Il sistema GSM come
rete di telecomunicazioni

 

INDICE GENERALE
Stratificazione e protocolli del modello GSM
Gestione della mobilità
Aggiornamento della posizione
Attivazione disattivazione IMSI
Aggiornamento periodico
Gestione delle comunicazioni
Instradamento delle chiamate
Procedura di instradamento
Cenni di optimal call routing

Una rete radiomobile cellulare è a tutti gli effetti una rete di telecomunicazioni. In particolare una rete GSM, per la natura completamente digitale della comunicazione, è assimilabile ad una rete di calcolatori.

Una rete radiomobile necessita di implementare alcune funzioni, come la gestione dell'interfaccia radio e la mobilità degli utenti che invece non sono richieste in una rete fissa. Se in quest'ultima, ad un numero telefonico corrisponde biunivocamente una destinazione (fissa), in una rete radiomobile è necessaria una fase preliminare di "localizzazione" prima di poter instradare correttamente la chiamata. In particolare la mobilità "globale" degli utenti GSM richiede l'implementazione di alcune procedure:

• Roaming
  Possibilità, offerta dal GSM, che permette ad un utente di essere sempre rintracciabile anche in nazioni diverse dalla propria (purché esista un operatore GSM locale con il quale il proprio operatore abbia raggiunto accordi di roaming internazionale) oppure, nella propria nazione, ma in zone non coperte dal proprio operatore (roaming nazionale).

• Location Update
  Procedura che consente di "localizzare" l'abbonato sul territorio per potergli inoltrare le chiamate.

• Handover
  Procedura che consente ad un utente di proseguire una conversazione anche quando, spostandosi, passa da una cella ad un'altra.

Sistemi di segnalazione

Perché una rete di telecomunicazioni possa funzionare correttamente è necessario che le varie unità funzionali coinvolte (compreso l'utente) si scambino delle informazioni. Queste ultime sono dette segnalazioni di controllo e possono essere realizzate secondo due tecniche differenti: segnalazione associata al circuito e segnalazione a canale comune. La prima tecnica, utilizzata nella linea telefonica fissa tradizionale su doppino, associa le segnalazioni sullo stesso canale usato per trasportare la fonia. La seconda tecnica, utilizzata nella fonia moderna (ad es. GSM e ISDN), separa nettamente la fonia dalle segnalazioni, assegnando a queste ultime dei canali trasmissivi dedicati. In una rete di telecomunicazioni moderna vi sono quindi due sottoreti: una per la fonia e una per le segnalazioni di controllo.

Il sistema di segnalazione utilizzato nello standard GSM è il Common Channel Signaling System 7 (CCSS7 o più brevemente SS7) ratificato dall'ITU (International Telecommunication Union). I canali trasmissivi di SS7 sono a 64 kbps.

Va osservato che gestire tutte le fasi di instradamento della chiamata e di handover richiede un notevole lavoro di segnalazione tra le varie unità funzionali del sistema (in particolare MSC-VLR-HLR); la rete di segnalazione rappresenta quindi in cuore della rete GSM, mentre il flusso generato dal traffico utente ne occupa solo una parte.

Stratificazione e protocolli del modello GSM

Stratificazione dei protocolli nel sistema GSM

• Physical Layer (livello 1), nel livello fisico si trovano le specifiche delle caratteristiche del mezzo fisico di trasporto. I protocolli devono essere adattati alle differenti interfacce. Quelle della parte a terra (A-bis e A) saranno trattate come un canale PCM. Il protocollo sull'interfaccia radio (Um) dovrà anche gestire la modulazione, la sincronizzazione e la codifica di canale (vedi la parte sull'interfaccia radio).

• Data link layer (livello 2), il protocollo standard OSI di livello 2 è l'HDLC (Highlevel Data Link Level). Da questo ne sono derivati numerosi altri, tra i quali la famiglia LAP (Link Access Protocol) utilizzata nello standard GSM. L'interfaccia A-bis, tra BSS e BTS, è gestita dal protocollo LAPD (Link Access Protocol on the D-Channel) utilizzato nella rete ISDN. Data la evidente particolarità dell'interfaccia radio, si è provveduto ad implementare uno specifico protocollo per gestirla, il LAPDm.

• Message layer (livello 3), si occupa della gestione dei canali radio e di segnalazione utente. Tutte le funzioni sono raccolte nello strato Base Station System Application Part (BSSMAP), a sua volta diviso in due parti:

  • Base Station System Management Application Part (BSSMAP), implementa tutte le funzioni tra BSS e MSC che non sono trasparenti alle BSC e necessitano di una interpretazione o elaborazione delle informazioni sulle chiamate (e' una sorta di strato RR relativo però al lato MSC).

