La SIM si interfaccia con la stazione
mobile tramite 8 contatti le cui po-sizioni sono rigidamente fissate. I contatti C4 e C8
non sono attualmente uti-lizzati. La Vcc è di 5 volt per le SIM di phase 1, con
assorbimento massimo di corrente di 10 mA mentre per quelle di phase 2, per ridurre i
consumi, la Vcc è di 3 volt, con assorbimento massimo di corrente di 6 mA. Il segnale di
Clock va da 1 a 5 MHz e viene fornito dalla stazione mobile. La Vpp è la tensione di
programmazione, ma la SIM non necessita di tale tensione e tale contatto può non essere
presente; nel caso lo fosse la sua tensione è sempre posta a Vcc.
3) Base Station
Subsystem (BSS)
Gestisce la parte radio del sistema che
consente di fornire la copertura di unarea costituita da una o più celle. E
composta da due unità: una BTS (Base Transceiver Station) e una BSC (Base
Station Controller)
La comunicazione tra le due è
consentita dallinterfaccia A-bis che, es-sendo standardizzata consente
lutilizzo di componenti prodotti da fornitori diversi.
3a) BTS (Base Transceiver Station)
E lunità funzionale che
contiene gli apparati radio ricetrasmittenti e gli appa-rati che consentono di fornire la
copertura ad una cella. La BTS gestisce, in definitiva, la comunicazione radio con le MS
(Mobile Station) attraverso linterfaccia aria Um (Utente mobile).
Esplica diverse funzioni quali:
Ĝ
Frequency Hopping : è una
caratteristica dellinterfaccia radio che consi-ste nel trasmettere messaggi diversi
di una stessa comunicazione su fre-quenze portanti diverse in modo da neutralizzare in
modo efficace i proble-mi legati alla propagazione radio ( fading o battimenti)
Ĝ
Trasmissione discontinua (DTX): dato che
la comunicazione in una dire-zione occupa meno del 50% del tempo totale la trasmissione
viene disatti-vata nei periodi di silenzio con il risultato di minimizzare le interferenze
co-canale e di risparmiare energia. Questa funzione è implementata necessa-riamente nella
MS. Per evitare che la soppressione di qualsiasi segnale dia una sgradevole sensazione
allutente ricevente nei periodi di silenzio nella MS ricevente viene introdotto un
rumore di conforto (confort noise) simile a quello dellambiente.
Ĝ
Controllo Dinamico della Potenza (DPC): sia il terminale mobile (MS) che la
stazione base (BTS) operano al valore minimo di potenza che assicu-ra un accettabile
livello di segnale ricevuto. Ciò per ridurre al minimo le interferenze e risparmiare
energia. Tale potenza sul canale radio può varia-re in modo dinamico su 32 livelli a step
di 2 dB.
Ĝ
Antenna Diversity: al fine di attenuare i problemi connessi al fading
(attenuazione legata alla riflessione, rifrazione delle onde elettromagne-tiche) spesso si
utilizzano due antenne riceventi poste a qualche lunghezza donda (GSM 900 MHZ à ?=30 cm). La spaziatura delle
antenne può essere fatta verticalmente o orizzontalmente; nel primo caso si ha una
maggiore facilità di installazione, mentre nel secondo si ottengono prestazioni
superiori.
Ĝ
Gestione degli algoritmi di cifratura
Ĝ
Monitoraggio della connessione radio mediante continue misurazioni sulla
qualità dei canali di segnalazioni e di traffico, misurazioni che vengo-no poi trasferite
alla BSC affinchè le elabori e decida.
La BTS è essenzialmente costituita da
un traliccio sul quale sono colloca-te diverse antenne. Possono essere utilizzati torri o
edifici esistenti al fine di minimizzare i costi e limpatto ambientale. La struttura
più semplice prevede due antenne (una per ricevere ed una per trasmettere) di tipo
omnidirezionale cioè in grado di illuminare uniformemente il segnale in tutte
le direzioni. Questa soluzione è utilizzata per coprire zone a bassa intensità come
auto-strade e zone rurali vaste e pianeggianti. Per aumentare la capacità di traffico in
zone ad alta densità vengono utilizzate delle antenne direttive in struttura clover come
mostrato in figura:
Per comunicare, la distanza tra BTS e
MS non può superare i 35 Km anche quando le condizioni del terreno lo consentirebbero.
