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Reti Wireless e Mobili - RWM

Reti Wireless e Mobili - RWM. Reti WM. Gian Paolo Rossi. II - Tecnologie per RWM 2.4 Rete Cellulare. INFORMAZIONI SUL CORSO IN NPTLab http://nptlab.dico.unimi.it. Reti WM. Gian Paolo Rossi. Reti Cellulari.

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  1. Reti Wireless e Mobili - RWM Reti WM Gian Paolo Rossi II - Tecnologie per RWM 2.4 Rete Cellulare INFORMAZIONI SUL CORSO IN NPTLab http://nptlab.dico.unimi.it

  2. Reti WM Gian Paolo Rossi Reti Cellulari • Uso di trasmettitori in bassa potenza. Un telefono cellulare genera 0.6 W, un trasmettitore da auto 3 W); • Dimensione della cella. Più è piccola maggiore il numero di utenti supportato, minore la potenza all’antenna, la dimensione e il costo del dispositivo; • Area geografica divisa in celle • Ognuna con la sua antenna • Gestita da una Base Station che comprende transmitter, receiver, e control unit • Ognuna dotata di un set di frequenze assegnato • Le celle sono organizzate in modo da avere celle adiacenti equidistanti (hexagonal pattern)

  3. Wireless Gian Paolo Rossi Organizzazione in celle Il pattern esagonale garantisce il vincolo di equidistanza

  4. Wireless Gian Paolo Rossi Frequency Reuse • Celle adiacenti hanno assegnate frequenze diverse per evitare interferenze e crosstalk; • Obiettivo di riuso di frequenze in celle vicine • K/N frequenze per cella, • Controllo della potenza di trasmisione per evitare sovrapposizione di potenza in celle adiacenti • Il problema è determinare quante celle devono separare due celle con le stesse frequenze

  5. Wireless Gian Paolo Rossi Frequency Reuse

  6. 2 7 3 1 6 4 5 Wireless Gian Paolo Rossi Frequency Reuse 5 2 3 3 1 4 3 7 4 6 4 1 5 5 2 teorico reale

  7. Wireless Gian Paolo Rossi Scalabilità degli utenti in cella • Aggiungere canali (frequenze) • Prendere a prestito frequenze non usate dalle celle adiacenti • Dividere le celle in celle più piccole. Sistemi attuali con celle inferiori ad 1 km. • Creazione temporanea di microcelle (le antenne popolano i lampioni della luce)

  8. Wireless Gian Paolo Rossi Architettura di sistema Antenna, Controller K tranceivers Routing, Handoff Billing Canali di Controllo e Traffico MTSO MSC BSC/BTS Canali di Downlink e Uplink

  9. Wireless Gian Paolo Rossi Funzioni di sistema • Al set up scan su canali di controllo well known • Ogni BS fa broadcast periodico su canali di set up diversi, stazione seleziona il segnale più potente e anche la BS • Handshake con MTSO via BS per identificazione e localizzazione • Ascolto del canale di setup (BS - mobile) • Se libero, inoltra (mobile-BS) richiesta con numero chiamato • BS inoltra a MTSO che smista la chiamata

  10. Wireless Gian Paolo Rossi Funzioni di sistema • MTSO invia richiesta alle BS in un intorno dell’ultima posizione del chiamato (paging) • Ogni BS fa broadcast sul proprio canale di setup • Il chiamato accetta la chiamata monitorando il canale di setup della sua BS • MTSO crea un circuito fra le due stazioni • MTSO seleziona un canale di traffico libero in ciascuna BS • Ogni BS comunica al mobile il canale scelto • Il tutto in pochi s

  11. Wireless Gian Paolo Rossi Funzioni di sistema • Il passaggio di cella è gestito in modo trasparente da MTSO. In AMPS l’handoff richiede circa 300 ms. • Handoff soft • Handoff hard

  12. Wireless Gian Paolo Rossi Handoff • Hard Handoff - quando una stazione si muove da una BS ad un’altra, MTSO trasferisce la chiamata, senza interruzioni, sulla BS con segnale migliore senza informare il mobile • Soft Handoff - quando una stazione si muove da una BS ad un’altra, la stazione mantiene entrambe le connessioni attive fino a che un segnale domina sull’altro (secondo parametri di soglia stabiliti a configuration time)

