Reti di Calcolatori - Appunti Parziale 2

CAPITOLO 2.6 (Sistema telefonico mobile)

o sistemi cellulari. E’ composto da un insieme di celle che ricevono segnali

Si possono chiamare reti radio mobili

un po’ prima di 1GHz e un po’ dopo i 4GHZ. radio nella parte che va tra l’antenna

differenti Rete radio mobile è e

mobile, tutto il resto è fisso.

l’equipaggio Ad eccezione del tratto antenna‐terminale sono sostanzialmente wired. Sono

reti bidirezionali uplink/down link. La rete TV/Radio è una trasmissione broadcast in una cella con unica frequenza

(radio e tv); sono tipicamente unidirezionali. In una cella ci sono migliaia di utilizzatori. Non potendo usare tutte le

per effettuare un’ottimizzazione di frequenze

frequenze, si riutilizzano al fine di ottenere il maggior numero di

è l’ente che normalmente si

comunicazioni simultanee su un dato canale (punto 3 e 4). La ITU occupa di assegnare le

frequenze: alcune sono state assegnate a livello internazionale, altre bande sono invece gestite autonomamente

direttamente dalle singole nazioni. Vengono create 3 celle (cluster), per cui ogni cella non abbia più nessuna delle

interferenze. Il riuso delle frequenze comporta:

1) Potenza trasmissiva ridotta (riduzione potenza a bordo cella)

2) Irregolarità della forma delle celle

3) Superfetazione: Devo prestare attenzione alla vicinanza delle frequenze (Limitrofia delle frequenze ). Se troppo

vicine possono generare interferenza cocanale (sovrapposizione eccessiva di frequenze di canali diversi)

ll’area di influenza (di solito una

4) Gestione della potenza: dipende dalla dimensione della cella e quindi da forma

irregolare anche se rappresentata con esagoni) che ha un raggio tipico di 30‐35 km, si riduce verso il bordo della

cella. La potenza dell’antenna è proporzionale alla potenza delle portanti per num tot di portanti(MHz).

La distanza di riuso è la distanza di 2 celle che hanno la stessa frequenza, e deve essere inferiore al diametro della

cella, sennò rischio l’interferenza cocanale. Il processo che permette di gestire il passaggio di un utente da una cella ad

un’altra è l’Handover. l’utente non deve accorgersi

Questo processo deve essere trasparente, cioè di ciò che sta

accadendo e la comunicazione deve rimanere attiva e possibilmente mantenere una qualità maggiore. Nel caso

utilizzassimo celle più piccole significa che ci saranno più operazioni di handover e aumentano gli utenti, ma

diminuisce la distanza tra le frequenze utilizzate e questo influenza la QoS. Ogni base station ha a disposizione un certo

numero di canali (frequenze). Per ottimizzare le frequenze solitamente i provider dividono la banda in n parti. In

questa maniera ottengono n celle ognuna con banda di frequenza diversa. Le frequenze ovviamente non sono riutilizzate

in celle adiacenti. Se si vuole aumentare il numero di utenti per area geografica si può ridurre la dimensione delle

celle (microcelle). Un gruppo di n celle che assieme ricoprono tutta la banda disponibile si chiama cluster. I cluster

vengono riprodotti in maniera omogenea in maniera tale da ricoprire l’intero territorio. La loro disposizione è tale da

almeno un “cuscinetto” di 2 celle tra ogni coppia di celle si riduce l’interferenza

lasciare con stessa frequenza. Così

cocanale. Anche il GSM ha le sue difficoltà:

 un’antenna e lascia una cella “scoperta”.

Interferenza cocanale (celle limitrofe): smette di funzionare

 Fading (evanescenza momentanea):

riflessioni d’onda su piu’ superfici riflettenti (fading veloce);

- della lunghezza d’onda (fading lento).

- assorbimento dovuto ad ostacoli di grande dimensione maggiori

Per ovviare esistono due tecniche: λn;

- antenna diversity: si pongono due antenne riceventi a distanza

- frequency hopping: la comunicazione viene trasmessa su due frequenze diverse.

I sistemi radio cellulari

Il termine cellulare deriva dal sistema di organizzazione delle frequenze che per comodità venivano suddivise in celle di

dimensione fissa. Ogni cella possiede un trasmettitore/antenna chiamata BTS (Base Transceiver Station). Abbiamo

principalmente 3 generazioni di telefoni cellulari ognuno dotato di tecnologia differente:

1) Voce analogica (prima generazione): La voce viene trasmessa utilizzando la modulazione di frequenza. Si ha SCPC