Quando la stazione base invia un messaggio ad un terminale, può aspettare da questa una
risposta solo per un breve periodo prima di passare ad analizzare le altre MS sullo stesso
canale. se il terminale si trova a più di 35 Km la risposta arriva troppo tardi e
lutente risulta quindi non raggiungibile. Per la rete GSM il ritardo massimo
compensabile e di 233 µs tra linvio e la ricezione che corrispondono ad un viaggio
BTS-MS-BTS pari a:
S = VxT =è
300.000 m/sec x 233x10-6 sec = 69,9 Km
cioè ad
una distanza massima tra BTS e MS di circa 35 Km.
3b) Base Station Controller (BSC)
Gestisce e controlla il funzionamento
di diversi BTS. I principali compiti riguar-dano la gestione dei canali radio, il frequency-hopping
(salto di frequenza che consiste nel trasmettere messaggi successivi di una stessa
comunicazione su portanti diverse limitando in modo efficace alcuni problemi legati alla
pro-pagazione come fading o battimenti), gli handover interni (scambio).
Il procedimento di scambio è una peculiarità del sistema GSM che consente di mantenere
attiva una comunicazione pur continuando a spostarsi liberamente nel territorio. Esistono
quattro tipo di handover:
·
canali diversi di una stessa cella,
cioè di una stessa BTS
·
celle diverse ma controllate da una
stessa BSC
·
celle di diverse BSC, ma controllate
da uno stesso MSC
·
celle controllate da diversi MSC
I primi due tipo si chiamano handover
interni in quanto coinvolgono una sola stazione base (BSC) e sono direttamente gestiti
dalla BSC. Gli altri due sono handover esterni e sono gestiti dagli MSC direttamente
coinvolti. Il procedi-mento di scambio può essere richiesto sia dal terminale che da una
MSC (per bilanciare il carico di traffico). La stazione mobile (MS) sonda continuamente i
canali delle celle adiacenti (max 16) e passa le informazioni al BSC che prepa-ra una
lista delle migliori 6 in base alla potenza del segnale ricevuto.
Esistono due algoritmi utilizzati per
effettuare un handover:
·
Minimum Acceptable Performance: dà la precedenza al
controllo della potenza sugli handover nel senso che quando la qualità del segnale
degra-da oltre un certo limite, il livello di potenza del terminale viene aumentato, Se
tale aumento non produce alcun beneficio allora si prende in considera-zione la
possibilità di effettuare un handover. E il metodo più semplice e il più
adottato, ma aumentare continuamente la potenza del terminale può produrre una elevate
interferenza co-canale.
·
Power Budget:
utilizza gli handover per mantenere o migliorare la qualità del segnale senza aumentare,
o addirittura cercando di diminuire, il livello di potenza. E un metodo complicato
da implementare nel sistema.
Il gruppo BTS-BSC sono connessi da
una linea dedicata PCM a 2,048 Mbit/s che mette a disposizione 32 canali a 64 Kbit/s. Dato
che la codifica vocale uti-lizzata dal sistema GSM (16 Kbit/s lordi, 13 Kbit/s netti) è
diversa da quella PCM (64 Kbit/s) è necessario lutilizzo di un particolare
dispositivo detto TRAU ( Transcoder Rate Adapter Unit) che
realizzi ladattamento tra le due codi-fiche.
4)
Network Subsystem (NS) Intelligente Network (IN)
Il sistema radiomobile GSM
costituisce una rete pubblica di telecomunicazioni, esso deve quindi comprendere delle
centrali di commutazioni che si occupino dell'instradamento delle chiamate. Il componente
centrale é allora il centro di commutazione Mobile services Switching Center (MSC).
4a)
Mobile services Switching Center (MSC)
Il componente centrale del
sottosistema di rete é il centro di commutazione MSC (Mobile services Switching Center).
