Teoria Wireless Communication

Cap 12mobile radio parte 2

TACS: prima generazione di comunicazione radio mobile

TACS è la prima generazione di comunicazione radio mobile analogica (1G). La modulazione per i canali avviene in frequenza; la comunicazione vocale avviene in FM (Frequency Modulation), mentre la segnalazione tramite FSK (Frequency-Shift Keying).

Principali caratteristiche del TACS

• Service band: 872-905 MHz nel reverse link e 917-950 MHz nel forward link
• ETACS 1320 full duplex channels
• Channel spacing: 25 KHz
• Duplexing step: 45 MHz
• Multiple Access: FDMA-SCPC (Single Channel per Carrier)
• Cluster: 21 celle per C/I impostato a 18 dB
• Canali di traffico: utilizzati per chiamate vocali e/o dati, assegnati a terminali mobili dopo una fase di "impostazione" del canale. Modulazione In Frequenza
• Canali di controllo: usati per trasportare comuni informazioni e messaggi di controllo

Impostazione chiamata: c'è un canale di controllo dedicato (FOCC per il forward link e RECC nel reverse link); FOCC è utilizzato per trasmettere informazioni di comune pertinenza (ad es. prefisso della posizione) e per trasmettere messaggi a singoli terminali mobili (ad es. cercapersone o assegnazione dei canali), mentre il RECC viene utilizzato dal terminale mobile nella fase di registrazione, inoltro chiamata e conferma di chiamata.

Gestione delle chiamate: in questo caso il canale vocale viene utilizzato per la segnalazione, ad esempio per la consegna e il controllo della potenza.

Handover: NCHO (Network Controlled HandOver). L'MSC (Mobile Switching Center) invia i comandi alle stazioni base vicine (Base Stations, BS) per iniziare a monitorare il collegamento inverso di un determinato canale radio. Il ritardo nel completamento dell'intera procedura è piuttosto ampio (10 secondi).

Copertura tipica: 7 celle per cluster ed antenne omnidirezionali per le aree rurali con poca densità di traffico. 21 celle per cluster ed antenne settorizzate per le aree urbane ad alta densità.

GSM: seconda generazione comunicazione radio mobile

La seconda generazione di comunicazione radio mobile (2G) è basata su tecniche digitali, ma ancora orientata a supportare dei servizi telefonici mobili. Ha dei canali logici per supportare i servizi per i dati, ma con un bit-rate limitato.

Architettura del GSM

Sottosistema Stazione Mobile (MS)

È il terminale usato dal cliente per accedere alla rete. Ogni telefono cellulare GSM contiene nel suo hardware un codice indelebile che serve a identificarlo, cioè l'International Mobile Equipment Identity, IMEI. Esso viene memorizzato nel telefono direttamente dal costruttore.

Un telefono cellulare non può essere usato senza una SIM Card, sulla quale sono memorizzati tutti i dati relativi al cliente radiomobile; questi dati nei sistemi cellulari analogici normalmente venivano memorizzati all'interno del telefono. La SIM Card dispone di una memoria seriale e di un microprocessore in grado di eseguire alcuni algoritmi (Encryption algorithms).

La SIM contiene le seguenti informazioni:

• IMSI, International Mobile Subscriber Identity
• TMSI, Temporary Mobile Subscriber Identity
• Ki, Individual Subscriber Authentication Key
• A8, Ciphering Key Generation Algorithm
• A3, Authentication Algorithm
• PIN e PIN2, Personal Identity Number
• PUK e PUK2, PIN Unblocking Key
• Rubrica telefonica dell'utente (la memoria dipende dal tipo di SIM Card)
• SMS Messaggi dell'utente (la memoria dipende dal tipo di SIM Card)
• Lista delle reti preferenziali
• Spazio per memorizzare informazioni previste dalla specificazione della GSM Phase2

Sottosistema Stazione Base (BSS = BTS + BSC)

È responsabile della trasmissione radio ed è composto da diverse entità. La BTS (Base Transceiver Station) mette a disposizione i canali radio all'interno della cella. Per consentire la realizzazione di BTS compatte, il controllo delle BTS è stato trasferito al BSC (Base Station Controller). Un BSC può controllare anche più di una BTS.

Sottosistema di Rete (NS = MSC + VLR + AUC + EIR + GMSC)

Connette il cliente con un interlocutore. L'MSC controlla una certa area geografica con tutte le BSC e BTS contenute, e deve instradare tutte le chiamate originate dalla sua area di competenza. La differenza tra un MSC e una centrale ISDN è che l'MSC deve anche tenere conto della mobilità dell'utente e delle risorse radio. Per farlo, l'MSC è in contatto con una banca dati, il Visitor Location Register, VLR. Esso memorizza tutti i dati relativi alle MS che momentaneamente si trovano nell'area di competenza del MSC. Un VLR può però anche essere responsabile di più MSC. Il VLR aiuta l'MSC nelle procedure di autentificazione e chiamata, perché fornisce le informazioni memorizzate nel HLR (Home Location Register).

