GSM

GSM
1
Assegnazione (WARC 92) delle bande
864-960 e 1700-2450 MHz
865
CT2
870
875
880
885
890
895
900
905
910
915
915
920
925
930
935
940
945
950
955
960
ERW
CT1
TETRA
TFTS
2290
2200
IMT-2000
Space
SAT Space
1900
1880
GSM
2170
2110
IMT-2000
SAT
1710
2025
ETACS e GSM
2010
1980
1885
1805
1800
1675
GSM
1670
965
DCS1800 DECT
2
Bande 900/1800 per standard GSM
Frequenze
Uplink
Frequenze
Downlink
N°
portanti
Standard GSM (P-GSM)
890 - 915 MHz
935 - 960 MHz
124
Extended GSM (E-GSM)
880 - 915 MHz
925 - 960 MHz
174
DCS1800
1710 - 1785 MHz 1805 - 1880 MHz
374
PCS1900
1850 - 1910 MHz 1930 - 1990 MHz
299
3
Struttura di una generica rete radiomobile
Copertura a celle
del territorio
VLR
MSC
HLR
MSC
PSTN
VLR
MSC
VLR
4
Procedura di Hand-Over
Mobilità dell’utenza

“sconfinamento” dalla cella.
La procedura di Hand-Over si incarica di attuare tutte le azioni
necessarie affinchè la conversazione in corso venga mantenuta nel
passaggio da una cella ad un’altra.
5
Procedura di LOCATION UPDATING
?
?
?
Il sistema deve indirizzare agli utenti mobili le chiamate provenienti
dalla rete fissa. Deve quindi conoscere in tempo reale la posizione di
ogni mobile attivo sul territorio.
La funzione di LOCATION UPDATING viene eseguita negli MSC
attraverso registri di localizzazione nei quali la posizione di ogni utente
viene continuamente aggiornata.
6
Procedura di ROAMING
?
?
?
Il ROAMING è la possibilità offerta
ad un utente di essere sempre
rintracciabile in qualunque punto del
territorio coperto da quel
determinato sistema radiomobile,
anche se il servizio viene offerto da
un Gestore diverso da quello presso
cui l’utente si è sottoscritto.
Richiede accordi di Roaming tra gli
operatori e una adeguata rete di
interconnessione.
7
Procedura di AUTENTICAZIONE
Le procedure di Hand-Over e di Roaming richiedono che tutti gli apparati
siano preventivamente riconosciuti dalla rete, che quindi cataloga in una
banca dati gli utenti autorizzati.
Ciò è particolarmente importante nel caso di coperture territoriali offerte
da più Gestori. E’ necessario che le diverse reti coesistenti abbiano accessi
differenziati e controllati, effettuando ad ogni accesso da parte
dell’utenza una specifica procedura di AUTENTICAZIONE.