Esso svolge le funzionalità di un
normale nodo di commutazione di una rete: per instaurare (call setup comprendente anche la
procedura di autentica-zione), controllare, tassare le chiamate da/verso le MS presenti
nell'area geo-grafica da esso servita. In più esegue tutti quei compiti essenziali per
gestire un utente mobile come: la gestione della mobilità e l'instradamento delle
chiamate. Funzioni queste che sono eseguite in collaborazione con le altre entità del
network subsystem.
L'MSC fornisce la connessione con le
reti fisse: Public State Telephone Net-work (PSTN), Integrated Services Digital Network (ISDN),
rete dati a com-mutazione di pacchetto (PSPDN, Packet Switched Public Data Network) o
di circuito (CSPDN,
Circuit Switched Public Data Network).
Un MSC ha in carico una certa area
del territorio (controlla quindi tutte le BSC in quella zona) e deve servire tutte le MS
che transitano in quell'area.
Per gestire la mobilità degli utenti
esso deve scambiare continuamente infor-mazioni con un database, detto Visitor Location
Register (VLR).
4b) Visitor Location Register (VLR)
Il registro VLR che memorizza, temporaneamente, le informazioni
relative alle MS che si trovano in quell'area (identità dell'utente IMEI, numero
telefonico MSISDN, parametri di autenticazione, ecc.).
Le MS in questione sono semplicemente
"in visita" nell'area servita dal VLR. Esse, infatti, si possono spostare in
qualsiasi momento entro l'area servita da un altro VLR. Il VLR mantiene aggiornate le informazioni relative alle
MS che sono presenti, temporaneamente, nell'area da esso servita. Informazioni selezionate
dal registro HLR e necessarie per il controllo delle chiamate e la gestione dei servizi
supplementari.
Nonostante quest'ultimo, come entità
funzionale, possa essere implementata in maniera indipendente dall'MSC, tutti i
costruttori preferiscono integrarli assieme (l'interfaccia tra i due elementi può essere
proprietaria) ed il tutto viene usualmente definito MSC/VLR. In questo caso entrambi
servono la stessa area geografica, detta MSC/VLR area.
Complessivamente il territorio
geografico coperto da una rete GSM risulta diviso in diverse aree di servizio, ciascuna
controllata da un MSC e dotata di un registro VLR. Quando una MS entra nell'area coperta
da un nuovo MSC, vie-ne inserito nel registro dei visitatori (VLR) di quel MSC e
contemporaneamente il registro generale degli utenti (HLR) viene aggiornato per tenere
conto della nuova posizione geografica del terminale.
Principali dati d'utente memorizzati
nel VLR:
- IMSI, MSISDN, MSRN e parametri di
sicurezza;
- HLR number, per poter identificare
il proprio HLR;
- Temporany Mobile Subscriber Identity
(TMSI), usato per garantire la sicurez-za del IMSI, viene assegnato ogni volta che si
cambia Location Area (LA);
- Stato della MS (spenta, non
raggiungibile, ecc.),categoria (operatore, utente ordinario, chiamata di test) ed
eventuale priorità;
- Stato dei servizi supplementari
(Call Waiting, Call Divert, Call Barring, etc.);
- Tipi e stato dei servizi sottoscritti
dall'abbonato a cui gli é consentito acce-dere (voce, servizio dati, fax, SMS, ecc.),
detti bearer e teleservices services;
- Location Area Identity (LAI) in cui
si trova la MS all'interno di quelle sotto il controllo del MSC/VLR.
Ogni gestore possiede un database
centrale, denominato:
4c) Home
Location Register (HLR)
L'HLR costituisce il database su cui
un gestore di rete GSM memorizza, in mo-do permanente, i dati relativi
allabbonamento dellutente (noti come dati sta-tici), sia i dati (detti
dinamici) che possono variare a seguito di azioni degli utenti stessi (attivazione servizi
supplementari).
Ogni azione di tipo amministrativo
che il gestore di rete effettua sui dati di utente viene svolta attraverso l'HLR. Può
essere unico, o stand-alone, per l'in-tero network oppure distribuito nel sistema; si
possono quindi avere delle MSC prive di HLR, ma connesse a quello di altre MSC. E'
possibile che ad un HLR sia associato un AuC con il compito di generare i parametri di
sicurezza.