Il VLR memorizza i seguenti dati:

• IMSI, MSISDN, MSRN e parametri di sicurezza
• TMSI, la TMSI cambia ogni volta che il cliente radiomobile cambia Location Area (LA)
• HLR Number per poter identificare l'HLR responsabile
• Stato della MS (spenta, non raggiungibile...)
• Servizi supplementari sottoscritti
• Location Area Identity, LAI controllata dal MSC/VLR nella quale area di competenza la MS si trova momentaneamente

L'HLR memorizza costantemente i dati relativi alle MS che si trovano nella rete. Principalmente l'HLR memorizza la posizione attuale di ogni MS e i servizi supplementari sottoscritti. Ogni HLR è identificato dalla HLR Number. La HLR Number viene inviata ai VLR interessati e permette ad ogni VLR di identificare l'HLR di ogni MS che si trova momentaneamente nella sua area di competenza. Normalmente ogni rete dispone di un HLR centrale e di un VLR per ogni MSC.

L'HLR memorizza i seguenti dati:

• International Mobile Subscriber Identity, IMSI
• Mobile Station ISDN Number, MSISDN, il numero telefonico del cliente
• Servizi supplementari sottoscritti
• VLR Number per identificare il VLR responsabile

Le funzioni principali di un HLR sono:

• Localizzazione della MS, per questo dialoga con il VLR responsabile
• Sicurezza, dialoga con l'AuC e con il VLR
• Instradamento delle chiamate, dialoga con il GMSC
• Tariffazione
• Gestione dei servizi supplementari

L'AUC memorizza gli algoritmi di autentificazione che sono stati assegnati alle MS. L'AUC controlla anche se il servizio è stato richiesto da una MS autorizzata. L'AUC produce parametri che vengono poi inviati al HLR e VLR per l'autentificazione. Il meccanismo di autentificazione verifica la legittimità della SIM senza trasmettere i dati personali come l'IMSI sul canale radio. L'autentificazione avviene quando la MS effettua o riceve una chiamata, quando fa un Location Update o quando attiva o disattiva servizi supplementari.

L'AUC memorizza le seguenti informazioni:

• IMSI
• Ki Individual Subscriber Authentication Key
• TMSI Temporary Mobile Subscriber Identity
• LAI Location Area Identity
• RAND generatore
• Algoritmi A3 e A8

Ogni telefono cellulare GSM contiene nel suo hardware un codice indelebile memorizzato direttamente dal costruttore, l'IMEI. Quando una MS si registra invia alla rete anche l'IMEI che viene memorizzata nel registro EIR. Il registro EIR associa ogni IMEI ad una delle seguenti tre liste:

• White List: contiene le IMEI di tutti i terminali autorizzati
• Black List: contiene le IMEI di tutti i terminali non autorizzati. Questi telefoni troveranno sbarramenti in tutte le reti. In questa lista sono ad esempio contenuti i terminali rubati
• Grey List: contiene le IMEI di tutti i terminali momentaneamente non autorizzati perché si trovano in fase di riparazione o perché la versione software è troppo vecchia

Quando una MS prova ad accedere alla rete, l'MSC verifica con l'aiuto del EIR se l'IMEI della MS che richiede l'accesso è contenuta nella Black- o Grey List. Un EIR è sufficiente per controllare tutte le MS attive nella rete. In futuro è prevista l'interconnessione di tutti gli EIR per evitare l'utilizzo di terminali rubati in tutte le reti GSM. Quando un cellulare rubato prova a registrarsi in una rete GSM, l'operatore può identificare la SIM card e l'area di chiamata da dove avviene la richiesta anche senza lasciar accedere la MS nella rete.

Tutte le chiamate dirette a utenti di rete fissa oppure di rete mobile di altro operatore passano attraverso un MSC speciale, detto Gateway Mobile Switching Center, GMSC. Il GMSC è il punto di collegamento della rete GSM con altre reti. Quando ad esempio un cliente di rete fissa chiama un cellulare GSM, la chiamata viene subito inoltrata al GMSC. Il GMSC entra in contatto col HLR che identifica la posizione attuale della MS e quindi l'MSC responsabile. La chiamata viene poi passata dal GMSC al MSC responsabile.

