relazione al Convegno di Stresa 2019

1. 1
Utilizzo delle System Information Broadcasting nell’acquisizione dei
segnali 2G e 4G in conformità alla norma CEI 211-7/E
E. Grillo1, D. Franci1, S. Pavoncello1, S. Coltellacci1, R. Cintoli1, T. Aureli1
1Arpa Lazio, Sede di Roma - Via G. Saredo 52 – 00173 Roma
enrico.grillo@arpalazio.gov.it
INTRODUZIONE
Nell’ambito delle attività di controllo delle Agenzie per l’Ambiente per valutare il rispetto dei
limiti normativi relativi ai campi elettromagnetici mediante analisi in banda stretta dei segnali, è utile
conoscere il maggior numero di informazioni a riguardo delle modalità trasmissive dei segnali, in
particolare di quelli relativi alle comunicazioni radiomobili. Come ben noto, la conformità di un
punto di misura viene valutata mediante delle procedure di estrapolazione che non possono
prescindere dalla acquisizione di alcuni segnali di riferimento e parametri di trasmissione noti al
solo operatore di telefonia. Da tempo la nostra attività, in qualità di operatori di Arpa Lazio, sta
cercando di affiancare alla mera acquisizione tal quale dei segnali una pre-analisi degli stessi,
mediante strumentazione adeguata, al fine di riuscire ad avere quante più informazioni possibili
sulle modalità trasmissive degli impianti in maniera indipendente e con un elevato grado di
autonomia. In questo lavoro si cercherà di illustrare quello che è stato fatto per quanto riguarda i
sistemi 2G, quello che attualmente si fa nel caso di sistemi 4G, e di illustrare alcune potenzialità
relative a qualsiasi altra tipologia di sistemi.
SYSTEM INFORMATION BROADCASTING E SEGNALAZIONE DI RETE.
Nell’acquisizione dei segnali relativi alla telefonia mobile si fa riferimento ai canali di
controllo che sono a servizio della segnalazione di rete. I canali di segnalazione sono integrati
nell’interfaccia radio e incapsulati nei canali logici di controllo. Questi trasportano tutte le
informazioni necessarie agli UE (User Equipment) al fine dell’instaurazione e della gestione del
collegamento alla rete mediante opportuni protocolli di segnalazione, tramite i quali si possono
gestire le varie fasi della comunicazione del dispositivo mobile con la Rete. La segnalazione
avviene sui primi tre livelli OSI che di seguito si riassumono brevemente: livello di rete (gestisce il
controllo delle risorse radio per interfaccia alla rete detto anche RRC); livello di collegamento
(gestisce la formattazione delle informazioni per l’invio sulla risorsa radio); livello fisico (a tale
livello avviene la trasmissione delle informazioni di segnalazione sulle portanti a radiofrequenza).
Le informazioni utili al UE per decidere le modalità di accesso alla rete mediante la cella
corrente sono dette System Information Broadcasting (SIB), vengono diffuse dalla SRB a tutti i
mobili e sono suddivise in diversi sottolivelli a seconda del servizio a cui fanno riferimento. Esse
sono gestite a livello di rete dai canali logici di controllo e sono organizzate come definito
negli Standard ETSI e 3GPP rispettivamente per il 2G e il 4G.
SISTEMI 2G
Per quel che riguarda i sistemi 2G la decodifica delle informazioni trasportate dalle SIB fornisce
informazioni che riguardano l’organizzazione dei canali di controllo e dei canali di traffico allocati
per le singole celle della rete mobile. Si riportano alcune definizioni valide per i canali di
segnalazione per gli standard 2G:
- Canale Logico: contiene tutte le informazioni di segnalazione che vengono mappate sui canali
fisici secondo gli specifici protocolli di segnalazione.
- Canale Fisico: è indicato da uno slot e da una portante (es. il time slot 0 della portante BCCH
detto anche TS0).

