Dipartimento
di elettronica e dell’informazione
Corso di laurea in ingegneria elettronica
DESCRIZIONE DELLA RETE GSM TIM E INTRODUZIONE AL NUOVO STANDARD UMTS
Anno accademico 1999-2000
Relatore
: Achille Pattavina
sommario
BREVE STORIA
DELLA COMUNICAZIONE MOBILE
SIM, Subscriber Identity Module
Alcuni dettagli
realizzativi di una stazione BTS
Antenne omnidirezionali a basso guadagno
Sectoring (antenne direzionali ad alto guadagno)
Antenne per applicazioni particolari
NSS, Network Switching Sub-system
MSC, Mobile
services Switching Centre
GMSC, Gateway Mobile services Switching Centre
VLR, Visitor
Location Register
EIR, Equipment Identity Register
OSS, Operation and Support Sub-system
OMC, Operation
and Maintenance Centre
NMC, Network
Management Centre
TECNICHE
UTILIZZATE NEL SISTEMA GSM, L’INTERFACCIA RADIO
Interferenza da
canale adiacente
RIUTILIZZO DELLE
FREQUENZE E TECNICA CELLULARE
TECNICHE DI
ACCESSO MULTIPLO FDMA/TDMA
La distanza tra
BTS e MS non può superare i 35 Km
Misure sul canale
radio (Radio Link Misurement)
IL
SISTEMA GSM COME RETE DI TELECOMUNICAZIONI
Rete a
commutazione a circuito
Interfacce basate
su segnalazione a canale comune SS7
Interfacce verso
il sistema di esercizio e manutenzione
Interfacce verso
il sottosistema radio
Radio Resources
management layer, livello RR
Mobility Management layer, livello MM
Location Updating, aggiornamento della posizione
IMSI attach/detach, attivazione e disattivazione
Periodic Location Updating, aggiornamento periodico
Communication Management layer, CM
Servizi
Telefonici Supplementari STS
Cos'é il servizio
SMS e come funziona
INTRODUZIONE
Breve storia della comunicazione
mobile
BREVE STORIA DELLA COMUNICAZIONE MOBILE
In questi anni si sta assistendo alla diffusione di massa della comunicazione mobile, vale a dire di un servizio che rende possibile il mantenimento della connessione tra due utenti di una rete di telecomunicazione anche in una situazione di mobilità di uno o entrambi.
La tempestività della comunicazione, soprattutto per utenze affari, è una delle esigenze più sentite per chi è momentaneamente lontano dalla sede dove svolge abitualmente l’attività lavorativa o mentre ci si sposta.
Oltre all’utilizzo nel mondo degli affari, il servizio di telefonia mobile oggi è profondamente importante nei costumi e negli stili di vita della cosiddetta utenza residenziale. Ne è un esempio l'uso diffuso che viene fatto del "telefonino" che è diventato uno status symbol per gli appartenenti a tutti i ceti sociali.
Ovviamente la diminuzione dei prezzi e delle tariffe giocano un ruolo importante nell’ampliamento del mercato.
La comunicazione tra e con mezzi mobili è sempre stata un’esigenza fondamentale sia in ambito militare sia nei servizi pubblici.
Possiamo far risalire la nascita delle comunicazioni mobili con l’invenzione della modulazione in frequenza FM (Frequency Modulation), avvenuta nel 1935 da parte di Armstrong. Questo tipo di modulazione permette di variare la frequenza di un segnale sinusoidale in alta frequenza (portante) in modo proporzionale al segnale informativo che si vuole trasmettere (modulante).
I sistemi FM subirono un grande sviluppo durante la seconda guerra mondiale e ci si accorse subito che si stava andando incontro alla saturazione dei canali radio. Non c' erano abbastanza frequenze da soddisfare le necessità dei vari settori: militare, polizia, vigili del fuoco, servizi di trasporto pubblici e privati. Questi servizi non erano connessi alla rete telefonica fissa.
Negli anni '40 furono introdotti i primi sistemi di telefonia mobile che consentivano ad un numero molto ristretto di persone di effettuare chiamate telefoniche da un’automobile, durante spostamenti in ambito cittadino. Questi sistemi impiegavano un singolo trasmettitore FM che offriva la copertura radio nell’area da servire. La commutazione delle chiamate avveniva manualmente. I canali radio usati in questo sistema richiedevano una banda di 120 KHz per trasmettere un segnale telefonico, che ha una banda base di 4 KHz. La necessità di trovare nuove frequenze stimolò le ricerche con l’obiettivo di operare con canali radio aventi larghezza di banda inferiore.
Negli anni '50 la banda del canale radio dimezzò arrivando a 60 KHz, mentre negli anni '70 si scese fino ai 25 KHz. Nei primi sistemi radiomobili gli apparati d’utente operavano a frequenza fissa quindi vi era un certo numero di trasmettitori indipendenti aventi in carico diversi utenti. Il passo successivo fu l’introduzione di sistemi tipo "trunked" in cui tutti i canali sono disponibili a tutti gli utenti. La selezione del canale libero inizialmente era manuale poi fu automatizzata.
I SISTEMI CELLULARI
Il problema del limitato numero di frequenze disponibili fu risolto negli anni '80 con l'introduzione dei sistemi cellulari.
I sistemi non cellulari effettuano trasmissioni tipo broadcasting (come radio e TV), utilizzano trasmettitori di potenza per coprire una vasta area del territorio. Se il numero d’utenti è elevato ho un fabbisogno di frequenze radio tale da rendere impraticabile la realizzazione.
I sistemi cellulari prevedono il riutilizzo delle frequenze che consiste essenzialmente nel riuso di una frequenza più volte in luoghi diversi e sufficientemente lontani tra loro.
La tecnica di copertura cellulare consiste in pratica nel suddividere l'area di servizio in celle ciascuna delle quali è servita da una stazione radio base (Base Transceiver Station BTS), operando però con potenza ridotta. Ogni cella ha a disposizione un certo numero di frequenze radio (canali radio) che possono essere riutilizzate in altre celle opportunamente distanziate sul territorio; questa tecnica di copertura assegna il nome al sistema che perciò è chiamato cellulare. In questo modo, con una banda di frequenze limitata, è teoricamente possibile servire una regione comunque estesa agendo sul posizionamento adeguato delle stazioni nell'area di servizio, sul loro numero e sulla potenza d’emissione dei canali radio.
L'insieme completo di celle che utilizzano
tutti i canali radio a disposizione del sistema è detto cluster di celle. Il numero di celle appartenenti al cluster fa
seguito ad un’ottimizzazione dell'efficienza spaziale in rapporto alle
prestazioni del sistema utilizzato. Il cluster deve poi essere clonato
ottenendo così lo schema di riuso di frequenze sul territorio. Le aree delle
celle sono dimensionate in modo che i canali di traffico in esse disponibili
siano sufficienti per servire i clienti che vi si trovano, perciò, a parità di
numero di canali interessati, esse sono grandi nelle zone a bassa densità di
popolazione, piccole per le zone ad alta densità. Quando il numero di clienti
previsti nell'area cresce, si può aumentare la capacità suddividendo le celle
in dimensioni minori con un'operazione detta di cell splitting. Normalmente nelle aree rurali, i raggi delle celle
raggiungono qualche decina di chilometri, mentre nelle zone centrali delle
grandi città si riducono oggi a qualche centinaio di metri, nel prossimo futuro
si restringeranno fino a qualche decina di metri.
Durante
gli spostamenti dei clienti può accadere che questi passino da una cella
all'altra e quindi, per evitare che cada la comunicazione, occorre fare in modo
che l'apparato si sintonizzi su una nuova frequenza, quella ricevuta meglio tra
le frequenze utilizzate nella nuova cella. Questa procedura prende il nome di handover.
Nei sistemi cellulari, all'aumentare del numero di celle, e quindi al diminuire della loro dimensione, aumenta la capacità del sistema che è in grado così di gestire più clienti, ma aumentano sia l'interferenza tra canali che utilizzano le stesse frequenze (interferenza di cocanale) sia il numero degli handover che il sistema deve effettuare durante una conversazione.
I SISTEMI ANALOGICI ITALIANI
Il primo sistema radiomobile commerciale italiano fu il RTMI (Radio Telefono Mobile Integrato), introdotto nel 1973. Aveva funzioni di conversazione e radioavviso, non si basava su sistema cellulare. Le caratteristiche salienti erano:
operava a 160 MHz, con 32 canali radio
bidirezionali e 4 canali di avviso;
modulazione FM, con banda di canale a
25 KHz;
la chiamata da mobile verso fisso
avveniva automaticamente, mentre da fisso verso mobile doveva passare
attraverso un’operatrice;
la posizione dell’utente mobile non
era localizzata automaticamente;
se si lasciava l‘area servita da un
certo trasmettitore la comunicazione s’interrompeva.
Nel 1984 fu immesso sul mercato il primo sistema cellulare, il RTMS di seconda generazione operante a 450 MHz, le cui caratteristiche sono:
sistema cellulare operante a 450 MHz;
modulazione FM, con banda di canale di
25 KHz;
suddivisione del territorio nazionale
in 10 aree di controllo e chiamata;
localizzazione automatica;
200 canali radio di cui 192 di
conversazione e 8 d’avviso;
handover automatico per celle
appartenenti alla stessa area, impossibile effettuare handover tra celle di
centri di controllo diversi;
Nel 1990 fu introdotto il sistema cellulare TACS (Total Access Communication System), operante a 900 MHz. E' questo il sistema analogico in uso attualmente e che offre una capillare copertura sul territorio nazionale. Le caratteristiche principali sono:
sistema cellulare operante a 900 MHz;
modulazione FM, con banda di canale 25
KHz;
suddivisione del territorio nazionale
in celle, ognuna delle quali è servita da una Stazione Radio Base (SRB) avente
un sottoinsieme di canali radio. Le SRB sono a loro volta controllate da un
certo numero di Mobile services Switching Centre (MSC); ogni MSC è una centrale
di commutazione e costituisce l’interfaccia tra la rete radiomobile e la rete
fissa Public Switched Telephone Network (PSTN).
Prevede 1320 canali bidirezionali
(E-TACS Extended Total Access Communication System), allocati nella banda
872-905 MHz, per la tratta up-link e 917-950 MHz per la tratta down-link. Va
notato che solo una parte di questi canali (504) sono usati, poiché il sistema
TACS deve coesistere con il sistema GSM.
IL SISTEMA GSM
La storia del sistema GSM inizia nel 1982 quando, in ambito CEPT (Conférence Européenne des Postes et des Télécommunications) fu proposta la definizione di un sistema radiomobile cellulare comune a tutti i paesi dell’Europa occidentale. Venne in seguito siglato un accordo tra i paesi aderenti che portò alla decisione di riservare per questo sistema due bande di frequenze (890-915 e 935-960 MHz) e di costituire un gruppo di lavoro denominato "Group Special Mobiles" con il compito di definire le specifiche del sistema radiomobile cellulare paneuropeo.
La definizione di uno standard comune avrebbe consentito innanzi tutto di operare in regime di concorrenza, per effetto della standardizzazione delle funzioni e delle interfacce che rende disponibile ai gestori di rete gli impianti forniti da diversi costruttori. Inoltre un vasto mercato in grado di permettere significative economie di scala nella produzione di terminali e apparati, avrebbe portato una conseguente diminuzione dei loro costi.
Una scelta molto importante fu quale tecnica adoperare tra quella analogica o digitale. Il Group Special Mobiles scelse la tecnica digitale. A favore di questa tecnica la rapida evoluzione tecnologica nei settori dell’elaborazione numerica dei segnali e nell’integrazione dei componenti elettronici. Un sistema cellulare numerico avrebbe inoltre offerto numerosi vantaggi:
maggiore sicurezza e riservatezza
delle informazioni trasmesse via radio potendo applicare algoritmi
d’autenticazione e cifratura;
maggiore efficienza spettrale,
consentendo di utilizzare una frequenza per servire più utenti, tramite
l’utilizzo di tecniche TDM (Time Division Multiplexing);
una capacità maggiore sia per quanto
sopra detto sia perché meno sensibili a rumore ed interferenze e quindi
consentono di ridurre le dimensioni delle celle, aumentando il numero d’utenti
che possono essere serviti contemporaneamente;
la possibilità di offrire una vasta
gamma di servizi disponibili per le reti ISDN, garantendo anche la
compatibilità fra quest’ultima e la rete radiomobile cellulare.
Nel 1987 il complesso lavoro dei 12 paesi europei interessati, superati i problemi tecnici e politici, si concluse con la stesura del Memorandum of Understanding (MoU), che sanciva l’impegno di introdurre nelle proprie reti il GSM in modo coordinato. Fu indicata come data d’apertura del servizio il primo luglio 1991, data che fu poi posticipata al primo ottobre del 1992.
Nel 1989 la responsabilità dello sviluppo dello standard per questo nuovo sistema fu trasferita al Comitato Tecnico di ETSI (European Telecommunications Standard Institute) e in quella sede l'acronimo GSM fu ridefinito come "Global System for Mobile communications". Il Comitato Tecnico elaborò normative, standard e specifiche tecniche descritte in dodici serie di raccomandazioni.
I risultati dell’enorme sforzo profuso da parte dei paesi europei non si sono dunque fatti attendere, oggi i sistemi radiocellulari basati sullo standard nato in Europa sono adottati da numerosi gestori di rete appartenenti a stati di tutto il mondo, dall’Est europeo, Russia compresa, a quelli dell’America del Sud, e poi Cina e Sud Est asiatico. In appendice vengono elencati tutti i paesi con cui TIM ha stipulato accordi di roaming bilaterali.
L’entrata in esercizio del sistema GSM, oltre alla svolta tecnologica nell’ambito delle reti radiomobili, ha determinato anche l’evoluzione del servizio telefonico attraverso l’introduzione della pluralità dei gestori, in genere con il superamento di una visione tradizionalista monopolista del settore. L’ingresso di gestori privati è stato favorito, tra l’altro, dal fatto che il livello degli investimenti necessari per entrare nel business radiomobile non è particolarmente elevato ed i ritorni possono essere anche nel breve, medio periodo. Quanto detto deve essere considerato in rapporto ai costi ed ai ritorni della rete telefonica fissa, nella quale gli investimenti sono particolarmente elevati, soprattutto per la necessità di finanziare quella parte della rete di accesso dedicata al singolo cliente (ultimo miglio). Di contro, nella rete radiomobile, la parte dedicata d’utente, cioè il telefonino, è finanziata direttamente dal cliente con l’acquisto del terminale radiomobile. Le risorse utilizzate nella costruzione dell’infrastruttura di rete, per altro realizzabili in tempi brevi, sono condivise da tutti i clienti e dimensionate con criteri di effettivo smaltimento del traffico. Ciò rende ancora più interessante la partecipazione al nuovo business da parte di un numero sempre più elevato di nuovi soggetti, anche esterni al mondo delle telecomunicazioni tradizionali.
