Reti di Calcolatori II-A -reti radio mobili

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18 Apr 2004

Riassunto gerarchico delle nozioni del corso 2003-2004 di RETI DI CALCOLATORI del Prof. G.Fenu - Università degli Studi di Cagliari, Facoltà di Scienze Matematiche Fisiche Naturali, Dipartimento di Matematica ed Informatica, Corso di Laurea in Informatica

Riferimenti: Andrew S. Tanenbaum, Reti di Calcolatori IV ed., Prentice Hall

1.1. reti radio mobili (livello fisico)
- si suddividono in:
  - reti radio mobili/sistemi cellulari
    - reti bidirezionali uplink/downlink
    - implementano meccanismi di sicurezza
      - riconoscimento del terminale mobile
      - crittografia
    - ad eccezione del tratto antenna-terminale sono sostanzialmente wired
  - reti radio-tv
    - trasmissione broadcast con un unica frequenza
    - tipicamente sono unidirezionali
- Assegnazione delle frequenze
  - ITU norma l'assegnazione delle frequenze
    - alcune sono assegnate a livello internazionale
    - altre bande di frequenze sono gestite direttamente dalle singole nazioni
- Riutilizzo delle frequenze
  - poichè le frequenze sono di numero finito è necessario effettuare un'ottimizzazione delle stesse al fine di ottenere il maggior numero di comunicazioni simultanee su un dato canale
  - ottimizzo l'uso delle frequenze
    - mediante superfettazione del canale
      - devo stare attento alla limitrofia delle frequenze
        se eccessiva da luogo all'interferenza cocanale,
        sovrapposizione eccessiva delle frequenze di canali diversi
    - agendo sulla potenza del segnale
      - determino la dimensione della cella (area di influenza)
        la forma di una cella è irregolare in realtà, anche se viene rappresentata con un esagono
        ha un raggio tipicamente di 30-35 km
      - la potenza si riduce verso il bordo della cella
      - la potenza dell'antenna che emette è proporzionale alla potenza di una portante per il numero delle portanti
        va commisurata al numero di utilizzatori contemporanei all'interno della cella
  - Di solito i provider suddividono la banda di frequenze in n parti
    - in questa maniera ottengono n celle, ognuna delle quali ha una banda di frequenza diversa
      - il gruppo di n celle viene chiamato cluster
      - i cluster vengono ripetuti in maniera omogenea fino a coprire il territorio
      - l'uso di questa tecnica consente di
        limitare l'interferenza coconale
        limitare l'estensione della singola cella
      - il passaggio da una cella ad un altra (hand-overing) :
        deve essere trasparente, l'utente non si accorge di nulla
        deve garantire la continuità della comunicazione
      - ogni cella ha una propria banda di frequenze
        suddivisa tra più canali all'interno della cella
        ogni canale viene ulteriormente superfettato
        i canali terranno conto
        dell'handovering
        della differenziazione e individuazione puntuale di ogni singola comunicazione
        riducendo la dimensione delle celle aumenta il numero di utenti ma diminuisce la distanza di riuso delle frequenze e aumentano gli handover
        questo va a determinare la QoS fornita:
        garanzia che l'handovering avvenga correttamente per determinate velocità di attraversamento
        inesistenza del problema chiamato "Antenna diversity" (se va giù un'antenna la comunicazione può continuare grazie all'uso di una seconda antenna parallela - canale di backup)
- Sistemi cellulari analogici
  - viene assegnata una frequenza portante fissa per l'intera durata della comunicazione
    - nei sistemi numerici non esiste una portante che mantiene una comunicazione continuativa sullo stesso canale
  - scarsa sicurezza della comunicazione
    - basata solo sul riconoscimento del terminale mobile
    - non si può applicare la crittografia
    - viene applicata una sovramodulazione della trasmissione chiamata scrambling
  - non è adatta alla trasmissione dei dati
  - terminale TACS
    - portante fissa
      - notevole robustezza del segnale (mantiene su la comunicazione ad oltranza)
      - a parità di distanza da maggiore garanzia di comunicazione rispetto al GSM,UMTS,...
