GSM (Global System for Mobile
Communications)
• Inizio anni ’80: sistemi cellulari analogici (es. TACS) • 1982: inizio lavori del Groupe Special Mobile del CEPT • 1989: il gruppo GSM diventa Technical Committee dell’ETSI • 1990: Prime specifiche complete. • 1991: Primo avvio di una rete GSM • 1992: reti commerciali nelle principali nazioni europee • 1998: 268 reti GSM (in 109 paesi) con oltre 70 milioni di utenti
… un pò di storia…
2
GSM Network (PLMN: Public Land Mobile Network)
Area MSC (Mobile Switching Center)
Area MSC LA (Location Area)
LA Celle (BTS: Base Transceiver Station)
Architettura del GSM
3
PSTN ISDN Altre Reti
MS (con SIM card)
BTS
BTS
BTS MS
MS GMSC
O&MC
HLR
EIR AuC
BSC
BSC MSC
VLR
MS: Mobile Station HLR: Home Location Register BS: Base Station VLR: Visitor Location Register BSC: Base Station Controller AuC: Authenticaton Center MSC: Mobile Switching Center EIR: Equipment Identity
Register GMSC: Gateway MSC O&MC: Operation &
Maintenance Center
BSS Base Station Subsystem
MSS Mobile Switching Subsystem
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
SIM
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
SIM
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
SIM
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
SIM
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
SIM
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
SIM
Architettura del GSM – rete di comunicaizone
4
MS (con SIM card)
BTS
BTS
BTS MS
MS GMSC
HLR
EIR AuC
BSC
BSC MSC
VLR
Rete SS#7
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
SIM
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
SIM
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
SIM
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
SIM
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
SIM
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
SIM
Architettura del GSM – rete di segnalazione
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Struttura dell’ architettura GSM
• L’architettura di rete del GSM si puà dividere in 3 gruppi differenti:
– Base Station Subsystem (BSS) – Mobile Switching Subsystem (MSS) – Operation and Maintenance Subsystem (O&M)
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Base Station Subsystem
• Il BSS è composto da Mobile Station (MS) e Base Tranceiver Station (BTS)
• MS e BTS comunicano mediante interfaccia radio – Modulazione GMSK – Uso di un set di canali logici e fisici
• Le BTS sono coordinate da un Base Station Controller (BSC)
• Il ruolo fondamentale del BSC è quello di gestire le operazioni di handover
• BTS e BSC comunicano mediante un’iterfaccia standardizzata, chiamata Abis-interface
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Mobile Switching Subsystem • BSC e Mobile Switching Center (MSC) compongono il MSS • Nel MSS troviamo anche i database che contengono informazioni sugli
utenti (VLR, HLR, e AuC) – HLR: elenco utenti residenti nella regione di riferimento del MSS – VLR: elenco utenti residenti in una regione gestita da un’altra MSS – AuC: informazioni di sicurezza associate agli utenti registrati – EiR: loista dei telefoni sotto controllo o “bannat” dalla rete
• BSC e MSC comunicano mediante un’iterfaccia standardizzata, chiamata A-interface – Il protocollo di comunicazione si chiama Signalling Correction Control
Protocol (SCCP), che fa parte del sistema di segnalazione SS#7 • MSC garantisce la connettività tra la rete GSM e altre reti esterne (es.
PSTN)
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Operation and Maintenance Subsystem (O&M)
• Composto dall’Operation and Maintenance Center che gest isce operazioni di monitoraggio e manutenzione della rete
• Responsabile di tutte le problematiche relative alla tariffazione delle chiamate
• Gestisce tutte le problematiche legate alla gestione degli utenti (intesi come subscriber)
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Identificazione di un utente
• MS è il terminale usato dall'abbonato per accedere alla rete GSM. È composta da – il terminale vero e proprio detto ME (Mobile Equipment), – e la smart card detta SIM (Subscriber Identity Module)
contenente i dati personali dell'utente.
• Ogni ME è univocamente riconosciuto dalla rete mediante un codice IMEI (International Mobile Equipment Identity) memorizzato direttamente nell’ hardware del dispositivo dal costruttore dell'apparecchio.