(Single Channel Per Carrier) ovvero singolo canale di trasmissione per ogni utente. Quando inizia una trasmissione

viene assegnata una frequenza all’utente, la quale non può essere utilizzata da nessun altro. Si ha una scarsa

sicurezza nella comunicazione poiché quando instauro una connessione mi baso solo sul riconoscimento del

dispositivo terminale mobile (solitamente tramite il numero), non si può applicare la crittografia (scrambler) e le

intercettazioni sono relativamente facili, quindi non è adatta a trasmettere dati (molto costoso). Sullo stesso canale

posso avere 8 o 16 utenti diversi. Storia:

(1983) Prime applicazioni USA. Il primo sistema è stato creato dalla AT&T e funzionava per l’intero

a. paese

(vennero definiti standard come NMT e AMPS).

b. (1985) Utilizzo nei paesi scandinavi e in Europa. Al contrario degli USA qui ogni paese inventò il proprio

sistema: il risultato finale fu un fiasco. Dopo questo primo errore è stato sviluppato il TACS (Total Access

E’ uno standard di rete per i telefoni cellulari di prima generazione (1G).

Communications System).

Si basava su una tecnologia di tipo analogico con un sistema di suddivisione in celle. Ha 1000 canali da 70 KHz

(890‐960 MHz) suddivisi per cella e non tutti vengono usati perché viene usato una zona di buffer di 25+45 Khz.

Aveva alcune pesanti limitazioni ma è ancora in piedi:

– Limitato numero di chiamate contemporanee veicolabili da ciascuna BTS.

– Non era in grado di fornire servizi diversi dalla comunicazione vocale , come SMS, fax ed email.

– I terminali erano molto facilmente clonabili mediante contraffazione del codice identificativo.

– Le chiamate potevano essere intercettate da chiunque con uno scanner, o tramite banali modifiche ad alcuni

modelli di cellulari (Es. Motorola Microtac).

(1993) Viene introdotto l’ETACS nasce con l’idea di aumentare la capacità della rete

c. (Extended TACS),

attraverso una più ampia gamma di frequenze. La banda è tra 872‐950 MHz (1320 canali). Scarsa diffusione

gli sforzi si son concentrati sul GSM. In seguitoo obsoleto dall’arrivo dell’UMTS e in generale dai

poichè

dispositivi (3G). Il TACS ha ceduto le sue frequenze al GSM nel 2005 smettendo di funzionare definitivamente.

Ha distribuito rapidamente la telefonia mobile in Italia (1990). Limitato a livello nazionale . Ancora supportata.

2) Voce digitale (seconda generazione) I cellulari di seconda generazione trasmettono i dati in formato digitale. Anche

in questo caso per la 1G c’è stata poca unificazione e sono stati creati 4 standard diversi:

1. D‐AMPS (Digital Advanced Mobile Phone System): Compatibile con cellulari di 1G. Segnale digitalizzato e

compresso (FDM+TDM–Time Division Multiplexing)sull’apparecchio. Usato in USA.

2. CDMA (Code Division Multiple Access) : Anziché dividere la frequenza per n comunicazioni tutti utilizzano le

stesse bande ma ogni conversazione ha una codifica diversa.

3. PDC (Personal Communication Service): Utilizzato solo in Giappone; molto simile al D‐APMS

4. GSM (Global System for Mobile communications) GSM Global System for Mobile communication (1989-

ETSI). È il primo sistema standardizzato a tecnica di trasmissione numerica su canale radio. Arriva a fine anni

’80 e in seguito sostituisce il TACS. Risolve i problemi legati alla tecnologia analogica 1G (sicurezza e

interoperabilità). Evoluzione in 2 fasi:

– Phase I (1991): servizi base essenziali più alcuni supplementari

– Phase II (1993): correzione errori Phase I, ulteriori servizi (es. avviso di chiamata)

Caratteristiche principali sono:

– Frequenze a cavallo dei 900 MHz (890‐915 MHz uplink da terminale a base station | 935‐960 MHz

downlink da base station a terminale).

– ottenuta attraverso tecniche numeriche di controllo dell’errore.

QoS

– Compatibile con ISDN (con i sistemi di connessioni e reti gateway che conosciamo) e OSI

– Basso costo dei dispositivi terminali (rispetto a TACS) e di gestione

– Roaming internazionale e nazionale (tra operatori diversi) tramite la codifica numerica

– Comunicazioni sicure e riservate : Individuazione della MS (Mobile Station); Singole comunicazioni

Scheda personale dell’utente (SIM)

crittografate con opportuni algoritmi;

– Come nel D‐AMPS tecniche FDM e TDM assieme per sfruttare al meglio la banda

– Velocità 9600 kbps

– Short Message System (SMS)

– Suddivisione del territorio in celle con larghezza di banda pari a 25 MHz (massimo sfruttamento) nel

GSM tradizionale col riutilizzo delle frequenze clustering

– 125 canali da 200 KHz ciascuno (FDM)

– Ogni canale viene suddiviso temporalmente fra 8 utenti.