  13. Wireless Gian Paolo Rossi Generazioni di sistemi cellulari Prima generazione Analogico, FDMA In AMPS, 832 canali (nominali) da 30 KHz ciascuno in ogni direzione A 800MHz  di 40 cm. Soggetta a multipath fading per ostacoli Hard Handoff Terza generazione Digitale, CDMA Tutta lo spettro di frequenza utilizzabile in tutte le celle Soft Handoff Seconda generazione Digitale, FDMA + TDMA In GSM, canali da 200 KHz ciascuno in ogni direzione Meno sensibile a fading e con antenne più piccole Hard Handoff

  14. Wireless Gian Paolo Rossi Prima e seconda generazione • Digital traffic channels – i sistemi di prima generazione sono puramente analogici; quelli di seconda generazione digitali. • Encryption – i sistemi di seconda generazione prevedono encryption del traffico dati. • Error detection and correction – il traffico digitale di seconda generazione beneficia di error detection e correction, migliorando la qualità del servizio. • Channel access – nei sistemi di seconda generazione i canali sono dinamicamente condivisi dai diversi utenti con tecniche TDMA o CDMA.

  15. Wireless Gian Paolo Rossi Seconda generazione - TDMA • Numero di canali logici (numero di time slots in frame TDMA) = 8 • Maximum cell radius (R): 35 km • Frequenza attorno A 900 MHz • Massima velocità in movimento (Vm) = 250 km/hr • Massimo ritardo di codifica = circa 20 ms • Massimo ritardo di diffusione (m) = 10 s • Banda di 200 kHz (25 kHz per canale)

  16. Wireless Gian Paolo Rossi FDMA/TDMA in GSM 124 coppie di canali monodirezionali in frequenza con banda di 200 KHz. In teoria 992 canali ma molti non disponibili per evitare interferenze. Da BS a Mobile 935.2 - 960.0 MHz. Da Mobile a BS 890.2 MHz - 915.0 MHz Ogni canale porta 8 connessioni in TDM Non si usa lo stesso time slot per trasmettere e ricevere perché la radio GSM non lo consente e richiede tempo per lo switch. TDM FRAME 959.8 MHz Ch 124 935.4 MHz Ch 2 935.2 MHz Ch 1

  17. 0 1 2 3 4 5 6 7 Wireless Gian Paolo Rossi TDMA in GSM MULTI FRAME 32.500 bit spediti in 120 msec. CTL 959.8 MHz 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 13 14 15 16 17 24 25 TDM FRAME 1250 bit spediti in 4.615 msec. Slot separati da guard time di 30 sec. Riservato per uso futuro DATA FRAME 148 bit spediti in 577 sec. 000 information synch information 000 Bit 3 57 1 26 57 1 3 Stealing bit ID current Tx Used in multipath (32.500/120msec.) x 1000 = 270.833 bps gross data rate 270.833/8 users = 33.854 bps per user (114 bit/slot x 24 slot/multiframe)/120 msec. = 22.8 Kbps bit rate utile per user nominali

  18. Wireless Gian Paolo Rossi TDMA in GSM Trail bit (3) - servono per sincronizzare le trasmissioni da stazioni poste a diverse distanze dalla BS Information bits (57+57) - dati utente cifrati Stealing bits - dati o bit ‘stolen’ per messaggio di controllo urgente Synch/ training sequence - in un sistema con propagazione multipath, consentono al ricevente di selezionare il segnale più potente. La sequenza cambia fra celle adiacenti Usati anche multi frame da 51 slot Dedicated channel Paging channel

  19. Wireless Gian Paolo Rossi TDMA in GSM

  20. 0 1 2 3 4 5 6 7 0 1 2 3 4 5 6 7 Wireless Gian Paolo Rossi Canali logici da TDMA frame TDM FRAME 1250 bit spediti in 4.615 msec. 0 1 2 TS-0 TS-1 TS-2 TS-3 ……… TS-7 Il flusso di TS viene diviso in gruppi di canali dedicati al singolo device e un gruppo condiviso da tutti i device. TS-0 e 1 sono canali condivisi per traffico di controllo. I canali voce/dati riducono a circa 13 Kbps il traffico per user reale

  21. Wireless Gian Paolo Rossi GSM - Rete radio e rete fissa L’interfaccia Abis mappa lo schema TDMA di GSM air nello schema TDM di rete fissa Dominio rete fissa Canali TDM T1 o E1 Dominio air transmission Time frame GSM