  • Direct Transfer Application Part (DTAP), trasporta le segnalazioni direttamente tra MS e MSC; queste attraversano il BSS in modo trasparente. Ad esempio trasporta i messaggi relativi alle procedure degli MM e CM.

• Radio Resources management layer (RR), gestisce l'interfaccia radio Um. E' incaricato di stabilire e mantenere una stabile connessione tra MSC e MS sulla quale far transitare dati e segnali. Tra le sue responsabilità anche gli handover e controllo della potenza. Viene gestito all'interno del sottosistema BSS (tranne gli handover esterni). In relazione al modelli ISO-OSI svolge le funzionalità del livello 5 (sessione); si può così parlare di "sessione RR".

• Radio Resources' management layer (RR'), rappresenta quella parte delle funzionalità dello strato RR che sono gestite dalle stazioni BTS.

• Mobility Management layer (MM), gestisce le procedure di ricerca, localizzazione e autenticazione delle MS.

• Communication Management layer (CM), livello più alto definito nello standard GSM, è responsabile di diversi compiti, ognuno dei quali può essere pensato come un sottostrato separato nello strato CM:

  • Controllo delle Chiamate (Call Control);
  • Gestione dei Servizi Supplementari (Supplementary Services Management), permette variazioni e controlli sulle configurazioni dei servizi supplementari;
  • Servizio Brevi Messaggi (Short Message Service), fornisce il servizio di brevi messaggi di testo punto-punto.

Gestione della mobilità (Mobility Management, MM)

La funzione Mobility Management (MM) gestisce la localizzazione e l'autenticazione degli abbonati. Essa ha anche il compito di garantire la sicurezza e la riservatezza delle comunicazioni.

Aggiornamento della localizzazione (Location updating)

Il sistema GSM differisce dalle telecomunicazioni via cavo principalmente per la necessità di gestire la mobilità dell'utente. In un sistema cellulare l'utente mobile deve quindi essere localizzato prima che il sistema possa instradare una chiamata in arrivo al suo terminale.

L'arrivo di una chiamata è notificato al terminale mobile (MS) attraverso un messaggio inviato sul canale di paging (PCH). Sarebbe inutilmente dispendioso, in termini di occupazione di banda, inviare questo messaggio da tutte le celle della rete per ogni chiamata. All'opposto sarebbe troppo complicato inviarlo solo dalla BTS corrente cui è "agganciato" il terminale. Così si è preferito adottare una soluzione di compromesso consistente nel raggruppare le celle in area più estese, dette aree di localizzazione (Location Areas) e identificate in modo univoco dal Local Area Identity (LAI). Il messaggio di paging (PCH) verso un MS, per notificargli una chiamata in arrivo, è allora inviato solamente alle celle dell'area di localizzazione dove la MS è attualmente registrato (localizzato).

Ogni BTS irradia, su un apposito canale di broadcast (BCCH), un messaggio di sistema che contiene proprio il codice LAI dell'area a cui appartiene la cella. Quando una MS attraversa il confine tra due aree di localizzazione, riceve un codice LAI diverso dal precedente. Di conseguenza essa deve informare la rete della sua nuova posizione.

La procedura di location updating consiste nell'aggiornare la localizzazione della MS, in termini di codice LAI, nel registro VLR di competenza. Se la nuova e la vecchia location area appartengono ad MSC/VLR diversi, è cambiato anche il VLR. In questo caso è necessario informare anche il registro HLR. Quest'ultimo, infatti, memorizza la posizione della MS in termini di indirizzo del VLR (VLR number) in cui essa è correntemente registrata.

Attivazione e disattivazione IMSI (IMSI attach/detach)

Un procedura legata all'aggiornamento di posizione è la connessione / sconnessione (IMSI attach / detach) dalla rete di una MS. La sconnessione informa la rete (MSC) che una MS è spenta o non più raggiungibile, così da evitare allocazione dei canali di controllo ad essa necessari e inoltro dei messaggi di paging. La connessione, invece, informa la rete (MSC) che la MS, già marcata come detached, è nuovamente raggiungibile. Si verifica quando una MS viene spenta e successivamente riaccesa, oppure quando rientra nell'area di copertura della rete.

Aggiornamento periodico (Periodic location updating)

Per ottimizzare lo sfruttamento del canale radio, è necessario evitare trasmissioni inutili. Ad esempio irradiare i messaggi di paging verso MS che non sono raggiungibili, e quindi che non sono in grado di ricevere chiamate.

Una MS non è più raggiungibile quando viene spenta (in questo caso effettua un IMSI detach) oppure quando esce dall'area di copertura senza poterlo comunicare alla rete che così continua ad allocare i canali di controllo anche per essa.