    - potenza del segnale 5 volte più alta rispetto a quella degli attuali terminali mobili GSM
  - Evoluzione
    - Inizio degli anni '80 - Definizione dello standard TACS
      - Total Access Communication System
      - 1000 canali a 70 KHz (890-960 MHz) suddivisi per cella
    - Fine degli anni '80 - Definizione di E-TACS
      - Extended TACS
      - 1320 canali da 78 KHz (872-950 MHz)
    - L'assegnazione delle frequenze vien fatta dai singoli stati direttamente e questo comporta molti problemi:
      - apparati differenti in paesi differenti
      - mancata interoperabilità e concorrenza
- Sistemi cellulari digitali
  - GSM - Global System for Mobile Communication (1989 ETSI)
    - è il primo sistema standardizzato a tecnica di trasmissione numerica su canale radio
    - Ideato alla fine degli anni '80 per soppiantare il TACS
    - risolve i problemi legati alla tecnologia analogica
      - fondamentalmente le problematiche di sicurezza e interoperabilità
    - 1990 Phase I
    - 1993 Phase II
    - caratteristiche fondamentali:
      - frequenze impiegate a cavallo dei 900 MHz
        assegnate dall'ITU a livello internazionale
        890-915 MHz uplink (25MHz) Terminale mobile/antenna (Base Station)
        935-960 MHz downlink (25MHz) Antenna (Base Station)/terminale mobile
      - QoS di comunicazione
        attraverso tecniche numeriche di controllo d'errore
      - basso costo del terminale
        rispetto al terminale analogico TACS
      - basso costo di gestione
      - compatibile assoluta con ISDN e OSI
      - roaming internazionale e nazionale (tra operatori diversi)
      - sicurezza e riservatezza delle comunicazioni
        individuazione della MS Mobile Station
        terminale mobile (IMEI)
        Scheda personale del sottoscrittore del servizio SIM
        tecniche di codifica algoritmica (crittografia legata alla singola comunicazione)
      - tecniche TDM che si aggiungono alle tecniche FDM di superfettazione delle frequenze
        consentono di aumentare il numero di comunicazioni per canale
        multiplazione mista FDM/TDM
      - adatto alla trasmissione dei dati
      - velocità di 9600 Kbps
      - Short Message System - SMS
    - Caratteristiche tecniche dello standard GSM:
      - Suddivisione del territorio in celle
        La larghezza di banda è 25MHz
        la banda per provider è inferiore a 25MHz
        i canali sono da 200KHz per un totale di 125 canali
        Si effettua un ulteriore suddivisione per 3 bande per cella
        ogni banda avrà 41 canali
      - Considerando cluster di 11 celle
        si hanno un massimo di 41x11 = 451 canali contemporanei
      - Dimensione della cella di circa 30-35 Km
        Si considera il ritardo di propagazione tra BS-ME-BS max
        fissato in 233 microsecondi
        La dimensione massima della cella è di circa 35 Km
        infatti 233*10 ^-6sec * 3*10 ⁵Km/sec = 69.9 Km (BS-ME-BS)
        la distanza massima ME-BS sarà la metà del valore trovato ossia 35 Km
        3*10 ⁵Km/sec è la velocità di propagazione del segnale elettromagnetico
        Al diminuire della dimensione della cella, aumenta il numero di celle per cluster e aumenta il rischio di interferenza cocanale
        al diminuire della potenza di emissione si abbassa la QoS
      - Alla precedente tecnica di multiplazione si può aggiungere un ulteriore multiplazionde di tipo TDM
        ogni singolo canale viene diviso in timeslot
  - DCS 1800
    - è un'evoluzione del GSM
    - caratteristiche:
      - protocollo PCN (Personal Communication System)
      - tecnologia GSM su frequenze 1800MHz
        prende piede soprattutto negli ambiti urbani
        maggiore coerenza di emissione
        maggiore assorbimento del segnale
        minore distanza coperta
      - ampiezza di banda 75 MHz
        tre volte quella de GSM, triplicano anche gli utenti serviti per cella
        ma diminuisce la dimensione della cella 15-20 Km
      - caratteristiche di propagazione differenti
      - minor potenza di trasmissione
        meno interferenze
        minor consumo delle batterie
- Reti radio mobili in Italia
  - E-GSM Extented GSM
    - tecnica di accesso mista
      - FDMA (per suddivisione di banda)
      - TDMA : 8 timeslot (full rate) o 16 timeslot (half rate)
    - larghezza di banda 35 MHz
      - 880-915 MHz uplink
      - 925-960 MHz downlink
    - 174 canali a 200 KHz
    - QoS
      - campionamento a 8 kbps (half rate) 2784 canali
        174 canali * 16 timeslot = 2784 comunicazioni contemporanee
      - campionamento a 16 kbps (full rate) 1392 canali
        174 canali * 8 timeslot = 1392 comunicazioni contemporanee
  - DCS 1800
    - tecnica di accesso mista
      - FDMA (per suddivisione di banda)
      - TDMA : 8 timeslot (full rate) o 16 timeslot (half rate)
    - larghezza di banda 30 MHz
      - 1755-1785 MHz uplink
      - 1850-1880 MHz downlink
    - 150 canali a 200 KHz
      - riduce notevolmente la complessità dei terminali mobili dualband in quanto è la medesima banda dei canali GSM
      - semplifica il porting di un canale GSM su canale DCS 1800 e viceversa
    - QoS
      - campionamento a 8 kbps (half rate) 2400 canali
        150 canali * 16 timeslot = 2400 comunicazioni contemporanee
      - campionamento a 16 kbps (full rate) 1200 canali
        150 canali * 8 timeslot = 1200 comunicazioni contemporanee
- Tipologie di terminali mobili
  - Multistandard dualband o trialband
    - Usano la stessa tecnologia ma bande di frequenza diverse
    - Es. (GSM-DCS)
  - Multistandard dualmode o trialmode
    - Usano tecnlogie e bande di frequenza differenti
    - aumenta molto la complessità del terminale mobile
      - Es. GSM-DECT, GSM-Satellitare
- Elementi architetturali del sistema GSM
  - MS - Mobile Station
    - ME - Mobile Equipment (terminale mobile)
      - identificata dal codice IMEI International Mobile Equipment Identity - 15 cifre
        TAC - 6 cifre - Modello e costruttore
        FAC - 2 cifre - luogo di costruzione
        SNR - 6 cifre - numero di serie
        sp - 1 cifra - disponibile per usi futuri
    - SIM - Subscriber Identify Module
      - composta da un processore e memoria RAM,ROM e EEPROM
      - esegue algoritmi di cifratura usando i :
        codici del sottoscrittore
        IMSI (International Mobile Station Identity)
        codice identificativo del terminale mobile
        Ki (Individual subscribers authentication Key)
        codici associati secondari
        A3 (Authentication algorithm, algoritmo di autenticazione)
        con il Ki e RAND, genera una chiave di 32 bit SRED (Signed Response)
        A8 (Ciphering key generating algorithm, algoritmo di cifratura)
        con il Ki e RAND, genera una chiave di 64 bit (Kc)
        PIN e PIN2
        PUK Pin unlocked key e PUK2
        rubrica telefonica (text/voice), SMS, lista operatori
    - Funzioni dirette associate alla MS
      - Comfort noise : è aggiunto dalla MS nelle pause della conversazione (DTX Discontinuous Transmission) per far capire all'utente che non è caduta la linea
