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Lezione 21 – Sistemi Cellulari I
Concetti Generali e GSM
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1
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Introduzione
 Il termine “cellulare” proviene dalla suddivisione
dell’area di copertura del sistema in celle
 Una cella è formalmente definita come l’area nella
quale l’uso delle risorse di comunicazione radio di una
Mobile Station (MS) è controllato da una singola Base
Station (BS)
 La dimensione e la forma della cella e le risorse
allocate per ogni cella dettano la performance del
sistema

Dato il numero di utenti, la frequenza media delle chiamate,
la durata media del tempo di chiamata
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Sistema Radiomobile
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Sistema Radiomobile connesso
Switch
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Sistema Cellulare Semplice
PSTN/ISDN
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Switch
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5
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Area di copertura di una cella
 Idealmente l’area coperta da una cella è di
forma circolare
 Molti fattori ne influenzano la forma reale

Riflessione, rifrazione dei segnali, presenza di una
collina o di una valle o di un edificio molto alto e la
presenza di particelle nell’aria
 La forma reale della cella è determinata dalla
intensità del segnale ricevuto nell’area
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6
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Area di copertura ideale
Base Station
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Area di copertura modellata
Base Station
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Area di copertura reale
Base Station
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Forma dell’area di copertura di una cella
Modelli ad esagono, quadrato e triangolo
equilatero.
Nei modelli matematici e nelle simulazioni si
usano gli esagoni come prima scelta e i quadrati
come seconda
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Copertura Radio (non-cellulare)
 Gli operatori di sistemi convenzionali
radiomobili, radio e TV e di servizi di
localizzazione puntano a massimizzare l’area
di copertura.
 La copertura di un segnale radio è
proporzionale a:
Altezza dell’antenna trasmittente
 Potenza del trasmettitore
 Sensibilità del ricevitore al rapporto segnalerumore

 L’altezza dell’antenna è la più importante
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Copertura Radio (cellulare)
 Filosofia opposta a quella dei sistemi non-
cellulari
 L’antenna è resa più bassa possibile per
coprire solo l’area della cella (e permettere il
riuso delle frequenze)
 La potenza del segnale è bassa al punto
giusto da permettere una qualità accettabile
del segnale
 La sensibilità del ricevitore è da relazionare
alla dimensione della cella
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Dimensione di una cella radio
S5
S4
S3
S2
S1
Tx
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R
Contorni dell’intensità di campo
Se la soglia di Rx è
S5, e Rx è il
ricevitore standard
per il sistema allora
Rx il raggio R definisce
la dimensione della
cella.
La dimensione della cella
quindi è controllata da:
potenza Tx, altezza antenna
Tx, e soglia Rx.
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Schemi di riuso delle frequenze
 Time Domain
 Space Domain:
 La stessa frequenza è usata in due differenti aree
contemporaneamente come nei sistemi Broadcast
Radio.
 La stessa frequenza è usata ripetutamente nella
stessa area generale di servizio come nei sistemi
Cellulari Mobili
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Riuso delle frequenze
 In un sistema mobile, un canale radio consiste di una




coppia di frequenze (full-duplex, uplink e downlink)
Il riuso delle frequenze è il concetto chiave dei sistemi
cellulari
Un canale radio A radio che usa una frequenza f1 in una
cella con raggio R può essere riusata a distanza D.
Gli utenti in celle diverse possono usare la stessa
frequenza contemporaneamente.
Una progettazione del sistema impropria può causare un
livello di Interferenza Co-Canale inaccettabile.
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Concetto di riuso delle frequenze
f1
Segnale indesiderato
Interferenza co-canale
f1
Segnale
desiderato
D
R
R
Dal concetto di “Riuso delle Frequenze” arriva il
termine “Interferenza Co-canale”
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Cluster
N=3
N=4
2
2
N=7
1
1
3
4
3
6
3
1
4
7
2
5
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Riuso delle frequenze con
cluster N = 7
2
1
5
4
3
2
7
6
5
1
4
7
3
6
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Geometria della cella
R
D
R
R
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Distanza
R
R
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D
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Indice di riuso
Ipotizzando celle esagonali di uguale grandezza
D
 q  3N
R
dove:
D:
R:
q:
N:
Distanza tra i centri delle celle
Raggio della cella
Indice di riuso
Dimensione del cluster
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R
D
2
4
3
4
1
2
1
2
3
4
3
4
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4
1
2
1
2
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Esempio 1
per N = 4 e R = 5 km
D  3N R
D  3 4  5
D  3.464  5  17.32
La distanza minima alla quale è possibile riutilizzare la
stessa frequenza è approsimativamente 3.5 volte R, in
questo caso 17.32 km
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R
3
6
3
6
7
7
5
6
1
7
1
4
1
7
4
7
2
3
6
3
6
4
2
5
2
3
1
4
1
4
D
2
2
5
5
5
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Esempio 2
per N = 7 e R = 5 km
D  3N R
D  3 7  5
D  4.583 5  22.91
La distanza minima alla quale è possibile riutilizzare la stessa
frequenza è approsimativamente 4.6 volte R, in questo caso
22.91 km
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Distanza della frequenza di riuso
Dipende da:
 Il numero di co-canali in vicinanza della cella
centrale,
 Il tipo di scenario geografico,
 Altezza dell’antenna, e
 Potenza trasmessa in ogni cella.
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La distanza di riuso della frequenza può essere
determinata da:
D  3N R
Dove N è la dimensione del cluster
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Relazione N-D
 Ipotizzando che le celle trasmettano tutte alla
stessa potenza.
 D in termini di R per un dato N:
N
N
N
N