8
Caratteristiche del sistema GSM
Codifica del segnale vocale a 13 Kb/s;
• Modulazione GMSK
• Accesso multiplo TDMA/FDMA/FDD
• Servizi aggiuntivi (TD, FAX, SMS)
• SIM-CARD
• Applicazione in ambienti non omogenei
(protocolli d’interfaccia imposti dallo standard)
9
Architettura della rete GSM
10
Suddivisione dei processi di MS
tra i sottosistemi della rete
BSS
MSC
Assegnazione
canale fisico/time slot
Accesso - Misure
Controllo chiamata
Connessioni
VLR
Procedure mobilità
Hand-Over / Roaming
Gestione della
copertura: criteri di
posizionamento sul
territorio
Gestione della
mobilità
Gestione controllo
della rete:
criteri di condivisione
risorse sul territorio
11
Funzioni e Struttura hardware di un BSC
Configurazione
delle celle
Connessioni
tra i canali delle
interf. A/Abis
Controllo e
supervisione
delle BTS
BTS
Int. Abis
Matrice di
commutazione
ET
LAPD
Gestione
degli Hand-Over
interni al BSS
O&E
Misure
di qualità
connessioni
foniche
ET
Int. A
MSC
Submux
transcoder
CP - Control
processor
ST
Gestione
del paging
ET = Exchange Termination
ST = Signalling Termination
LAPD = Link Access protocol D-channel
O&M = Operating and Manteinance
12
Funzioni e Struttura hardware di un MSC
Instradamento
delle chiamate
Controllo e
supervisione
delle BSS
BSC
Int. A
ET
ET
ST
MSC
ST
Gestione
degli Hand-Over
esterni al BSS
Gestione
della mobilità
Matrice di
commutazione
ET
EC
CP - Control
processor
ST
PSTN
HLR
VLR
O&E
Gestione
del paging
ET = Exchange Termination
ST = Signalling Termination
HLR, VLR = Home/Visitor Location Register
O&M = Operating and Manteinance
13
Funzioni dell’interfaccia radio
Emissione portante RF
Modulazione
Trama TDMA
Costruzione del burst
Cifratura (chiphering)
Interallacciamento
Codifica di canale
Codifica vocale
Conversione A/D
14
Codifica della voce
4 KHz
Codifica numerica
(standard G.711 PCM)
64 Kb/s
Requisiti del codificatore
vocale:
Codifica di sorgente
(riduzione di ridondanza)
• sufficiente qualità della voce ;
• bit rate < 16 Kb/s;
• robustezza contro errori di
trasmissione (Te<10-2);
• ritardo di trasmissione contenuto;
• facilità di realizzazione;
• basso consumo di energia.
<16 Kb/s
15
Codificatore Full Rate
Codificatore
A/D a 13 bit
160 campioni
in 20 ms
8 KHz
Rete PSTN
104 Kb/s
Codificatore
8 bit/13 bit
Parametri
LPC - LTP - RPE
64 Kb/s
Caratteristiche del codificatore vocale:
•Cdifica a 104 Kb/s;
• segmentazione temporale (stazionarietà del fonema
per t<20ms);
• dall’analisi del segnale vocale vengono ricavati
parametri indicativi della struttura del parlato;
Filtro
di sintesi
Decodificatore
D/A a 13 bit
• il filtro di sintesi, eccitato con i suddetti parametri,
riproduce il segnale vocale.
16
Processo LPC-LTP-RPE
A/D
Filtro
inverso
x(n)
Fc = 8 KHz
Filtro
PB
+
Griglia
RPE
Analisi
LTP
Analisi
LPC
Multiplexer
r(n)
Segm.
r(n)
Demultiplexer
Griglia
RPE
Sintesi
LTP
Sintesi
LPC
PCM
104Kb/s
D/A
Fc = 8 KHz
y(n)
Processo di codifica della voce:
•
•
•
•
•
•
•
codifica A/D PCM (campion. 8 KHz);
segmentazione in intervalli di 20 ms;
analisi LPC (Linear Predicting Coding);
analisi LTP (Long Term Prediction);
codifica RPE (Regular Pulse Excitacion);
multiplexing dei parametri ricavati dai processi;
260 bit in 20 ms = 13 Kb/s.