      - Potenza di emissione DPC (Dynamic Power Control)
        si va dal veicolare 10 W, 42 dBm (classe 1) al palmare 0.8 W, 29 dBm (classe 5)
        32 livelli scalabili, a passo 2, di emissione
        il terminale regola la potenza del segnale in base alla distanza dall'antenna
  - BTS Base Transceiver Station (antenna lato rete)
    - più unità di antenne possono costituire un cluster
  - BSC Base Station Controller
    - controlla una o più antenne, cluster, (BTS)
  - MSC Mobile service Switching Center
    - centrale numerica per la commutazione, l'istradamento e il controllo delle chiamate da e verso gli utenti GSM
  - VLR Visitor Locator Register
    - Database associato all'MSC, contiene informazioni sugli utenti presnti nell'area di competenza dell'MSC:
    - Alcune di queste informazioni sono:
      - dati semi-permanenti
        MSISDN - Mobile Station ISDN number
        IMSI - International Mobile Station Identity
        profilo di servizio
      - dati temporanei
        TMSI - Temporary Mobile Subscriber Identity
        LAI - Location Area Identifier
        parametri per l'autenticazione e la cifratura
  - Location Area : composta dalla associazione di un MSC e un VLR
    - Tim ha circa 40 di queste aree che garantiscono la copertura nazionale
    - Se la location area non riesce a trovare più un utente che prima era registrato interroga l'HLR
  - HLR Home Locator Register
    - contiene l'intero profilo di utenza:
      - dati statici (anagrafica dell'abbonato)
      - dati dinamici (servizi attivati, profilo di abbonamento)
      - il riferimento all'ultimo VLR, ultima location area che ha avuto in carico l'abbonato
  - GMSC Gateway MSC
    - il GSM è un sistema pensato ISO/OSI compatibile
    - consente di inoltrare una comunicazione da terminale mobile su altre reti omologhe divisionali, ossia reti specializzate che assolvono un compito specifico
      - PSTN - Public Switching Telephony Network
      - ISDN - Integrated System Digital Network
      - Altro gestore (scambio dati con altri gestori)
      - Rete dati (gateway ad alto livello >=3)
  - AuC Authentication Center
    - Centro di autenticazione, unico a livello nazionale
    - si attiva ad ogni comunicazione
    - il database contiene i seguenti dati
      - IMSI (International Mobile Station Identity)
        codice identificativo del terminale mobile
      - TMSI (Temporary Mobile Subscriber Identity)
        associato alla LAI - Location Area Identity
      - Ki (Individual subscribers authentication Key)
      - A3 (Authentication algorithm, algoritmo di autenticazione)
        con il Ki e RAND, genera una chiave di 32 bit SRED (Signed Response)
      - A8 (Ciphering key generating algorithm, algoritmo di cifratura)
        con il Ki e RAND, genera una chiave di 64 bit (Kc)
  - EIR Equipment Identity Register
    - è associato a tutti gli MSC
    - viene interrogato ogni volta che avviene una comunicazione
    - DB costituito da record recanti ME
      - IMEI omologati per GSM (White list)
      - IMEI non omologati per GSM (grey list)
      - IMEI di apparecchi rubati (black list)
  - Network Subsystem, composto da
    - AuC,HLR,GMSC,MSC,VLR,EIR
  - Base Station, composta da
    - BTS (una o più), BSC
  - Operation and Support Subsystem, composto da
    - OMC Operation and Manteinance Center
      - controlla una parte della rete GSM di un operatore
        gestisce la configurazione e le prestazioni di tutti gli elementi della architettura (BTS, BSC, ...)