ARCHITETTURA DEL SISTEMA GSM
SIM, Subscriber Identity Module
Alcuni dettagli realizzativi
di una stazione BTS
NSS, Network Switching Sub-system
MSC, Mobile services Switching Centre
GMSC, Gateway Mobile services Switching Centre
VLR, Visitor Location Register
EIR, Equipment Identity Register
OSS, Operation and Support Sub-system
OMC, Operation and
Maintenance Centre
NMC, Network Management
Centre
Una rete GSM, o PLMN GSM ( Public Land Mobile Network ), realizza la rete radiomobile di un gestore. Essa è costituita da unità funzionali, implementate da apparati e sistemi, che consentono ad un gestore di offrire ai propri clienti i servizi offerti dal sistema GSM e di effettuare l’esercizio, l’amministrazione e la gestione della rete stessa. Una rete radiomobile GSM può essere interconnessa con diverse reti:
PLMN di altri gestori;
rete telefonica PSTN, Public Switched Telephone Network;
rete ISDN, Integrated Services Digital Network;
reti dati a commutazione di pacchetto
PSPDN, Packet Switched Public Data Network;
reti dati a commutazione di circuito
CSPDN, Circuit Switched Public Data Network.
Un sistema GSM è costituito dalle seguenti parti funzionali:
BSS, Base Station Sub-system, gestione
ed utilizzo delle risorse radio;
NSS, Network Switching Sub-system,
gestione della mobilità e controllo chiamate;
OSS, Operation and Support Sub-system,
unità orientata all’ OA&M ( Operation Administration and Maintenance ) cioè
esercizio amministrazione e manutenzione.
MS, Mobile Station
Una Mobile Station rappresenta la stazione mobile con la quale un cliente può usufruire dei servizi offerti dal GSM. Consiste in un terminale mobile ME ( Mobile Equipment ), e di una smart-card intelligente detta SIM ( Subscriber Identity Module ), che permette ad un cliente di caratterizzare come proprio un qualsiasi terminale mobile GSM.
ME, Mobile Equipment
Dal punto di vista della portabilità possiamo avere tre tipi di apparati mobili ME:
veicolare, installato su un veicolo e
l’antenna è posta all’esterno dello stesso;
trasportabile, può essere trasportato
a mano e l’antenna non è fisicamente inserita nell’apparato;
portatile, l’antenna è fisicamente
inserita nell’apparato, i cosiddetti “telefonini”.
Gli apparati sono classificati in base alla loro potenza di picco nominale; si definiscono le seguenti classi di potenza:
|
Classe |
Potenza di picco ( W ) |
Tipo di ME |
|
|
|
|
|
1 |
20 |
Veicolare e
trasportabile |
|
2 |
8 |
Veicolare
e trasportabile |
|
3 |
5 |
Portatile |
|
4 |
2 |
Portatile |
|
5 |
.8 |
Portatile |
I terminali mobili sono in grado di variare la potenza con cui possono trasmettere sul canale radio in modo dinamico su 32 livelli diversi, Dynamic Power Control, per mantenere una ottima qualità di trasmissione limitando al massimo le interferenze di cocanale e i consumi. A tal fine sia il terminale sia la stazione radiobase operano al valore minimo di potenza che garantisce una qualità del segnale accettabile RXLEV. La MS misura l’intensità RXLEV e la qualità RXQUAL del segnale, e trasferisce queste informazioni alla stazione radiobase ( attraverso il canale SACCH ) che decide se e quando cambiare livello di potenza. La BTS trasmette il parametro MS-Tx-Pwr (Mobile Station-Trasmission-Power) alla MS comunicandogli qual è la massima potenza di trasmissione consentita.
Nelle zone urbane dove le celle sono piccole e ravvicinate, solitamente il parametro MS-Tx-Pwr è pari a 33 dBm cioè 2 Watt, così da evitare interferenze.
|
Power Level |
0-2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
11 |
12 |
13 |
14 |
15 |
16 |
17 |
18 |
19-31 |
|
Power (dBm) |
39 |
37 |
35 |
33 |
31 |
29 |
27 |
25 |
23 |
21 |
19 |
17 |
15 |
13 |
11 |
9 |
7 |
5 |
|
Power ( Watt ) |
8 |
5 |
3,20 |
2,00 |
1,26 |
0,80 |
0,50 |
0,32 |
0,20 |
0,13 |
0,08 |
0,05 |
0,03 |
0,02 |
0,012 |
0,008 |
0.005 |
0.003 |
Un apparato GSM è identificato in modo univoco tramite il codice IMEI, International Mobile Equipment Identity. Questo codice è cablato nel radiomobile e la rete ne richiede la trasmissione in varie occasioni, chiamata originata da mobile, chiamata terminata su mobile, chiamata di emergenza, Location Updating, ecc...
La struttura dell’IMEI è la seguente:
IMEI=TAC/FAC/SNR/sp
TAC = Type Approval Code ( 6 cifre ), fornito da un’Autorità Centrale del GSM incaricata
dell’approvazione dei ME;
FAC = Final Assembly Code ( 2 cifre ), identifica il luogo di costruzione o di assemblaggio finale;
SNR = Serial Number ( 6 cifre ), numero di serie che identifica ogni apparato;
sp = spare ( 1 cifra ), cifra di riserva, deve essere uno zero.
SIM, Subscriber Identity Module
Nel GSM vi è una distinzione tra l’ apparato mobile vero e proprio Mobile Equipment ( ME ) e ciò che contiene i dati di abbonato. Infatti, l’identificativo dell’utente e tutti i suoi dati che gli consentono di ottenere l’accesso ai servizi della rete sono memorizzati in un modulo denominato SIM, Subscriber Identity Module. La SIM può essere di due formati: carta di credito (ISO 7816), adottato da Motorola, oppure plug-in della dimensione di un francobollo 25x15 mm, adottato da Nokia ed Ericsson. Entrambi formati hanno un marcatore che ne indica il corretto verso d’inserimento nel ME.
La SIM memorizza le seguenti informazioni:
numero di serie della SIM, per
identificare la carta in modo univoco, ICC-ID ( Integrated Circuits Card-Identity
);
identificativo dell’utente IMSI,
International Mobile Subscriber Identity;
identificativo temporaneo TMSI,
Temporary Mobile Subscriber Identity;
chiave segreta d’autenticazione Ki,
utilizzata nel processo d’autenticazione, tramite la quale la rete verifica se
l’ utente ha diritto o no all’accesso;
chiave di cifratura Kc,
utilizzata per crittografare le informazioni da inviare sulla tratta radio;
algoritmo d’autenticazione A3;
algoritmo di cifratura A8, per
generare la chiave di cifratura;
codici PIN e PIN2, Personal Identity
Number;
codici PUK e PUK2, PIN Unblocking Key;
rubrica telefonica dell’abbonato;
messaggi SMS dell’abbonato;
lista degli operatori GSM
preferenziali;
campi informativi previsti dalle
specifiche di fase 2.
La SIM, e di conseguenza la MS, è protetta contro utilizzi non autorizzati tramite un codice PIN, un codice d’accesso personale di 4 cifre, modificabile dall’utente. Dopo tre tentativi d’inserimento del PIN errato, la SIM si blocca impedendo alla MS di accedere alla rete GSM. Ciò avviene anche se tra i tentativi stessi la carta SIM è rimossa o la MS spenta. La SIM viene poi sbloccata tramite il codice PUK; se anche questo fosse digitato per 9 volte errato la SIM si blocca irrimediabilmente, sarebbe necessaria la sostituzione del modulo stesso.
L’introduzione di nuovi servizi nella fase 2 del sistema GSM, ha richiesto l’introduzione di un secondo codice PIN, il PIN2 per proteggere il contenuto d’alcuni nuovi campi informativi.
Il codice IMSI e la chiave Ki costituiscono le credenziali d’identificazione dell’abbonato, equivalenti al numero seriale per i sistemi analogici. L’IMSI è associato al cliente che ha sottoscritto l’abbonamento al GSM, restando svincolato dal radiomobile ME utilizzato. Ha una lunghezza massima di 15 cifre, è strutturato nel seguente modo:
IMSI = MCC/MNC/MSIN
MCC = Mobile Country Code, 3 cifre, identifica la nazione, 222 per l’Italia.
MNC = Mobile Network Code, 2 cifre, identifica la PLMN con cui il cliente ha sottoscritto
l’abbonamento, 01 per TIM.
MSIN = Mobile Subscriber Identification Number , identifica l’ utente mobile entro la propria
PLMN.
Aspetti
tecnici
Tutti gli aspetti concernenti l’interfacciamento tra SIM e il ME, durante le operazioni di rete previste dal sistema GSM e l’organizzazione interna dalla SIM stessa sono definiti da alcuni documenti approvati dall’ETSI, European Telecommunication Standard Istitute.
Per maggiori dettagli si può consultare le raccomandazioni ETSI:
GSM 02.17, Subscriber Identity Module, functional
characteristics;
GSM 09.91 (ETR 174): Interworking aspects of the SIM/ME
interface between Phase 1 and Phase 2.
GSM 11.11, Specification of the Subscriber Identity
Module-Mobile equipment interface SIM-ME;
GSM 11.12: Specification of the SIM-ME interface Working Draft.
Phase 2;
GSM 11.14, Specification of SIM-ME interface for SIM
Application Toolkit.
La SIM contiene un processore a 8 bit con qualche Kbytes di memoria, realizzato in tecnologia CMOS. Il chip è progettato per lavorare tra temperature di –25°C e +70°C e un’umidità massima dell’ 85%. La memoria on board è di diverso tipo e svolge funzioni diverse:
ROM, Read Only Memory, contiene il
sistema operativo e gli algoritmi di sicurezza A3 e A8.
RAM, Random Access Memory, è
utilizzata per l’esecuzione degli algoritmi e come buffer nella trasmissione e
ricezione.
EEPROM, Electrically Erasable
Programmable Read Only Memory, raccoglie i dati del cliente. In 1 Kbytes di
memoria EEPROM è possibile memorizzare 6 messaggi SMS oppure 40 numeri
telefonici completi.
Interfacciamento
elettrico
Il modulo SIM e il ME s’interfacciano mediante otto contatti, indicati con le sigle C1-C8. La loro posizione e le dimensioni sono rigidamente fissate da precisi standard. I contatti C4 e C8 non sono usati nello standard GSM.
C1 = Tensione d’alimentazione (+Vcc),
può variare da 4.5 V a 5.5 V. L’assorbimento di corrente massimo è di 10 mA; in
stand-by a 25 °C non supera i 200 mA.
C2 = Reset (RST);
C3 = Clock (CLK), può variare
da 1 MHz a 5 MHz. Il segnale di clock viene fornito dal radiomobile.
C5 = Ground (terra);
C6 = Tensione di programmazione (+Vpp);
C7 = Data Input/Output.
SIM
Locking
Consente ad un operatore di inibire l’utilizzo del ME con tutte le SIM che non siano le proprie. In questo modo un operatore si assicura che il nuovo cliente rimanga suo abbonato per un dato periodo. Il cliente in questo caso ha il vantaggio di acquistare il radiomobile ad un prezzo inferiore. Alcuni gestori forniscono un codice con cui sboccare questo vincolo, una volta trascorso un certo lasso temporale, uno o due anni solitamente. Il SIM locking è proibito in alcuni paesi come la Danimarca, è invece praticato dagli operatori inglesi, svedesi (Comviq), e spagnoli (Airtel e Movistar).
BSS, Base Station Sub-system
Con il termine BSS s’intende l’insieme delle unità funzionali che si occupano degli aspetti radio del sistema, in altre parole della copertura radio di una o più celle e della comunicazione con le Mobile Station (MS) che si trovano entro esse. Il BSS è diviso in due unità funzionali:
BTS, Base Transceiver Station,
fornisce la copertura radio di una cella, svolge funzioni di codifica,
cifratura, modulazione ecc…permettendo lo scambio d’informazioni via radio con
le MS che si trovano entro la cella.
BSC, Base Station Controller,
controlla e gestisce una o più BTS connettendole alla centrale di commutazione
MSC.
BTS, Base Transceiver Station
Con BTS intendiamo l’unità funzionale costituita dall’insieme dei ricetrasmettitori (transceiver) e degli apparati che consentono di fornire la copertura radio ad una cella. I compiti svolti da una BTS, affinché le MS circolanti nell’area da questa servita s’interfaccino correttamente, sono:
Irradiare nella cella, in broadcast su
un canale di controllo, il messaggio di System Information, il quale
contiene dati e parametri di sistema come l’identità della cella, (CI-Cell
Identity), l’identità dell’area di localizzazione (LAI-Local Area Identity),
massima potenza di trasmissione su un canale di controllo, minimo livello di
segnale ricevuto richiesto per collegarsi alla rete, ecc…
Irradiare i messaggi di Paging
diretti alle MS chiamate e ricevere le richieste d’accesso alla rete inviate
dalle MS, inoltrandole alle unità funzionali competenti.
Eseguire la codifica di canale, la
cifratura delle informazioni utente ecc…
Multiplare le informazioni da inviare
su una data portante, la quale viene utilizzata a divisione di tempo TDMA, per
trasmettere otto canali radio.
Modulare/demodulare i segnali da
inviare/ricevere via radio, eseguendo anche il frequency hopping.
Eseguire le misure di qualità sui
canali di segnalazione e di traffico nell’up-link MS->BTS, ricevere le
misure di qualità effettuate dalla MS nel down-link BTS->MS; inoltrare tali
misure al BSC affinché le elabori e prenda le necessarie decisioni (handover,
controllo di potenza del mobile ecc…).
Interfacciare i sistemi di
trasmissione che collegano la BTS con il BSC. Poiché i canali trasmissivi utilizzati
per i collegamenti tra gli elementi del sistema GSM sono canali PCM a 64
Kbit/s, questo comporterebbe la transcodifica da codifica vocale GSM, a 13
Kbit/s, a codifica PCM, a 64 Kbit/s, oppure l’adattamento della velocità nel
caso di trasmissione dati, a 9600 bit/s. E’ possibile trasmettere quattro
canali GSM su un canale PCM, ottimizzando lo sfruttamento delle risorse
trasmissive di terra.
Una BTS può essere vista come l’insieme di un certo numero di transceiver (da 1 a 15) e da una parte comune detta Base Common Function (BCF).
Un transceiver TRX è l’unità che svolge funzioni necessarie per la rice-trasmissione di una portante radio, fornendo otto canali fisici bidirezionali. Per una conversazione si utilizzano due frequenze, una per trasmettere e una per ricevere, distanziate di 45 MHz.
Un TRX può dividersi nelle seguenti unità funzionali:
Controller, scambia la
segnalazione con il BSC e controlla un TRX;
Signalling processing, esegue
l’elaborazione digitale, codifica di canale, equalizzazione, ecc…
Trasmettitore, svolge funzioni
quali modulazione GMSK e amplificazione di potenza;
Ricevitore, svolge funzioni
quali ricezione in diversità e demodulazione.