=
=
=
=
4
7
12
19
D
D
D
D
=
=
=
=
3.46R
4.6R
6R
7.55R
 Aumentare N corrisponde ad aumentare D
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Obiettivi di progetto
 Copertura di segnale
 Coprire l’intera area con un minimo numero di
celle.
 Il 100% di copertura dell’area è impossibile.
 Copertura di traffico
 Riuscire nelle ore di punta a dare un servizio con
un livello accettabile di Grade of Service (GoS).
 Numero di canali per cella e carico del traffico.
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30 - 100 m
Modello di trasmissione radiomobile
Percorso diretto
Percorso riflesso
q2
q1
3m
2 km o più
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Situazione migliore
30 - 100 m
Percorso diretto
3m
q1
Percorso riflesso
q2
2 km o più
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Propagation Path Loss
In ambiente radiomobile, la potenza ricevuta al ricevitore è
data (teoricamente) da:
4
4
C  R  R
dove:
C = portante ricevuta
R = distanza tra Tx e Rx
 = costante
La pendenza della curva di perdite è 40 dB per decade, cioè un
mobile che si muove da 1 a 10 km sperimenterà una perdita nel
segnale di 40 dB.
Nello spazio libero (come nei collegamenti in microonde) questa
relazione è:
2
2
C  R  R
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La differenza nella potenza ricevuta a due distanze
differenti risulterà essere:
C2  R2 
  
C1  R1 
4
In un ambiente radiomobile reale, la pendenza della curva di
path-loss varia con:
CR

 R

La variabile  varia tra 2 e 5 dipendentemente dalle reali
condizioni ma non può essere meno di 2 (free space).
C  10 log   10 log R
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dB
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Rapporto D/R
C1
C1
C/I = 
f1
C/I = 
f1
D
P0
P0
R
R
q = D/R
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La sfida
 Ridurre l’interferenza co-canale ad un livello
accettabile.
 Più è grande N più grande sarà D.
 Aumentare la distanza significa ridurre
l’interferenza co-canale.
 Un sistema con N grande porta ad inefficienza
nella gestione.
 La sfida è ottenere il più piccolo N che realizza le
performance richieste.
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Interferenza co-canale
 Il riuso delle frequenze è limitato
dall’interferenza co-canale.
 La dimensione della cella è determinata
dall’intensità del segnale.
 Il livello di soglia del ricevitore è settato alla
dimensione della cella.
 Per una fissata dimensione della cella,
l’interferenza co-canale è una funzione del
parametro q = D/R.
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Fattore di riduzione dell’interferenza
co-canale
L’interferenza co-canale è una funzione di q, che è chiamato
fattore di riduzione dell’interferenza co-canale
D
q
R
La distanza di separazione è una funzione di KI e C/I
D  f (KI , C / I )
KI è il numero di cella interferenti nel primo strato, C/I è il
rapporto carrier-to-interference per il mobile in esame
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1
1
R
Second tier
First tier
1
Interfering Cell
D
1
1
1
1
1
1
1
1
1
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Celle con interferenza co-canale
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Caso peggiore nell’interferenza cocanale
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C/I è calcolato come:
C
C
 KI
I
 Ik
k 1
CR
ID


 R

 D

L’equazione sopra diventa:
Segnale desiderato
Segnale non desiderato

C
R
 KI
I

D
 k
k 1
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C

I
1
 Dk 
 

k 1  R 
KI


1
KI
 q 
k 1

k
e
Dk
qk 
R
qk è il fattore di riduzione dell’interferenza co-canale del kth
co-canale interferente nella cella.
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Esempio
N=4
D = 3.46R
q = 3.46
N=7
D = 4.6R
q = 4.6
N = 12
D = 6R
q=6
N = 19
D = 7.55R
q = 7.55
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Per ridurre l’interferenza
 Cell splitting
 Cell sectoring
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Cell Splitting
 Un modo per fronteggiare l’aumento del
traffico è dividere la cella in tante celle più
piccole
 Poichè l’area di copertura della cella è più
piccola, i livelli di potenza trasmessa saranno
più bassi e questo ridurrà l’interferenza cocanale.
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Cell Splitting - Metodo A
Original Cell
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Cell Splitting - Metodo B
Original Cell
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Cell splitting
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Cell Sectoring
 Antenne omnidirezionali
 Antenne direttive
 E’ difficile progettare tali antenne, e il più delle
volte, un antenna copre un’area di 60° o 120°
 Le celle servite da tali antenne sono chiamate
celle settorizzate
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Sectoring of cells with directional
antennas
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Disposizione tipica su un’antenna
Rx
Tx
Rx
two Rx antennas
for diversity
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Vantaggi del sectoring
 Richiede la copertura di un’area più piccola ad
ogni antenna e da qui il livello di potenza in
trasmissione richiesto è più basso
 Aiuta anche nel decrementare l’interferenza
tra i canali
 E’ stato osservato che aumenta anche
l’efficienza spettrale del sistema generale
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Interferenza co-canale per antenne
direttive
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Modo alternativo di fornire
settorializzazione
 Piazzando le antenne direttive negli angoli di
tre celle adiacenti
 Ciò richiede un numero di torri per antenne
triplo rispetto al caso in cui le antenne erano
al centro della cella.
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Posizionamento delle antenne
Base Station
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Posizionamento delle antenne
(campagna)
Base Station
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Il concetto di Trunking
 Il trunking è il secondo concetto che rende
possibile le comunicazioni cellulari.
 Non tutti i mobili sono attivi nello stesso
momento.
 Un sistema radiomobile convenzionale si basa
su allocazione permanente dei canali.
 Sistemi radiomobili “Trunked” sono basati
sull’assegnamento su richiesta dei canali.
 Il trunking rende efficiente l’uso dello spettro
di frequenze.
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Esempio
4 circuiti sono condivisi per le
4 conversazioni contemporanee
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Intensità del segnale e parametri della
cella
 Quando una MS si muove allontanandosi dalla
BS della cella, l’intensità del segnale si
indebolisce, e ad un certo punto entra in
azione un meccanismo noto come
 Handover