2. 2
- Canale Radio: è il canale che si instaura in aria mediante la portante radio (BCCH).
Sul canale radio viene inviata la multitrama di controllo, che è composta da 51 trame a loro volta
costituite da 8 time slot (figura 1).
Il canale fisico di controllo è il Time Slot 0 della BCCH (C0) ed è usato dal UE per decodificare la
informazioni di controllo. I TS0 della portante C0 sono organizzati in modo da trasportare tutti i
canali logici di controllo (FCH, SCH, BCH, CCH).
Figura 1 – Multitrama di controllo segnale 2G
Le SIB contengono molteplici informazioni relative ai canali logici di controllo di ciascuna cella della
rete 2G e sono organizzate in sottolivelli denominati “System Information Type” seguiti da un
numero progressivo (SI1, SI2, S3, ….., S13). Le System Information Type 1 (S1) contengono
informazioni relative alla descrizione dei canali nella cella (Cell Channel Description), quali la
frequenza1
della portante di controllo BCCH univocamente associata alla cella, e la frequenza di
tutte le portanti di traffico disponibili. Le S2 contengono informazioni relative alle celle adiacenti,
utili ad es. per l’handover, e informazioni relative alle reti telefoniche permesse (PLMN2
list) utili in
caso di roaming. Le S3 contengono invece informazioni relative alla Cell Identity (numero che
identifica univocamente la cella trasmittente), le informazioni relative alla Location Area (che
identificano MCC, MNC e LAC) e informazioni relative alle opzioni attivabili nella cella quali ad
esempio il Power Control (PC) e la trasmissione discontinua (DTX).
Ai nostri fini interessano solo alcune informazioni contenute nelle SIB che possono essere utili
nelle procure di estrapolazione dei valori di campo elettromagnetico ed in particolare quelle relative
alla portante di controllo e alle portanti di traffico associate nella cella (lista di BCCH e TCH) e le
informazioni relative all’utilizzo del Power Control e DTX.
Per poter decodificare le informazioni contenute nelle SIB, operazione effettuata continuamente da
tutti i terminali mobili, si è fatto uso di un ricevitore di rete TSMQ associato al software Romes 3NG
Drive Test System della Rohde & Schwarz, normalmente utilizzato per l’effettuazione di drive test
dagli operatori di telefonia mobile. Tale sistema consente di avere una mappatura delle reti radio
1
Le frequenze vengono rappresentate mediante l’ARFCN (Absolutely Radio Fequency Channel Number) che è un
numero intero univoco associato ad una singola portante radio all’interno dello standard 2G (per approfondimenti si veda
3GPP TS 05.05)
2
Public Local Mobile Network: è il codice che identifica univocamente la rete 2G di uno specifico operatore. Esso è
costituito aggregando i due codici relativi al MCC (Mobile Country Code) che identifica univocamente il paese (es. 222
per l’Italia) e MNC (Mobile Network Code) che identifica il gestore telefonico (es. 001 per TIM).

3. 3
presenti in aria e per ciascun operatore permette di conoscere tutte le celle radio che è possibile
rilevare e di ciascuna decodificare tutte le SIB.
La figura 2 mostra la schermata acquisita delle SI1 mediante la catena sopra descritta. Nel
pannello di sinistra si possono osservare le informazioni generali relative alla cella tra cui
l’identificativo di cella Cell Identity (che nel caso in questione è CI=56873), le indicazioni relative al
codice MNC dell’operatore mobile e il numero ARFCN della portante BCCH (nel caso riportato
ARFCN = 43 corrisponde alla frequenza f = 943.60 MHz). Nel pannello di destra sono dettagliate
tutte le informazioni relative alle SI1, e in particolare quelle evidenziate si riferiscono alla lista
ARFCN delle portanti attive nella cella, nella quale oltre alla portante BCCH sono riportate tutte le
portanti di traffico TCH attive nella cella, da questa lista si desume il numero di portanti di traffico
attive, nel caso in questione si può osservare che oltre alla BCCH sono presenti altre tre portanti di
traffico individuate dai rispettivi ARFCN.
Figura 2 – SI1 acquisite mediante sistema TSMQ-Romes3NG
Andando a demodulare anche le informazioni relative alle System Information di livello 3 si
ottengono ulteriori informazioni (figura 3), tra cui le opzioni relative alla cella ci forniscono il dettagli
relativi all’implementazione da parte della rete del controllo di potenza e della trasmissione
discontinua con i corrispettivi flag PWRC e DTX a cui è associato il valore binario indicativo
dell’utilizzo o meno di tali modalità (nel caso in esame entrambi i flag sono pari a 1).