Il sistema GSM adotta il frequency hopping (salti in frequenza); questa tecnica consente di cambiare (in modo ciclico) la frequenza di trasmissione ad ogni burst (bit trasmessi in un timeslot). La parte comune, Base Common Functions, ha funzioni di controllo quali la sincronizzazione e il calcolo dell’algoritmo di frequency hopping.
Una BTS è controllata da un BSC, se non sono co-locati, il collegamento fisico è usualmente realizzato tramite sistemi di trasmissione PCM a 2.048 Mbit/s, ognuno dei quali mette a disposizione 31 canali (timeslot) a 64 Kbit/s. E’ opportuno quindi un apparato, il transcoder, per eseguire la transcodifica da codifica vocale a 13 Kbit/s a codifica PCM a 64 Kbit/s. Poiché una portante, trasmettendo in divisione di tempo, multipla 8 canali GSM, occorrono tre timeslot a 64 Kbit/s della codifica PCM per il trasporto dell’informazione relativa ad una portante da BTS a BSC.
Il primo canale a 64 Kbit/s porta la segnalazione utilizzando il protocollo LAPD (Link Access Protocol – D channel), ognuno dei restanti due canali a 64 Kbit/s porta 4 canali di traffico GSM, per un totale di otto canali di traffico per portante.
Qualora una BTS non utilizzi tutti i canali di un collegamento PCM è possibile servire, con un unico flusso PCM, più BTS in cascata. In questo caso vengono utilizzati degli apparati di drop/insert, i quali sono in grado di estrarre ed inserire da un flusso i singoli canali PCM utilizzati di una BTS.
La rete TIM utilizza componenti di propria produzione e di altre case, tra cui: Italtel, Ericsson e Siemens. Si adoperano prodotti Ericsson della serie RBS200 e RBS2000. Ecco alcuni esempi:
La prima figura mostra una RBS2101 per outdoor in versione mini, la seconda una RBS2102 per outdoor in versione compact ed infine l’ultima RBS2202 per indoor in versione compact.
BSC, Base Station Controller
L’unità funzionale BSC ha in gestione il compito di controllare direttamente una o più BTS, i compiti principali sono:
Controllo e supervisione delle BTS;
Assegna ad ogni cella i canali di
traffico e di controllo;
Gestisce il Paging; il BSC
distribuisce alle BTS le segnalazioni di Paging provenienti da un MSC (Mobile
services Switching Centre) alle MS che devono essere chiamate.
Instaurazione e rilascio delle
connessioni tra i canali all’interfaccia A (MSC-BSC) e A-bis (BSC-BTS). Il BSC
fornisce i canali di traffico e di controllo alle MS e li connette con i canali
PCM da e verso MSC.
Analisi delle misure relative alla
qualità delle connessioni foniche sulla tratta radio (Locating).
Analizza i risultati delle misure eseguite da BTS e MS allo scopo di
determinare la qualità delle connessioni radio. Le misure effettuate sia da BTS
(nella tratta up-link) sia da MS (nella tratta down-link) sono le seguenti:
- livello di potenza sul canale di traffico utilizzato per la connessione (RXLEV),
- qualità, valutata in termini di BER (Bit Error Rate), sul medesimo canale (RXQUAL).
Le BTS misurano inoltre i seguenti parametri:
1. distanza tra MS e BTS, ricavabile grazie al parametro timing advance;
2. livelli di interferenza sui canali liberi.
La MS misura il livello di potenza ( RXLEVNCELL(n) ) relativo al canale di controllo usato dalle n BTS circostanti per diffondere il messaggio di System Information.
La MS invia alla BTS periodicamente (ogni 480 ms) i risultati delle proprie misure, su un apposito canale di controllo. La BTS comunica queste informazioni al BSC, il quale analizza e crea una lista di preferenza delle BTS in grado di servire la MS (procedura di Locating).
Il locating consente al BSC di decidere quando è il caso e verso quale BTS eseguire l’handover. Questo viene attuato qualora i livelli di qualità della connessione (RXLEV, RXQUAL) scendono al di sotto di determinate soglie.
Gestione degli handover interni al
BSS. Quando una MS passa da una cella all’altra, entrambe gestite dallo stesso
BSC, quest’ultimo comanda l’esecuzione dell’handover senza coinvolgere altri
elementi di rete. Infatti, in base ai risultati dell’elaborazione delle misure
effettuate dalle BTS e dalla MS, ordina alla MS di sintonizzarsi su un nuovo
canale di traffico, eseguendo nello stesso tempo la commutazione della
connessione verso la nuova BTS in modo che la conversazione possa proseguire,
con buona qualità. Se invece la cella in cui si sposta la MS è servita da una
BTS controllata da un BSC diverso, allora è necessario l’intervento dell’MSC
per gestire l’handover.
Esercizio e Manutenzione O&M,
dell’intero BSS, cioè caricamento software, trattamento allarmi, blocco e
sblocco di dispositivi, testing dei transceiver ecc …
Gestione dei canali trasmissivi PCM a
64 Kbit/s; il BSC ha il compito di configurare, allocare e supervisionare i
canali a 64 kbit/s dei sistemi PCM che interconnettono il BSC con le BTS e BSC
lato MSC. Inoltre esegue transcodifica e adattamento delle velocità.
Un BSC si occupa degli aspetti di gestione delle risorse radio (RR, Radio Resource management) ed è a tutti gli effetti un nodo di commutazione. Il BSC non effettua l’instradamento delle chiamate, che è delegato all’MSC, ma instaura e controlla le connessioni fisiche che, consentono ad una MS di inviare e ricevere informazioni.
Alcuni dettagli realizzativi di una stazione BTS
Una stazione radio base è essenzialmente costituita da un traliccio sul quale sono collocate diverse antenne e alla base della struttura sono installare le apparecchiature radio. Se possibile si tenta di utilizzare edifici e torri già esistenti. Non è raro vedere antenne GSM installate sui tralicci di emittenti radiotelevisive o di emittenti radio, sulle torri di illuminazione di campi sportivi oppure appese alle cisterne degli acquedotti. Ovviamente il tutto è finalizzato a minimizzare sia i costi di realizzazione sia l'impatto ambientale provocato. TIM installa stazioni radio su tralicci già esistenti presso le centrali Telecom Italia, qualora la copertura fosse di interesse.
Antenne omnidirezionali a basso guadagno
La struttura più semplice prevede solo due antenne (una per ricevere e una per trasmettere) di tipo omnidirezionali a frusta, cioè in grado di "illuminare" uniformemente il segnale in tutte le direzioni. La BTS si trova quindi al centro della cella che irradia. Questa soluzione è usata per "coprire" zone a bassa intensità di traffico, ad esempio autostrade o zone rurali vaste e pianeggianti.
Antenna diversità
Per migliorare la qualità del segnale
ricevuto spesso si utilizzano due antenne riceventi, poste ad una distanza pari
ad un multiplo di lunghezza d'onda (a 900 MHz la lunghezza d'onda é di 30 cm).
Questa tecnica, nota come antenna diversity o diversità nello spazio, consente
di risolvere i problemi connessi al fading. Le antenne possono essere spaziate
verticalmente o orizzontalmente; nel primo caso si ha una maggiore facilità di
installazione, mentre nel secondo caso si hanno prestazioni superiori. La
figura mostra un tipico traliccio TIM in cui si possono notare le due antenne
centrali trasmittenti una per il GSM e l’altra per l’E-TACS e le due antenne
riceventi esterne a diversità per entrambe le tecnologie.
Splitting
Per aumentare la capacità di traffico in aree densamente popolate, mantenendo nello stesso tempo la copertura radio con celle grandi nelle aree a bassa densità di traffico, si ricorre allo splitting. Una tecnica che consiste nel suddividere una cella di dimensioni relativamente grandi in un certo numero di celle più piccole.
Sectoring (antenne direzionali ad alto guadagno)
Utilizzando antenne omnidirezionali, lo
splitting richiede l'installazione di nuove BTS con un aumento dei costi e
dell'interferenza di cocanale. Una possibile scelta è quella di suddividere una
cella in un certo numero di settori, ognuno dei quali è "illuminato"
da un’antenna direttiva (o pannello), cioè un'antenna che non
"illumina" uniformemente in tutte le direzioni, ma concentra il
flusso di potenza entro un cono prestabilito. Ogni settore può così essere
considerato come una nuova cella. L'utilizzo di antenne direzionali riduce le
interferenze di cocanale e consente ad uno stesso sito cellulare di illuminare
più celle (o settori).
Una struttura tipica è quella del sito tricellulare, detto anche clover, in cui si hanno: 3 celle per sito, ognuna servita da un'antenna trasmittente e due antenne riceventi direttive (una sola se l'antenna diversity non è implementata); ogni settore ha direzione di puntamento separata di 120° rispetto agli adiacenti.
E' utilizzata anche la struttura bicella in cui si hanno due celle per sito con le antenne dei due gruppi disposte back-to-back lungo la stessa direzione (con verso di illuminazione opposto). Raramente utilizzata, soprattutto qui in Italia, la configurazione con quattro settori a 90° (cioè con i settori disposti sui lati di un quadrato). Seguono alcune foto di siti TIM a uno, due e tre settori rispettivamente, dislocate nella provincia di Bergamo.
Tilting
L'utilizzo di antenne direttive riduce le interferenze lungo certe direzioni, ma le aumenta nella direzione di massimo irraggiamento. Ad esempio, si deve assolutamente evitare che le antenne di due BTS si "guardino" direttamente. Per ridurre queste interferenze si introduce un tilt sulle antenne, cioè un'inclinazione verso il basso, di pochi gradi, della direzione di puntamento. Il tilting è utilizzato anche per regolare il raggio di copertura della cella: più le singole antenne sono tiltate verso il basso, minore sarà il raggio della cella.
Il tilting può essere di tipo meccanico, montando un apposito kit per inclinare le antenne, oppure di tipo elettrico (nessun intervento meccanico sulle antenne stesse) molto più agevole.
ANTENNE
Le antenne più frequentemente utilizzate da TIM sono quelle prodotte dalla casa tedesca Kathrein. Segue una breve panoramica delle varie tipologie di antenne adottate.
Pannello-A
e Eurocell
Disponibili in versione ottimizzata sia per GSM (870-960 MHz) che a larga banda (806-960 MHz). E’ disponibile anche la versione Dual-Band GSM 900/GSM 1800 operante nelle bande 870 MHz – 960 MHz e 1710 MHz – 1880 MHz.. Si possono scegliere in svariate versioni con Half-power Beam Width di 35°, 65°, 90°, le più comunemente utilizzate sono quelle con apertura del fascio orizzontale di 65°. Il guadagno può variare da 7.5 a 18.5 dBi e downtilt elettrico fino a 12°. Dimensioni: larghezza 262 mm, profondità 116 mm, altezza variabile da 256mm a 2580 mm in funzione dell'angolo di apertura del lobo verticale di irraggiamento. Infatti più l’antenna è alta e più è stretto l’angolo di apertura del fascio verticale.
Le antenne A-panels GSM 900 e GSM 900/GSM 1800 sono a polarizzazione incrociata, cioè sono costituite da due dipoli indipendenti uno con polarizzazione a +45° e l’altro con polarizzazione a –45°. La forma del fascio e la sua ampiezza dipende dalla posizione dei dipoli rispetto al riflettore e dalle dimensioni del riflettore stesso. La tecnologia a diversità di polarizzazione permette al sistema di lavorare simultaneamente in trasmissione e in ricezione con la stessa antenna XPol. Le antenne Dual-Band XPol più recenti hanno il dual-band combiner integrato. E’ da notare che è possibile utilizzare una sola antenna per coprire una cella operante nella banda a 900 MHz e a 1800 MHz sia per la trasmissione sia per la ricezione. Le antenne Eurocell sono a polarizzazione verticale.
Pannello-F
I pannelli di questa famiglia sono stati
progettati appositamente per l'installazione su siti che richiedono un basso
impatto visivo, la profondità é di soli 49 mm. La larghezza è di 155 mm e
l’altezza può variare da 262 mm a 3041 mm 
per quelle operanti nella banda GSM 900 (872
MHz - 960 MHz). L’angolo di apertura del fascio orizzontale può essere di 90°,
105°, 160°, 200° con guadagno che può variare da 7.5 dBi a 16.5 dBi con
downtilt elettrico fino a 10°. Sfruttano la polarizzazione verticale, cioè i
dipoli sono posti verticalmente nell’antenna.
Mentre per le antenne operanti nella banda GSM 1800 (1710 MHz - 1900 MHz) l’altezza può variare da 174 mm a 1942 mm, con guadagni da 8 dBi a 22.5 dBi e angolo di tilt elettrico fino a 12°.
Si possono scegliere in svariate versioni con half-power beam width da 33°, 65°, 90°, 105°, 160° con polarizzazione verticale o incrociata.
Antenne
per applicazioni particolari
Le antenne di figura sono utilizzate per
portare il segnale GSM all'interno di edifici schermati; dispongono di un
pattern orizzontale/verticale con apertura rispettivamente di 72°/55° e 51°/45°
e lunghezza di 500mm e 785mm.
Antenne
bidirezionali
In figura un'antenna che dispone di un
pattern orizzontale stretto e bidirezionale (irradia il segnale sia davanti sia
dietro a se), è adatta per coprire linee ferroviarie o per realizzare
microcelle (ad esempio per coprire una singola strada). Dimensioni: altezza
310mm, larghezza 55mm e profondità 190 mm.
Antenne
per uso indoor
Adatte per coprire spazi interni (in genere lavorano in coppia con un repeater che trasduce il segnale dall'esterno). Sono disponibili sia di tipo omnidirezionale sia direzionale. Le prime assicurano un guadagno di soli 2 dBi, le seconde di 7 dBi.
NSS, Network Switching Sub-system
Il Network Switching Sub-system è costituito da diversi elementi funzionali:
MSC, Mobile services Switching Centre;
VLR, Visitor Location Register;
HLR, Home Location Register;
AuC,
Authentication Centre;
EIR, Equipment Identity Register.
MSC, Mobile services Switching Centre
L’MSC è a tutti gli effetti una centrale di commutazione, si preoccupa di instradare le chiamate instaurando la connessione richiesta, tassare le chiamate da/verso le Mobile Station.
Le MS in dotazione ai
clienti GSM non sono apparecchi fissi, come quelli a disposizione dei clienti delle
reti PSTN e ISDN, ma sono mobili. Una normale centrale di commutazione non è
così in grado di effettuare direttamente l’instradamento delle chiamate.
L’analisi del numero telefonico di una MS, il MSISDN (Mobile Station ISDN
Number), non consente di determinare la posizione della Mobile Station, al
contrario di quanto accade per la rete fissa. Occorre quindi gestire la
mobilità del cliente, operazione che viene realizzata in collaborazione con due
database denominati VLR, Visitor Location Register e HLR, Home Location
Register.
In un sistema radiomobile
l’accesso alla rete avviene via radio, quindi la centrale di commutazione MSC
deve richiedere che venga instaurata una connessione fisica con la MS, realizzata via terra fino alla BTS e via radio tra BTS<->MS.