Handoff, hand-off, or hand off in Nord America
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Contorni di intensità del segnale
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Intensità del segnale ricevuto
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Variazione nella potenza ricevuta
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Handover
 Per ricevere e interpretare i segnali
correttamente, la MS deve ricevere una minima
intensità di potenza Pmin.
 La MS tra i punti X3 e X4 può essere servita sia
da BSi che BSj.
 Se la MS ha un link radio con BSi e si sta
muovendo con continuità verso BSj, allora il
cambio di link da BSi a BSj è conosciuto come
handoff
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Handover region
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Handover area
 Regione tra
X3 e X4
 Dove realizzare un handover dipende da molti
fattori
Una opzione è di fare handoff a X5, dove le due BSs
hanno uguale intensità
 Una considerazione critica è che l’handoff non
dovrebbe essere realizzato troppo presto per evitare
che la MS debba tornare a collegarsi alla cella
precedente, essendosi mossa avanti e indietro

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Per evitare l’effetto ‘ping-pong’
 Alla MS è concesso rimanere connessa all’attuale
link radio con BSi finchè il segnale di BSj supera
quello di BSi di una certa soglia specificata E
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Altri fattori che influenzano l’handover
 Area e forma della cella
 In una situazione ideale la configurazione della
cella deve coincidere con la velocità delle MSs e
avere confini più ampi dove il rate di handover è
minimo
La mobilità di un MS è difficile da predire
 Ogni MS ha uno schema di mobilità differente

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GSM – Global System for Mobile Communications
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Sommario







Introduzione
Interfaccia radio
Gestione della mobilità nel sistema GSM
Architettura del sistema GSM
Funzione di handover
Gestione delle comunicazioni
Gestione della sicurezza
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Obiettivi GSM
 Servizi
 sistema pan-europeo
 servizi ISDN
 servizi speciali in ambiente di mobilità
 Qualità del servizio
 qualità comparabile con quella dei sistemi
analogici a 900 MHz
 possibilità di proteggere le informazioni trasmesse
mediante tecniche crittografiche
 Utilizzazione della risorsa radio
 alta efficienza spettrale
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Obiettivi GSM
 Aspetti di rete
 piano
di numerazione compatibile con le
Raccomandazioni CCITT
 nessuna modifica delle reti terrestri
 utilizzazione degli esistenti sistemi di
segnalazione
 possibilità di utilizzare diversi schemi di
tassazione in reti diverse
 realizzazione di reti mobili pubbliche con
aree di servizio in comune
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Servizi offerti dal sistema GSM
 La fornitura di servizi dipende da:
 dati contenuti nell’abbonamento dell’utente, sia in
termini di servizi sottoscritti sia di aree geografiche
 le “capacità” della rete da cui l’utente riceve
servizio (possono essere utilizzate reti diverse,
grazie al roaming)
 le capacità del terminale utilizzato dall’utente (per
es., non si possono ricevere fax con un terminale
esclusivamente per fonia)
 Servizi base e servizi supplementari
 I servizi base offerti dal GSM sono: voce, dati
e Short Message Service (SMS)
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Servizi offerti dal sistema GSM

Teleservizi
 telefonia
• bit rate attuale 13 kbit/s
 servizio di chiamate di emergenza (emergency call service, 112)
• collegamento con un centro nazionale tramite numerazione
semplificata
 servizi telematici
• videotex, teletex, facsimile gruppo 3, Message Handling service
(X.400, ecc.)
 trasferimento di messaggi brevi (short message service)
• messaggi di lunghezza massima 160 ottetti con riscontro di
consegna
 servizi supplementari
• number identification, call offering, call completion, multy party,
closed user group, call restriction, user-to-user signalling
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Servizi offerti dal sistema GSM
 Funzioni di identificazione.
 SIM (Subscriber Identity Module) personalizza il
terminale GSM
 Funzioni di sicurezza
 Autenticazione
 Cifratura dell’informazione sulla tratta radio
 Protezione della informazione di localizzazione
 Funzioni OAM
 Gestione degli abbonati
 Esercizio
 Manutenzione
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Sommario







Introduzione
Interfaccia radio
Gestione della mobilità nel sistema GSM
Architettura del sistema GSM
Procedure GSM
Gestione delle comunicazioni
Gestione della sicurezza
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Interfaccia radio
 Utilizza una schema FDMA/TDMA (frequency
hopping):
890-915 MHz (sottobanda 1 uplink) - 935-960 MHz
(sottobanda 2 downlink)
 spaziatura portanti: 200 kHz
 per ogni sottobanda sono utilizzate 122 portanti (su
124 possibili);
 8 canali (vocali o dati) per portante.

