Reti di Calcolatori - Appunti Parziale 2

Capitolo 2.6: sistema telefonico mobile o sistemi cellulari

Si possono chiamare reti radio mobili. È composto da un insieme di celle che ricevono segnali radio nella parte che va tra l’antenna un po’ prima di 1 GHz e un po’ dopo i 4 GHz. Rete radio mobile è differente dall’equipaggio mobile, tutto il resto è fisso.

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 frequenze, si riutilizzano al fine di ottenere il maggior numero di comunicazioni simultanee su un dato canale (punto 3 e 4). La ITU è l’ente che normalmente si 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.

Riuso delle frequenze

Il riuso delle frequenze comporta:

• Potenza trasmissiva ridotta (riduzione potenza a bordo cella).
• Irregolarità della forma delle celle.
• 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).
• Gestione della potenza: dipende dalla dimensione della cella e quindi da forma irregolare anche se rappresentata con esagoni. L’area di influenza, di solito una forma irregolare anche se rappresentata con esagoni, ha un raggio tipico di 30-35 km e si riduce verso il bordo della cella. La potenza dell’antenna è proporzionale alla potenza delle portanti per numero totale 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. Questo processo deve essere trasparente, cioè l’utente non deve accorgersi 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 lasciare almeno un “cuscinetto” di 2 celle tra ogni coppia di celle con stessa frequenza. Così si riduce l’interferenza cocanale.

Difficoltà del GSM

Anche il GSM ha le sue difficoltà:

• Interferenza cocanale (celle limitrofe): smette di funzionare un’antenna e lascia una cella “scoperta”.
• Fading (evanescenza momentanea): riflessioni d’onda su più superfici riflettenti (fading veloce); assorbimento dovuto ad ostacoli di grande dimensione maggiori della lunghezza d’onda (fading lento).

Per ovviare esistono due tecniche:

• Antenna diversity: si pongono due antenne riceventi a distanza λn.
• 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 paese (vennero definiti standard come NMT e AMPS).
• (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 Communications System).

È uno standard di rete per i telefoni cellulari di prima generazione (1G). 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 usata 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 (Extended TACS), nasce con l’idea di aumentare la capacità della rete attraverso una più ampia gamma di frequenze. La banda è tra 872-950 MHz (1320 canali). Scarsa diffusione poiché gli sforzi si sono concentrati sul GSM. In seguito obsoleto dall’arrivo dell’UMTS e in generale dai 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-AMPS.
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).
• QoS ottenuta attraverso tecniche numeriche di controllo dell’errore.
• 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 crittografate con opportuni algoritmi; scheda personale dell’utente (SIM).
• 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 1800 MHz (75 MHz), ha caratteristiche di propagazione differenti, ampiezza di banda tripla 75 MHz 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 35 MHz complessivi. Abbiamo un canale con 200 KHz pari a 174 portanti. Su quella cella ho con campionamento 16 Kbps (full-rate) 1392 canali, con campionamento 8 Kbps (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:

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): è data dalla 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 management. 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 stessa rete e su altre reti GSM.

C’è una aggregazione tra:

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

Quando vado in un'altra zona e accendo, la BTS dove sono arrivato interroga l’MSC per 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.

Registri e unità

1. EIR (Equipment Identity Register): si attiva ad ogni registrazione (instaurazione). Ogni provider deve averne uno autonomo. È 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).
2. AuC (Authentication Center): si attiva ad ogni instaurazione (trasmette solo su rete fissa) creando un record. È un sottoinsieme dell’EIR però viene interrogato quando si utilizza un collegamento che richiede l’autenticazione. È un DB costituito da record dell’utente recanti: IMSI; TMSI (Temporary Mobile Subscriber Identity) associato alla LAI (Location Area Identity); Ki; A4; A8. Fornisce i codici per l'autenticazione e per la cifratura.
3. OMC (Operation and Maintenance Center): controlla una parte della rete GSM di un operatore. È un centro che si occupa della parte di gestione. Gestisce le configurazioni e le prestazioni di tutti gli elementi dell’architettura (BTS, BSC, MSC, VLR, HLR, AuC, EIR). Gestisce guasti, allarmi, stato del sistema. Programma ed esegue test periodici. Raccoglie tutti i dati per l’accounting degli utenti.
4. NMC (Network Management Center): controlla e gestisce tutti gli OMC, dunque l’intera rete.

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 è 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 velocità di 500 Km/h).

La velocità di trasmissione dei dati tra 384 Kbps e 2.048 Mbps. La tecnologia soft-handover elimina le discontinuità registrabili nel passaggio di cella (1885-2025 MHz e 2110-2200 MHz).

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", cioè 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

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

1. Fornire un servizio ben definito d’interfaccia allo strato 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 fondamentali