La richiesta del servizio
viene soddisfatta dall’MSC se la MS è autorizzata ad accedere alla rete; la
procedura di autenticazione viene demandata ad un apposito modulo funzionale
con cui l’MSC si interfaccia, vale a dire l’AuC, Authentication Centre.
GMSC, Gateway Mobile services
Switching Centre
Il GMSC è un MSC avente in
più la funzione di Gateway, in altre parole realizza l’interfacciamento con le
altre reti:
reti fisse come PSTN, Public Swiched Telephone Network
e ISDN, Integrated Services Data
Network;
reti mobili di altri gestori nazionali e internazionali PLMN;
reti dati a commutazione di circuito CSPDN, Circuit Switched Public
Data Network;
reti dati a commutazione di pacchetto PSPDN, Packet Switched Public
Data Network.
Questo essenzialmente per
due motivi, primo per fornire la connettività tra fissi e mobili, secondo per
fornire la connettività totale necessaria all’interconnessione degli MSC della
rete GSM. Si possono sfruttare le risorse della rete fissa per collegare tra
loro gli MSC.
Il GMSC rappresenta il punto
d’accesso della PLMN del gestore GSM per richieste di connessione da parte
d’utenti d’altre reti. Esso deve quindi fornire, analizzando il numero
telefonico ricevuto MSISDN, l’HLR in cui sono memorizzate le informazioni del
cliente cercato. Inoltre il GMSC richiede all’HLR l’informazione necessaria per
instradare la chiamata verso l’MSC/VLR che ha in carico l’utente cercato. L’HLR
comunica al GMSC un numero telefonico temporaneo noto come MSRN, Mobile Station
Roaming Number. Analizzando questo numero il GMSC è in grado di instradare la
chiamata verso l’MSC/VLR interessato, il quale provvederà ad inoltrare la
segnalazione al BSS coinvolto nella connessione, in modo tale che sia
effettuato il Paging e, qualora il chiamato risponda, la MS abbia a
disposizione un canale radio sul quale gli utenti possano colloquiare.
VLR, Visitor Location Register
Un MSC ha in carico una
certa zona e deve servire tutte le MS che transitano in quell’area. Per gestire
la mobilità dei clienti esso deve scambiare continuamente informazioni con un
database, il VLR Visitor Location Register, che memorizza, temporaneamente,
tutte le informazioni relative ai clienti che si trovano in quell’area.
Le informazioni memorizzate
temporaneamente dal VLR sono:
i dati d’abbonamento del cliente come il numero di telefono MSISDN,
l’identità del cliente IMSI, i servizi supplementari ecc…
i parametri che consentono l’autenticazione e la cifratura;
le informazioni sulla localizzazione della MS in termini di LAI,
Location Area Identity.
Il VLR registra i dati delle
MS temporaneamente, fintanto che le stesse si trovano nell’area di servizio del
VLR. Quando una MS si sposta in un’area servita da un VLR diverso, quest’ultimo
chiede le informazioni necessarie per servire il cliente ad un altro database
l’HLR, Home Location Register, nel quale sono memorizzati permanentemente i
dati degli abbonati di un gestore. Le informazioni presenti nel precedente VLR
saranno cancellate.
Poiché l’MSC e il VLR si
devono scambiare un elevata quantità di dati, solitamente questi due elementi
funzionali sono integrati insieme MSC/VLR.
HLR, Home Location Register
L’HLR è un data base sul quale
ogni gestore di rete GSM memorizza in modo permanente le informazioni relative
ai propri clienti. I dati d’utente si dividono in due tipi:
dati statici o permanenti, sono quelli relativi al contratto d’abbonamento ad
esempio il numero di telefono MSISDN, l’identità d’utente IMSI, i servizi
sottoscritti, il profilo contrattuale, ecc…
Sono
informazioni modificabili da operatore su specifica richiesta cliente.
dati dinamici o temporanei, possono chiaramente variare in tempo reale a seguito
d’azioni svolte dalla MS. Per esempio l’identificativo del VLR (VLR number) su
cui è registrata la Mobile Station correntemente oppure lo stato dei servizi
supplementari modificabile direttamente dal cliente.
Ad ogni HLR è associato un
identificativo, “HLR number” così come ad ogni VLR è associato un “VLR number”,
in modo tale che un HLR sappia sempre sotto quale VLR è registrata
correntemente ogni sua Mobile Station. Tutto questo permette di gestire in modo
efficiente la mobilità dei clienti.
I compiti fondamentali
eseguiti dall’HLR sono:
gestire la mobilità dei clienti, conoscendo e aggiornando costantemente
l’identificativo dei VLR che hanno in carico gli stessi;
invio delle informazioni di routing (MSRN) al GMSC richiedente;
attivare, disattivare i servizi supplementari;
gestione dalla password d’utente per il servizio supplementare di
sbarramento delle chiamate (Call Barring);
memorizzare e fornire ai VLR le triplette, cioè i parametri
d’autenticazione e cifratura;
gestione informazioni cliente.
Solitamente HLR è in
configurazione stand alone, cioè non integrato con altri dispositivi, se
non talvolta associato con l’AuC.
AuC, Authentication Centre
L’HLR memorizza anche i parametri di sicurezza, cioè i parametri che consentono di autenticare un cliente e cifrare le informazioni da inviare sulla tratta radio. Il compito di generare tali codici è demandato ad un’altra unità funzionale, l’AuC.
I parametri di sicurezza sono dati da un insieme di tre elementi noto come “tripletta”. Ogni tripletta è associata ad un IMSI ed è formata da:
RAND (RANDom), è un numero casuale, il
quale viene inviato sulla tratta radio per il calcolo da parte della Mobile
Station dei parametri d’autenticazione e cifratura.
SRES (Signed RESponse), costituisce un
parametro d’autenticazione. E’ ottenuto inserendo nell’algoritmo
d’autenticazione A3 una “chiave d’autenticazione” segreta Ki e il
parametro RAND. Questo parametro viene calcolato sia da AuC sia dalla MS che lo
invia in rete per avere l’accesso in caso di coincidenza del parametro
d’autenticazione.
Kc (chiave di cifratura), è
la chiave con la quale vengono criptate le informazioni da inviare sulla tratta
radio. Viene determinata dall’algoritmo A8 inserendo il parametro SRES e la chiave d’autenticazione Ki;
la MS dovrà ricavare la stessa chiave per cifrare e decifrare le informazioni
trasmesse.
Quindi l’AuC ha il compito di generare in continuazione triplette, ognuna associata ad un IMSI e memorizzate nell’HLR. Quest’ultimo le fornisce all’MSC/VLR ad ogni richiesta d’accesso alla rete.
EIR, Equipment Identity Register
Nel GSM ogni terminale mobile o Mobile Equipment ME, viene identificato dal codice IMEI. L’EIR non è altro che un data base nel quale vengono segnalati gli IMEI d’apparecchi radiomobili rubati, difettosi o non autorizzati ad accedere alla rete. Il controllo dell’IMEI può essere eseguito in diverse occasioni, set-up di una chiamata, location updating ecc…
Vengono definite alcune liste:
white list (lista bianca), identifica
gli IMEI di tutti i radiomobili di tipo omologato;
grey list (lista grigia),
comprende gli IMEI degli apparecchi difettosi o di tipo non omologato;
black list (lista nera),
identifica gli IMEI di terminali rubati o non autorizzati ad accedere alla
rete.
OSS, Operation and Support Sub-system
Una rete GSM è costituita da molte unità funzionali, ognuna delle quali necessita delle appropriate attività d’Esercizio, Amministrazione, Manutenzione OA&M (Operation Administration and Maintenance) che devono essere opportunamente coordinate. La gestione di una rete GSM è basata sul concetto di Telecommunication Management Network TMN, avente struttura gerarchica.
Una struttura TMN comprende i seguenti tre livelli funzionali:
Network Element Level, livello degli
elementi di rete, cioè l’insieme degli elementi funzionali che devono essere
controllati.
Element Management Level, livello di
gestione degli elementi di rete, è l’insieme d’alcuni centri di controllo
regionali noti come Operation and Maintenance Centre (OMC).
Network Management Level, livello di
gestione di rete. E’ il centro di controllo di rete a livello più alto,
fornisce la visione globale dello stato di rete supervisionando le attività dei
centri regionali OMC. Questo centro si chiama Network Management Centre (NMC).
OMC, Operation and Maintenance Centre
Un OMC è un centro di controllo che svolge funzioni d’OA&M Operation Administration and Maintenance di una parte della rete GSM costituita da uno o più MSC, con i BSC e le BTS associati. Le funzioni fondamentali sono:
gestione dei guasti e manutenzione
della rete;
gestione della configurazione dei MSC,
BSC e BTS controllati;
gestione delle prestazioni;
gestione della sicurezza del sistema
(password, …);
raccolta dei dati relativi alla
tassazione, i quali sono record di documentazione delle chiamate emessi dagli
MSC.
NMC, Network Management Centre
Il Network Management Centre fornisce la visibilità globale di tutte le attività d’OA&M. Coordina inoltre le attività degli OMC. E’ costituita da due unità funzionali, GMC e GSC, che hanno i seguenti compiti:
GMC, GSM Management and operation
Centre, permette di gestire guasti, valutazioni delle prestazioni, gestisce le
configurazioni, ecc…
GSC, GSM Support Centre, è interessato
da aspetti di tipo amministrativo della rete, gestione degli utenti,
tassazione, ecc…
LE INTERFACCE GSM
Le raccomandazioni GSM hanno definito diverse interfacce e protocolli per permettere la comunicazione tra le varie entità del sistema. Le varie interfacce sono caratterizzate da protocolli diversi alcuni già consolidati in altre reti, altri adattati alla peculiarità mobile della rete stessa. Segue una breve descrizione delle interfacce utilizzate dalla rete GSM:
Um, è l’interfaccia radio
(air-interface) utilizzata per la comunicazione MS-BTS;
A-bis, è l’interfaccia interna
alla BSS, realizza il collegamento BTS-BSC;
A, è posta tra BSC e MSC;
B, collega l’MSC al VLR e viene
adoperato il protocollo MAP/B per lo scambio delle informazioni. Solitamente
l’MSC e il VLR sono integrati insieme
e
quindi l’interfaccia B è di tipo “interno”.
C, è posta tra GMSC e HLR. Le
chiamate originate al di fuori della rete PLMN GSM del gestore e diretta verso
una MS deve necessariamente
passare dal Gateway MSC per avere informazioni sull’instradamento e completare la connessione; il protocollo MAP/C adottato dall’interfaccia C
svolge questa
funzione.
D, collega i due data base
fondamentali per la gestione della mobilità cioè il VLR e l’HLR. Viene
utilizzato il protocollo MAP/D per scambiare le
informazioni
relative alla posizione o gestione di una MS.
E, interconnette due MSC,
realizzando lo scambio d’informazioni per l’esecuzioni degli handover tramite
il protocollo MAP/E.
F, è posta tra un MSC e l’EIR,
permette di verificare lo stato dell’IMEI di una MS cambiando informazioni
tramite il protocollo MAP/F.
G, realizza il collegamento tra
due VLR di due MSC diversi, utilizza il protocollo MAP/G per trasferire
informazioni di una MS durante il passaggio tra
aree
servite da MSC differenti, procedura di location update.
H, interconnette un MSC e il
G-SMS, utilizzata per trasferire brevi messaggi di testo SMS tramite il protocollo MAP/H.
I, collega direttamente un MSC
con una MS, tali messaggi risultano trasparenti per quanto riguarda la BSS che
si limita ad inoltrarli.
O, interconnette BSS con OMC e
NSS con OMC tramite protocolli X25.
TECNICHE UTILIZZATE NEL
SISTEMA GSM, L’INTERFACCIA RADIO
Interferenza da
canale adiacente
Riutilizzo
delle frequenze e tecnica cellulare
Tecniche di accesso
multiplo FDMA/TDMA
FDMA
Frequency Division Multiplexing Access
TDMA
Time Division Multiplexing Access
La distanza tra BTS e MS
non può superare i 35 Km
PROPAGAZIONE E INTERFERENZE
Fading
La propagazione delle onde elettromagnetiche avviene in un ambiente reale, non in spazio libero, quindi la propagazione delle onde e.m. può essere influenzata da diversi fenomeni:
Riflessione,
quando l’onda e.m. incidendo su superfici conduttrici come il suolo,
edifici, mezzi di trasporto, aventi dimensioni molto maggiori della lunghezza
d’onda, viene riflessa dall’ostacolo stesso. Per frequenze nella banda dei 900
MHz parliamo di lunghezze d’onda dell’ordine di 30 cm circa.
Rifrazione, quando un’onda e.m. incontra
variazioni di densità, ad esempio passando da un mezzo ad un altro, essa cambia
direzione di propagazione. Questo fenomeno fisico viene quantificato dalla
legge di Fresnell:
Diffrazione,
quando un’onda e.m. incide sul contorno di un ostacolo si ha una diffusione
di energia anche dietro l’ostacolo stesso.
Nei
sistemi radiomobili il fenomeno più sentito è la riflessione, soprattutto in
ambito cittadino si possono verificare numerose riflessioni dovute a edifici,
mezzi di trasporto, ecc… Questo rende particolarmente problematica la ricezione
del segnale poiché si verificano degli affievolimenti momentanei del segnale
ricevuto, che vengono chiamati fading
(evanescenza). Ci sono tre tipi di fading:
Fading
lento o lognormale, è provocato dalla presenza di grossi ostacoli come
colline o grossi edifici che, durante il movimento, causano un effetto di
oscuramento detto più comunemente zona d’ombra.
Fading
veloce o di Rayleigh, è provocato dalla presenza di numerose superfici
riflettenti (edifici, automezzi) le quali fanno in modo che all’antenna
ricevente giungano numerosi segnali. Questi compiono percorsi diversi, a causa
delle riflessioni subite, e quindi hanno fasi diverse. In alcuni istanti i
segnali ricevuti sono in fase (si sommano) mentre in altri istanti sono in
opposizione di fase (si sottraggono) e quindi determinano un profondo fading.
Fading
di Rice, quando all’antenna ricevente giungono un segnale diretto e più
segnali riflessi, aventi intensità minore e fase variabile in base al percorso seguito.
Anche in questo caso si possono avere affievolimenti del segnale causato da
opposizioni di fase.
Poiché la fase dei segnali ricevuti dipende dalla distanza percorsa e dalla frequenza cui si trasmette, per ridurre gli effetti del fading ci sono due metodi.
1. La tecnica di ricezione in diversità di spazio (space diversity) prevede l’utilizzo di due antenne riceventi poste a qualche lunghezza d’onda. I segnali che arrivano alle due antenne hanno percorso cammini diversi, quindi se un’antenna è soggetta a fading, l'altra non lo è. E' possibile combinare in diversi modi i segnali prelevati dalle antenne, per esempio si può inviare al ricevitore il segnale più forte tra i due. La diversità di spazio viene comunemente impiegata nelle stazioni radio base.