• La SIM, invece, contiene i dati utili per il riconoscimento dell'abbonato da parte della rete. L'utente può accedere alla rete da qualsiasi terminale compatibile purchè fornisca alla rete i propri dati personali (contenuti nella SIM)
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Parametri della SIM-card
• La SIM-card contiene le seguenti informazioni:
– MSISDN: numero telefonico dell'abbonato. – IMSI: codice di identificazione d'utente (da non confondere
con l'IMEI che è relativo invece al terminale mobile). – TMSI: codice di identificazione temporanea. – LAI: codice che identifica la posizione dell'abbonato (location
area) – Ki, chiave di autenticazione (si usa la crittografia
simmetrica). – A8: algoritmo di cifratura. – A3: algoritmo di autenticazione. – PIN1, PIN2, PUK1, PUK2. – Informazioni personali proprie dell'utente: rubrica, messaggi
ecc
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• IMEI (International Mobile Equipment Identity) Type approval Code (TAC): 6 cifre decimali (assegnato centralmente) Final Assemble Code (FAC): 6 cifre decimali (assegnato dal
costruttore) Serial Number (SNR): 6 cifre decimali Spare: 1 cifra decimale
• IMSI (International Mobile Subscriber Identity) Mobile Country Code (MCC): 3 cifre dec. (standard internazionale, es.
222 Italy) Mobile Network Code (MNC): 2 cifre dec. (identificativo nazionale
della rete, es. 01 TelecomItalia, 88 - Wind) Mobile Subscriber Identifiaction Number (MSIN): 6 cifre decimali
• MSISDN (Mobile Subscriber ISDN number) Country Code (CC): fino a 3 cifre dec. (standard internazionale) National Destination Code (NDC): 2-3 cifre dec. (standard inter.) Subscriber Number (SN):fino a 10 cifre decimali
Dettagli su indirizzi ed identificativi (1/3)
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• MSRN (Mobile Station Roaming Number) Country Code (CC) della rete visitata National Destination Code (NDC) della rete visitata Subscriber Number (SN) della rete visitata Memorizzato nel VLR o direttamente comunicato dal VLR al corrispondente HLR
• LAI (Location Area Identity) Country Code (CC): 3 cifre dec. Mobile Network Code (MNC): 2 cifre dec. Location Area Code (LAC): massimo 2 byte
• TMSI (Temporary Mobile Subscriber Identity)
• LMSI (Local Mobile Subscriber Identity)
• CI (Cell Identifier) 2 byte
Dettagli su indirizzi ed identificativi (2/3)
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• BSIC (Base transceiver Station Identity Code) Network Color Code (NCC): 3 bit (assegnato dal gestore
della PLMN(Public Land Mobile Network) Base transceiver station Color Code (BCC): 3 bit
• Identificativi SS#7 per MSC e Registri
Dettagli su indirizzi ed identificativi (3/3)
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Utente (SIM) IMSI, MSISDN, TMSI, MSRN
HLR EIR
AuC
BTS BSIC
MSC
VLR
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SIM
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
SIM
Terminale IMEI
IMEI
LMSI, MSRN, IMSI, TMSI, MSISDN, LAI
IMSI, RAND, SRES, Ki, Kc
IMSI, MSISDN, MSRN, profilo servizio utente
Cella CI
SCP
SCP
SCP
Corrispondenza identificativi-architettura
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• Canali Fisici Definiti dalla coppia Time Slot/Frequenza (TDMA/FDMA)
• Canali Logici Sono trasmessi sui Canali Fisici e si dividono in – Canali di Traffico – Canali di Controllo (Segnalazione)
GSM – interfaccia radio
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GRUPPO CANALE
FUNZIONE DIREZIONE
Canali di Traffico
(TCH)
TCH/F
Voce/Dati Full Rate (voce:13 kbit/s; dati raw fino a 14.5 kbit/s.)
MS ↔ BS
TCH/H
Voce/Dati Half Rate (voce:5.6 kbit/s; dati raw fino a 6 kbit/s.)
MS ↔ BS
Canali di Segnalazione
Broadcast Channel
BCCH
Broadcast Control (Identificativo BTS, info sulle celle vicine, ecc.)