  22. Wireless Gian Paolo Rossi TDM su rete fissa Canale T1 193 bit ogni 125 msec Canale 1 Canale 24 Bit 1 Framing code T1 - 193 x 8000 = 1,544 Mbps pari a 24 canali voce da 64 Kbps E1 – 256 x 8000 = 2,048 Mbps pari a 32 canali voce da 64 Kbps 1/2 canali usati per segnalazione

  23. Wireless Gian Paolo Rossi TDM su rete fissa Multiplexing di canali T1/E1 T2 :: T1 x 4 = 6,176 Mbps T3 :: T2 x 7 = 44,184 Mbps ….. TDM su fibra ottica – SDH OC-1 :: 810 byte x 8000 = 51,84 Mbps …..

  24. 0 1 2 3 4 5 6 7 Wireless Gian Paolo Rossi Trasporto GSM su rete fissa TDM FRAME 1250 bit spediti in 4.615 msec. ABIS interface Canali di controllo usano uno (o più) slot definiti di 64 Kbps ¼ T1/E1 time slot per traffic channel on air RACH common AGCH common PCH paging comm. SDCCH dedicato BCCH bcast TCH traffico dati FACCH SACCH Trasmesso per segnalazioni urgenti (handover etc.). Non è frequente e viaggia con traffico TCH agendo su stealing bits Random Channel gestito a contesa Segnalazione per call establishment o SMS Uplink per riportare misura qualità segnale di cella

  25. Wireless Gian Paolo Rossi Trasporto GSM su rete fissa MS MS BSS 1 x E1/T1 13 Kbps Transcoding and rate adaptation unit TRAU 4 x E1/T1 64 Kbps PCM MSC

  26. Wireless Gian Paolo Rossi GSM Architettura di rete L’interfaccia A realizzata con bundle di canali E1 (es. con canali STM-1)

  27. Wireless Gian Paolo Rossi GSM Interfacce fra componenti MS ABIS interface BSS 1 BSS 2 A interface E interface VLR MSC 2 MSC 1 VLR C interface D interface HLR

  28. Wireless Gian Paolo Rossi GSM Protocolli di segnalazione In telefonia i protocolli di controllo (segnalazione) viaggiano su canali separati dai dati Signaling System number 7 (SS-7) è standardizzato da ETSI e specifico per segnalazione GSM MSC to HLR MSC to MSC MSC to BSS MSC to mobile Mobile Appl.Part usato per queries su HLR o fra MSC quando e.g. mobile si sposta Direct Trans. Appl. Part – gestisce negoziazione mobile-MSC e.g. per setup connessione MAP DTAP TCAP BSSMAP BS Subsys. Mob. Appl. Part apre sessioni dedicate con device Transaction Capability Appl. Part definisce modo uniforme di query ogni DB SCCP SCCP Signaling Connection and Cntl Part – molto simile a TCP IP, STCP, M3UA Media dependent (Ethernet) SS-7 su IP

  29. Wireless Gian Paolo Rossi GSM Interfaccia componenti SMS MSs MSd BSS 1 BSS 2 A interface 1 E interface VLR MSC 2 MSC 1 VLR C interface 2 D interface 5 3 SMSC HLR 4 1: send SMS su canale segnalazione con MSd e SMSC addr (IP addr); 2: forward SMS a SMSC; 3: determina location di dest.; 4: consegna SMS a dest; 5: waiting flag in VLR e HLR in caso di mancata delivery

  30. Wireless Gian Paolo Rossi GSM Architettura di rete • Mobile Equipment (ME) – include il radio transceiver, i digital signal processors e il modulo di identificazione subscriber (SIM: identità, chiavi encription, network …) • Unità GSM generiche fino ad inserimento delle SIM

  31. Wireless Gian Paolo Rossi Modulazione telefono A/D converter con compressione (voce 13-7 Kbps) FDM, TDM, CDMA

  32. Wireless Gian Paolo Rossi SIM Card Programmabile via SIM appl. Toolkit. Ad esempio per servizi di billing personalizzati Sim Card Processor 8-16 bit 10 MHz Contiene IMSI e Ki segreta per fase di autenticazione e cifratura del canale. Inoltre contiene PIN#/PUK#, operatori preferenziali o negati. Ultima location etc. RAM 1-3 KB EPROM 16-64 KB ROM 50 KB I/O interface IMSI – MCC, MNC, MSIN [15 digit] diverso da # tel.