2. La tecnica del frequency hopping (salti in frequenza) prevede la trasmissione dello stesso segnale a frequenze diverse; infatti, se una frequenza è soggetta a fading, ad un’altra frequenza non si presenta il problema poiché cambiano le fasi. Questa tecnica è applicabile nelle reti GSM poiché le informazioni vengono trasmesse in sequenze di bit organizzate in trame e si inviano "burst" (raffiche) di bit in istanti prefissati (timeslot). E' così possibile cambiare la frequenza di trasmissione ad ogni burst e quindi fare in modo che solo brevi sequenze di bit siano soggette a fading.
Interferenza intersimbolica
Nella trasmissione numerica il fenomeno delle riflessioni provoca anche un altro effetto, la dispersione temporale che è la causa della interferenza intersimbolica. Ipotizziamo che ad un ricevitore giunga un segnale diretto e uno riflesso, può succedere che i bit trasportati dal segnale riflesso arrivino con un ritardo tale da interferire con i bit portati dal segnale diretto, ostacolando il corretto riconoscimento. Bit consecutivi trasmessi interferiscono tra loro, dando origine al fenomeno di interferenza intersimbolica. Per superare questo problema in ricezione si deve adoperare un equalizzatore adattativo.
Interferenza cocanale
La tecnica cellulare è stata introdotta per consentire di riutilizzare più volte le stesse frequenze in luoghi diversi, al fine di servire contemporaneamente più clienti. Questo però porta ad una interferenza più o meno forte, secondo la distanza tra i trasmettitori che operano alla stessa frequenza. Se questa distanza non è sufficientemente grande può accadere che ad una stazione mobile giungano i segnali di una o più stazioni radio base, dando così origine al fenomeno noto come interferenza di cocanale. Questa limitazione viene misurata attraverso il seguente parametro:
Carrier: potenza del segnale utile
Interference: potenza del segnale interferente avente la stessa frequenza del segnale utile
Il parametro C/I limita la capacità dei sistemi radiomobili cellulari, infatti, se si vuole aumentare il numero di clienti servibili occorre riutilizzare maggiormente le stesse frequenze cioè diminuire la distanza alla quale operano le stazioni radio base che adoperano le medesime frequenze, quindi aumento l’interferenza di cocanale.
Interferenza da canale adiacente
I filtri utilizzati negli apparati, per eliminare i segnali e i disturbi che cadono al di fuori della banda del segnale utile, non sono ideali e questo provoca interferenza.Al ricevitore giungono sia la frequenza desiderata sia quelle dei canali adiacenti, anche se attenuate dal filtro stesso, e questo determina un’indesiderata interferenza. Quest’inconveniente limita la possibilità di usare frequenze adiacenti in una stessa cella. Un parametro importante è il seguente:
Carrier: potenza del segnale utile
Adjacent: potenza del segnale interferente avente frequenza adiacente a quella utile.
RIUTILIZZO DELLE FREQUENZE E TECNICA CELLULARE
E' evidente che, poiché le risorse radio sono limitate, per servire un numero elevato di clienti, è indispensabile riutilizzare le stesse frequenze in luoghi diversi. E' questa l'idea di base dei sistemi cellulari la cui strategia di copertura radioelettrica viene qua descritta nel dettaglio.
Si
definisce la larghezza di banda del canale radio, 200 KHz per la rete GSM; si
suddivide l'intera banda a disposizione in N canali radio aventi l’ampiezza richiesta
e si definiscono le N frequenze portanti loro associate.
Si suddividono gli N canali in G
gruppi, ognuno dei quali contiene N/G canali.
Si definisce la figura geometrica
elementare detta cella, ripetendo la
quale si possa coprire in modo uniforme l’intero territorio. Nei sistemi
radiomobili si adotta l'esagono di raggio R.
Si
assegna ad ogni cella un gruppo di canali radio. In ogni cella vi è una
stazione radio base che opera sulle frequenze del gruppo di canali assegnato.
Si definisce come cluster l'insieme delle G celle adiacenti in cui si utilizzano
tutti gli N canali radio.
Il problema fondamentale dei sistemi cellulari è che, con il riuso delle frequenze,
nasce una interferenza cocanale tra i trasmettitori che operano alle stesse
frequenze. Sia D la distanza tra questi trasmettitori. Ipotizzando che siano 6
i trasmettitori che provochino interferenza cocanale in una cella e che la
potenza vari come D4 si può determinare il legame tra D/R e C/I:
Inoltre il legame tra D/R e il numero G di celle del cluster è:
Si può osservare che fissato il grado interferenza voluto vale a dire il rapporto C/I, è possibile determinare il rapporto D/R e di conseguenza il numero di celle che forma il cluster. Viceversa note le distanze D tra due stazioni radiobase che trasmettono alle stesse frequenze e il raggio R della cella è possibile conoscere il livello d’interferenza C/I.
Il rapporto D/R è un parametro che da informazioni sia sul livello d’interferenza, sia sulla capacità di traffico del sistema. Maggiore è D/R e maggiore è la qualità del servizio C/I. Diminuendo D/R diminuisce G, quindi avendo meno celle per cluster ho più canali a disposizione, aumentando la capacità.
A = Q*T/60
TECNICHE DI ACCESSO MULTIPLO FDMA/TDMA
FDMA
In generale con tecnica di accesso s’intende la metodologia con la quale gli utenti accedono ad una risorsa condivisa con altri, in questo caso la risorsa è lo spettro di frequenze.
La banda operativa del GSM è:
Tratta up-link
890-915 MHz
Tratta down-link 935-960 MHz
La
tecnica di accesso FDMA prevede la suddivisione dell’intera banda in 124
canali, aventi larghezza prefissata 200 KHz nella tecnologia GSM, ognuno dei
quali centrato su una frequenza portante. Le frequenze portanti sono:
I 124 canali evidenziati sono stati definiti dagli standard internazionali. Poiché in una nazione ci possono essere più di un operatore i canali andranno suddivisi in più parti. L’ultima assegnazione di frequenze dal ministero risale al 1999 ed è illustrata in appendice 2.
TDMA
La tecnica TDMA consente di utilizzare una stessa portante radio per servire più clienti. Nel sistema GSM la fonia viene digitalizzata dalla stazione mobile (MS) e memorizzata in un buffer. Il terminale radiomobile (rdm) non trasmette continuamente, ma emette su una data frequenza un certo numero di bit alla volta (invia un burst, cioè una raffica di bit) in istanti prefissati, detti timeslot, che ricorrono ciclicamente. Negli altri timeslot la stessa frequenza può essere utilizzata da altri rdm per trasmettere i loro burst. Ogni canale è diviso in 8 timeslot, della durata di 577 ms ciascuno, che costituiscono una trama (o frame) della durata di 4.616 ms.
Una stazione mobile deve trasmettere sul canale radio assegnato con velocità pari alla propria velocità di emissione (derivante dalla codifica vocale e dell’inserimento di informazioni di servizio) moltiplicata per il numero di timeslot disponibili sulla stessa frequenza. Utilizzando 8 timeslot per frequenza e avendo una velocità di emissione pari a 33.8 Kbit/s, il burst viene trasmesso ad una velocità di:
La trasmissione e la ricezione avvengono in timeslot diversi e su frequenze diverse al fine di evitare che un rdm debba trasmettere e ricevere contemporaneamente. E' stato implementato un offset temporale di 3 timeslot e le portanti di ricezione e di trasmissione distano del passo di duplice di 45 MHz.
La sincronizzazione rappresenta un problema centrale in un sistema a divisione di tempo e in particolare in un sistema a divisione di tempo radiomobile. Il non corretto sconfinamento della trasmissione all’interno del timeslot assegnato può causare delle interferenze con il canale inserito nel timeslot successivo. Data la dislocazione dei radiomobili sul territorio davvero casuale, le trasmissioni subiranno ritardi di propagazione che si misurano in termini di diversa percezione degli istanti d’inizio trasmissione e ricezione. Il ritardo totale, round trip delay, sarà pari a due volte il tempo di percorrenza della tratta. Per ovviare a questo problema, nella rete GSM si adotta una tecnica d’avanzamento temporale o time advance in base alla quale una stazione radiobase ordina ad una MS di anticipare l’inizio della sua trasmissione di una quantità di tempo tale da compensare il ritardo di propagazione.
FDMA/TDMA
Il sistema GSM utilizza entrambe le tecniche d’accesso multiplo FDMA/TDMA per incrementare il numero di clienti servibili contemporaneamente.
La distanza tra BTS e MS non può superare i 35 Km
Questa limitazione è imposta dalla struttura TDMA, infatti, ogni MS ha a disposizione un timeslot di una trama sul quale si alternano i pacchetti informativi uno dopo l’altro. Quando una stazione radio base invia un messaggio ad un terminale mobile, può aspettare da questo una risposta solo per un breve periodo prima di dover passare ad analizzare le altre MS sullo stesso canale. Se la MS si trova a più di 35 Km dalla BTS il messaggio arriva troppo tardi e il cliente è irraggiungibile. La rete GSM è in grado di compensare ritardi di propagazione fino ad un massimo di 233 ms tra l’invio e la ricezione della risposta, che corrispondono ad un percorso BTS-MS-BTS di circa 70 Km (233 ms*300000 Km/s=70 Km) e quindi una distanza massima tra BTS e MS di 35 Km.
IL FREQUENCY HOPPING
Un altro compito dell’interfaccia radio è la gestione del “frequency hopping”, cioè il salto di frequenza FH. Consiste nel trasmettere messaggi successivi di una stessa comunicazione a frequenze diverse, mantenendo però sempre il medesimo timeslot assegnato inizialmente. La tecnica utilizzata nelle reti radio GSM è detta “lenta” e permette di combattere efficacemente quei problemi legati direttamente alla propagazione radio, come gli effetti di degradazione del segnale causati dal fading alla Rayleigh. L’algoritmo di FH è trasmesso sul canale BCCH (Broadcast Contro CHannel). Per questo motivo il timeslot 0, che trasporta i canali di segnalazione, non è soggetto a salti in frequenza. Nel caso d’implementazione del FH, un canale fisico è univocamente identificato, oltre che dal numero di trama FN e di timeslot TS, anche da una traiettoria nel tempo che evidenzia le frequenze portanti su cui si sposta il timeslot ad ogni trama.
I CANALI LOGICI
I canali fisici sono 992 (124*8) e vanno distribuiti all’interno del cluster. I canali logici devono essere inseriti “fisicamente” nella struttura TDMA. Un canale logico viene associato ad un timeslot di una frequenza. Questi canali verranno utilizzati per la trasmissione dell’informazione d’utente, segnalazioni di sistema e d’utente.
Le segnalazioni di sistema sono relative a parametri come l’identificazione della cella, istruzioni per la sincronizzazione della struttura temporale e per la corretta sintonizzazione; quindi sono informazioni a bassa frequenza, cioè sono dati che evolvono lentamente nel tempo, o addirittura non cambiano. Quindi non sarà necessario riservare dei canali, uno per ciascun parametro. Le segnalazioni d’utente saranno relative alla fase d’instaurazione della connessione più una serie di rapporti periodici sullo stato della ricezione per comandare un eventuale handover.
Canali di traffico
I canali di traffico (Traffic CHannel) TCH, trasportano sia la fonia codificata sia i dati. Si distinguono in:
Canali a velocità dimezzata (Half rate
Traffic CHannel) TCH/H, che trasportano informazione ad una velocità lorda di
11.4 Kbit/s, al lordo delle tecniche di codifica di canale per la protezione
degli errori;
Canali a velocità piena (Full rate
Traffic CHannel) TCH/F, che trasmettono ad una velocità lorda di 22.8 Kbit/s.
Ognuno di questi può trasportare voce (Speech) o dati con diverse velocità:
TCH/FS, trasmette voce a
velocità piena;
TCH/HS, trasmette voce a
velocità dimezzata;
TCH/F9.6, trasmette dati ad
alta velocità 9.6 Kbit/s;
TCH/F4.8 o TCH/H4.8,
trasmette dati alla velocità di 4.8 Kbit/s;
TCH/F2.4 o TCH/H2.4,
trasmette dati alla velocità di 2.4 Kbit/s.
I canali di traffico, vengono organizzati in gruppi di 26 trame (ogni trama è costituita da 8 timeslot), realizzando le cosiddette multitrame. Una multitrama di canali di traffico dura 120 ms (4.616 ms * 26).
Canali di controllo
I canali di controllo (Control CHannel) CCH, si dividono in tre classi:
BCH, Broadcast CHannel, canali
che trasmettono informazioni di carattere generale;
CCCH, Common Control CHannel,
canali che portano informazione di controllo relativa ad una connessione in una
fase preliminare alla realizzazione della connessione stessa.
DCCH, Dedicated Control CHannel,
canali assegnati ad una connessione per lo scambio d’informazioni di
segnalazione relative alla specifica connessione.
I canali di distribuzione BCH sono monodirezionali nella direzione downlink, possiamo distinguere i seguenti:
BCCH, Broadcast Control CHannel,
è costituito da 184 byte che trasportano informazioni di sistema a tutte le MS
servite dalla BTS come l’identità della cella (Cell Identity) CI, dell’area di
localizzazione (Local Area Code) LAC, dell’operatore di rete (MCC e MNC) e
parametri relativi all’algoritmo di frequency-hopping.
FCCH, Frequency Correction CHannel,
trasporta informazioni per la correzione di frequenza della stazione mobile,
grazie ai 148 bit che determinano un offset in frequenza della portante;
SCH, Synchronization CHannel,
trasporta informazioni per la sincronizzazione della MS attraverso un Reduced
Frame Number di 19 bit (dai quali è possibile ricavare il Frame Number di
22 bit) e l’identificazione della stazione radio base tramite il BSIC (Base
Station Identity Code) di 6 bit.
Ai canali di controllo comuni CCCH appartengono canali di segnalazione che sono utilizzati per la fase d’inoltro della richiesta di connessione verso o da una MS. Sono canali monodirezionali tra cui:
PCH, Page CHannel, utilizzato
dalla stazione radiobase per segnalare alla MS interessata la notifica di una
chiamata entrante, è un canale downlink e viene diffuso in tutte le celle di
una Location Area;
RACH, Random Access CHannel,
viene utilizzato dalla stazione mobile per segnalare una richiesta d’accesso
alla rete, è solo uplink. Tale canale è soggetto alle collisioni nell’accesso
giacché non esiste nessun coordinamento tra le richieste eventuali di più
stazioni; è quindi un accesso tipo Slotted-Aloha. Viene utilizzato anche
per procedure d’aggiornamento localizzazione.
AGCH, Access Grant CHannel,
viene utilizzato per rispondere ad una richiesta d’accesso con RACH allocando
il canale richiesto.