17
Protezione dell’informazione
FEC (Forward Error Correction):
A5 B1
A6 B2
A7 B3
A8 B4
B5 C1
B6 C2
B7 C3
B8 C4
Interleaving
Equalizzazione adattativa

  

Diversity
18
Codifica di canale
260 bit / 20 ms
Classe 1a
50 bit
R = 13 Kb/s
50 bit
Classe 1b
132 bit
3
Classe 2
78 bit
132 bit
4
78 bit
Bit di parità
Bit di coda
Codifica convoluzionale
78 bit
378 bit
456 bit / 20 ms
R = 22,8 Kb/s
19
Tipi di burst
tempo di bit  3,69 s
1 time slot = 156,25 bit ( 0,577 ms)
Normal Burst
TB
3
Encripted Bits
58
Training sequence
26
Encripted Bits
58
TB GP
3 8,25
Frequency Correction Burts
TB
3
Bit fissi
142
TB GP
3 8,25
Synchronisation Burst
TB
3
Encripted Bits
39
Training sequence
64
Encripted Bits
39
TB GP
3 8,25
Access Burst
TB
8
Sequenza di sincronismo
41
Encripted Bits
36
TB
3
GP
68,25
TB = Tail Bits
GP = Guard Period
0
1
2
3
4
5
6
7
1 TDMA frame = 8 time slots ( 4,615 ms)
20
Diagonal interleaving
464 bit / 20 ms
58
bit
58
bit
58
bit
58
bit
58
bit
58
bit
Blocco A
1
2
3
4
5
58
bit
58
bit
Blocco B
6
7
8
1
2
3
Il blocco lungo 20 ms contiene
464 bit.
4
5
Blocco C
6
A5
7
interlacciamento diagonale
lo suddivide in 8 sottoblocchi
da 58 bit ciascuno, che poi
vengono trasmessi su più burst e
su più canali
per salvaguardare
l’informazione.
1
2
3
4
B1
A6
La funzione di
8
A7
6
7
8
Burst N
B2
Burst N+1
B3
A8
Burst N+2
B4
B5
4,6 ms
5
Burst N+3
C1
B6
Burst N+4
C2
B7
Burst N+5
C3
B8
Burst N+6
C4
Burst N+7
21
FDD ed intervallo temporale tra Tx e Rx
22
“Timing Advance”
5
1
2
3
4
6
8
Ritardo =funzione
della distanza
Access Burst
TB8
7
Syncro 41
Info 36
TB 3
Guardia 68,25
23
Recupero della distorsione
1) EQUALIZZAZIONE ADATTATIVA
Burst “campione”
Sequenza di training
(26 bit)
usata nel Normal Burst
per la stima
della risposta del canale radio
Burst ricevuto
Dal confronto tra la sequenza
attesa e quella ricevuta,
il ricevitore è in grado di rilevare
la distorsione del segnale e correggerla.
24
L’equalizzazione adattativa
NRZ
FI
Dem





Sequenza di training
CK


C-n

C-1


C0
C+1
Controllo
Coeff.
C+n

BB
25
Diversità di spazio
IN
Tx
Rx1
OUT
Rx2
Splitter 1
Tc
TRX1
Tx1
Rx1
Sp
Combiner
Tc
Tx2
Rx2
Sp
TRX2
Splitter 2
Tc
Txn
Rxn
Sp
TRXn
Interfaccia
26
Sistemi radianti
27
Schema a blocchi MS
Antenna
Sottoinsieme radio
Sottoins. di Banda Base
Canale a FI
Dem
Dec
DAC
Mod
Cod
ADC
Sintetizzatore
DRX
Sottoins. di controllo
Batt.
Funzioni di interfaccia
Sim
28
I canali logici
Senso di
trasmissione:
UP
LINK
Traffic
channels
TCH
Control
channels
CCH
DOWN
LINK
FONIA
22800 b/s
X
X
DATI
300-2400 b/s
4800 b/s
9600 b/s
X
X
X
X
X
X
Associated
ACCH
SACCH
FACCH
X
X
X
X
29
I canali di controllo
Senso di
trasmissione:
UP
LINK
Associated
ACCH
Control
channels
CCH
Dedicated
DCCH
Broadcast
BCCH
Common
CCCH
DOWN
LINK
SACCH
X
X
FACCH
X
X
SDCCH
X
X
BCCH
X
FCCH
X
SCH
X
PCH
X
RACH
X
AGCH
X
X
30
I canali di controllo
 SDCCH (Stand-alone Dedicated Control Channel): usato per lo
scambio delle informazioni prima di realizzare la connessione del
traffico (es., per l'autenticazione) e per servizi particolari quali la
"messaggistica breve";
 CBCH (Cell Broadcast Control Channel): in una cella si può eliminare
uno degli 8 SDCCH sostituendolo con un CBCH, usato per
trasmettere messaggi (fino a 15 pagg. di 80 caratteri) a bassa
velocità, originati dal Gestore della rete e diffusi nella cella in
modalità broadcast.