– Le celle coprono distanze fino a 30-35 Km circa (aumentando delle celle si rischia interferenza)

– Ritardo di propagazione tra BS‐ME‐BS (massima dimensione della cella) è stimato 233 microsec.

– Maggior sfruttamento della banda: al diminuire della dimensione della cella si rischia l’interferenza

cocanale, al diminuire della potenza trasmissiva si abbassa QoS

Si evolve in DCS 1800. Questo mette in piedi una seconda rete che ha le stesse caratteristiche ma usa il protocollo

PCN (Personal Communication System), va su frequenze 1800Mhz (75Mhz), ha caratteristiche di propagazione

differenti, ampiezza di banda tripla 75Mhz che triplica gli utenti per cella, minor potenza di trasmissione (meno

interferenze e sfruttamento batterie) . Posso avere diversi apparecchi come i telefoni mobili multistandard, oppure

–

dual band (stessa tecnologia ma frequenze differenti spesso con funzionalità dual band handover (GSM DCS;

esempio: Tri-band 900-1800-1900 (USA)), oppure dual mode (diversa tecnologia (GSM - DECT, GSM -

satellitare)), oppure dual SIM. Si ha una tecnica di accesso mista:

FDMA (per suddivisione di banda) TDMA: 8 time-slot (full-rate) o 16 time-slot (half-rate)

Ipotizziamo di avere 35MHz complessivi. Abbiamo un canale con 200 KHz pari a 174 portanti. Su quella cella ho

con campionamento 16Kbps (full-rate) 1392 canali, con campionamento 8Kbps (half-rate) 2784 canali. Più lo

divido e più canali ottengo. Stessa cosa per DCS.

3) Voce e dati digitali (terza generazione)

Architettura GSM

Ogni cella è servita da una stazione ricetrasmittente BTS (Base Transceiver Station), che fornisce la trasmissione e

la ricezione radio per e dalla stazione mobile o MS. Ogni MS (Mobile station) consiste in:

E’ dato dal

1) ME (Mobile Equipment): codice IMEI (International Mobile Equipment Identity) che ha 15 cifre: 6 cifre

modello e costruttore, 2 cifre luogo di costruzione, 6 cifre serial number, 1 cifra disposizione/usi futuri.

2) Una SIM (Subscriber Identity Module) netta distinzione

tra il cellulare e i dati dell'abbonato. Contiene:

Codici associati primari (al sottoscrittore)

• IMSI (International Mobile Subscriber Identity): 2 cifre

luogo di costruzione; 6 cifre serial number; 1 cifra

disposizione/usi futuri

• una chiave segreta di autenticazione Ki

Codici associati secondari

• un algoritmo di autenticazione (A3)

• un algoritmo di cifratura (A8)

• una lista degli operatori GSM preferenziali

• contiene processore (16 bit) esegue algoritmi di

cifratura e memoria (RAM, ROM, EEPROM)

8‐16‐32‐64‐128 Kbyte

• SMS, MMS, EMS…; PIN, PIN2, PUK (PIN

Unlock key), PUK2; rubrica telefonica (text/voice),

SMS, MMS, EMS, lista operatori

Ci sono funzioni dirette associate alla MS: Algoritmo DTX

(Discontinuous Transmission) crea un rumore di fondo per

dare continuità al segnale.

L’architettura GSM viene divisa in 2 blocchi. Il primo

operativo, il secondo di controllo e di menagment. Un

gruppo di più BTS (cluster- quindi avrà tante antenne) è

controllato da una BSC (Base Station Controller), che si

occupa del mantenimento della chiamata, ovvero controlla la

gestione e distribuzione dei canali e la funzione di handover.

Un gruppo di BSC è gestito da una centrale di commutazione

MSC (Mobile Services Switching Center): essa costituisce il

cuore del sistema radiocellulare, ed è responsabile

dell'indirizzamento delle chiamate dalla fonte alla loro destinazione. Il MSC

detto anche GMSC (con gateway predefiniti e può essere PSTN, ISDN e altri

gestori) agisce anche come interfaccia tra la rete GSM e le reti pubbliche di

telefonia e dati, e può anche essere collegato ad altri MCS sulla stesa rete e su

C’è una aggregazione tra:

altre reti GSM.

1) MSC: che ha tutte le antenne di quel cluster (quindi copre area molto

vasta) e

2) VLR (Visitor Locator Register): rimane registrato fino a che non viene

abbandonata la accoppiata MSC-VLR. Controlla tutti i canali (quando

si accende) di tutte le BTS (Base Transceiver Station) che sono collegate al BSC.