  33. Wireless Gian Paolo Rossi Base Station Subsystem (BSS) BSS composta da base station controller (BSC) e uno o più base transceiver stations (BTS) Ogni BTS definisce una singola cella (100 mt - 35 Km) • comprende antenna radio, radio transceiver e il link verso il base station controller BSC riserva le frequenze radio, gestisce handover entro la BSS, e controlla il paging

  34. Network Subsystem (NS) • NS fornisce il link fra cellular network e PSTN • Controlla comunicazioni e handoffs fra celle in differenti BSSs • Autentica utenti e valida account • Consente il roaming di utenti mobili

  35. NS: Mobile Switching Center A interface: usa protocolli BSSMAP e DTAP su bundle di canali E1/T1. Oggi si usa fibra e SDH • MSC ha le funzioni di: • Registrazione di MS alla accensione, autenticazione all’atto della chiamata e gestione location, billing • Call establishment e call routing fra MS anche in caso di cambio cella con connessione attiva • Forwarding di SMS BSS – MSC distanza fino a 100Km. In genere si usano MSC regionali

  36. NS Databases Home location register (HLR) database – contiene le informazioni sull’abbonato (tariffe, codici di identificazione, servizi sottoscritti, info dinamiche come posizione e MSC attuale, …) Visitor location register (VLR) database – uno per ogni MSC, mantiene le informazioni da HLR relative al subscriber fisicamente nell’area. Interagisce con HLR in caso di roaming. Authentication center database (AuC) – interviene nelle attività di autenticazione e gestisce le chiavi. In GSM le trasmissioni sono encrypted da MS a BSS, in chiaro su rete wired. Equipment identity register database (EIR) – tiene traccia delle caratteristiche del dispositivo mobile e la lista nera degli apparati rubati

  37. Wireless Gian Paolo Rossi NS Databases - HLR Home location register database – l’identificazione di MS avviene mediante IMSI e MSISDN codes IMSI è internazionalmente unico e viene recuperato da SIM alla accensione. Ciò consente anche l’uso all’estero del device. Int. Mob. Subsc. Identity - IMSI 15 digit max Mob.Subs.Integr. Serv. Digital Num. 15 digit max + CC NDC NUMBER MCC MNC MSIN Country Dest.Net. Subscriber Id. Number Country Netw. Subscriber Id. Number Utile se si cambia numero o si hanno più numeri per device. Complicato quando si cambia operatore e si mantiene il numero

  38. 2 7 3 1 6 4 5 Wireless Gian Paolo Rossi Mobility e LAC LAC 5823 Location Area Code 2735 3 4 Nessun update richiesto 5 update richiesto Cell-ID e LAC diffuse da BSC su canale BCCH Location Area di circa 20-30 celle per ridurre il traffico di cell update Su chiamate in entrata ciò impone paging entro LAC da parte di BSC

  39. Wireless Gian Paolo Rossi Mobility e LAC update Mobile Device BTS BSC MSC Mobile device in idle state BCCH: Local polling and Announce LAC ID/frequenc. Misura segnale 60-100 dBm Apertura connessione di segnalazione autenticata con ID temporaneo Se richiesto location update SACCH: Location update request FACCH: UA Ack SACCH: Location update accept Update MSC/VLR. HLR in caso di inter MSC update Mobile device in idle state

  40. Wireless Gian Paolo Rossi Apertura comunicazione GSM SIGNALING Mobile Device BTS BSC PCH: Paging Request User request RACH: Channel Request Channel Required SDCCH available Channel Activation (SDCCH x) Canale condiviso per aprire segnalazione con BSC e MSC. Collisioni possibili risolte con random Dt Channel Activation Ack Immediate Assigned (SDCCH x) AGCH: Channel Assigned (SDCCH x) Canale dedicato per segnalazione Canale di notifica Use SDCCH x for signaling Paging request Uso di SDCCH per inviare messaggi DTAP a MSC via BSC In fase di Paging BSC usa DB interno di celle per diffondere IMSI ricevuto da MSC su LAC Usato sia per chiamata voce che per SMS

  41. Wireless Gian Paolo Rossi Apertura comunicazione GSM DATA Mobile Device BTS BSC MSC Call establishment su canale di segnalazione Se TCH disponibile in cella Assignment Rq (TCH) BSSMAP Channel Activated (TCH) L’assegnazione canale voce è sempre iniziata da MSC per entrambi i peer Channel Activation Ack SDCCH : Assignment comd. (frequency, time slot) FACCH: SABM Scambio locale di verifica che il segnale viene decodificato da BTS. FACCH: UA FACCH: Assign’nt complete Assignment Complete BSSMAP