I canali di controllo dedicati DCCH, presentano le varianti “full-rate” e “half-rate”, sono canali bidirezionali tra cui:
SACCH, Slow Associated Control
CHannel, trasportano informazione di segnalazione tra MS e BTS durante una
comunicazione. Nella direzione downlink il canale trasporta le misure della
stazione BTS, come il controllo di potenza trasmessa e tutte le informazioni
del BCCH che altrimenti andrebbero perse, inoltre trasporta gli SMS recapitati
durante una comunicazione. Nella direzione uplink verranno trasmesse le misure
eseguite dalla MS sull’ambiente radio come RXLEV e RXQUAL per le celle
circostanti da monitorare. Tali misure verranno analizzate dal BSC per
comandare eventuali handover.
FACCH Fast Associated Control
CHannel, questo canale è utilizzato per la segnalazione immediata di
parametri che non possono attendere di essere inseriti nel canale SACCH. Per
esempio lo scambio di segnalazioni per eseguire un handover. Viene trasmesso in
modo asincrono quando se ne presenta la necessità.
SDCCH, Stand-alone Dedicated
Control CHannel, è il canale che viene assegnato ad una MS mediante una
segnalazione sul canale AGCH come risposta ad una richiesta RACH accolta. Viene
usato per scambio di segnalazioni durante la fase d’identificazione, di
registrazione, di location update e call-setup prima dell’assegnazione
definitiva del canale di traffico TCH.
Vi sono poi dei canali definiti “ibridi”,
dati dalla combinazione di più canali:
SDCCH/4, dato dalla combinazione di
SDCCH e CCCH;
SDCCH/C8, dato dalla combinazione di
SACCH e SDCCH;
SACCH/C4, dato dalla combinazione di
SACCH e SDCCH/4.
Ai canali di segnalazione (BCCH, SCH, FCCH, AGCH, PCH, RACH, SDCCH) è di norma riservato il timeslot 0 di una sola delle frequenze assegnate ad una cella. Tale frequenza prende il nome di frequenza fondamentale.
I canali di controllo, vengono organizzati in gruppi di 51 trame (ogni trama è costituita da 8 timeslot), realizzando le cosiddette multitrame.Una multitrama di controllo dura 235.4 ms (4.616 ms * 51). L’insieme di 51 multitrame di traffico o 26 multitrame di controllo costituiscono una supertrama della durata di 6.12 s (235.4 ms * 26), unificando la struttura dei due tipi di canali. A loro volta 2048 supertrame costituiscono un’ipertrama. Un’ipertrama è costituita da 222=2715648 (26*51*2048) trame numerate progressivamente, FN Frame Number, e in modo ciclico su una periodicità di 3 ore, 28 min, 53 s, 760 ms. In definitiva un canale fisico è identificato dal proprio numero di timeslot TS, numero di trama FN, e frequenza portante.
STRUTTURA DEI BURST
Le informazioni da trasmettere vengono inserite nel timeslot assegnato utilizzando formati informativi standard. Questi pacchetti vengono chiamati burst e possono essere di quattro tipi:
Normal burst, trasporta
informazioni d’utente TCH o di segnalazione BCCH, SACCH,
FACCH, SDCCH;
Frequency correction burst FB,
viene utilizzato dal canale FCH;
Synchronization burst SB, viene
utilizzato dal canale SCH;
Access burst AB, viene
utilizzato dal canale RACH.
I burst FB e SB hanno la medesima dimensione del Normal burst, 156.25 bit, ma una differente struttura interna. L’Access burst è invece più corto, 87 bit.
Il Normal burst rappresenta l’unità fondamentale di riferimento per la struttura di una trama TDMA. E’ strutturato come in figura:
dove i 156.25 bit vengono trasmessi in un timeslot cioè in 577 ms, con una velocità media di 270.8 Kbit/s. L’informazione viene inserita in due blocchi, encrypted bits che costituisce il payload, da 57 bit, cui si deve aggiungere un bit, stearling flag S per indicare se il pacchetto informativo contiene dati di traffico TCH oppure segnalazioni SACCH o FACCH. Le sequenze T, entrambe di 3 bit, sono poste a zero e servono a reinizializzare la memoria dell’equalizzatore di Viterbi. I 26 bit centrali, denominati training sequenze, rappresentano la sequenza utilizzata dall’equalizzatore per determinare i parametri dell’algoritmo di decodifica. Gli 8.25 bit finali, guard period G, non sono trasmessi e servono ad evitare sovrapposizioni tra burst appartenenti a timeslot adiacenti.
HANDOVER
Una
delle caratteristiche peculiari dei sistemi cellulari è la possibilità di
mantenere attiva una comunicazione pur continuando a spostarsi liberamente nel
territorio. Questa mobilità può causare la necessità di cambiare cella di
servizio oppure canale di trasmissione per continuare a garantire al cliente
una buona qualità del segnale. Questa commutazione automatica senza
interruzione della conversazione si chiama handover.
La necessità di eseguire un handover è stabilita dal BSC, Base Station Controller, sulla base di misure eseguite dalla Mobile Station (MS) e dal BSC stesso. La procedura di misura può così essere schematizzata:
il BSC comunica alla MS quali sono le
6 BTS circostanti (BSIC) e le portanti sulle quali
eseguire le misure utilizzando il canale logico SACCH durante la conversazione;
la MS esegue essenzialmente due
misurazioni:
intensità del segnale ricevuto dalle
BTS circostanti RXLEVNCELL(n);
intensità di segnale RXLEV e
qualità RXQUAL relativi al canale TCH attualmente utilizzato;
la BTS esegue le misure RXLEV e RXQUAL
nella direzione BTS->MS e valuta la distanza con la MS stimando il parametro
timing advance;
ogni 480 ms la MS invia alla BTS i
risultati delle misure sul canale SACCH;
il BSC riceve tutte queste
informazioni dalla BTS, li analizza e crea una lista delle preferenze in cui
sono elencate le celle in grado di offrire servizio alla
MS;
quando la qualità sul canale TCH scende al di sotto della soglia, il BSC
decide di procedere con un handover, scegliendo la BTS e il canale TCH più
adatto attingendo al primo della lista.
I parametri RXLEV e RXQUAL sono approfonditi nel paragrafo Misure sul canale radio.
Esistono due algoritmi di base utilizzati per decidere quando effettuare un handover, entrambi legati al controllo di potenza. Spesso la stazione radiobase non sa quando una bassa qualità del segnale sia imputabile alle eccessive riflessioni raccolte lungo il percorso oppure al terminale mobile che si è avvicinato ai confini di copertura della cella. Gli algoritmi utilizzabili sono:
Minimum Acceptable Performance,
dà la precedenza al controllo della potenza sugli handover, quindi quando la
qualità del segnale diminuisce sotto un certo valore il livello di potenza del
terminale viene aumentato. Se quest’aumento non produce alcun beneficio, allora
si procede ad un handover. Questo metodo è il più semplice e viene spesso
adoperato. Di contro un aumento eccessivo della potenza potrebbe provocare
interferenze di cocanale non accettabili.
Power budget, dà la precedenza
al controllo della qualità del segnale, tende a mantenere costante o a
diminuire il livello di potenza trasmesso dal terminale.
Il sistema GSM prevede la distinzione tra handover interni e handover esterni, i primi coinvolgono solo un BSC, il quale gestisce l’intera procedura senza coinvolgere l’MSC/VLR, eccetto che per notificargli il completamento dell’operazione. Gli handover esterni sono invece trattati dall’MSC/VLR. Nello specifico possiamo distinguere le seguenti situazioni:
Handover intra-cella, quando viene
cambiato il canale di traffico, rimanendo sotto la stessa BTS. Può accadere se
il canale di traffico utilizzato ha una
bassa qualità ( RXQUAL sotto soglia ), mentre il livello di ricezione (RXLEV ) è sufficiente;
Handover tra celle diverse controllate
dallo stesso BSC, è tutto sotto il controllo del BSC il quale dovrà
preoccuparsi di:
1. il BSC decide tramite la lista delle preferenze la BTS ed il canale di traffico TCH più adatti;
2. il BSC instaura la connessione verso la nuova BTS sul canale TCH riservato;
3. il BSC ordina alla MS di sintonizzarsi sulla nuova frequenza del nuovo TCH. La segnalazione viene scambiata sul canale logico FACCH.
4. La MS cambia canale consentendo così il proseguimento della conversazione sul nuovo TCH;
5. il BSC abbatte la vecchia connessione;
6. il BSC informa l’MSC/VLR dell’avvenuto handover.
Dopo l’handover la MS deve ricevere sul canale SACCH nuove informazioni sulle celle adiacenti, alcune potrebbero essere cambiate rispetto a prima. Inoltre se il cambiamento di cella ha comportato anche un cambio di Location Area, al termine della conversazione la MS deve richiedere un Location Updating.
Handover tra BTS appartenenti a BSC
diversi, ma facenti capo allo stesso MSC/VLR. In questo caso il BSC chiede
l’intervento dell’MSC/VLR il
quale governa la procedura instaurando la nuova connessione e abbattendo la precedente.
Handover tra celle appartenenti a BSC
controllati da MSC/VLR diversi. E’ il caso più complesso, prevede uno scambio
di informazioni tra il vecchio e
il nuovo MSC/VLR.
Misure sul canale radio (Radio Link Misurement)
Misure sul canale radio vengono eseguite durante i processi di handover e power control. La misura è effettuata sulla multitrama SACCH. I risultati di questa operazione sono due indici RxLev che misura la potenza del segnale ricevuto, e RxQual che misura la qualità dello stesso.
Entrambi possono essere calcolati su un insieme completo di trame SACCH (100 per un canale TCH fullrate), ed in questo caso si parla di RxLevFull e RxQualFull, oppure su un sottoinsieme di 4 trame SACCH, in questo caso si parla di RxLevSub e RxQualSub.
RxLev
Il livello R.M.S. del segnale ricevuto, su una intera multitrama SACCH, può essere misurato dalla MS e dal BSC su un range tra -100 dBm e -48 dBm. Il livello del segnale misurato viene quindi mappato in un indice di 6 bit, detto RxLev, secondo l'associazione seguente:
RxLev Livello R.M.S. segnale ricevuto
0 < -110 dBm
1 tra -110 dBm e -109 dBm
2 tra -109 dBm e -108 dBm
3 tra -108 dBm e -107 dBm
.
.
.
.
62 tra -49 dBm e -48 dBm
63 > -48 dBm
RxQual
La qualità del segnale ricevuto si può esprimere per mezzo di una parametro che tenga conto del BER medio, cioè del Bit Error Rate, prima della decodifica di canale (in modo da non sommarvi gli errori dovuti alla decodifica stessa) e misurato su una multitrama SACCH.
BER = Numero bit errati / Numero totale bit trasmessi
Il BER è mappato nell'indice RxQual di 3 bit secondo l'associazione della tabella seguente. Ad ogni valore di RxQual è associato un BER medio presunto (BER assumed value).
RxQual BER misurato BER presunto
0 < 0.2% 0.14%
1 tra 0.2% e 0.4% 0.28%
2 tra 0.4% e 0.8% 0.57%
3 tra 0.8% e 1.6% 1.13%
4 tra 1.6% e 3.2% 2.26%
5 tra 3.2% e 6.4% 4.53%
6 tra 6.4% e 12.8% 9.05%
7 > 12.8% 18.10%
CODIFICATORE VOCALE
Hanno l' obiettivo di codificare il segnale vocale con una velocità di emissione, bit rate, molto ridotta utilizzabile nei sistemi che mettono a disposizione bande strette, adatto quindi in reti radio dove la banda è una risorsa molto preziosa. E' necessaria una codifica compatibile con quella PCM tipicamente adottata nella rete ISDN, però con un bit rate molto più contenuto. Il bit rate di un codificatore può essere ridotto, senza diminuire la qualità del segnale, se si evidenziano le ridondanze presenti nel segnale da codificare e le si sfrutta in modo opportuno. Analisi compiute sul segnale vocale mettono in evidenza delle invarianti statistiche che rendono possibile la codifica a basso bit rate. Si può, infatti, ritenere che in brevi intervalli di tempo ( dell' ordine delle decine di millisecondi ) le caratteristiche di un segnale vocale non varino. Nella rete GSM viene utilizzato il codificatore vocale LPC-LTP-RPE ( Linear Prediction Coding-Long Term Prediction-Regular Pulse Excitation ) in grado di fornire una qualità di poco inferiore a quella dello standard PCM con un bit rate netto di soli 13 Kbit/s. Tale codificatore si basa sulla considerazione che il segnale vocale può essere considerato stazionario in un breve intervallo di tempo, tipicamente 20 ms. E' così possibile realizzare un "filtro di sintesi" che, opportunamente eccitato, sia in grado di riprodurre il segnale vocale. Le caratteristiche di questo filtro possono essere mantenute costanti solamente in un intervallo breve; è perciò necessario aggiornare le caratteristiche del filtro tramite opportuni parametri ricavati dall' analisi del segnale vocale LPC, Linear Prediction Coding. In questo modo la quantità di informazioni da inviare è minore. Un esempio calzante per render meglio l' idea è il seguente: è come se invece di inviare ad un amico un compact disc su cui è inciso un brano musicale inviassi uno spartito che consente ad un musicista di riprodurre il brano musicale stesso.
TRASMISSIONE DISCONTINUA DTX
Nella struttura del codificatore vocale per radiomobile compare una funzione fondamentale che consente di risparmiare potenza e di ridurre le interferenze tra canali adiacenti. Questa funzionalità è detta discontinuous trasmission DTX, e permette di sopprimere la trasmissione qualora un dispositivo di riconoscimento dell’attività vocale VAD, Voice Activity Detector, rilevi l’assenza di segnale vocale. Nel corso di una normale conversazione, la comunicazione in una direzione può essere vista occupare meno del 50% del tempo totale. Per il resto il trasmettitore continuerebbe a codificare e inviare rumore di fondo. Questa funzione è implementata in tutti i terminali mobili. La soppressione di qualsiasi segnale risulta sgradevole all’utente ricevente, così, durante i periodi di non trasmissione, la MS del ricevitore introduce del rumore, detto confort noise, che sia simile a quello dell’ambiente del trasmettitore, in modo che il ricevitore non abbia la sensazione di caduta linea. Il VAD deve essere in grado di distinguere tra la voce e il rumore di fondo, compito che non è semplice quanto sembra. Se la voce viene interpretata come rumore di fondo, il trasmettitore è spento e un fastidioso effetto di taglio è percepito dal ricevente. Se invece troppo spesso il rumore di fondo viene interpretato per voce diminuisce l’efficienza del trasmettitore.
RICEZIONE DISCONTINUA DRX
Un altro metodo per risparmiare potenza nell’unità mobile è la ricezione discontinua DRX. Il canale di Paging usato dalla stazione radiobase per segnalare l’arrivo di una chiamata, è strutturato in sottocanali, è sufficiente che una MS monitori solo il proprio sottocanale ad intervalli prestabiliti. Nell’intervallo di tempo tra due Paging successivi, il terminale può andare in sleep mode, senza assorbire potenza. Si può arrivare ad un risparmio in stand-by fino al 90%. Il valore di DRX della rete è inviato in modo broadcasting sul canale BCCH, viene detto BS-PA-MFRM, Base Station-PAging-MultiFRaMe. E’ un numero di quattro bit che esprime la distanza tra due messaggi di paging successivi sul canale PCH in multipli di multitrame (51 trame). Ogni multitrama di controllo dura 235.4 ms, quindi un valore DRX=4 indica un segnale di paging ogni 235.4 ms* 4=941.6 ms invece un DRX=9 significa un messaggio di Paging ogni 2.12 s.