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Figura 1 - SI3 acquisite mediante sistema TSMQ-Romes3NG
Le informazioni acquisite in precedenza possono essere utilizzate direttamente nelle formule di
estrapolazione, previste dalla guida CEI 211-7E, per l’accertamento del superamento dei limiti o
per escludere il superamento (figura 4).
Figura 2 - Tabella Guida CEI 211-7E relativa ai segnali 2G
Rilevando i valori di N, di αPC e αDTX, come illustrato in precedenza, e misurando il valore del
campo elettrico associato alla portante di controllo, l’unico parametro ignoto resta il parametro
α24DAY che deve essere richiesto all’operatore di telefonia mobile. Inoltre conoscendo la
configurazione in frequenza delle portanti di controllo e di traffico trasmesse dalla cella si può
determinare in modo immediato la conformità di tale cella rispetto al limite di esposizione,
mediante l’acquisizione del valore in average di tutte le portanti 2G.

5. 5
SISTEMI 4G
Per quanto riguarda la tecnologia 4G, lo standard suddivide le System Information Broadcasting in
due blocchi: Master Information Block (MIB) e System Information Block (SIB) a loro volta
organizzate secondo differenti livelli (SIB1, SIB2, ecc.). Nel MIB, trasmesso sul canale PBCH
(Physical Broadcasting Channell)3
, vi sono le informazioni essenziali di downlink che consentono
allo UE di collegarsi alla rete, quali frequenza e banda del segnale 4G, numero di antenne in
trasmissione (MIMO), ecc. Le SIB trasportano le informazioni di rete relative alle azioni del Radio
Resource Control (RRC) per l’allocazione e gestione delle risorse radio. Queste sono trasmesse
con differenti periodicità sul PDSCH4
, e consentono di identificare le impostazioni e le opzioni
relative alle specifiche celle della rete 4G. Analogamente al caso 2G tali informazioni possono
essere utili ai fini delle procedure di estrapolazione del campo elettromagnetico così come definite
nelle guide tecniche di riferimento.
La decodifica delle informazioni di rete è stata effettuata mediante un network scanner dotato di
modulo dedicato per i segnali LTE, e avendo in dotazione un analizzatore vettoriale con funzione
di analisi nel dominio dei codici, si è effettuata la decodifica dei simboli della trama LTE associati
alle System Information.
Figura 5 - Decodifica MIB con sistema TSMA-ROMES 18.0 Rohde & Schwarz
3
PBCH - Physical Broadcasting Channel.
4
PDSCH - Physical Downlink Shared Channel

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Figura 3 - MIB decodificato sul canale PBCH con analizzatore Keysight mod. MXA9020A
Nella figura 5 sono state riportate le schermate acquisite con il sistema TSMA-Romes 18.0 della
Rohde & Schwarz ed in particolare le informazioni relative al MIB che, come evidenziate,
riguardano la banda in downlink del segnale, il numero di Resource Block (RB) allocabili e il
numero di antenne in trasmissione relative all’implementazione MIMO. Le stesse informazioni
possono essere ricavate mediante l’uso dell’analizzatore vettoriale Keysight MXA N9020A dotato
di modulo di decodifica LTE, in particolare (figura 6) si è proceduto alla decodifica del canale
PBCH che contiene le informazioni relative al Master Information Block.
L’acquisizione delle SIB può essere quindi effettuata in modo immediato mediante un sistema di
rilevamento ad hoc (sistema TSMA-Romes 18.0) o mediante l’uso di analizzatore vettoriale con
funzioni di demodulazione e decodifica diretta del canali di controllo del segnale 4G.
Lo standard 3GPP definisce le modalità di trasmissione delle SIB, in particolare per quel che
riguarda le SIB1 queste sono trasmesse nel quinto subframe (Sf) del canale PDSCH con
periodicità pari a 20 ms (una volta ogni due frame). La decodifica delle SIB1 sono essenziali per
l’instaurazione della connessione dello UE alla cella 4G. La sincronizzazione avviene mediante la
ricerca all’interno del canale PDCCH5
dell’identificatore detto SI-RNTI6
che è un identificatore fisso
utilizzato in tale canale per indicare i SIB trasmessi sul PDSCH. Al SI-RNTI con valore
esadecimale FFFF corrispondono le informazioni relative alle SIB1, per cui se decodificando il
canale PDCCH al quinto Sf troviamo il suddetto valore ciò identifica che le SIB1 sono trasmesse in
tale Sf.
5
PDCCH – Physical Downlink Common Channel. È il canale di controllo utilizzato in downlik per supportare la trasmissione
efficiente dei dati. Il PDCCH trasporta un messaggio noto come DCI (Downlink Control Information), che include le
assegnazioni delle risorse di trasmissione e altre informazioni di controllo per gli UE.
6
SI-RNTI - System Information Radio Network Temporary Identifier.