 BCCH (Broadcast Control Channel): usato per trasmettere le
informazioni del sistema come l'identificazione di rete, di cella,
descrizione del canale fisico e del canale di controllo. Viene inoltre
utilizzato dalla MS per valutare il livello ricevuto dalle celle
adiacenti, per le procedure di Localizzazione e di Handover.
31
I canali di controllo
 FCCH (Frequency Correction Channel): detto "canale a correzione
di frequenza, viene periodicamente diffuso dalla BS per consentire
al terminale la sintonia fine di frequenza del mobile.
 SCH (Syncronization Channel) o "canale di sincronizzazione" invia
l'informazione
per
la
sincronizzazione
della
trama
e
l'identificazione della BS.
 PCH (Paging CHannel): canale di ricerca, utilizzato per chiamare una
MS a lanciare il processo di chiamata.
 RACH (Random Access CHannel): canale di accesso casuale per
l'eventuale richiesta, da parte di una MS, di dar luogo ad uno
scambio di informazioni.
 AGCH (Access Grant CHannel): canale di concessione dell'accesso.
Porta il messaggio inviato dalla rete in risposta alla ricezione di un
RACH, ed indica alla MS quale risorsa gli è stata assegnata per la
connessione.
32
Gestione dinamica della potenza Tx
POWER CONTROL=
controllo dinamico della potenza
trasmessa, per ogni time slot.
PTX
Gestione dinamica della potenza
(in step di 2 dB):
da step 0 = Pmax
a step 15 = Pmax - 30 db
Trama n
Trama n+1
33
DTX ( Tx discontinua)
Funzione presente sia nella MS che nella BTS.
Il circuito VAD = Voice Activity Detector rivela l’attività vocale
e condiziona l’emissione della portante.
Attività vocale
parlo
ascolto
parlo
ascolto
t
Emissione portante
SI
NO
NO
SI
t
Codec
Tx
Rx
VAD
Codec
+
SID
Noise
Maggiore
autonomia
del portatile
34
DRX - (Rx discontinua)
Funzione presente solo nella MS.
Il ricevitore non in conversazione
sta nella condizione di “idle state”,
cioè in stato di riposo.
Ricevitore
in idle-state
t
Ricevitore
attivo
Maggiore
autonomia
del portatile
Risparmio
di energia
35
Potenza emessa da MS:
energia effettivamente irradiata
Potenza di picco (dBm) +33 +30 +10 +3
Potenza media (dBm) +24 +21 + 1 -6
Ts0 Ts1
Ts2 Ts3 Ts4 Ts5 Ts6 Ts7 Ts0 Ts1
Trama n
Ts2 Ts3 Ts4 Ts5 Ts6 Ts7
Trama n+1
Classe del
portatile
Potenza
di picco
Potenza
media
3
5 Watt
(+37 dBm)
625 mW
(+28 dBm)
4
2 Watt
(+33 dBm)
250 mW
(24 dBm)
5
0,8 Watt
(+ 29 dBm)
100 mW
(+ 20 dBm)
t
36
I numeri della MS
NUMERAZIONE:
a.- MSISDN (Mobile Station ISDN Number)
risiede nella SIM Card.
b.- IMSI (International Mobile Subscriber
Identity) - risiede nella SIM Card.
c.- IMEI (International Mobile Equipment
Identity) - risiede nell’apparato.
CC / NDC / XXXXXX(X)
Struttura del MSISDN :
Identificativo internazionale
Prefisso per radiomobile
SN (serial Number)
Struttura del IMSI :
MCC / MNC / MSIN
Mobile Country Code (3 cf.)
Mobile Network Code (2 cf.)