Ad ogni HLR viene associato un
identificativo (HLR number), che viene fornito ai VLR interessati e permette loro di
individuare l'HLR di appartenenza di ogni MS su di essi registrata. A sua volta ogni VLR
è identificato da un VLR num-ber, in modo tale che l'HLR sappia presso quale VLR è
registrata corren-temente ogni sua MS.
Poiché una rete GSM è interconnessa
con altre reti (PSTN, ISDN, altri PLMN), deve prevedere un piano di numerazione con esse
compatibile.
Ad ogni MS è assegnato un numero di
telefono (MSISDN), che identifica univo-camente un abbonato nel piano di numerazione della
rete telefonica commu-tata pubblica internazionale, in conformità con le specifiche E.164
sulla nume-razione per reti ISDN (naturali sostituti delle tradizionali PSTN). L'MSISDN ha
una lunghezza massima di 15 cifre con la seguente struttura:
MSISDN
= CC / NDC / SN
dove
- CC Country Code,
prefisso internazionale secondo le specifiche E.163 (Italia: 39).
-
NDC National Destination Code, identifica una PLMN GSM in un
ambito nazionale. Ad una PLMN possono essere allocati più NDC (Tim: 335, 338, 339;
Omnitel: 347, 348, 349).
- SN Subscriber
Number,
numero che identifica l'abbonato nel PLMN del proprio operatore.
I codici CC e NDC permettono di
identificare l'operatore GSM, mentre le prime cifre di SN permettono di risalire all'HLR
presso cui è registrata la MS chiamata.
I principali dati d'utente
memorizzati nell'HLR:
- International
Mobile Subscriber Identity (IMSI), che identifica univo-camente
l'abbonato all'interno di una qualunque rete GSM e che é contenuto anche all'interno
della SIM card;
- Mobile Station
ISDN Number (MSISDN), che identifica univocamente un
abbonato nel piano di numerazione della rete telefonica commutata pubblica internazionale.
Possono essere più d'uno in funzione dei servizi sottoscritti (ad esempio si possono
avere numeri distinti per voce, dati e fax);
- Tipo e stato dei servizi supplementari e dei
servizi sottoscritti dall'abbonato a cui gli é consentito accedere (voce, servizio dati,
SMS);
- VLR number, per conoscere il VLR in cui è
correntemente registrata la MS.
I principali compiti di un HLR
possono essere riassunti come segue:
sicurezza:
dialogo con l'AuC e il VLR;
gestione della
localizzazione: dialogo con il VLR;
informazioni
sull'instradamento (MSRN): dialogo con il GSMC;
gestione dei dati di utente e
dei costi delle chiamate;
gestione dei servizi
supplementari (attivazione, disattivazione).
Per cercare di risolvere il problema
del possibile utilizzo di apparati mobili ME rubati, difettosi o non omologati, esiste una
unità funzionale:
Equipment
Identity Register (EIR)
che memorizza al suo interno tutti i
codici IMEI segnalati come difettosi o rubati. La rete può così effettuare un controllo
sull'IMEI richiedendolo alla MS e vietarne l'accesso nel caso questo non sia in regola.
Nel GSM ogni apparato mobile (ME) è
identificato univocamente dal codice IMEI. L'IMEI è distinto rispetto all'identità della
persona che ha sottoscritto l'abbonamento (codice IMSI memorizzato nella SIM card). L'EIR
é un database che memorizza gli IMEI. Un IMEI può essere invalido quando l'unità mobile
risulta rubata oppure quando é di tipo non approvato.
Per consentire all'EIR di operare
correttamente sono state definite diverse "liste", tra le quali citiamo le
seguenti:
White list
contiene gli IMEI di tutti i ME di
tipo omologato, ed in condizioni operative, presenti nei paesi aderenti al GSM. Sono
quindi autorizzati a connettersi alla rete.
Blacklist
contiene tutti gli IMEI che sono
considerati bloccati (per esempio quelli rubati oppure di tipo non autorizzato) che non
sono quindi autorizzati a connettersi con la rete.