La rete si accorge delle non raggiungibilità di una MS nel momento in cui tenta di inoltrargli una chiamata (non riceve risposta al messaggio di paging). Ora può marcare la MS come sconnessa (implicit IMSI detach).

Se però non vi sono chiamate dirette ad una MS non raggiungibile, questa continuerebbe ad essere considerata connessa per un tempo indefinito. Per evitarlo è stata introdotta la procedura di registrazione periodica (periodic registration). Una MS che si sposti all'interno di una stessa LA senza accedere alla rete per ricevere o effettuare chiamate, deve comunque, ad intervalli di tempo regolari (location update timer), confermare la propria localizzazione al VLR. Il valore del timer, scelto a discrezione dell'operatore di rete (1 ora per Omnitel e Wind, 2 ore per Tim), è trasmesso sul canale BCCH. Se una MS non effettua accessi alla rete per un tempo superiore al limite prefissato (e quindi non effettua la registrazione periodica), viene automaticamente marcata come sconnessa dalla rete stessa (implicit IMSI detach).

Tale valore deve essere un gusto compromesso: infatti un LU ad intervalli brevi eviterebbe di inviare messaggi di paging inutili per la LAC, ma in compenso saturerebbe subito i canali SDCCH. Viceversa un LU "lungo" gioverebbe al tempo di stanby del terminale, risparmiando batteria, e saturerebbe meno i canali di SDCCH, ma se la MS uscisse di copertura verrebbe inutilmente "cercata" per un periodo oggettivamente troppo lungo. L'ideale sarebbe impostare questo valore in maniera da adeguarlo al territorio (copertura capillare, densità di BTS elevata, LU più radi) al contrario in una zona dove ci sono buchi di copertura, gallerie, montagne che impediscono alle onde em di propagarsi, un LU "corto" sarebbe l'ideale. La cosa, purtroppo, é del tutto ignorata in Italia, dove i nostri gestori usano tempi alti ed ingiustificati (Wind, 2 ore) alti ma giustificati dagli utenti e casini alla rete (TIM, sempre 2 ore) oppure relativamente bassi considerando la copertura (1 ora per Omnitel).

Gestione delle comunicazioni (Communication management, CM)

Lo strato Communication Management (CM) gestisce le funzionalità di supervisione della chiamata, dei servizi supplementari e del servizio SMS.

Instradamento delle chiamate (Call routing)

Un abbonato GSM è identificato nel piano di numerazione pubblica internazionale dal proprio numero MSISDN, definito nelle specifiche E.164. Questo numero include un Country Code e un National Destination Code che identificano la nazione di appartenenza e il fornitore di servizio dell'utente. Le restanti cifre identificano l'abbonato nel PLMN del proprio operatore. In pratica il numero MSISDN è il numero telefonico che si compone per chiamare una MS (completo anche di prefisso internazionale).

In una rete fissa, ad un numero telefonico corrisponde biunivocamente una destinazione (facilmente ricavabile dal numero stesso). In una rete radiomobile, il numero identifica, in prima istanza, la nazionalità e l'identità dell'operatore, ma non può essere utilizzato direttamente per instradare una chiamata verso la MS corrispondente (che può trovarsi in un qualunque posto entro l'area "mondiale" di servizio del sistema). L'MSISDN consente di instaurare una connessione soltanto fino al GMSC (della MS chiamata) che interfaccia la rete del chiamante (PSTN, ISDN o altra rete radiomobile).

Ad esempio, digitando il numero MSISDN 0039-347-1234567, la chiamata viene instradata, dapprima in Italia (prefisso 0039), quindi al GMSC di Omnitel (prefisso 347) che, a sua volta, in base alla prima cifra del numero personale (2), può interrogare il corretto registro HLR che contiene i dati dell'utente chiamato (si ricorda nel PLMN di uno stesso operatore possono esserci più HLR).

Per permettere al GMSC di proseguire l'instradamento della chiamata verso l'MSC/VLR di destinazione, cioè quello presso cui è registrata la MS chiamata, è indispensabile assegnare alla MS un "numero telefonico temporaneo", detto Mobile Station Roaming Number (MSRN).

L'MSRN è assegnato dal VLR presso cui la MS è registrata, ed è associato al codice IMSI in modo che il VLR possa identificare l'utente dal numero MSRN assegnatoli. Va sottolineato che l'MSRN non è assegnato permanentemente ad un utente, ma può variare nel tempo. VLR diversi possono assegnare MSRN diversi alla stessa MS.

La struttura del numero MSRN è analoga a quella dell'MSISDN:

MSRN = CC / NDC / SN

SN è un particolare numero d'utente, valido solo entro l'area di servizio del VLR, che consente di identificare l'MSC/VLR che serve l'utente (prime cifre) e quindi l'utente stesso.

