM nelle varie parti. Per poter descrivere l’architettura GSM devo descrivere tutti quegli elementi funzionali che in maniera autonoma riescono a offrire un servizio GSM. Questo significa che devo andare a contare tutti quegli apparati che servono per realizzare una PLMN; la singola Public Land Mobile Network Area sarà connessa alle altre, quindi l’area di copertura aumenta.

In una PLMN AREA rintracciamo: 1. MSC/VLR AREA che all’interno del PLMN sono più di una; parliamo dell’area che è gestita da un singolo MSC (Mobile Switching Center). 2. La singola area MSC/VLR viene logicamente divisa in una o più LOCATION AREA

(LA) che corrisponde all’area dove l’utente viene localizzato. Se un utente cambia LA deve effettuare un location update. Le LA sono identificate da un LAI (Location AreaIdentifier), trasmesso da ogni BTS dell’area sul canale di controllo broadcast. Una LA sarà composta da più celle.

3. CELLA è area coperta da una BTS. Viene identificata da un BSIC (Base Station Identity Code), anch’esso trasmesso dalla BTS sul canale di controllo broadcast. Le BTS trasmettono lo stesso LAI quindi lo stesso valore, il BSIC sarà diverso. In questo modo l’utente può identificare in quale cella si trova; in realtà, per ridurre “Location Updatiting”, si ha l’esigenza di conoscere la posizione dell’utente ma non in base alla cella in cui si trova bensì in base alla LA. Nella nostra architettura, possiamo adesso definire 3 diversi sottosistemi.

Il sottosistema radio (Subsystem Radio) è quello che si occupa della tratta radio e conseguentemente si occupa di definire tutti quegli elementi che s’interfacciano nella tratta radio, pertanto avremo: 1. TERMINALI D’UTENTI o TERMINALI MOBILI (Um) 2. BSC 3. BTS La BSS (Base Station Subsystem) è la parte di rete che si occupa della tratta radio. La porzione di rete Network Switching Subsystem anche detta Switching and Management Subsystem comprende i nodi di rete che si occupano della commutazione. Infine, abbiamo l’Operation and Mantenence SubSystem che si occupa della connessione e della gestione delle comunicazioni, quindi si compone di tutte le entità funzionali di gestione e manutenzione.

Terminali Mobili MS È l’apparato di proprietà dell’utente e possiamo distinguere tre categorie a seconda della portabilità: 

Veicolari: possono emettere fino a 20 W all’antenna (obsoleto)



Portatili (trasportabile): fino a 8 W all’antenna, sono trasportabili, ma hanno bisogno di una notevole fonte di alimentazione per il funzionamento es. PC portatili, fax, etc.)



Personali (hand-held terminal): fino a 2 W all’antenna, è il “telefonino”

Gli MS avanzati sono multi-band quindi in grado di operare su più bande di frequenze (900, 1800, 1900, …). Per quanto riguarda gli MS multi-slot, essi sono in grado di operare attivando contemporaneamente canali su più slot (solo per GPRS).

L’MS è composto da un ME (Mobile Equipment) e una SIM (Subscriber Identity Module)

Il ME è l’hardware e il software dell’apparato. Identificato dall’IMEI (International Mobile Equipment Identifier) e dalla SIM che è la parte che attiva il terminale per un utente con tutte le informazioni necessarie.

SIM Sulla

SIM sono memorizzate molteplici informazioni, fra cui sottolineiamo

la

presenza di un identificativo univoco per l’utente (IMSI) necessario,

in quanto uno degli aspetti più importanti nel mondo delle telecomunicazioni è la sicurezza.