MS ← BS
FCCH Frequency Correction (Correzione frequenza portante)
MS ← BS
SCH Synchronization (Sincronizzazione frame TDMA)
MS ← BS
Common Control Channel (CCCH)
RACH
Random Access (richiesta di allocazione di un SDCCH)
MS → BS
AGCH Access Grant (conferma assegnazione SDCCH in risposta ad un RACH)
MS ← BS
PCH Paging (Paging: chiamata entrante)
MS ← BS
Dedicated Control Channel (DCCH)
SDCCH Stand-alone Dedicated Control (segnalazione per setup chiamata e assegnazione TCH; assegnato in risposta ad un RACH)
MS ↔ BS
SACCH Slow Associated Control (segnalazione durante una chiamata, associato ad un TCH)
MS ↔ BS
FACCH Fast Associated Control (segnalazione veloce, es. durante handover; a spese del canale TCH)
MS ↔ BS
Canali logici del GSM (1/2)
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Canali logici del GSM (2/2)
• Chiamata Entrante (Incoming Call)
MS BTS
MSC
Paging Request PCH
AGCH
RACH Channel Request
Assegnamento SDCCH
SDCCH
…Segnalazioni Varie…
FACCH
TCH Dati
Esempio di utilizzo dei canali logici
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Dettagli sui canali fisici (1/3)
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Dettagli sui canali fisici (2/3)
21
Dettagli sui canali fisici (3/3)
22
23
GSM – Risorse tempo/frequenza
• Ogni sottobanda (200 kHz, GMSK, 271 kbps) è condivisa da 8 utenti a divisione di tempo • Un frame è composto da 8 slot temporali (da 576.92 ms ciascuno) • Ad ogni utente viene periodicamente assegnato un timeslot
ARFCN = Absolute Radio Frequency Channel Number
1
124
2
…
123
935 MHz
…
…
935.2 MHz
959.8 MHz 960 MHz
200 kHz
1
124
2
…
123
890 MHz
…
…
890.2 MHz
914.8 MHz 915 MHz
200 kHz
45 MHz Separazione
Delay
3 Time Slot
Data Burst, 156.25 bit = 15/26 ≈ 576.9 ms
Ogni canale di 200 KHz ha 8 Time Slot
0 1 2 3 4 5 6 7 DOWNLINK
0 1 2 3 4 5 6 7 UPLINK
4.615 ms ⇒ 270.83 kbit/s
GSM – Struttura dei frame (1/2)
24
25
GSM – Struttura dei frame (2/2)
In un timeslot posso trasmettere 156.25 bit alla velocità di 270.833 kbps
1 2 2048
1 2 50 51 1 2 25 26
HYPERFRAME (3h 24 min 53.76 s)
1 2 25 26
1 2 50 51
SUPERFRAME
26-FRAME MULTIFRAME (120 ms) Frame 1-13: TCH Frame 14: SACCH Frame 15-25: TCH Frame 26: TCH (Half Rate) IDLE (Full Rate)
51-FRAME MULTIFRAME (235.4 ms) Canali di controllo trasmessi nei primi due Time Slot
della frequenza principale della cella
TDMA FRAME slot 0
slot 1
slot 7
Mappatura canali logici-canali fisici
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Esempio 51-frame multiframe
57 bit di Dati 57 bit di Dati 26 bit
Sequenza di Training 3 3 8.25
Periodo di Guardia 1 1
Stealing Flag
Tail Bit (=0)
NORMAL BURST
142 bit = 0 3 3 8.25
Periodo di Guardia
FREQ. CORREC. BURST
39 bit di Dati 64 bit
Sequenza di Sincronizzazione 3 3
8.25 Periodo
di Guardia 39 bit di Dati SYNCHRON. BURST
26 bit Sequenza di Training 3 3
8.25 Periodo
di Guardia DUMMY BURST
36 bit di dati 3 68.25
Periodo di Guardia
3 41 bit
Sequenza di Training ACCESS BURST
Burst GSM
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• Cell reselection (Cambio di Cella) Si sceglie la BTS (tra le 6 vicine) con segnale di qualità “migliore” secondo un criterio detto C2
MS
BTS BTS
BTS
BTS
BTS
BTS
Normal Burst GSM
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Channel Encoding Block → Convol. → Interleaving encoding encoding
Encryption Creazione
Burst Multiplexing
Source Encoding Elaborazione della Voce
Modulazione
Source Decoding Elaborazione della Voce
Channel Decoding Block ← Convol. ← Deinterl. decoding decoding