MODULAZIONE GMSK
Nel caso si voglia trasmettere un segnale via radio è necessario adottare una opportuna tecnica di modulazione, la quale essenzialmente effettua una traslazione ed una manipolazione dello spettro del segnale in modo tale che esso rientri nel canale radio disponibile. Una modulazione digitale consiste essenzialmente nel modulare opportunamente una portante sinusoidale con un segnale modulante digitale, in modo tale da ottenere un segnale modulato analogico avente caratteristiche adatte per viaggiare sul canale trasmissivo. Esistono diverse modulazioni digitali, aventi prestazioni diverse nei riguardi del bit rate consentito, dell' immunità al rumore e ai disturbi, dell' occupazione di banda, del livello di complessità tecnologica. In ambito radiomobile è fondamentale limitare il più possibile le interferenze di canale adiacente, avere spettro compatto, buona immunità a rumore e ai disturbi, portante generata con un oscillatore a frequenza variabile, in modo tale da poter operare sul canale assegnato. Nella rete GSM viene utilizzata la modulazione GMSK Gaussian Minimum Shift Keying che realizza un buon compromesso tra tutti i requisiti richiesti. Esso è composto da un filtro passa basso gaussiano seguito da un modulatore MSK ( VCO Voltage Controlled Oscillator con indice di modulazione m=0.5 ).
EQUALIZZATORE
Il segnale radio propagandosi nell’ambiente subisce delle variazioni, rimbalzando contro edifici, mezzi di trasporto ecc… Così l’antenna può captare molti segnali riflessi, ognuno con una fase diversa. Il segnale originario può essere recuperato tramite l’elaborazione numerica, equalizzando il segnale. Viene inviato in ogni normal burst un messaggio noto, i 26 bit centrali di training sequence. Analizzando come questi bit sono stati modificati durante il percorso l’equalizzatore è in grado di ricostruire un filtro inverso per estrarre la parte di segnale desiderata.
AREE DI SERVIZIO NEL GSM
La possibilità di eseguire il roaming, cioè di potersi spostare liberamente sul territorio servito dal proprio gestore, e nei paesi di gestori aderenti allo standard GSM con cui sono stati firmati appositi accordi, richiede di memorizzare in un data base la posizione dei clienti ed aggiornarla man mano che questi si spostano. Per rendere possibile la localizzazione del cliente l’area geografica di servizio del sistema GSM viene suddivisa gerarchicamente in diverse sottoaree.
GSM Service Area
E’ l’area di servizio formata dall’unione di tutte le singole reti mobili dei vari gestori aderenti allo standard GSM.
PLMN Service Area
E’ l’area di copertura servita dalla rete PLMN (Public Land Mobile Network) di un singolo operatore.
In una singola nazione ci possono essere più operatori, ogni PLMN è identificata da un codice nazione MCC, Mobile Country Code, e da un codice operatore mobile MNC, Mobile Network Code. L’Italia è distinta dal codice MCC = 222 e TIM è identificata dal codice operatore mobile MNC = 01.
MSC/VLR Service Area
E’ l’area servita da un MSC/VLR. Normalmente il territorio coperto da una PLMN GSM è suddiviso in un certo numero di MSC/VLR Service Area, ognuna delle quali è servita da un MSC/VLR.
Location Area
Una MSC/VLR area è divisa in più Location Area (LA). Si definisce Location Area l’area geografica in cui una MS si può muovere a piacimento senza che sia necessario variarne la localizzazione nel VLR. I messaggi di Paging diretti ad una MS, per notificargli l’arrivo di una chiamata, vengono irradiati solo nella Location Area in cui la MS è localizzata. Quando una MS passa da una LA ad un’altra invia un messaggio di Location updating alla rete, in modo che questa possa aggiornare le informazioni contenute nel VLR, ed eventualmente, nell’HLR se cambia anche il VLR. Ogni LA è quindi identificata da un codice noto come LAI, Local Area Identity, avente la seguente struttura:
LAI = MCC/MNC/LAC
LAC, Local Area Code, identifica univocamente una LA entro la rete PLMN del gestore.
Cella
E’ l’area servita da una singola BTS (Base Transceiver Station), la quale ne garantisce la copertura radioelettrica. Più celle geografiche adiacenti sono raggruppate in una LA. Ogni cella è univocamente identificata da un codice, detto CGI, Cell Global Identity, che ha la seguente struttura:
CGI = MCC/MNC/LAC/CI
CI, Cell Identity, identifica univocamente la cella entro una Location Area. Ogni BTS è identificabile tramite un codice noto come BSIC (Base Station Identify Code), il quale viene irradiato e costituisce il “codice colore” (color code) che permette ad una MS di distinguere tra le differenti BTS che essa è in grado di ricevere.
IL SISTEMA GSM COME RETE DI
TELECOMUNICAZIONI
Rete a commutazione
a circuito
Interfacce basate
su segnalazione a canale comune SS7
Interfacce verso il
sistema di esercizio e manutenzione
Interfacce verso
il sottosistema radio
Radio Resources management layer, livello
RR
Mobility Management layer, livello MM
Communication
Management layer, CM
Rete
a commutazione a circuito
Un sistema radiomobile cellulare è una rete di telecomunicazioni, PLMN Public Land Mobile Network, in cui l’accesso avviene via radio ed essa è in grado di gestire la mobilità degli utenti. La rete consente lo scambio d’informazioni realizzando connessioni temporanee della durata della conversazione. L’insieme delle tecniche e delle procedure per realizzare queste connessioni prendono il nome di commutazione di circuito. Una rete di TLC è costituita da:
Nodi di commutazione,
realizzano le connessioni temporanee. Nella rete GSM la funzione di Switching e
l’instradamento della chiamata al destinatario viene realizzata dall’MSC. Per
poter eseguire queste operazioni, un nodo deve scambiare delle informazioni di
servizio, note come segnalazione, sia con gli utenti sia con gli altri nodi.
Collegamenti tra nodi, vengono
realizzati tramite giunzioni (trunk) permettendo la connettitività completa di
tutti i nodi di commutazione.
Collegamenti utente-nodo,
realizzato via radio nei sistemi mobili, comprendendo un certo numero di stazioni
radio ricetrasmittenti, dette BTS stazioni radio base.
Un requisito fondamentale di una rete di telecomunicazioni che trasporti fonia è che non ci siano ritardi apprezzabili nella trasmissione. Per far ciò è necessario instaurare un collegamento dedicato. Una chiamata su una rete a commutazione di circuito evolve in tre fasi:
1. Set-up
della connessione, ogni nodo della rete coinvolto nel collegamento crea una
connessione temporanea tra un suo ingresso ed una sua uscita per realizzare un
circuito virtuale su cui chiamante e chiamato possano conversare.
2. Mantenimento
della connessione per tutto il tempo della conversazione;
3. Abbattimento
della connessione, quando gli utenti riagganciano, la rete rilascia le
risorse impegnate nel collegamento.
In una rete PLMN i sistemi di trasmissione sono di tipo digitale PCM Pulse Code Modulation per la codifica della voce e la tecnica TDM Time Division Multiplexing per la multiplazione.
Sistemi di segnalazione
Una rete di telecomunicazioni può funzionare correttamente grazie allo scambio d’informazioni ausiliarie tra le unità coinvolte. Queste sono le segnalazioni di controllo e possono essere di due tipi:
Segnalazione associata al circuito,
utilizzata nella rete telefonica pubblica nella quale fonia e segnalazione
viaggiano sullo stesso canale;
Segnalazione a canale comune,
utilizzata nelle reti moderne ISDN, GSM, separa nettamente la fonia dalla segnalazione assegnando a quest’ultima
canali dedicati.
Il sistema di segnalazione utilizzato nello standard GSM è il Common Channel Signaling System 7, CCSS7 o più brevemente SS7, ratificato dall’ITU International Telecommunication Union. Prevede scambi d’informazioni a pacchetto e canali a 64 Kbit/s.
Va osservato che la rete GSM
deve gestire la mobilità del cliente, gli handover, l’instradamento delle
chiamate, procedure che richiedono un notevole lavoro di segnalazione tra le
varie unità funzionali del sistema 
MSC,
VLR, HLR; la rete di segnalazione rappresenta quindi il cuore della rete GSM,
mentre il flusso generato dal traffico utente ne occupa solo una parte.
Il sistema GSM è costituito da diversi elementi funzionali i quali sono collegati tra loro da specifiche interfacce le quali comunicano tramite specifici protocolli, o protocolli standardizzati opportunamente modificati per reti radiomobili. Possiamo distinguere tre tipi d’interfacce:
interfacce basate su segnalazione a
canale comune SS7;
interfacce verso il sistema di
esercizio e manutenzione;
interfacce verso il sottosistema radio.
Interfacce basate su segnalazione a canale comune SS7
Appartengono
a questo gruppo quelle di elementi della rete fissa che costituiscono il
Network Switching Sub-system NSS, cioè le interfacce B, C, D, E, F, G. Le
informazioni che transitano sono principalmente per operazioni di gestione
dell’utenza come handover, location updating, autenticazione, servizi
supplementari, ecc…
La struttura protocollare utilizzata ricalca quindi quella del sistema di segnalazione SS7 con l’aggiunta di procedure atte alla gestione della mobilità definite nel protocollo MAP Mobile Application Part. Questo protocollo è utilizzato tra nodi del sottosistema rete per interrogare le basi di dati, eseguire handover, richiesta parametri.
Interfacce verso il sistema di esercizio e manutenzione
Oltre alla rete di trasporto informazioni e segnalazioni, esiste una rete di gestione che sovrintende a tutte le funzioni della rete GSM. Ai vertici della quale troviamo i centri di gestione ed esercizio OMC Operation & Maintenance Centre. I centri di gestione si scambiano messaggi tra loro ed interagiscono con i nodi della rete raccogliendo informazioni statistiche e segnalazioni di malfunzionamento. Il meccanismo di trasporto dell’informazione viene realizzato tramite strutture a pacchetto adottando il protocollo X.25.
Interfacce verso il sottosistema radio
Nella rete GSM la struttura protocollare verso l’utente mobile viene ben descritta dalla seguente figura a livelli:
Livello 1
Il physical layer, si preoccupa della trasmissione su mezzo fisico in particolare per la parte a terra interfaccia A e Abis deve gestire un canale PCM a 2 Mbit/s. Il livello fisico sull’interfaccia radio Um, dovrà invece gestire la mo/demodulazione, la sincronizzazione e la codifica di canale.
Livello 2
Il data link layer, ha il compito di formattare l’informazione in trame e controllo, recupero errori. Tra MSC e BSC lo scambio di informazioni avviene secondo il livello 2 di MTP del sistema di segnalazione SS7, mentre l’interfaccia Abis adotta il protocollo LAPD, Link Access Protocol on the D-Channel, utilizzato nella rete ISDN. Data la evidente particolarità dell’interfaccia radio, si è provveduto ad implementare uno specifico protocollo per gestirla, il LAPm.
Livello 3
Il message layer, si preoccupa della gestione dei canali radio e di segnalazione utente. Il BSS deve realizzare il colloquio con l’MSC e con la MS, tramite lo strato protocollare BSSAP, Base Station Sub-system Application Part, diviso in due:
BSSMAP, BSS Management Application
Process, implementa tutte la procedure tra BSS e MSC per il controllo delle
risorse radio;
DTAP, Direct Transfer Application
Process, trasporta segnalazioni direttamente tra MSC e MS, queste attraversano
il BSS in modo trasparente.
Radio Resources management layer, livello RR
Il livello RR gestisce l’interfaccia radio Um occupandosi di:
inizializzazione, accesso della
stazione mobile alla rete e richiesta verso la MS cioè gestione del canale RACH
e PCH;
scambio parametri iniziali;
misurazioni, compito
fondamentale nella gestione della comunicazione con la stazione mobile. La rete
GSM prevede una frequenza minima per le misurazioni cioè una volta al secondo.
Gestione degli handover, a
seguito delle misure e della mobilità dell’utente si può rendere necessario il
passaggio di una stazione mobile da una cella all’altra o anche da una
frequenza all’altra all’interno della stessa cella.
Time advance e controllo di potenza,
sono necessarie per la sincronizzazione dell’utente e per adeguare il livello
del segnale emesso dalla stazione mobile in relazione alle condizioni del
canale e alla distanza dalla BTS.
Mobility Management layer, livello
MM
Le funzionalità svolte dal livello MM riguardano direttamente la comunicazione tra MSC e la mobile station, infatti sono totalmente trasparenti per il BSS. Alcune delle attività svolte dal livello MM sono:
Location Updating;
IMSI attach/detach;
Periodic Location Updating.
Location Updating, aggiornamento della
posizione
La procedura di location updating consiste nel tenere la rete aggiornata sulla posizione del terminale mobile nella situazione di IDLE cioè quando non vi sia una connessione in atto. L’aggiornamento viene sempre iniziato dalla stazione mobile ogni qualvolta la MS stessa si accorge di essere passata sotto una nuova Location Area. Questo si realizza poiché periodicamente sul canale di broadcast, il BCCH, la BTS invia le informazioni di cella tra cui il LAI, Location Area Identity. Accortasi quindi del passaggio da una LA ad un’altra la MS comunica al registro VLR di competenza il nuovo LAI. Se le due Location Area appartengono a MSC/VLR differenti allora viene aggiornato anche il registro HLR memorizzando il nuovo VLR Number.
IMSI
attach/detach, attivazione e disattivazione
L’IMSI attach / detach riguarda la connessione / sconnessione dalla rete della stazione mobile. La sconnessione informa la rete, cioè l’MSC, che il terminale mobile è spento o non raggiungibile, così da evitare di allocare risorse ad essa necessarie ed inutile inoltro dei messaggi di Paging. La connessione, invece, informa la rete che la MS già marcata come detached, è nuovamente raggiungibile. Ciò si verifica quando una MS viene spenta e poi riaccesa oppure quando rientra nell’area di copertura.
Periodic Location Updating,
aggiornamento periodico
Per ottimizzare lo sfruttamento del canale radio, è necessario evitare inutili allocazioni di risorse. Ad esempio irradiare i messaggi di Paging verso MS che non sono raggiungibili, e quindi che non sono in grado di ricevere chiamate.