Sottosistema di manutenzione (OMSS = OMC + NMC)

Controlla il corretto funzionamento della rete. È suddiviso in "Operation and Maintenance Centre" ed in "Network Management Centre".

L'OMC permette all'operatore di controllare la funzionalità di una parte della rete (alcuni MSC). Le funzioni principali sono:

• Gestione della rete
• Gestione della sicurezza
• Configurazione della rete
• Gestione dei lavori di manutenzione
• Lista di tutte le chiamate effettuate dal cliente radiomobile, per la bolletta

Il controllo della rete GSM può essere centralizzato in uno o più NMC. L'NMC coordina tutti gli OMC presenti in rete.

Interfaccia Radio GSM

Bande di frequenza

Evoluzione del GSM

Criterio di accesso multiplo: Viene utilizzato un criterio ibrido di FDMA/TDMA. La spaziatura in frequenza avviene ogni 200 KHz, quella nel tempo avviene considerando 8 time-slots da 577 μs (in cui il burst dei dati è di 546 μs). Dunque l'accesso multiplo viene garantito da un frame FDMA da 200 KHz ed un frame TDMA da 4.6 ms, permettendo di avere 8 diverse chiamate vocali su un singolo frame contemporaneamente.

Strutture di multiframe

• Multiframe a 26 frame: chiamato multiframe per il traffico, composto da 26 frames per una durata di 120 ms; di questi 24 vengono utilizzati per il traffico, mentre i due di avanzo per il controllo (13° e 26° frame). Una cella allocata come canale di traffico, seguirà questo standard composto da 12 frame normali, 1 SACCH (controllo), 12 frame normali, 1 frame vuoto.
• Multiframe a 51 frame: chiamato multiframe di controllo, composto da 51 frame per una durata di 235,4 ms. Questo tipo di multiframe è diviso in sottocanali logici, i quali sono programmati dalla BTS e servono per inviare informazioni sul canale di controllo; è suddiviso in canali logici che includono il Broadcast Control Channel (BCCH), il Frequency Correction Channel (FCCH), il Synchronization Channel (SCH), il Paging Channel (PCH), il Random Access Channel (RACH) e altri.
• Superframe: è una sequenza multiframe che combina il periodo di un "51 multiframe" con quello di un "26 multiframe" (6,12 secondi).
• Hyperframe: è una sequenza multiframe composta da 2048 superframe ed è il più grande intervallo di tempo nel sistema GSM (3 ore, 28 minuti, 53 secondi).

Ad ogni MS viene assegnato un canale di Downlink ed uno di Uplink. Durante le comunicazioni, i tempi degli slot nei collegamenti di Downlink ed Uplink non sono simultanei: c'è un offset temporale tra la trasmissione e la ricezione. Questo offset nella tempistica dello slot GSM è intenzionale e significa che un cellulare a cui è assegnato lo stesso slot in entrambe le direzioni non trasmette e riceve contemporaneamente. Ciò riduce considerevolmente la necessità di costosi filtri per isolare il trasmettitore dal ricevitore, fornendo anche un risparmio di spazio.

Controllo di potenza GSM

Il controllo della potenza fornisce un adattamento della potenza di trasmissione sia per un MS che per una BTS, al fine di soddisfare uno specifico obiettivo in ricezione che garantisce un dato requisito di qualità; il controllo ed il monitoraggio della potenza risulta necessario, in quanto lavorare con una potenza maggiore induce un aumento dell'interferenza verso altri collegamenti. Un criterio di controllo è quello della trasmissione discontinua (Discontinuous-Tx, DTX), che si basa sul trasmettere dati solo quando è necessario.

• Pro: si riducono (in generale) le interferenze e si aumenta la capacità del sistema (trasmettendo di meno, la banda che resta disponibile è maggiore).
• Contro: la qualità della comunicazione è ridotta.

Il criterio analogo in ricezione è detto ricezione discontinua (Discontinuous-Rx, DRX). Tale criterio è fondamentale per la riduzione del consumo energetico dei terminali mobili. Al fine di ridurre ulteriormente le interferenze, si fa riferimento al Frequency Hopping: all'interno di una connessione viene cambiato il canale radio in modo pseudo-casuale all'interno di un dato insieme di sottobande di frequenza. Questa è una sorta di diversità di frequenza che consente di randomizzare l'effetto dell'interferenza tra varie connessioni.

Nota: La codifica dei canali in genere funziona bene in caso in cui gli errori siano distribuiti casualmente all'interno di una sequenza temporale. La correlazione dei canali wireless (vedere coerenza tempo) può causare esplosioni di errori. L'interleaving ridistribuisce gli errori su un intervallo di tempo più ampio, mitigando gli effetti delle esplosioni di errori.