Grey list
contiene tutti gli IMEI marcati come
faulty oppure quelli relativi ad apparecchi non omologati (a discrezione del gestore). I
terminali inseriti in questa lista vengono segnalati agli operatori di sistema mediante un
allarme quando richiedono l'accesso, consentendo l'identificazione dell'abbonato che
utilizza il terminale e l'area di chiamata in cui si trova.
Ad ogni tentativo di collegamento di
un terminale con la rete, l'MSC mediante l'EIR verifica che il ME non sia contenuto nella
Black list o Grey list, nel qual caso gli viene sbarrato all'accesso alla rete.
L'EIR può essere unico per tutto il
sistema oppure può essere implementato in una configurazione distribuita. In genere si
preferisce mantenerlo fisicamente separato dalle altre entità (HLR, AuC, etc.) per
ragioni di sicurezza. Esso é accessibile anche in modo remoto per consentire
l'aggiornamento della varie liste in esso contenute da ogni punto della rete. In futuro é
prevista l'interconnessione di tutti gli EIR dei vari operatori GSM, per evitare
l'utilizzo di apparati rubati, in nazioni diverse da quelle in cui é avvenuto il furto.
Gateway Mobile
Switching Center (GMSC)
Tutte le chiamate originate presso le
reti fisse o quelle mobili di altri gestori e dirette ad un network GSM sono dapprima
inoltrate ad un particolare MSC, detto Gateway MSC (GMSC), che costituisce il punto di
accesso alla PLMN GSM (Public Land Mobile Network) a cui appartiene l'utente mobile
chiamato. Il GMSC interroga il registro HLR dell'abbonato, che a sua volta interroga il
corretto registro VLR, e quindi instrada la chiamata verso il centro MSC che controlla la
zona nella quale si trova l'abbonato.
Authentication Center (AuC)
L'AuC è l'unità funzionale del
sistema GSM incaricata di generare i parametri necessari per l'autenticazione degli
utenti. Si occupa di verificare se il servizio è stato richiesto da un abbonato
legittimo, fornendo sia i codici per l'autenticazione che per la cifratura, per garantire
tanto l'abbonato quanto l'operatore di rete da violazioni indesiderate del sistema da
parte di terzi.
Il meccanismo di autenticazione
verifica la legittimità della SIM senza tra-smettere sul canale radio le informazioni
personali dell'abbonato, quali IMSI e chiave di cifratura, al fine di verificare che
l'abbonato che sta tentando l'ac-cesso sia quello vero e non un clone; la cifratura invece
genera alcuni codici segreti che verranno usati per criptare tutta la comunicazione
scambiata sul canale radio.
L'AuC contiene: il codice IMSI, la chiave di
autenticazione (Ki), il codice TMSI
corrente e il codice LAI corrente, usati per autenticare e
codificare i ca-nali radio, oltre ad un generatore di numeri casuali (RAND), agli
algoritmi A3 e A8.
L'autenticazione viene sempre
effettuata ogni volta che la MS si collega al net-work: quando riceve o effettua una
chiamata, alla scadenza dei location update periodici, alla richiesta di attivazione,
disattivazione o interrogazione dei servizi supplementari.
Poiché i dati trattati dall'AuC sono
di fondamentale importanza per la rete e per l'utente, vengono normalmente prese
particolari misure di sicurezza e protezione per il loro mantenimento.
Operation and
Maintenance Center (OMC)
L'OMC é l'entità funzionale che
permette all'operatore GSM di monitorare e controllare il corretto funzionamento di una
parte della rete GSM costituita da uno o più MSC, con i BSC e BTS ad assi associati.
L'OMC ha le seguenti funzioni:
- gestione delle configurazioni e delle
prestazioni di tutti gli elementi che com-pongono il network GSM (BSC, BTS, MSC, VLR, HLR,
EIR ed AUC);
- gestione dei guasti, degli allarmi e
dello stato del sistema con possibilità di effettuare vari tipi di test per analizzare le
prestazioni e per verificare il co-rretto funzionamento dello stesso;
- gestione della sicurezza;
- raccolta di tutti i dati relativi al
traffico degli abbonati necessari per la fattu-razione.
Network Management Center (NMC)
Il NMC fornisce la visibilità globale di tutte le attività di controllo. Coordina e gestisce tutti gli OMC presenti nel network.