Una MS non è raggiungibile quando viene spenta, in questo caso viene eseguito un IMSI detach al momento dello spegnimento, oppure quando esce dall’area di copertura senza però poterlo comunicare alla rete che così continua ad allocare canali di controllo. La rete si accorge della non raggiungibilità della stazione mobile solo nel momento in cui tenta di inoltrargli una chiamata; non ricevendo risposta al messaggio di Paging la rete la marcherà come sconnessa. La situazione descritta non è particolarmente felice se per la MS non arrivassero chiamate, questo significherebbe continuare ad allocare risorse inutilmente. Per evitare questo spreco di risorse è stata introdotta la registrazione periodica. Una stazione mobile che si sposti all’interno di una LA senza accedere alla rete deve, ad intervalli regolari location update timer, confermare la propria localizzazione al VLR. Il valore del timer, diverso a seconda dell’operatore (per TIM è pari a 2 ore), è trasmesso sul canale BCCH. Se una MS non effettua accessi alla rete per un tempo superiore al limite fissato, cioè non esegue la registrazione periodica, viene automaticamente marcata come sconnessa.
Communication Management layer, CM
Il livello più alto di quelli previsti dal sistema GSM è costituito dalle procedure per la gestione della comunicazione. Questo strato protocollare gestisce sostanzialmente i seguenti servizi:
analisi dell’instradamento della
chiamata;
gestione dello Short Message Service,
SMS;
gestione dei Servizi Telefonici
Supplementari STS.
Instradamento delle chiamate
Un abbonato GSM è identificato nel piano di numerazione pubblica internazionale dal proprio numero MSISDN, come definito nelle raccomandazioni ITU-T E.164. Il numero MSISDN è costituito da:
MSISDN = CC/NDC/SN
CC = Country Code, per l’Italia è 39;
NDC = National Destination Code, identifica il prefisso dell’operatore per esempio TIM
dispone dei seguenti NDC: 335, 333, 338, 339;
SN = identifica univocamente un utente all’interno della numerazione di un operatore
specifico PLMN.
In pratica il numero MSISDN è quello che si compone per chiamare una stazione mobile compreso il prefisso internazionale. Nella rete fissa ad ogni numero telefonico corrisponde biunivocamente una destinazione, in una rete radiomobile il numero non può essere usato direttamente per instradare la chiamata verso una MS, la quale può trovarsi in un qualunque luogo entro l’area mondiale di servizio GSM. Il numero MSISDN consente di instaurare una connessione soltanto fino al GMSC del gestore con il quale la stazione mobile è abbonata. Il GMSC, analizzando la prima cifra del MSISDN, può interrogare il registro HLR contenente tutti i dati del cliente chiamato. Per procedere l’instradamento fino al MSC/VLR di destinazione, in pratica quello su cui è registrata la MS, è indispensabile assegnare alla MS un numero telefonico temporaneo detto MSRN, Mobile Station Roaming Number. Questo numero è assegnato dal VLR presso di cui la MS è registrata, ed è associato al codice IMSI in modo che il VLR possa identificare il cliente dal numero MSRN assegnatogli. Occorre notare che il MSRN non è assegnato permanentemente ad un cliente, ma può variare nel tempo. La struttura del MSRN è analoga a quella dell’MSISDN, la prima parte del numero realizza l’instradamento fino al MSC/VLR avente in carico la MS, la seconda parte realizza l’instradamento fino alla MS.
Procedura di call routing
Analizziamo ora nel dettaglio l’instradamento di una chiamata originata da rete fissa PSTN o ISDN e diretta verso una stazione mobile. Il chiamante dalla rete fissa compone il numero MSISDN del cliente che si desidera contattare, ad esempio digitando il numero 00393356338645 la centrale di commutazione della rete fissa, analizzando i prefissi CC e NDC, instrada la chiamata in Italia al Gateway MSC di TIM.
Il GMSC analizzando le prime cifre del SN individua il registro HLR di competenza al quale gli invia un messaggio di Send Ruoting Information contenente il numero MSISDN. L’HLR rintraccia tutte le informazioni dell’abbonato tra cui il numero IMSI e l’indirizzo del VLR su cui la MS è registrata, il VLR Number. Non conoscendo il MSRN l’HLR invia al VLR competente un messaggio di Provide Roaming Number indicandogli l’IMSI della MS di cui si richiede il MSRN. Il VLR di destinazione fornisce il MSRN all’HLR il quale lo rigira al GMSC. Ora il Gateway MSC, analizzando il MSRN, è in grado di instradare la chiamata verso il MSC/VLR avente in carico la MS, attraverso eventuali reti di transito. Adesso il MSC/VRL individua la Location Area su cui la MS è registrata ed ordina alle stazioni radio base BTS di diffondere il messaggio di Paging sul canale PCH, indirizzato alla MS chiamata. La MS risponde al messaggio attraverso una richiesta di accesso alla rete sul canale RACH. La rete assegna un canale dedicato SDCCH alla MS e, attraverso un messaggio sul canale logico AGCH, gli ordina di spostarsi immediatamente su di esso per effettuare le procedure di autenticazione. Conclusasi positivamente la fase di autenticazione, l’MSC/VLR assegna alla MS un canale di traffico TCH e le impone di spostarsi su questo. La connessione è instaurata e gli utenti possono comunicare.
I SERVIZI SUPPLEMENTARI
Servizi
Telefonici Supplementari STS
Il sistema GSM è un sistema di telecomunicazioni digitale che, oltre ad offrire agli utenti la possibilità di effettuare e ricevere chiamate anche durante gli spostamenti sia in ambito nazionale sia internazionale, è in grado di fornire una vasta gamma di servizi supplementari del tutto simili a quelli offerti dalle reti ISDN. I servizi di telecomunicazioni sono divisi nelle seguenti categorie:
teleservices, (teleservizi);
bearer services, (servizi
portanti o di trasporto).
I teleservizi di una rete GSM devono supportare:
telefonia;
Short Message Service SMS;
fax.
I servizi portanti che una rete GSM deve supportare sono:
trasmissione dati asincrona con
velocità da 300 a 9600 bit/s;
trasmissione dati sincrona con
velocità da 300 a 9600 bit/s.
Servizi Telefonici Supplementari STS
I Servizi Telefonici Supplementari STS, sono stati classificati dall’ETSI nel seguente modo:
Number Identification STS
(identificazione del numero), tra cui troviamo:
CLIP (Calling Line
Identification Presentation), consente nel fornire al chiamato, prima della
risposta, il numero del chiamante;
CLIR (Calling Line
Identification Restriction), consente al chiamante di inibire l’invio del
proprio numero al chiamato.
Call Fowarding STS
(trasferimento di chiamata), tra cui troviamo:
Call Fowarding Unconditional CFU,
permette di trasferire tutte le chiamate dirette al proprio numero di telefono
MSISDN, verso un altro numero di telefono;
Call Fowarding on mobile subscriber
Busy CFB, permette di trasferire le chiamate dirette al numero di telefono
di un utente verso un altro numero di telefono nel caso in cui il cliente sia
occupato;
Call Fowarding on No Reply CFNRy, permette
di trasferire le chiamate dirette al numero di telefono di un utente verso un
altro numero di telefono nel caso in cui il cliente non risponda;
Call Fowarding on mobile subscriber
Not Reachable, permette di trasferire le chiamate dirette al numero di
telefono di un utente verso un altro numero di telefono nel caso in cui il
cliente non sia raggiungibile.
Call Waiting/Call Hold CW/CH,
(avviso di chiamata), permettere al cliente di essere avvisato sul
sopraggiungere di una chiamata mentre egli è in conversazione, e di conseguenza
nel mettere in attesa momentaneamente un interlocutore per poi riprenderlo.
Multy Party STS,
tra cui:
MPTY, permette di instaurare una conversazione tra più utenti, o
conferenza.
Community of Interest STS, tra cui:
CUG (Closed User Group), permette di restringere la possibilità di comunicazione solamente ad un gruppo di utenti.
Charging STS, relativi alla tariffazione tra cui:
Advise of Charging, Information AoCI, abilita la visualizzazione delle informazioni di tariffazione;
Advise of Charging, Charging AoCC, impedisce la chiamata se la tariffazione non è completa.
Call
Barring STS, sbarramento di chiamata, tra cui troviamo le seguenti
modalità:
Barring
of All Outgoing Calls BAOC, permette lo sbarramento di tutte le chiamate in
uscita;
Barring
of Outgoing International Calls BOIC, inibisce la possibilità di fare
chiamate internazionali;
Barring of All Incoming Calls BAIC, permette lo sbarramento di tutte le chiamate entranti;
Barring of Incoming Calls when Roaming outside the home PLMN country BIC-Roam, permette lo sbarramento a tutte le chiamate entranti quando ci si trova al di fuori della propria PLMN, cioè quando siamo in roaming.
Short Message Service SMS
Cos'é il servizio SMS e come funziona
Il servizio SMS consente la trasmissione e ricezione, da e verso un terminale GSM, di messaggi di testo della lunghezza massima di 160 caratteri. Se il terminale del destinatario è raggiungibile dalla rete GSM il messaggio sarà ricevuto entro pochi secondi, altrimenti rimarrà in attesa presso il Centro Messaggi e sarà consegnato non appena il telefonino ridiventerà raggiungibile.
Il Centro Messaggi
Il Centro Messaggi, altrimenti detto SMSC (Short Message Service Center), è l'entità della rete GSM che è incaricata di gestire il servizio SMS: riceve i messaggi da diverse fonti (terminali GSM, modem, Centri Messaggi d’altri operatori, Internet), e bada a recapitarli ai terminali mobili destinatari. Se per qualche motivo, ad esempio il telefonino è spento oppure non è in zona di copertura, non è possibile consegnare immediatamente il messaggio, il Centro Messaggi lo conserva in memoria fino a quando non riuscirà a recapitarlo.
Modalità di invio e consegna
Il tempo massimo in cui i messaggi sono conservati nel Centro Servizi dipende dal gestore di rete (anche se potrebbe essere programmato dal mittente con un apposito parametro specificato al momento della trasmissione) e può assumente valori da 1 ora fino a qualche settimana, TIM ha fissato un tempo massimo di 48 ore. Trascorso tale limite i messaggi sono automaticamente rimossi dal Centro Messaggi e non saranno più recapitati al destinatario. Ogni rete GSM dispone di uno o più SMSC, ad ogni SMSC corrisponde un numero telefonico, che memorizzato sul telefono GSM, consente di inviare messaggi. Il Centro Servizi può essere collegato ai Centri Servizi di altri operatori GSM in base agli accordi di Roaming Internazionale stipulati; ciò consente agli abbonati di ricevere ed inviare messaggi verso clienti di altre reti e di altre nazioni.
SMS con ricevuta di ritorno
L'invio dei brevi messaggi funziona sullo stesso principio del servizio postale tradizionale. Il mittente, inviato un SMS, non sa se e quando sarà ricevuto dal destinatario, un pò come accade per una lettera semplice. Il servizio SMS mette a disposizione un meccanismo, analogo alla ricevuta di ritorno di una raccomandata postale per conoscere l'esito di un invio: la notifica di ricezione.
Non appena il Centro Servizi consegna correttamente al destinatario, oppure non consegna per un certo motivo un SMS, riporta al mittente un messaggio contenente la conferma di ricezione oppure il motivo del mancato recapito.
Alcune informazioni tecniche
Nello standard GSM sono specificati due tipi differenti di SMS: SMS Point-to-Point (SMS/PP) e SMS Cell Broadcast (SMS/CB). Il primo tipo consente di inviare un messaggio di testo, della lunghezza massima di 160 caratteri, da un telefono GSM ad un altro, mentre il secondo consente alla rete di inviare un messaggio contemporaneamente a tutti i telefonini all’interno di una determinata zona di copertura, composta da una o più celle radio (non ci occuperemo qui dei messaggi Cell Broadcast). Il principio di consegna degli SMS è basato sul protocollo di tipo senza connessione (connectionless): quando viene inoltrato il messaggio non avviene alcuna connessione tra il terminale del mittente e quello del destinatario, come invece avviene nel caso di una chiamata voce o dati. Il mittente quindi non sa se e quando il destinatario riceverà il messaggio. Il funzionamento è analogo alla trasmissione di una e-mail. L’invio di un SMS Point-to-point si compone in realtà di una concatenazione di due differenti azioni: l’inoltro del messaggio dal telefonino al Centro Messaggi, quindi dal Centro Messaggi al telefonino del destinatario. I primi vengono denominati SMS-MO (SMS Mobile Originated), i secondi SMS-MT (SMS Mobile Terminated). Il protocollo del servizio SMS utilizza sei diverse PDU (Protocol Data Unit):
SMS-SUBMIT (Terminale -> SMSC, invia un messaggio)
SMS-DELIVER (SMSC -> Terminale, invia il messaggio)
SMS-COMMAND (Terminale -> SMSC, invia un comando)
SMS-DELIVER-REPORT (Terminale -> SMSC, invia la ragione di una mancata ricezione)
SMS-SUBMIT-REPORT (SMSC -> Terminale, invia la ragione di una mancata ricezione)
SMS-STATUS-REPORT (SMSC -> Terminale, invia lo stato di delivery di un messaggio)
Le PDU SMS-DELIVER e SMS-SUBMIT trasportano il messaggio e le informazioni ad esso associate ai due estremi della comunicazione: terminale e SMSC. Le PDU SMS-SUBMIT-REPORT e SMS-DELIVER-REPORT contengono la notifica rispettivamente al terminale o al SMSC che un certo messaggio non è stato consegnato ed il motivo della mancata consegna.
SMS-STATUS-REPORT invece fornisce informazioni circa lo stato di consegna di un messaggio ed infine SMS-COMMAND contiene i comandi associati ad un messaggio già inoltrato mediante SMS-SUBMIT. Le PDU scambiate tra terminale e SMSC vengono trasmesse sui canali di controllo, ed in particolare in fase di stand-by attraverso il canale SDCCH (Stand alone Dedicated Control Channel), mentre durante una chiamata attraverso il canale SACCH (Slow Associated Control Channel) così che si possa ricevere ed inviare i messaggi anche quando si è in conversazione. Il tempo che intercorre tra la trasmissione del messaggio da un terminale e la ricezione da parte di un altro terminale non è standard, ma variabile come previsto per i protocolli senza connessione. Nel caso medio è stimabile attorno ai 10 secondi, va però tenuto in considerazione che gli SMS sono trasmessi attraverso i canali di controllo, e la velocità di trasferimento dipende dal carico istantaneo della rete. Seguono alcune raccomandazioni riguardanti gli SMS:
GSM 03.40 (ETS 300
536): Digital
cellular telecommunications system (Phase 2); Technical realization of the
Short Message (SMS) Service Point-to-Point (PP).
GSM 03.41 (ETS 300
537): Digital
cellular telecommunications system (Phase 2); Technical realization of the
Short Message Service Cell Broadcast (SMSCB).
GSM 04.11 (ETS 300 559): Digital
cellular telecommunications system (Phase 2); Point to Point (PP) Short Message
Service (SMS) support on mobile radio interface.
GSM 07.05 (ETS 300
585): Digital
cellular telecommunications system (Phase 2); Use of Data Terminal
Equipment - Data Circuit terminating Equipment (DTE - DCE) interface for Short
Message Service (SMS) and Cell Broadcast Service (CBS).
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