  42. Wireless Gian Paolo Rossi Intra-BSC Handover Mobile Device BTS (old) BSC BTS (new) Mobile Device Misura segnale 60-100 dBm SACCH: qualità segnale downlink in cella e in celle di LAC Misure qualità segnale uplink Su connessione esistente, BSC prende una decisione di handover TCH Channel Activ. Channel Activation Ack Handover command (freq ch, TS di TCH) FACCH: H.Cmd. (freq ch, TS di TCH) Handover access Handover access Handover access Handover access FACCH: SABM Establish indication FACCH: UA BSC ridirige chiamata su TCH nuova cella Rilascio canale e update MSC

  43. Wireless Gian Paolo Rossi Handover in GSM Inter-BSC handover: non esistono link fra BSC e dunque è necessario spedire request a MSC che seleziona BSC in base a LAC e cell-ID. MSC riserva nuovo TCH su nuova BSC e invia handover command a MS. MS esegue handover su nuova cella e MSC informa vecchio BSC di switch. Inter-MSC handover: MS 6 Handover Handover Cmnd BSC BSC TCH Rq/Rp 5 1 MAP: HRq 3 4 2 Anchor and Relay MSC A-MSC R-MSC 7 Notify and close

  44. Wireless Gian Paolo Rossi GPRS • GSM è una rete a circuito; incompatibile con esigenze di traffico dati e incapace di allocare i burst di traffico (e.g. browsing). GPRS è una rete a pacchetto realizzata come rete di overlay su rete GSM • Data rate teorici a circa 270 Kbps (20 – 40 reali) • Tariffazione su volume traffico e non su durata e consente di rilasciare gli slot idle e l’allocazione è dinamica e funzione del traffico • Riduce il tempo di connessione ad Internet (da 20 sec. a 5 sec, circa) • Connessione che non va rilasciata in assenza di traffico poiché pagata a volume • Se il canale cade per mancanza di segnale, GPRS non deve ristabilire la connessione in quanto indipendente da canale fisico.

  45. 0 1 2 3 4 5 6 7 Wireless Gian Paolo Rossi GPRS TDM FRAME 1250 bit spediti in 4.615 msec. GSM/GPRS signaling PDTCH GPRS TCH GSM TCH GSM Taglia minima per GPRS = 4 burst GSM

  46. Wireless Gian Paolo Rossi GPRS Overlay di multiframe con 52 frames GPRS DATA FRAME di 4 burst ogni 20 msec. Header PACCH Header DATA PDTCH GPRS Lo standard EDGE usa una modulazione del segnale radio 8 PSK per ottenere velocità 3 volte superiori (fino a 60 Kbps) e con 9 possibili codifiche in funzione della qualità del segnale (per arrivare a 270 Kbps)

  47. Wireless Gian Paolo Rossi GPRS User State Flag USF – Temporary Flow Identity TFI 3 5 3 DATA DATA DATA UP USF 3 TFIUP 2 ALTRO UTENTE DWN 2 7 2 DATA DATA DATA TFI RILASCIATO A FINE TEMPORARY BLOCK FLOW TBF

  48. Wireless Gian Paolo Rossi GPRS User State Flag USF – Temporary Flow Identity TFI 2 2 3 DATA DATA DATA ALTRO UTENTE TFIDOWN 2 DWN

  49. Wireless Gian Paolo Rossi GPRS GPRS channels PDTCH e PACCH si differenziano da header del pacchetto contenuto nel timeslot PDTCH PACCH PTCCH Traffico dati Segnalazione per assegnare risorse e spedizione ACK Controllo Temporizzazione GSM/GPRS Control channels BCCH RACH AGCH PCH Informare MS Su parametri cella (EDGE, operation mode) Come in GSM per attivazione Risposta a RACH con Timeslot assegnati Usato in fase di paging

  50. Wireless Gian Paolo Rossi GPRS Mobile Device BSS RACH: Channel Request Pck AGCH: Immediate uplink assignement Identificazione device con TMSI PACCH: User data+TMSI PACCH: Pck timeslot reconfig. Riconfigurazione time slot up/downlink USF usati per indicare a usr quando può accedere a TS PDTCH: Block con Uplink State Flag PDTCH: User data+PDTCH/UL+DL

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