Decryption Demultiplex Demodulazione
TRASMISSIONE
RICEZIONE
Schema di trasmissione/ricezione
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– Compressione della Voce (rapporto 1:8) – Voce: 8000 campioni/s; 13 bit/campione (=104 kbit/s) – Il Codec elabora ogni 20 ms i frame vocali, formati da
160 campioni – In uscita si hanno blocchi da 260 bit (=flusso 13 kbit/s)
Codec Voce (13 kbit/s)
DTX Trasmissione Discontinua
Voce 8000 sample/s 13 bit/sample
VAD
Comfort Noise
Source code
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– Block Encoding (Parity Bits) per Error Detection – Convolutional Encoding per Error Correction – Interleaving dei dati per ridurre gli effetti degli errori
sui burst
Convolutional Encoder
Block Encoder Parity Bits
Interleaving Encryption
456 bit/blocco 114 bit/blocco
Burst
Blocco Dati n-esimo: 456 bit
Blocco di Interleaving 114 bit
B B+1 B+2 B+3 B+5 B+4 B+6 B+7
Bit Dispari
Bit Pari Blocco Dati n+1-esimo
NOTA: I bit del blocco sono distribuiti alternativamente nei blocchi di Interleaving (ogni otto, i bit finiscono nello stesso blocco di Interleaving)
Channel encoding
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Accensione del terminale
Vengono eseguite 2 procedure: • Selezione di cella (cell selection): la MS sceglie la BTS con la quale scambiare dati
• Registrazione (avviene sempre con una procedura di location update): la MS informa l’MSC di competenza della sua presenza in quella Location Area (LA)
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Cell selection
1. MS scandisce le portanti radio che “sente”. Le
portanti di ascolto sono le C0, ovvero dove la BTS invia il BCCH
2. MS si aggancia alla portante più forte. 3. Attraverso il canale FCCH la MS si allinea alla
frequenza trasmessa dalla BTS. 4. Attraverso SCH avviene la sincronizzazione. 5. A questo punto la MS legge il BCCH che contiene
• LAC (Location Area Code) • CGI (Cell Glocal Identity) • MCC (Mobile Country Code) • MNC (Mobile Network Code)
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Accensione del terminale (Trasmissione in chiaro dell’IMSI, ricezione TMSI)
MS BSS/MSC VLR HLR AuC
Procedura di Autenticazione SRES
= SRES
Generazione TMSI
Location Update Request (IMSI, LAI) Update Location Area
(IMSI, LAI) Auth. Param. Req. (IMSI) Auth.Info Req.
(IMSI) Auth.Info
(IMSI, Kc, RAND, SRES) Auth.Info (IMSI, Kc, RAND, SRES) Auth. Req.
(RAND) Auth. Req.
(RAND)
Location Update (IMSI, MSRN)
Insert Subscriber Data (IMSI) Start Ciphering
(Kc)
Forward new TMSI (TMSI)
Loc. Update Accep.
Subscriber Data Insert. Ack (IMSI)
Loc. Update Accep. (IMSI)
Data (encryption con Kc)
Location registration
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Cambio di una Location Area (cambio LAI in HLR) Il terminale ha già un TMSI
MS BSS/MSC VLR HLR AuC
Procedura di Autenticazione SRES
= SRES
Generazione TMSI
Location Update Request (TMSI, LAI) Update Location Area
(TMSI, LAI)
Location Update (IMSI, MSRN)
Insert Subscriber Data (IMSI) Start Ciphering
(Kc)
Forward new TMSI (TMSI)
Loc. Update Accep.
Subscriber Data Insert. Ack (IMSI)
Loc. Update Accep. (IMSI)
Data (encryption con Kc) Auth. Param. Req.
(IMSI) Auth.Info Req. (IMSI)
Auth.Info (IMSI, Kc, RAND, SRES) Auth.Info
(IMSI, Kc, RAND, SRES)
Location update
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Oltre la LA si cambia VLR. Il nuovo VLR richiede i dati di identificazione dell’utente al vecchio VLR e assegna un nuovo TMSI.