7. 7
Figura 7 – Settaggi per la decodifica delle SIB1
Nella figura 7 sono rappresentati i settaggi da impostare per la demodulazione e decodifica dei
canali PDCCH e PDSCH con l’analizzatore vettoriale MXA Keysight N9020A. Per riuscire ad
identificare le SIB1 è necessario impostare un tempo di osservazione pari 20 ms che corrisponde
alla periodicità delle SIB1 (due frame). Successivamente all’interno dell’intervallo di osservazione
si analizzano i Sf5 di ciascun frame andando ad cercare l’identificatore SI-RNTI pari a FFFF (figura
8).
Figura 4 - Decodifica del canale PDCCH contenente l'informazione SI-RNTI
Nel nostro caso le informazioni relative al SIB1 si trovano nel Sf5 del secondo frame, che
corrisponde al quindicesimo subframe di osservazione.

8. 8
Figura 9a – Tabella di allocazione del segnale 4G Figura 9b - Decodifica dei simboli del Sf5
La presenza delle SIB1 è distinguibile anche nella tabella di allocazione relativa all’intervallo di
osservazione (figura 9a) dalla quale è evidente la presenza di RB allocati nel Sf5. Andando a
decodificare i simboli relativi a tale Sf5, corrispondente al quindicesimo Sf nell’intervallo di
osservazione, si ottiene una stringa esadecimale relativa alle SIB1 (figura 9b).
Mediante un semplice software (reperibile anche in versione online7
), si può effettuare la
conversione del messaggio, cosi come definito nello standard 3GPP, contenuto della stringa
esadecimale relativa
Figura 10 - Decodifica del messaggio contenuto nei simboli relativi alle SIB1 del segnale LTE
alle SIB1. Nella figura 10 è riportato il risultato finale della conversione del messaggio trasportato
nelle SIB1 relativo ad un segnale LTE con frequenza centrale pari a 796 MHz acquisito con
analizzatore vettoriale. La conversione non è altro che la traduzione dei simboli contenuti nella
stringa relativa alla Sf5 in base allo standard 3GPP TS36.331 Rel15 e trasportato dal canale di
controllo PDSCH. Nelle SIB1 sono contenute le informazioni relativi alla lista di PLMN consentiti
7
http://www.3gpp-message-analyser.com/decoder/eurrc.htm