Mobile Subscriber Identification Number)
37
Identità della MS:
la SIM CARD
IMEI
(International Mobile
Equipment Identity)
SIM
(Subscriber Identity
Mobile)
MS = Apparato radiomobile + Identità utente
Modulo Plug-In (25x15 mm)
CPU 6805+ROM, RAM, EEPROM
La memoria ROM della SIM contiene:
Sim Card
Formato IC-Card (ISO 7816)
• Il sistema operativo;
• IMSI = International Mobile Subscriber
Identity;
• A8 = Chiphering key generation algorithm;
• A3 = Authentication algorithm;
• Campi informativi previsti dalle specifiche
PhaseII.
38
EEPROM della SIM CARD
La memoria EEPROM della SIM contiene:
•TMSI = Temporary Mobile Subscriber
Identity;
• Ki = Individual subscribers
authentication key);
• PIN1/PIN2 = Personal Identity Number;
• PUK1/PUK2 = PIN Unblocking Key;
• Rubrica telefonica a disposizione
dell’utente;
• Messaggi SMS dell’utente;
• Lista degli operatori GSM preferenziali.
39
Identità HW della MS: IMEI
IMEI
(International Mobile
Equipment Identity)
White List
Grey List
Black List
Struttura del IMEI phase 1: TAC / FAC / XXXXXX(X)/sp
Struttura del IMEI phase2+:TAC / FAC / XXXXXX(X)/CD/SVN
Identificativo internazionale
Prefisso per radiomobile
SN (serial Number)
sp (spare digit) o CD (Check Digit)
SVN (SW Version Number)
40
Procedura di autenticazione
RETE
Generatore di
numeri casuali
UTENTE
Sfida
RAND
RAND
Algoritmo A3
di cifratura
Algoritmo A3
di cifratura
Coincidenza?
Risposta
firmata
SI
accettato
Ki
NO
rifiutato
Chiave di
autenticazione
memorizzata
in HLR/AUC
Ki
Chiave di
autenticazione
memorizzata
nel modulo SIM
41
I numeri dell’identità MS
IMEI (registrato nell’apparato)
IMSI (codificato - solo affiliazione)
EIR
AUC
TMSI
VLR
MSRN
MSC
IMSI (International Mobile
Subscriber Identity)
Ki = Chiave d’identificazione
A3 = Algoritmo d’identificazione
Sim Card
A8 = Algoritmo di criptazione
42
Procedura di autenticazione
MS: Sim Card
AuC
IMSI
Ki
A3
Ki
A3
Gener. RAND
Algoritmo A3
Algoritmo A3
SRES di MS
SRES di AuC
Coincidono?
SI = Accesso consentito
NO = Accesso negato
Ki = chiave di autenticazione
A3 = algoritmo di autenticazione
43
Procedura di cifratura
MS: Sim Card
AuC
Richiesta di accesso
IMSI
Ki
A8
Ki
A8
Gener. RAND
Algoritmo A8
Algoritmo A8
Kc
Kc
Algoritmo A5
Messaggio
in chiaro
Algoritmo A5
Messaggio cifrato
Kc = chiave di cifratura
A8 = generatore di Kc
A5 = algoritmo di cifratura
Messaggio
in chiaro
44
Autenticazione e cifratura:
funzione dei nodi della rete
Autentic.
SRES
MS
SRES
BSS
IMSI
TMSI
Ki
A3 A8
IMSI/TMSI
IMSI
IMSI
SRES
VLR
RAND
HLR
A8
A3
Kc
SRES
RAND
Kc
A5
Kc
MSC/VLR
HLR
RAND
AuC
A5
n triplette
45
Accesso alla rete
Procedura di ACCESSO ALLA RETE:
la MS inizia un’attività e ottiene l’assegnazione di un canale
SDCCH.
a.- MS riceve BCCH, che contiene le informazioni di sistema;
b.- MS riceve FCCH e si sintonizza con la portante;
c.- MS riceve SCH e si sincronizza con la trama;
d.- MS invia richiesta di accesso su canale RACH;
e.- attraverso il canale AGCH, la rete comunica a MS su quale
canale SDCCH si deve sintonizzare per proseguire la
registrazione;
f.- BTS invia su SACCH il controllo dell’UP-LINK.