MS BSS/MSC VLR new
HLR VLR old
Procedura di Autenticazione SRES
= SRES
Generazione TMSI
Location Update Request (TMSI, LAI) Update Location Area
(TMSI, LAI)
Location Update (IMSI, MSRN)
Insert Subscriber Data (IMSI) Start Ciphering
(Kc)
Forward new TMSI (TMSI)
Subscriber Data Insert. Ack (IMSI)
Loc. Update Accep. (IMSI)
IMSI, TMSI, Ki, Kc, LAI
Send Parameters (TMSI, LAI)
IMSI Response (IMSI, Kc, RAND, SRES)
Cancel Location (IMSI)
Cancel Location Ack (IMSI)
Location update con cambio di VRL
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• Es. Chiamata da rete fissa a rete mobile
BTS
BTS
BTS
MS
HLR
BSC
MSC
VLR
PSTN
Location Area (LA)
GMSC
1-MSISDN
2-MSISDN
5-MSRN
3-IMSI 4-MSRN
6-MSRN
7-TMSI
8-TMSI
Instradamento della chiamata
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• Misure per stabilire la qualità del canale radio e per il controllo della potenza trasmessa: – Potenza Ricevuta – Qualità del Segnale Ricevuto
MS
BTS
Livello Livello segnale ricevuto (dBm) Da a RXLEV_0 - -110 RXLEV_1 -110 -109 … … … RXLEV_62 -49 -48 RXLEV_63 -48 -
Livello Bit Error Rate Da a RXQUAL_0 - .2 RXQUAL_1 .2 .4 RXQUAL_2 .4 .8 RXQUAL_3 .8 1.6 RXQUAL_4 16. 3.2 RXQUAL_5 3.2 6.4 RXQUAL_6 6.4 12.8 RXQUAL_7 12.8 -
Misura della qualità del canale
• Cell selection (accensione terminale) Si sceglie la BTS con segnale di qualità “migliore” secondo un criterio detto C1
MS BTS
BTS
BTS
Cell Selection
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Criterio C1
C1= A−Max(B, 0)A = ReceivedLeveleAverage− RXLEVEL _ ACCESS :MINB =MX _TXPWR_MAX _CCH −MaximumRFpowerofMS
• RX_LEVEL_ACCESS_MIN assume valori tra -110 e -48 dBm • MX_TXPWR_MAX_CCH è la massima potenza che una MS
può usare sul canale RACH
1. Entrando in una cella si considerano solo quelle con C1 > 0 2. Si sceglie la cella con C1 maggiore - Il limite di una cella è quindi per ogni MS determinato dal valore C1 - Di conseguenza il “confine” di una cella è legato anche alla classe del terminale considerato - Il valore C1 varia molto nel tempo - Nel passaggio tra celle di LA diverse, si aggiunge al C1 della nuova cella un valore fisso (comunicato in broadcast) per evitare per quanto possibile rapidi cambiamenti di cella tra LA diverse
• Cell reselection (Cambio di Cella) Si sceglie la BTS (tra le 6 vicine) con segnale di qualità “migliore” secondo un criterio detto C2
MS
BTS BTS
BTS
BTS
BTS
BTS
Cell Reselection
• Handover Cambio di cella da parte di un utente con una chiamata in
corso
• Intracell Handover Cambio del canale fisico all’interno della stessa cella
• Intercell Handover Cambio della cella (nel cambio si può cambiare BSC e/o MSC)
Ci
Cj
Handover (1/2)
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• Algoritmo esecuzione Handover Ciclo di isteresi per evitare cambi continui ai bordi delle celle
Handover Margin
Handover Point Distance from
Old BTS
Downlink Rx Level
Threshold (Power Budget
Evaluation start)
Min Rx Level
Old BTS NewBTS
MS connected to Old BTS MS connected to New BTS
Handover (2/2)
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BTS
BTS
BSC MSC
VLR
Diversi tipi di handover
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BSC
MSC
VLR
MSC
VLR
(1) Intra-BSC handover (2) Inter-BSS, Intra-MSC Handover (3) Inter-MSC Handover
(1)
(2)
(3)
Anchor MSC
RelayMSC
Architettura protocollare
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User plane: tutti i protocolli necessari per il trasferimento dei dati dell’utente su un TCH e quindi sul livello PHY Control plane: tutti i protocolli necessari per il controllo delle chiamate degli utenti e la trasmissione dei relativi dati sui canali di controllo (BCH, CCH, DCH) e quindi sul livello PHY. La presenza di canali di controllo/segnalazione permette il loro utilizzo durante una chiamata anche per la trasmissione di dati di altra natura (es. SMS, Short Message Service usando un SDCCH o multiplexando i dati nel SACCH) Management plane: tutti i protocolli per la gestione dei diversi layer
Management plane
Control plane User plane
BCH CCH DCCH
TCH
Physical Layer
Protocolli e interfacce
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I protocolli utilizzati in ogni plane sono legati alla particolare interfaccia cui si fa riferimento. Tra BSS e MS si utilizzano protocolli specifici dello standard GSM Tra BSS e MSC si utilizzano protocolli tipici del mondo della telefonia (es. ISDN)