Contiene e mantiene aggiornate le informazioni relative alle MS che sono

presenti, nell’area da esso servita.

zona e accendo, la BTS dove sono arrivato interroga l’MSC per

Quando vado in un'altra

il cambio di VLR. Questo VLR cambiato va a cercarlo nell’HLR (Home Location

Register) che contiene i dati relativi agli utenti di un gestore. Tutta questa architettura è

un provider. L’HLR dice che è un utente registrato, ma l’ultima cella alla quale era

attaccato stava in un altro posto. Quindi carica il nuovo VLR sul vecchio. Se resto sulla

stessa MSC non cambia niente, altrimenti viene interrogato il VLR (figura). L’insieme di

MSC e VLR prende il nome di Location Area (esistono LA che possono essere

completamente o parzialmente poste l’una sull’altra). Una parte di dati statici (dati dell’abbonato chiamato), una parte di

dati dinamici (dati sui servizi attivati) e il VLR compongono l’HLR. Per vedere un esempio di chiamate guardare figura.

Ci sono vari registri e unità:

1) EIR (Equipment Identity Register): Si attiva ad ogni registrazione (instaurazione). Ogni provider deve averne

uno autonomo. E’ un DB costituito da record recanti ME: con IMEI omologati per GSM (White list); non

omologati per GSM (Grey list); di apparecchi rubati (Black list).

attiva ad ogni instaurazione (trasmette solo su rete fissa) creando un record. E’

2) AuC (Authentication Center): Si

un sottoinsieme dell’EIR però viene interrogato quando si utilizza un collegamento che richiede l’autenticazione.

E’ un DB costituito da record dell’utente recanti:

fornisce i codici per l'autenticazione e per la cifratura.

IMSI; TMSI (Temporary Mobile Subscriber Identity) associato alla LAI (Location Area Identity); Ki; A4; A8

E’ un centro

3) OMC (Operation and Manteinance Center): controlla una parte della rete GSM di un operatore.

che si occupa della parte di gestione. Gestisce le configurazione e le prestazioni di tutti gli elementi

dell’architettura (BTS, BSC, MSC, VLR, HLR, AuC, EIR). Gestisce guasti, allarmi, stato del sistema.

tutti i dati per l’accounting degli utenti.

Programma ed esegue test periodici. Raccogli l’intera rete.

4) NMC (Network Managment Center): controlla e gestisce tutti gli OMC, dunque Interfacce GSM

tra elementi dell’architettura

Multiplazione TDMA

Ogni canale da 200 KHz è suddiviso in frame GSM la cui durata temporale è 4,616 ms. Ogni frame p suddiviso in 8

time‐slot da 0,577 ms. Un numero prefissato di frame consecutivi forma un multiframe.

– Traffic Multiframe composti di 26 frame (120 ms)

– Control Multiframe composti di 51 frame (235 ms)

I multiframe sono aggregati in superframe (6,12 s)

–Traffic Superframe composti di 51 multiframe

– Control Superframe composti di 26 multiframe

2048 superframe costituiscono un hyperframe (3h 28m 53s).

Ogni comunicazione è caratterizzata da:

1. Numero di time-slot (TS)

2. Numero di trama (FN) calcolato sull’ HYPERFRAME

3. Numero frequenza della portante (canale radio usato)

Per consentire l’handover, una stessa comunicazione ha il time-slot di TX shiftato di 3 time-slot (sfasatura) rispetto a

quello di RX.

UMTS

Convergenza su: compatibilità tecnologica col sistema GSM e handovering multi band

(144 Kbps per terminali mobili a velocita’ di 500 Km/h).

La velocità di trasmissione dei dati tra 384Kbps e 2.048Mbps La

tecnologia soft-handover elimina le discontinuità registrabili nel passaggio di cella (1885-2025Mhz e 2110-2200Mhz)

CONFRONTO FRA 802.3 E 802.5

Vantaggi di 802.3:

• ha un'enorme diffusione;

• esibisce un buon funzionamento a dispetto della teoria.

Svantaggi di 802.3

• ha sostanziose componenti analogiche (per il rilevamento delle collisioni);

• il funzionamento peggiora con forte carico.

Vantaggi di 802.5:

• è totalmente digitale;

• va molto bene sotto forte carico.

Svantaggi di 802.5

• c'è ritardo anche senza carico (per avere il token);

• ha bisogno di un monitor (e se è "malato", cioé malfunzionante, e nessuno se ne accorge?).

In definitiva, nessuna delle due può essere giudicata la migliore in assoluto.

CAPITOLO 3 (Data Link)

3.1 Progetto dello strato data link

E’ il secondo livello dell’architettura ISO OSI. Le funzioni principali:

d’interfaccia allo strato

1) Fornire un servizio ben definito

network (livello rete)

2) Gestire gli errori di trasmissione

3) Regolare il flusso di dati in modo che i dispositivi riceventi

lenti non vengano sopraffatti dai trasmettitori veloci

Lo strato data link prende i pacchetti provenienti dallo strato network

e li incapsula in frame prima di spedirli. Questi hanno delle

intestazioni (Header). I passaggi fondament