Procedura di instradamento

Analizziamo ora in dettaglio la procedura di instradamento per una chiamata originata da rete fissa (PSTN o ISDN) e diretta ad un utente mobile.

1. Il chiamante, dalla rete fissa (PSTN o ISDN), compone il numero MSISDN dell'utente mobile che vuole contattare.

2. Le centrali di commutazione della rete fissa, analizzando i prefissi CC e NDC del numero MSISDN, instradano la chiamata verso il GMSC della rete GSM a cui appartiene la MS chiamata.

3. Il GMSC riceve il messaggio di segnalazione SS7 IAM (Initial Address Message) contenente il numero MSISDN di destinazione. Dalle prime cifre del numero SN, ricava il HLR su cui è registrata la MS e gli invia un messaggio di Send routing information.

4. L'HLR, in base al numero MSISDN, rintraccia tutte le informazioni dell'abbonato, compreso il codice IMSI e l'indirizzo SS7 del VLR su cui è temporaneamente registrata la MS (VLR number). Non conosce, però, il roaming number correntemente assegnato alla MS e così invia un messaggio di Provide roaming number al VLR indicando il codice IMSI della MS di cui richiede il numero MSRN.

5. Il VLR di destinazione fornisce al HLR dell'abbonato chiamato il numero MSRN.

6. HLR ritorna al GMSC lo stesso numero MSRN.

7. Ora il GMSC, analizzato il numero MSRN ricevuto, può instradare la chiamata fino al MSC/VLR che serve (temporaneamente) la MS, attraversando anche eventuali reti di transito.

8. Adesso è necessario localizzare la MS. Il MSC/VLR, in base al codice IMSI, individua la location area corrente di registrazione. Invia quindi un messaggio di page ai BSC, che servono quell'area, perché trasmettano il paging.

9. I BSC comandano a tutte le loro BTS di irradiare il messaggio di paging, sul canale PCH, indirizzato alla MS chiamata.

10. La MS risponde al messaggio di paging attraverso una richiesta di accesso alla rete, sul canale RACH.

11. La rete assegna un canale dedicato (SDCCH) alla MS e, attraverso un messaggio sul canale logico AGCH, gli ordina di spostarsi immediatamente su esso per effettuare le procedure di autenticazione.

12. Conclusasi positivamente la fase di autenticazione, il MSC/VLR assegna alla MS un canale di traffico (TCH) e le ordina di spostarsi su di esso.

13. La connessione è instaurata e gli utenti possono comunicare.

Instradamento di una chiamata verso una MS

Cenni di Optimal Call Routing

Il sistema GSM permette ad un utente di accedere anche a PLMN di operatori di altre nazioni (roaming internazionale). Questo comporta che, durante una chiamata, vengono attraversate reti di altri gestori (PLMN e/o PSTN, ISDN). Dato che a queste ultime deve essere corrisposto un compenso per l'affitto delle linee, nasce il problema di un instradamento internazionale ottimo per ridurre i costi.

Analizziamo il caso di una chiamata tra due utenti mobili. Attualmente, se un abbonato (MS B) che si trova all'estero in roaming internazionale riceve una chiamata, il percorso di instradamento tra il chiamante (MS A) e il chiamato attraverserà necessariamente l'HPLMN (Home PLMN, cioè HLR proprio dell'utente chiamato), infatti l'HLR è sempre interrogato per localizzare la MS chiamata. Questa procedura implica che vi debbano essere due collegamenti internazionali, con la sola eccezione del caso in cui il chiamante (MS A) si trovi nello stesso PLMN del chiamato (MS B).

Schema di routing tradizionale

L'interrogazione dell'HLR è necessaria solo per individuare il VLR presso cui è registrata la MS. Appena il roaming number (MSRN) giunge al PLMN del chiamante, si può instaurare direttamente un collegamento con il PLMN di destinazione, coinvolgendo così un solo collegamento internazionale. In questo caso si parla di Optimal Call Routing.

Schema di optimal routing

L'implementazione dell'OR porta con sé vantaggi (ad es. agli utenti in termini di riduzione dei costi delle conversazioni), ma anche molti problemi:

• Il RO non può essere stabilito a priori, ma va deciso caso per caso. Questo richiede una maggiore intelligenza negli MSC e procedure di set-up più complicate.

• Le procedure di tariffazione risultano più complesse.

• L'amministrazione dei registri risulta più gravosa: tutti gli operatori GSM, che supportano il RO, devono essere in grado di indirizzare direttamente gli HLR dei rispettivi roaming partner come degli operatori della propria nazione.

Attualmente le specifiche OR non sono standardizzate e non è ancora prevedibile quando lo saranno.