BSS MSC
MS
Interfaccia Radio Interfaccia A
Segnalazione specifica GSM Segnalazione ISDN
User plane: trasmissione voce (1/2)
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• La voce è codificata nel MS a 13 kbps (GSC, GSM Speech Codec), protetta con codifica di canale FEC e criptata
• Nella BTS il segnale viene decriptato e il FEC viene verificato. • I segnali così ottenuti sono trasmessi al BSC multiplexandoli su una stessa linea ISDN a 64
kbps (fino a 4 canali vocali per linea) • L’unità di transcodifica e adattamento del rate (TRAU, Transcoding and Rate Adptation Unit)
converte il segnale vocale GSM nel segnale telefonico tradizionale a 64 kbps (es., A-law in Europa)
• Si potrebbe posizionare l’elemento TRAU anche nella BTS, ma questo costringerebbe a collegare BTS e BSC con una linea ISDN a 64 kbps per ogni flusso vocale; inserendolo nel BSC si multiplexano più canali vocali GSM sulla stessa linea. Si potrebbe anche pensare di inserirlo nel MSC
GSC
FEC MUX MUX FEC
A-Law GSC TRAU
MS MSC BSS
User plane: trasmissione voce (2/2)
50
TRAU in BTS
TRAU in BSC
TRAU in MSC
• Quando il TRAU non è nella BTS è necessario prevedere un canale di segnalazione in banda tra BTS e TRAU
Control Plane
51
52
Concetti base Segnalazione SS#7
• Segnalazione a canale comune che introduce nuove funzionalità della rete • Maggiore velocità dei messaggi di segnalazione • Maggiore efficienza e affidabilità • Commutazione di pacchetto (max size 560 bit) datagram • Canali di segnalazione a 64 kbps
SSP STP
SCP
SCP STP SSP
Utente
Utente
Canali Voce
SS7 SS7
- SSP: Service Switching Point o SP: Signalling Point - STP: Service Transfer Point o Signalling Transfer Point - SCP: Service Control Point
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Struttura a due livelli
SSP
SCP
SSP
Utente Utente
A link
B link
D link
F link
E link (verso un gruppo di STP di backup)
A link
A link
A link
STP STP
STP STP
STP STP
C link
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Pila Protocollare SS#7
MTP – Level. 1
MTP – Level. 2
MTP – Level. 3
SCCP
ISUP TUP
Null
TCAP
OMAP
Call Processing
Layer 1
Layer 2
Layer 3
Layer 4,5,6
Layer 7
Link fisico bidirezionale digitale.
Trasferimento affidabile dei dati (Signal Unit): ARQ (Go-back-n), flow control.
Trasf. Mess. tra nodi. Indirizzi SS#7: DCP (Destination Code Point)
Traduzione indirizzi globali in indirizzi SS7
Gestione servizi avanzati (es. passa ad un SCP le cifre che seguono 800 nei servizi di Numero Verde)
Procedure per la gestione della rete
MTP – Message Transfer Part SCCP – Signalling Connection Control Part TCAP – Transaction Capabilities Application Part ISUP – ISdn User Part TUP – Telephone user Part OMAP – Operation, Maintenance and Administration Part
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Indirizzamento
Indirizzi E.164 (indirizzamento Non Uniforme)
1 - 3 cifre max 40 cifre
max 15 cifre
max 55 cifre
- CC: es. 39 Italia, 01 USA - NDC: usato per l’instradamento, definisce un’area - SN: numero di utente
Country Code (CC)
National Destination Code (NDC)
Subscriber Number (SN) Subaddress
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Esempio chiamata (1): call setup
Chiamante Chiamato
STP SSP SSP
VOCE
Answer
Ringing
Origination
IAM IAM
ACM ACM
ANM ANM
IAM – Initial Address Message; ACM – Address Complete Mess.; - ANM – ANswer Mess.
Dial Tone
Digit
Ringing Tone
Subscriber Signalling ISUP ISUP
Subscriber Signalling
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Esempio chiamata (2): call release
Chiamante Chiamato
STP SSP SSP
Disconnect
SUS
REL REL
RLC
VOCE
REL – RELease message; RLC – ReLease Complete mess.; SUS – SUSpend mess.
SUS
Subscriber Signalling ISUP ISUP
Subscriber Signalling
RLC
Timeout
Concetti base ISDN
- Evoluzione rete telefonica verso rete numerica a servizi integrati - ISDN (Integrated Services Digital Network): standard CCITT (oggi ITU-T)
del 1984. • Collezione di standard per definire una architettura digitale per la fornitura di
servizi integrati voce/dati. • Definizione interfaccia standard tra utente e rete.
Commutazione e segnalazione
Serie Q Q.921: LAP-D (Link Access Procedure on D channel) Q.931: Network Layer tra terminali e commutatori.