46
Chiamata verso utente mobile
Procedura di CHIAMATA da FISSO a MOBILE:
a.- La rete invia il “paging” utilizzando il canale PCH.
b.- MS risponde con un messaggio sul canale RACH;
c.- la rete indica a MS, utilizzando il canale AGCH,
su quale canale SDCCH si deve sintonizzare;
d.- MS e rete si scambiano le informazioni necessarie;
e.- BTS designa un TCH su un Tome-Slot di conversazione.
f.- GMSC interconnette l’utente mobile con la Centrale
in cui è in attesa l’utente fisso.
47
Chiamata da mobile
Procedura di CHIAMATA da MOBILE:
a.- MS invia su RACH richiesta di accesso;
b.- La rete verifica l’identità del chiamante,
riscontrando i codici TMSI e IMEI;
c.- La rete indica a MS, utilizzando il canale AGCH,
su quale canale SDCCH si deve sintonizzare;
d.- MS e rete si scambiano le informazioni necessarie;
e.- BTS designa un TCH su un Tome-Slot di conversazione.
f.- GMSC interconnette l’utente mobile con la Centrale
a cui risulta attestato l’utente fisso.
48
Attività della MS:
funzione di Cell Selection
Can. BCCH Lev.
MS in IDLE state
consente al terminale MS di scegliersi la cella di appartenenza.
a.- L’apparato esplora con continutà tutti i canali;
b.- Misura il livello del BCCH per rilevarne l’intensità di campo;
c.- Compila un elenco delle 6 celle più forti;
d.- si sintonizza sulla cella “prima della lista”.
49
Misure trasmissive
Livello Qualità
RXLEV
RXQUAL
Livello
MS in CALL state
UpLINK
DownLINK
Qualità
RXLEV
RXQUAL
RXLEV
RXQUAL
MISURE TRASMISSIVE:
nello stato call, sia MS che BTS rilevano i dati del collegamento,
sia come intensità del livello ricevuto (par. RXLEV),
sia come Bit Error Rate sul canale(par. RXQUAL).
I dati rilevati da MS vengono trasmessi a BSS, che li utilizza per:
• controllo dinamico potenza
• adaptative frame alignement
• handover
• time advance.
50
Procedura di Hand-Over
Funzione di HAND-OVER:
Consente di gestire la mobilità della rete; qualora la
qualità del collegamento di una MS attiva degrada, l’
HandOver provvede ad assegnare dinamicamente la
stessa MS ad un nuovo canale diverso da quello finora
utilizzato, capace di offrire una migliore qualità.
51
Hand-Over interno
Intracell HO
(stessi
BSC/BTS)
BTS
0 1 2 3 4 5 6 7
BSC
0 1 2 3 4 5 6 7
BTS
Intercell HO
(stesso BSC)
BSC
BTS
52
Hand-Over esterno
MSC
BSC
BTS
Inter MSC HO
Rete di
transito
MSC
BTS
BSC
BSC
BTS
Intercell HO
(stesso MSC)
MSC
BSC
BTS
53
Roaming internazionale
V-PLMN
H-PLMN
VLR
VLR
H-PLMN
V-PLMN
VLR
VLR
L’utente GSM può operare in ROAMING nell’intera Area GSM
La “Visited-PLMN” dialoga con l’HLR dell’utente:
• esegue l’autenticazione;
• offre gli stessi servizi della “Home-PLMN”;
• gli elementi della Rete “interlavorano” utilizzando linguaggi
unificati (protocollo MAP e CCS7).
La chiamata viene sempre instradata verso la Nazione e il
Distretto contenuti nel MSISDN.
54