 Canali vocali bidirezionali a 13 kbit/s
 Canali dati bidirezionali a 12, 6 o 3.6 kbit/s
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Canali sull’interfaccia radio
 Canali disponibili per il trasferimento
dell’informazione d’utente:

Traffic Channels - TCH
• TCH/F (Full rate)
– canale vocale bidirezionale a 13 kbit/s o canale dati a 12, 6,
3.6 kbit/s;
• TCH/H (Half rate)
– canale vocale bidirezionale a 7 kbit/s o canale dati a 6, 3.6
kbit/s;

Slow Associated Control Channel - SACCH
• è associato ad ogni canale TCH è trasporta messaggi di
segnalazione relativi allo stato dell'interfaccia radio (circa 2
mess./s).


Un canale TCH ed il canale SACCH associato ad esso
sono detti TACH
Fast Associated Control Channel - FACCH
• è il canale TCH quando questo è utilizzato per segnalazione
relativa all'instaurazione e all'abbattimento di chiamate e ad
handover
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Canali sull’interfaccia radio
 Canali per la procedura di accesso
 Random Access Chanell - RACH (da MS a BS)
• multipla le richieste di accesso;

Paging and Access Grant Control Channel PAGCH (da BS a MS)
• è utilizzato per il paging e per l'assegnazione dei canali
di traffico.
 Invio di massaggi brevi
 Cell Broadcast Channel - CBCH
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Canali sull’interfaccia radio
 Canali di sincronizzazione (da BS a MS)
 Frequency Correction Channel - FCCH
• trasporta il riferimento di frequenza relativo alla cella

Synchronization Channel - SCH
• trasporta il riferimento temporale per l'allineamento di
ogni MS

Broadcast Control Channel - BCCH (da BS a MS)
• trasporta informazioni sulla cella e sulla struttura del
canale di paging
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Accesso multiplo
 Ogni canale ha la sua sequenza temporale e
frequenziale
 I canali bidirezionali hanno distanza
frequenziale fissa (45 MHz) tra le portanti
delle due direzioni e la stessa sequenza
temporale
 L'organizzazione dei canali è sempre ciclica,
ma la durata dei cicli differisce da canale a
canale
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Accesso multiplo
 L'unità di trasmissione è detta BURST (148 bit)
 è emesso in opportune finestre temporali e frequenziali
 presenza di un tempo di guardia
 presenza di un ‘ midambolo ’ per l’equalizzazione di
canale
 Le finestre frequenziali (portanti) sono spaziate di
200 kHz; le finestre temporali (slot) si alternano
ogni 0.577 ms frequenza
slot
200 kHz
0.577 ms
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tempo
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Sommario







Introduzione
Interfaccia radio
Gestione della mobilità nel sistema GSM
Architettura del sistema GSM
Procedure GSM
Gestione delle comunicazioni
Gestione della sicurezza
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GSM: Aspetti generali
 Il sistema GSM può essere considerato un
sistema di accesso mobile alla rete terrestre
di TLC
 Le caratteristiche peculiari di un accesso
mobile sono:
la gestione della mobilità
 la gestione della risorsa radio

 La copertura del territorio è di tipo cellulare
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Copertura cellulare
 Una cella è una porzione di territorio coperto
da un unica stazione radio
 Ad ogni cella è assegnata una frequenza
portante
 La celle hanno convenzionalmente dimensioni
esagonali
7
6
6
3
4
2
5
7
6
7
6
3
2
1
2
5
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4
1
7
3
4
3
4
2
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Copertura cellulare
 Consente un aumento della capacità del
sistema mediante il riuso delle frequenze
 Una frequenza può essere riutilizzata in un
altra cella a distanza tale da rendere
trascurabile l’interferenza
 La capacità di un sistema può essere
aumentata
aumentando il numero delle frequenze
 aumentando il riuso delle frequenze

• diminuendo il diametro delle celle
• diminuendo la potenza in trasmissione
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Copertura cellulare
 La dimensione minima delle celle dipende da
 efficienza di utilizzo dello spettro
 velocità degli utenti mobili
 costo degli impianti
 La dimensione massima dipende da
considerazioni di potenza (ma non solo…)
 Dimensione delle celle nel sistema GSM
dimensione minima > 300 metri
 dimensione massima < 35 km

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Caratteristiche accesso mobile
 La risorsa radio è una risorsa condivisa tra gli utenti
di una cella

Il numero di canali in una cella è normalmente inferiore al
numero di utenti presenti in essa
 I canali radio devono essere allocati e rilasciati
dinamicamente
 La richiesta di chiamata di un mobile è presentata su
un particolare canale ad accesso casuale (RACH) di
uplink
 La chiamata entrante è comunicata al mobile
mediante un canale di “paging” di tipo broadcast
(PAGCH) di downlink
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Location management
 Per la localizzazione del terminale sono
possibili tre strategie

localizzazione a livello di cella
• il terminale mobile segnala alla rete ogni cambio di cella
• il segnale di paging è inviato in un unica cella

localizzazione ubiqua
• il segnale di paging è inviato in tutte le celle
• nessun tipo di segnalazione

definizione di un area di localizzazione
• un area di localizzazione è formata da un insieme di
celle
• il terminale mobile segnala alla rete quando entra in
una cella appartenente ad un altra location area
• il segnale di paging è inviato su tutte le celle della
location area
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Handover
 Si attiva questa procedura se una chiamata è
attiva al momento in cui il terminale passa
nell’area di copertura di un altra cella
 La procedura necessita di
meccanismi di rivelazione dell’attraversamento del
confine tra due celle
 meccanismi di commutazione dal canale relativo
alla cella attuale e quello relativo alla nuova cella