        gestisce guasti, allarmi, stato del sistema
        esegue test periodici
        raccoglie tutti i dati di accounting degli utenti
    - NMC Network Management Center
      - controlla e gestisce tutti gli OMC, dunque l'intera rete
      - interfacce GSM tra gli elementi dell'architettura
- Instaurazione della comunicazione tra due terminali mobili:
  - 1) MS _a-- BTS _a
  - 2) BTS _a-- BSC _a
  - 3) BSC _a-- MSC _a
  - 4) MSC _a-- HLR _a
  - 5) MSC _a-- HLR _b
  - 6) MSC _a-- MSC _b
  - 7) MSC _b-- BSC _b
  - 8) BSC _a-- BTS _b
  - 9) BTS _b-- MS _b
  - Spiegazione:
    - L'utente A vuole comunicare con l'utente B, compone il numero di telefono:
    - MS _acontatta l'antenna di appartenza BTS _a, la quale mediante il proprio BSC interroga la location area, andando a caricare il profilo dell'utente A.Verificata l'abilitazione a chiamare l'MSC _ainterroga l'HLR _bper determinare l'ultimo VLR in cui è stato registrato l'utente B, VLR _b, e quindi la location area relativa a B. A questo punto può essere inoltrata la comunicazione verso la BTS _be quindi la MS _b
  - Ogni antenna può essere usata da più provider, si distingue la location area di appartenenza dell'utente in base alle prime 3 cifre del numero telefonico (ora si usano anche altre tecniche per via del number portability)
  - La più grossa rogna per i provider di telefonia mobile è il billing, il pagamento, unico punto di collegamento nevralgico tra l'utilizzatore e il provider.
  - L'aggiornamento dei profili utente memorizzati negli HLR di appartenenza non viene mai effettuato in maniera da allineare il profilo alle ultime offerte, bensì rimane bloccato nel database. Questo avviene per motivi di convenienza tecnologica e commerciale.
- Multiplazione TDMA
  - La banda è suddivisa in canali da 200KHz (FDM)
    - Ogni canale è suddiviso in frame, o trame, da 4.16 ms
      - ogni frame è suddiviso in 8 timeslot da 0.577 ms
  - Traffic Multiframe, o Multitrama (dati inviati)
    - è composta da 26 frame per un totale di 126 ms
  - Control Multiframe, o Multitrama (controllo dei dati inviati)
    - è composta da 51 frame per un totale di 235 ms
  - Traffic Superframe, o Supertrama
    - è composta da 51 Traffic Multiframe per un totale di 6.12 s
  - Control Superframe, o Supertrama
    - è composta da 26 Control Multiframe per un totale di 6.12 s
  - Hyperframe, o ipertrama
    - è composta da 2048 Superframe per un totale di 3h 28m 53s
    - organizzati come pattern ripetuto di:
      - 1 Traffic Superframe + 1 Control Superframe
- Ogni comunicazione è caratterizzata da:
  - TS - numero di Timeslot
  - FN - numero Trama, calcolato sull'Hyperframe
  - Numero frequenza della portante (canale radio usato)
  - Per consentire l'handover:
    - una comunicazione ha il timeslot di Trasmissione TX shiftato di 3 timeslot rispetto a quello di ricezione RX
- Problemi sulla comunicazione
  - interferenza cocanale
  - Fading (evanescenza momentanea) - aumenta al crescere della frequenza
    - 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 alle precedenti problematiche si usano due tecniche:
    - Antenna Diversity
      - si usa sempre una coppia di antenne e instaurando la comunicazione attraverso quella che risente di meno del problema di evanescenza di volta in volta
    - Frequency Hopping
      - La comunicazione viene trasmessa su due frequenze diverse
- Lo standard UMTS
  - Ritardo di standardizzazione:
    - tecnologia non ancora totalmente compatibile con GSM
    - apparecchi dualmode non assicurano l'handover in dualband
  - Velocità di trasmissione dei dati tra 384Kbps e 2048Kbps
    - velocità minima garantita di 144Kbps ad una velocità stimata di 500 Km/h (handover)
  - tecnologia soft-handover elimina le discontinuità registrabili nel passaggio di cella