Concetti, teminologia, interfacce, metodi
Serie I I.100: Strutture, concetti, terminologia. I.400: User-Network Interface.
Rete telefonica e ISDN
Serie E E.164: numerazione internazionale ISDN E.163: piano di numerazione tel. internazionale
Argomento Protocollo Esempi
• Interfaccia unificata per voce e dati • Servizi di fonia e dati a bassa e media velocità (fino a 2 Mbps) • Commutazione di circuito e a pacchetto • Interazione diretta con rete SS#7 • Trasmissione numerica end-to-end
• (i telefoni sono in maggior parte analogici e il collegamento fino al Local Exchange, realizzato con il doppino telefonico, è anche analogico)
• Capacità del canale base: 64 kbit/s
Generalità
FAX
ISDN phone
PC
Interfaccia NT
ISDN
Servizi portanti a commutazione di circuito • flussi a 64 kbit/s fonici • flussi a 64 kbit/s dati con modalità UDI (Unrestricted Digital Information),
cioè con trasferimento diretto di tutti i byte inviati • flussi multiplati a bit rate più basso • flussi nx64, 384, 1536, 1920 kbit/s
Servizi ISDN
Servizi portanti a commutazione di pacchetto • chiamata virtuale e a circuito virtuale permanente • connection-less • segnalazione di utente
Servizi supplementari • Identificazione del Numero • Call transfer, Call forwarding busy, Call forwarding no reply • Call waiting (avviso di chiamata), Call hold • Multiutenza (conferenze a tre o più) • Comunità di interesse • Comunicazione costo chiamata, addebito al chiamato • trasferimento informazioni aggiuntive
Flussi base: voce e dati a bassa velocità
Canali ISDN
- Segnalazione e controllo con SS#7 - eventuali dati interattivi o diretti end-to-
end tramite SS#7
Dati con alte capacità H0: 384 kbps
H11: 1536 kbps
H12: 1920 kbps
Canale D
(16 o 64 kbps)
Canale B
(64 kbps) Canale
H
B R I : B a s i c R a t e Interface
Interfacce ISDN
B
H11
PRI: Primary Rate Interface
D
n B +D (n ≤ 23 in USA; n ≤ 30 in Europa)
64 kbps
16 kbps
144 kbps
B B B … D
Nord-America+Giappone: 1544 kbps; Europa: 2048 kbps
1 2 n
1536 kbps
In Nord America
H12
1920 kbps
In Europa
B
n H0 +D (n ≤ 3 in USA; n ≤ 5 in Europa)
… D
1 2 n
H0 H0 H0
64 kbps 384 kbps
Dispositivi e punti di riferimento
ISDN
NT1
NT2
TA R
S
T
U NT1
U
4 fili 2 fili
S
• TE1 (Terminal Equipment 1): terminale o sistema di utente nativo ISDN.
• TE2 (Terminal Equipment 2): terminale o sistema di utente non nativo ISDN.
• TA (Terminal Adapter): adattatore per collegare terminali TE2 a interfacce ISDN. (in Europa è a carico del gestore)
• NT1 (Network Termination 1): conversione di segnali elettrici (passaggio da 4 a 2 fili). Solo livello fisico. In Europa è di competenza del gestore.
• NT2 (Network Termination 2): terminazione che può svolgere funzioni di concentrazione e commutazione (es. PBX digitali).
Tipologie di connessione tra due funzioni
• R: connessione tra TA e terminale non ISDN (TE2).
• S: interfaccia tra TE1e terminali di rete (NT).
• T: elettricamente identico a S; interfaccia tra NT2 e NT1
• U: interfaccia tra NT1 e rete telefonica.
TE1
TE2
Architettura Protocollare
Q.921 (LAP-D)
Interfaccia BRI e PRI
LAP-B
Canale D
Q.931 (call control)
X.25 packet layer
X.25 packet layer
Segnalazione end-to-end
Physical
Data Link
Network
Superior Layer
Packet Signalling Circuit Switching
Packet Switching
Permanent Circuit
Canale B
Data Link
Flag
01111110
Flag Address Control
8 bit 16 bit 8/16 bit
Information
Variable
01111110
FCS
16 bit 8 bit
LAP-D (Link Access Protocol-D) • Simile a HDLC in modalità ABM • Servizio riscontrato. Connection-oriented service, con ARQ di tipo Go-back-n. • Servizio non riscontrato con controllo d’errore, frame non numerate, nessun
controllo di flusso. Usato per alte velocità e gestione di rete. • Multiplazione di vari collegamenti logici sullo stesso canale D, assegnando ad ogni
connessione un DLCI (Data Link Connection Identifier).