 La commutazione tra i due canali deve
avvenire in modo da essere trasparente
all’utente
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Roaming
 Aree di territorio diverse possono essere
coperte da sistemi cellulari gestiti da gestori
diversi
 La funzione di roaming consente ad un
utente di accedere anche a sistemi diversi da
quello con cui ha sottoscritto l’abbonamento
 La funzione di roaming necessità di
 compatibilità
tra terminale e rete
 accordi amministrativi (es. tariffazione) tra i
gestori di rete
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Copertura cellulare
Handover
Location
Area
Handover
+
Location
updating
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Cella
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Stati della stazione mobile
 Una stazione mobile assume due stati
 idle : nessuna chiamata è attiva
• sceglie la BCCH ( Broadcast control channe l)che sente con
maggiore potenza
• ascolta i segnali broadcast che si trovano sulla canale BCCH
• eventualmente svolge location update

attivo : è attiva una chiamata
•
•
•
•

trasferisce la voce sul canale a lui dedicato
effettua delle misure sulla potenza delle celle ‘lontane’
comunica le misure fatte ala rete
eventualmente svolge procedure di handover e roaming
idle => attivo :
• a seguito di una richiesta sul canale RACH
– volontà dell’utente
– paging
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Sommario







Introduzione
Interfaccia radio
Gestione della mobilità nel sistema GSM
Architettura del sistema GSM
Funzione di handover
Gestione delle comunicazioni
Gestione della sicurezza
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Sottosistemi GSM
OPERATORE
USERS
RETI ESTERNE
OSS
NSS
BSS
Interfaccia A
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MS
Interfaccia radio
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Architettura di rete GSM
NSS
HLR
BSS
VLR
BTS
BS
AuC
BTS
MSC
EIR
BSC
PSTN
ISDN
MS
OMC
NMC
OSS
BSS
BSC
BTS
BS
MS
OSS
OMC
Sistema stazione base
Controllore stazione base
Stazione base ricetrasmittente
Stazione base
Stazione mobile
Centro di gestione della rete
Centro operativo e di manutenzione
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NSS
MSC
HLR
VLR
AuC
EIR
Sottosistema di rete
Centro di commutazione servizi mobili
Registro utenti locali
Registro utenti ospiti
Centro di autenticazione
Registro identità apparato
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Sottosistemi GSM
 Mobile Station (MS)
 Mobile Termination (MT)
 Terminal Equipment (TE) (+Terminal Adapter, TA)
 Subscriber Identity Module (SIM)
 Base Station Sub-System (BSS)
 Base Transceiver Station (BTS)
 Base Station Controller (BSC)
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Sottosistemi GSM
 Network and Switching Subsystem (NSS)
 Mobile service Switching Center (MSC)
 Home Location Register (HLR)
 Visitor Location Register (VLR)
 Gateway Mobile Switching Center (GMSC)
 Interworking Function (IWF)
 Equipment Identity Register (EIR)
 Operation and Maintenance Subsystem
(OSS)
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Mobile Station (MS)
 Terminale mobile: include le funzioni di
 gestione dell’interfaccia radio (mobile termination functions)
 interfaccia con l’utente umano (altoparlanti, microfono,
tastiera)
 adattamento per altri tipi di terminali (PCs, Fax, etc.)
Mobile
Termination
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Terminal
Equipment
Terminal
Adaptor
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Mobile
Termination
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Subscriber Identity Module (SIM)
 Smart card rimovibile o plug-in SIM
 Informazioni relative all’utente
 identificazione dell’utente
 identificazione della home network
 servizi accessibili dall’utente (profilo)
 dati dell’utente (es. numeri abbreviati)
 Informazioni per la sicurezza della
comunicazione
codici di protezione (PIN code)
 chiavi di codifica

 SIM roaming
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Base Station Sub-system (BSS)
 La BSS esegue funzioni di
 gestione dell'interfaccia radio
 connessione della MS con la rete fissa
 Le funzioni della BSS sono suddivise in
 Base
Transceiver Station (BTS)
• comprende i dispositivi di trasmissione e di
ricezione radio, di co-decodifica della voce e di
adattamento del rate in caso di dati
 Base
Station Control (BSC)
• comprende le funzioni di gestione
dell'interfaccia radio (allocazione e rilascio dei
canali radio, handover, ecc.)
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MS e BSS
Interfaccia
radio
BSS
BTS
BTS
BTS
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OSS
BSC
Interfaccia
A
Interfaccia
Abis
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Stazione Radio Base
Elementi radianti
Struttura porta antenne
Locale apparati
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Mobile Switching Centre (MSC)
 Esegue le funzioni di gestione delle
chiamate che interessano le MS
 Anchor-MSC (A-MSC)
corrisponde all'MSC che prende in carico la
chiamata all'atto dell'instaurazione
 rimane invariato per tutta la durata della
chiamata