9. 9
dalla rete. Nella parte destra della figura si desume che nel caso in questione il PLMN non è unico
in quanto è presente una lista costituita da tre operatori possibili. Il caso in questione è un caso
particolare in quanto l'operatore principale corrisponde al codice 222-88 che identifica il gestore
Wind Tre che attualmente detiene le frequenze Ex-Wind (appunto 222-88) e le frequenze Ex-H3G
(222-99), inoltre il terzo operatore permesso dalla rete corrispondeva al PLMN pari a 222-50 che
identifica il gestore Iliad che evidentemente operava in roaming sulla frequenza esaminata. Questo
semplice esempio applicativo fa capire l'utilità di conoscere le informazioni di controllo inviate sulla
rete, non solo ai fini estrapolativi (consentendo l'individuazione di parametri di rete utili all'analisi
quantitativa del segnale 4G) ma anche ai fini di una analisi qualitativa che fornisca maggiori
dettagli in merito alle impostazioni di rete.
Nelle SIB1 sono contenute le informazioni utili alla decodifica degli altri livelli SIB
(schedulingInfoList) che sono trasmessi con differenti periodicità, così come definiti dallo standard,
per cui volendo ad esempio decodificare le SIB2 si deve riuscire a determinare la stringa relativa
all'interno dei simboli trasmessi sul PDSCH. L'utilizzo dell'analizzatore vettoriale per catturare i
simboli delle SIB2 è possibile ma si complica notevolmente per il fatto che la periodicità di tale SIB
è superiore al tempo di osservazione massimo impostabile nell'analizzatore (2 frame) e pertanto
non è facile identificare il subframe contenente i simboli di interesse all'interno del flusso del
PDSCH. È possibile invece utilizzare il sistema TSMA-Romes18.0 per effettuare in modo
immediato la decodifica di tutte le SIB.
Figura 11 - Decodifica delle SIB2 mediante sistema TSMA-Romes18.0 della Rohde & Schwarz
In figura 11 è riportata la schermata di acquisizione di un segnale LTE a frequenza centrale pari ad
816 MHz, tra le varie informazioni presenti si può osservare il parametro p_b evidenziato tra le
informazioni comuni relative al PDSCH. Tale parametro è legato alla presenza di due tipi di
Boosting Factor8
(BF) all'interno dei frame LTE, difatti è noto che la rete 4G presenta la possibilità
di implementare più livelli per differenti tipologie di simboli, questo al fine di ottimizzare l'utilizzo
della rete da parte degli utenti. Il valore p_b di figura 11 rappresenta l'indice PB che corrisponde ad
8
Il BF o Boosting Factor è una differenza di livello tra i simboli che trasportano gli RS (Reference Signal) e gli altri
simboli trasmessi ed è introdotto per facilitare e la sincronizzazione e la comunicazione degli UE con la rete 4G.

10. 10
un determinato rapporto tra i due diversi BF detti di tipo A o di tipo B a seconda che il simbolo della
trama sia interamente dedicato al traffico associato al PDSCH o vi siano anche elementi relativi ai
Reference Signal. Nel caso preso in esame un valore di p_b pari ad 1, essendo implementati due
rami MIMO in trasmissione, equivale ad un rapporto unitario tra BF che quindi assumono lo stesso
valore.
Figura 5 - Tabella relativa al rapporto tra i differenti tipi di boosting factor
Una trattazione approfondita e rigorosa dell'argomento esula dalle finalità del presente lavoro9
,
quello che risulta interessante sottolineare è l'innumerevole quantità di informazioni che possiamo
ricavare dalla interpretazione delle SIB.
CONCLUSIONI
In conclusione, l’acquisizione delle informazioni relative alle SIB è utile nelle procedure di
estrapolazione ai sensi della norma CEI 211-7/E. Queste possono essere acquisite in campo e
svincolano gli operatori Arpa dalla richiesta di alcuni parametri di rete ai gestori di telefonia mobile,
facilitando l’accertamento della conformità delle stazioni di telefonia.
Bibliografia
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specification (GSM 04.08 version 6.1.0 Release 1997)
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Test System ROMES TSMQ”, Atti del V Convegno Nazionale Agenti Fisici
[3] Norma CEI 211-7 Appendice E
[4] ETSI TS 136 331 V14.2.2 (2017-05), LTE; Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA); Radio
Resource Control (RRC); Protocol specification (3GPP TS 36.331 version 14.2.2 Release 14)
[5] ETSI TS 136 213 V14.2.0 (2017-04), LTE; Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA);
Physical layer procedures (3GPP TS 36.213 version 14.2.0 Release 14)
[6] ETSI TS 136 211 V13.9.0 (2018-04), LTE; Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA);
Physical channels and modulation (3GPP TS 36.211 version 13.9.0 Release 13)
[7] D. Franci, E. Grillo, S. Pavoncello, S. Coltellacci, S. Ceradini, S. Adda, L. Anglesio, M. Vaccarono, S.
D’Elia, R. Suman, "Boosting Factor Procedura operative per la misura del Boosting Factor per impianti di
telecomunicazione in tecnologia LTE", Atti del XXXVII Congresso Nazionale AIRP
[8] http://www.3gpp-message-analyser.com/decoder/eurrc.htm
9
Capitolo 5.2 del documento 3GPP TS 36.213