Serial number identifica univocamente la SIM card



International Mobile Subscriber Identity (IMSI) identifica l’utente in modo univoco nella rete. Questo identificativo non coincide con il numero telefonico che invece segue il piano telefonico dei numeri a livello internazionale. E’ composto di tre campi: 

MCC: Mobile Country Code (3 cifre) » 222 è l’Italia



MNC: Mobile Network Code (2 cifre) » 222-01 TIM Telecom Italia Mobile » 222-10 voda IT Vodafone Omnitel SpA » 222-88 WIND Wind Telecomunicazioni SpA » 222-99 3ITA H3G



MSIC: Mobile Subscriver Identification Number (identifica la SIM, 10 cifre)

Come già detto, il valore dell’IMSI non è in alcun modo correlato al numero di telefono (MSISDN); le cifre corrispondenti al prefisso (ad es. 330 o 347) identificano l’HLR e quindi il GMSC cui l’apparato è legato, tutto questo prima della portabilità 

Mobile Station International ISDN Number (MSISDN) è il numero telefonico comprensivo di prefisso internazionale



Security authentication and cyphering information A3 e A8 algorithm (sono le procedure per effettuare l’autenticazione e la cifratura), Ki e Kc (sono le chiavi per l’autenticazione e la cifratura)

I dati fino ad ora elencati, si riferiscono ad informazioni fisse che non variano nel tempo. Tuttavia, esistono anche delle informazioni temporanee che di volta in volta cambieranno:



Temporary Network information comprensivo del LAI (Location Area Identifier), identificativo dell’ultima location area visitata

e del TMSI (Temporary Mobile

Subscriber Identity) , identificativo d’utente temporaneo assegnato dalla rete ed usato invece del IMSI  l’utente ascolta dalla BTS qual è la location area ad esempio x e questa informazione andrà memorizzata all’interno della SIM; man mano che il mobile si sposta ascolterà da un’altra BTS una nuova location area quindi sarà necessario in prima istanza fare un confronto con il valore che identificava la location area precedente per poi memorizzare la nuova. Il TMSI, invece, ha la stessa funzione dell’IMSI ma è temporaneo. Qual è la sua funzione? Da un punto di vista legato alla sicurezza, l’IMSI è un parametro altamente sensibile all’interno della tratta radio. Ciò comporta l’esigenza di utilizzarlo solo in casi strettamente necessari e sostituirlo con un identificativo temporaneo che è appunto il TMSI. Quanto detto ci porta a capire che la comunicazione fintanto che è possibile verrà effettuata “in codice”. Altre informazioni che risiedono nella SIM sono: 

Lista di servizi a cui l’utente è abbonato



Personal Identity Number (PIN) serve per attivare la SIM



Personal Unblocking Number (PUK) nel caso del codice PIN errato per tre volte



Access rights



Prohibited networks



Call messages



Phone numbers

BSS Si preoccupa di gestire le risorse radio. Il BSS comprende due sottosistemi: 1. Base Transceiver Station (BTS) Insieme degli apparati che consentono la trasmissione e ricezione di informazione attraverso l’interfaccia radio. Ha compiti meramente esecutivi: la gestione delle risorse viene affidata al BSC 2. Base Station Controller (BSC) Controlla e gestisce le risorse radio (portanti, canali) di un gruppo di BTS. Dalle BTS riceve le informazioni sullo stato dell’interfaccia radio e alle BTS invia i comandi di configurazione e gestione.

Network Switching Subsystem (NSS) o Switching and Management Subsystem (SMSS) Si tratta del sottosistema che si occupa della commutazione dei circuiti da o verso gli utenti mobili. Questo sotto-sistema è utilizzato per i soli servizi a circuito (esistono sotto-sistemi diversi che gestiscono i servizi a pacchetto). Si tratta, di fatto, di una rete telefonica con le centrali di commutazione e i nodi di gestione della segnalazione a cui si aggiungono i database di rete per la gestione della mobilità.

Operation and Maintenence Subsystem (OMSS) Include le unità preposte al controllo da parte di operatori della rete, alla sua manutenzione e gestione da remoto. Vengono 

Configurate le funzionalità di tutti gli apparati di rete



Visualizzati gli allarmi di cattivo funzionamento



Visualizzati i dati statistici di traffico

Interfacce Standard Quello che per il GSM è stato standardizzato sono le interfacce e quindi il metodo grazie al quale i vari elementi appartenenti al sistema possono colloquiare. Infatti, sono state definite diverse interfacce, che sono:



INTERFACCIA A tra BTS-BSC



INTERFACCIA A tra BSC-MSC



INTERFACCIA Q3 tra OMC e BSS (BSC) e NSS



INTERFACCIA Um tra BTS-MS



INTERFACCIA E tra MSC-GMSC

E’ chiaro che noi siamo maggiormente inte...