 Relay-MSC (R-MSC)
 corrisponde all'MSC che può essere coinvolto,
nel corso di una chiamata, a causa di un
handover tra due aree gestite da MSC diversi
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103
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Home Location Register (HLR)
 E’ un database che contiene le informazioni relative a
 i profili d’utente (tipo di contratto, servizi accessibili,
configurazione dei servizi supplementari,…)
 la localizzazione attuale dell’utente
 Le informazioni di localizzazione sono aggiornate
ogniqualvolta un utente oltrepassa il confine tra due
aree di localizzazione
 Associato allo HLR e’ l’Autentication Centre (AuC) che
gestisce i dati per l’autenticazione dell’utente
 L’HLR di una rete GSM può essere ridondato per
motivi di affidabilità e/o di traffico
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Visitor Location Register (VLR)
 Memorizza le informazioni sul profilo degli
utenti che risiedono temporaneamente
nell’area coperta dal VLR (area di
localizzazione)
 Può contenere informazioni di maggior
dettaglio sulla localizzazione dell’utente
 Le funzionalità di un VLR sono
normalmente integrate in quelle di un
MSC
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Gateway MSC (GMSC)
 Normalmente è un MSC che esegue le
funzionalità di interfacciamento con una
rete esterna (PSTN, ISDN, PSPDN, etc.)
 Nel caso di chiamate entranti (dirette verso
un utente GSM) ha il compito di
interrogare l’HLR per reperire
l’informazione di localizzazione
 MSC, VLR, HLR e GMSC compongono il
Network & Switching Sub-system (NSS).
Per gli scambi di informazione di controllo,
queste macchine dialogano tramite la rete
di segnalazione SS7
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Network & Switching Sub-system (NSS)
VLR
SS7
MSC
HLR
AuC
GMSC
Dati d’utente
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PSTN, ISDN
Controllo
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Operation & Maintenance Sub-system (OSS)
 Network Operation e Maintenance:
“pilotare” la rete e mantenerne l’integrità
fisica e funzionale

Operation and Maintenance Centers (OMCs)
 Subscription management and charging
(HLR, SIM)
Creazione e archiviazione dei profili di utente
 Valutazione degli addebiti (Accounting)
 Fatturazione (Billing)

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Tutta la rete
HLR
AUC
VLR
PSTN/ISDN
VLR
MSC
BSC
commutazione
BSC
MSC
BSC
BSC
copertura
BTS
BTS
accesso
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BTS
BTS
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Architettura GSM
 E’ composta da quattro
piani funzionali
 Transmission
• gestisce il mezzo trasmissivo

Radio Resource
Management (RR)
CM
• fornisce un link stabile tra la
MS e l'MSC

MM
Mobility Management (MM)
RR
• gestisce i data base per la
localizzazione della MS

Communication
Management (CM)
Transmission
• fornisce i mezzi per le
comunicazioni d'utente
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Architettura GSM
 Trasmissione
 Fornisce i mezzi per trasferire informazione di utente (voce
e dati) su tutti i segmenti tra macchine remote nel percorso
della comunicazione (MS-BTS-BSC-MSC(s)-GMSC-reti
esterne)
 Fornisce i mezzi per trasferire segnalazione tra entità GSM
 Include funzioni dello strato fisico (modulazione, codifica,
accesso multiplo TDM e FDM) e degli strati di collegamento
e di rete (queste ultime solo per la segnalazione)
 Radio Resource
 Coinvolge soprattutto la MS e la BSC, ma anche BTS e MSC
(inter-MSC handover)
 Le funzioni essenziali sono accesso iniziale, paging e
handover
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Architettura GSM
 Mobility Management
 Coinvolge la SIM nella MS e le basi di dati HLR e
VLR.
 Communication Management
 Call Control
• Coinvolge gli MSC/VLR, i GMSC, l’HLR
• Le funzioni essenziali instaurazione, mantenimento e
abbattimento delle chiamate e instradamento delle stesse

Supplementary Services Management
• Coinvolge solo la MS e l’HLR

Short Message Service
• Per i messaggi punto-punto agisce un cosiddetto Short
Message Service Centre (SM-SC)
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Architettura GSM
CM
GMSC
MM
HLR
RR
Trans.
MS
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BTS
MSC
BSC (VLR)
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113
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Sommario







Introduzione
Interfaccia radio
Gestione della mobilità nel sistema GSM
Architettura del sistema GSM
Funzione di handover
Gestione delle comunicazioni
Gestione della sicurezza
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Funzione di handover
 Consente il cambio di canale radio mentre la
MS è nello stato “dedicato”, senza interruzione
della comunicazione
 Classificazione dell’handover in relazione alla
causa

Rescue Handover
• è provocato da condizioni di degradazione della qualità del
canale radio (rischio di interruzione della comunicazione,
cut-off)

Confinement Handover
• si pone l’obiettivo di minimizzare l’interferenza globale
nell’interfaccia radio; a tale scopo, confina le MS in
un'area geografica ottimale in relazione all'interferenza
complessiva

Traffic Handover
• si applica in caso di sovraccarico di una cella passando, se
possibile, utenti a celle adiacenti più scariche
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Funzione di handover
 Classificazione degli handover secondo il punto
di scambio

Intra BTS
• si ha cambio di canale nell'interfaccia radio con la stessa
BTS (stessa cella)

Inter BTS (Intra BSC)
• il nuovo canale appartiene ad una diversa BTS, ma
sempre sotto il controllo della stessa BSC

Inter BSC (Intra MSC)
• il nuovo canale è gestito da una nuova BCS, ma sempre
sotto il controllo dello stesso MSC

Inter MSC
• si ha transizione tra due aree gestite da due MSC diversi
(R-MSC)
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Funzione di handover
A-MSC
R-MSC
MSC/VLR
MSC/VLR
A
BSC
BSC
BSC
A-bis
B
T
S
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B
T
S
B
T
S
B
T
S
Interfaccia
radio
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Funzione di handover
 La decisione di effettuare l'handover è sempre
del BSC
 Il BSC decide di attivare la procedura sulla
base di misure di qualità di trasmissione
effettuate dalla MS e dalla BTS, indicando al
R-MSC una lista di celle candidate
 L'R-MSC sceglie la cella destinazione migliore,
mediando tra considerazioni radio (elaborate
dal BSC) e considerazioni di traffico
 In caso di cella di destinazione gestita da un
altro MSC, la gestione della procedura passa
all'A-MSC
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Funzione di handover
 Un handover di qualunque tipo richiede
 La fase di preparazione
• Si raccolgono misure sul canale radio utilizzato e
sulle BTS vicine