Configurazioni di accesso
(a)
TE r r NT1
fino a 1 km
r r NT1
TE TE TE
(b)
100-200 m
r NT1
TE TE
(c)
r
fino a 1 km 25-50 m
(a) Punto-punto. • Max 1 km (o attenuazione max di 6 dB). • Ritardo max tra 10 e 42 µs.
(b) Punto-Multipunto con bus-passivo corto. • max 8 TE casuali sul bus. • Lunghezza max funzione del ritardo di
propagazione. • Ritardo tra 10 e 40 µs (max 100-200 m). • NT1 a temporizzazione fissa.
(c) Punto-multipunto con bus-passivo esteso. • Cavo tra 100 e 1000 m. • max 8 TE tutti all’estremità remota del bus con
distanza reciproca tra 25 e 50 m. • NT1 a temporizzazione fissa o adattativa.
N.B. Nelle configurazioni si usano resistenze r di adattamento delle interfacce
Es. chiamata fonica ISDN (1) Chiamante Chiamato
Conversation
Alerting
Setup
Connect
IAM
ACM
ACM
IAM Setup ACK
Setup
ANM ANM
Ringing Tone Ringing
Connect
Connect ACK
Q.931 Q.931 ISUP ISUP
Alerting
STP SP SP
Call Proceeding
Es. chiamata fonica ISDN (2) Chiamante Chiamato
STP SP SP
Disconnect
Release Complete RLC
REL REL
RLC Release
Disconnect
Release Complete
Release
Q.931 Q.931 ISUP ISUP
Control Plane
69
Elementi Control Plane GSM (1/2)
70
• Le interfacce Um e Abis sono specifiche del sistema GSM • Le altre interfacce (A, B, C, E) sono relative al sistema ISDN di cui
utilizzano i protocolli standard • Interfaccia Um: tra MS e BTS • Interfaccia Abis: tra BTS e BSC • Interfaccia A: tra BSC e MSC • Layer 1 (Physical): canali logici di segnalazione sugli slot
temporali del GSM (struttura multiframe) sull’interfaccia Um; trasmissione su linee a 64 kbps (ITU-T G.703, G.705, G.732) o a rate più alto (2048 kbps)
• Layer 2: si utilizza una versione modificata del LAPD (cioè LAPDm) sull’interfaccia radio per il supporto anche dei vari canali di segnalazione (BCCH, PCH, AGCH, SDCCH); sulle altre interfacce si usa il LAPD
Elementi Control Plane GSM (2/2)
71
• Layer 3: è suddiviso in 3 sublayer • Radio Resource Management (RRM) • Mobility Management (MM) • Connection Management (CM)
• RRM: gestisce le frequenze e i canali per cui il modulo RR del MS interagisce con quello della BTS. Obiettivo è il setup, il mantenimento e il rilascio delle connessioni RR che permettono le comunicazioni punto-punto tra MS e rete (comprese le procedure di cell selection e handover). Effettua il controllo di BCCH e CCCH quando non ci sono chiamate in corso.
• MM: gestisce tutte le procedure relative alla mobilità e coinvolge MS e MSC (es. assegnazione TMSI, location update, identificazione e autenticazione MS)
• CM: è costituito da 3 componenti • Call Control: gestione chiamata con segnalazione telefonica (compresa la gestione
delle chiamate di emergenza) • Supplementary Services: gestione dei servizi supplementari identici a quelli di
ISDN (es., call forwarding, blocco chiamate, identificazione numero, trasferimento di chiamata, chiamata in attesa, ecc.)
• Short Message Service: gestione del servizio SMS • Le funzioni di MM e CM sono gestite da MS e MSC. Quelle di RRM sono gestite da MS e
BSS con la definizione anche di una specifica segnalazione tra MSC e BSC (la BSS Application Part)
Modalità operative Mobile Station
72
• Idle Mode: il terminale può essere
• Spento (NULL) • Cercare il canale BCH con la
migliore qualità del segnale (Search BCH)
• Sincron izzato con una specifica stazione e pronto a chiamare o a ricevere una chiamata (BCH)
• Dedicated Mode: il terminale può
• sincronizzarsi con un canale fisico (Tuning DCH)
• Essere pronto a stabilire canali logici dedicati (DCH)
Idle MODE
Null
BCH Search BCH
Tuning DCH DCH
Dedicated MODE