La fase di decisione
• Le misure raccolte sono elaborate (principalmente
dal BSC) in un algoritmo che può innescare un
handover, indicando una o più BTS candidate
 La
fase di esecuzione
• Sotto il coordinamento del punto di “scambio”, si
instaura un percorso trasmissivo completo
attraverso una delle BTS candidate e si rilascia il
vecchio percorso, commutando la comunicazione
sul nuovo
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Misure per handover
 I parametri presi in esame nei criteri di
handover sono

Dati statici
• Max potenza della MS, della BTS che la serve e di
quelle limitrofe
• Configurazione delle celle confinanti

Misure in tempo reale eseguite dalla MS
• La qualità trasmissiva del downlink (BER)
• Il livello di ricezione sul downlink del canale radio in
uso
• Il livello di ricezione dalle BTS limitrofe

Misure in tempo reale eseguite dalla BTS
• La qualità trasmissiva dell’uplink (raw BER)
• Il livello di ricezione sull’uplink del canale radio in uso
• il valore di TA (Tempo di Anticipo)
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Procedura di handover
In tutti i casi di handover la fase di esecuzione si
compone di ulteriori tre fasi:
 Fase 1
presentazione della richiesta di un handover
 tentativo di instaurazione di un nuovo path di
trasmissione

 Fase 2
 indicazione dell’instaurazione di un nuovo path
 invio del comando di handover alla MS
 Fase 3
 accesso della MS al nuovo canale
 attivazione del nuovo path
 rilascio del vecchio path
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Procedura di handover
BSC-old
Switching Point
BSC-new
Decision
Si richiede
un handover
Comando di
handover alla MS
Rilascio del
vecchio
percorso
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Inizio della
costruzione di un
percorso
Fine della costruzione
del percorso e
comando di handover
alla MS
La MS è sul
nuovo canale
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Allocazione e
attivazione del
nuovo canale
radio
Accesso sul
nuovo canale
radio da parte
della MS
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Controllo della potenza
 Deve essere inizializzato ogni volta che cambia il
canale radio; le caratteristiche sono






Si applica indipendentemente ad ogni MS sia su uplink che su
downlink
Il vantaggio principale è la riduzione dell’interferenza globale;
inoltre si ottiene un risparmio delle batterie
E’ gestito dal BSC e si basa sulle misure di livello e qualità di
BTS (uplink) e MS (downlink)
Per l’accesso sul RACH e a seguito dell’assegnazione iniziale si
usa il valore di default emesso sul BCCH (ovvero la max
potenza della MS, se questa è inferiore); in caso di handover
o assegnazione successiva, è il BSC che comunica il nuovo
valore iniziale di potenza che MS e BTS devono usare
Il campo di variazione della potenza va da 20 a 30 dB
Il passo di cambiamento è 2 dB
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Controllo dell’anticipo temporale
 Ha l’obiettivo di eliminare l’effetto dei ritardi di propagazione tra
MS e BTS: una MS deve anticipare di TA l’istante di emissione dei
burst rispetto all’istante nominale. Si inizializza ogni volta che
cambia il canale radio
 E’ necessario per mantenere elevata efficienza spettrale (piccoli
guard times) ed evitare la sovrapposizione di burst in slots
contigui

Il guard time del burst normale è circa 30 µs
 Si applica quando una MS è nel modo dedicato: il valore di TA che
la MS deve usare è controllato dalla BTS, che lo aggiorna tramite
il SACCH ogni 480 ms
 Il limite massimo sul valore di TA a sua volta implica un limite
sulla massima distanza tra MS e BTS (raggio della cella); con i
valori dati, il limite è 35 km
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Sommario







Introduzione
Interfaccia radio
Gestione della mobilità nel sistema GSM
Architettura del sistema GSM
Funzione di handover
Gestione delle comunicazioni
Gestione della sicurezza
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Gestione delle Comunicazioni
 La gestione delle comunicazioni consiste nelle




procedure di controllo delle chiamate
Procedura di instaurazione delle chiamate
Procedura di abbattimento delle chiamate
Gestione dei servizi supplementari
Gestione del servizio “Short Messages”
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Gestione delle Comunicazioni
 La rete GSM può essere considerata come
una rete di accesso alla rete terrestre (PSTN,
ISDN)
 Le procedure di segnalazione sono una
estensione di quelle ISDN
 Occorre tener conto degli aspetti legati alla
gestione della mobilità del terminale
 Dal punto di vista della gestione delle
chiamate il collegamento tra Mobile Station
(MS) e Mobile Switching Centre (MSC) è
considerato fisso
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Tipologie di chiamate
 La chiamata GSM coinvolge due “Party”
 Calling Party: corrisponde all’utente
chiamante
 Called Party: corrisponde all’utente chiamato

se è attivo il servizio “Call Forwarding” la Called
Party può cambiare nel corso della chiamata
 Mobile Originating Call (MOC): è una
chiamata originata da un utente GSM
 Mobile Terminating Call (MTC): è una
chiamata diretta ad un utente GSM
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Scenario di rete
GMSC: Gateway Mobile Switching Centre,
è l’MSC che esegue le funzioni di
gateway con la/le reti terrestri
HLR
ISDN 1
GSM
GMSC
GMSC
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ISDN 2
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Identificatori
 MSISDN (Mobile Station ISDN Number) è il
numero pubblico del terminale:
Country Code (+39 Italy)
 National Destination Code (338 TIM; 347
Omnitel)
 Subscriber number

 IMSI (International Mobile Station Identifier)
è il numero interno del sistema di GSM che
identifica il terminale:
Mobile Country Code (MCC)
 Mobile Network Code (MNC)
 Mobile Station Identification Number (MSIN)

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Instradamento di una MTC
 L’instradamento di una chiamata diretta ad
un utente mobile si basa sul numero MSISDN
(Mobile Station ISDN Number)
 La posizione fisica del terminale è contenuta
nell’HLR
 L’HLR restituice al GMSC l’informazione di
instradamento che identifica l’MSC di
destinazione
 MSRN : Mobile Station Roaming Number
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Instradamento di una MTC
 Il primo tratto di instradamento si effettua in
base al destination code che individua il
GMSC di accesso alla rete GSM di
destinazione
 Il GSMC interroga l’HLR inviando il subscriber
number
 L’HLR contiene le informazioni relative all’area
in cui si trova l’utente chiamato Mobile
Station Roming Number (MSRN)
 L’instradamento finale avviene mediante il
MSRN
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Instradamento di una MTC
Soluzione diretta
Routing
Number
(MSRN)
MSC
4
ISDN
3
GMSC
1
MSISDN
MSRN
GSM
MSISDN
2
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HLR
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Instradamento di una MTC
Soluzione indiretta
MSRN
6
ISDN
MSC
IMSI
1
MSISDN
GMSC
5
3
MSRN
MSISDN
GSM
MSRN
2
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4
HLR
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Principi di tariffazione

Ipotesi:
 La posizione dell’utente chiamato non è nota
al chiamante
 L’utente chiamato ha diritto alla riservatezza
sulla sua posizione attuale
 Soluzione:
 La tariffazione è basata sul principio della
suddivisione
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Principi di tariffazione
Tratte a, b, c, d : a carico del chiamante
Tratta c’ :
a carico del chiamato
a
Home
Network
LI
b
GMSC
ISDN
MSC
c
d
LI =Local Interface
c’
Visited
Network
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MSC
d
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Principi di tariffazione
 La tariffazione è sempre gestita dal GMSC
 La tariffazione della chiamata dipende dalla
posizione del GSMC
 L’instradamento non è sempre ottimale
 Le modalità di tariffazione e di instradamento
sono state scelte per la loro semplicità
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Sommario







Introduzione
Interfaccia radio
Gestione della mobilità nel sistema GSM
Architettura del sistema GSM
Procedure GSM
Gestione delle comunicazioni
Gestione della sicurezza
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Gestione della sicurezza
 La sicurezza nel GSM ha due obiettivi
 protezione contro l’accesso non autorizzato
 confidenzialità dei dati di utente e di controllo
 Non è necessario proteggere le informazioni più di
quanto avvenga nella PSTN o nella ISDN
 Le procedure definite allo scopo sono:
 autenticazione
 cifratura dei dati trasmessi sull’interfaccia radio (piano
RR)
 gestione delle chiavi di cifratura
 I meccanismi di sicurezza del GSM non sono
controllabili da utente
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Architettura per la sicurezza
 I ruoli fondamentali sono giocati da SIM e AuC
 Tutto è basato su una chiave di utente,
memorizzata nella SIM (da dove neanche
l’utente può leggerla!) e nell’AuC
 Il MSC/VLR ha alcuni “piccoli” ruoli
 decide
la procedura di autenticazione
 esegue il confronto dei risultati dell’algoritmo
eseguito da SIM e AuC nell’ambito della procedura
 decide il passaggio al modo di trasmissione cifrato
 memorizza la chiave di cifratura
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Protocolli per la sicurezza
RIL3-MM
MS
SIMME
protocol
MAP/D
HLR
MSC/VLR
HLRAuC
protocol
MAP/G
SIM
MSC/VLR
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AuC
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Funzione di autenticazione
 Si basa su un algoritmo, indicato con A3, cha ha in ingresso i due
parametri Ki e RAND e restituisce il valore SRES
 Caratteristiche
 Ki può avere qualunque lunghezza (128 bit se trasferita in
rete), è memorizzata nella SIM (neanche l’utente può
leggerla!) e nel AuC
 RAND è una stringa binaria casuale di 128 bit
 SRES una stringa di 32 bit
 L’algoritmo A3 può essere scelto indipendentemente dai
diversi operatori (semplificazione delle procedure
amministrative) ed è basato sulle funzioni “one-way”
 La funzione è costruita secondo il meccanismo della sfida: si
estrae un valore di RAND, si calcola SRES: la sfida consiste
nel chiedere all’altro di calcolare il risultato a partire dallo
stesso valore di RAND, verificando se ottiene lo stesso SRES
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Funzione di cifratura
 Per semplificare sono possibili solo due casi:
l’informazione (di utente e di segnalazione) è tutta


in chiaro
cifrata
 La chiave di cifratura Kc
 è (ri)calcolata ad ogni autenticazione a partire da Ki e
RAND con un algoritmo denominato A8
 è memorizzata nella SIM e nel record di utente nel VLR
 può essere letta dall’utente
 L’algoritmo di cifratura previsto nel GSM è indicato
con A5 ed è unico per permettere facilmente il
roaming
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