Evoluzione del mercato della telefonia mobile: modello di previsione delle variazioni di mercato

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1 Università degli Studi di Cassino Facoltà di Ingegneria Tesi di dottorato XV ciclo Evoluzione del mercato della telefonia mobile: modello di previsione delle variazioni di mercato Dottoranda Ing. Ester Franzese Tutore Prof. Ing. Livio Cricelli

2 Introduzione Gli obiettivi della ricerca sono stati quelli della previsione della suddivisione delle quote di mercato della telefonia mobile legata alla nuova tecnologia UMTS, e della caratterizzazione di tale previsione per la città di Cassino. L attività di ricerca si è sviluppata in cinque stadi. 1. Ricerca e studio del materiale bibliografico tecnico ed economico; 2. Ricerca e raccolta dei valori dei parametri necessari alla caratterizzazione del modello economico relativi alla città di Cassino; 3. L elaborazione del modello economico; 4. Progettazione della rete neurale; 5. Progettazione del programma di interfaccia CASSANDRA1.0. Gli aspetti innovativi di tale progetto stanno nel fatto che la caratterizzazione del modello è avvenuta non su una serie storica di eventi, come comunemente si è soliti trovare in letteratura, ma sulla base di comportamenti emersi dalle schede compilate dalle persone interpellate; ed inoltre, grazie al programma di interfaccia, le previsioni vengono messe a disposizione di un larghissimo numero di utenti, visto che la sua utilizzazione non richiede conoscenze in campo economico, nè in campo matematico o di programmazione. 2

3 Capitolo 1 Aspetti tecnici del passaggio dal sistema GSM all UMTS Introduzione La scoperta dell'uso delle onde elettromagnetiche come mezzo di comunicazione risale alla fine del diciannovesimo secolo, ma i primi sistemi di comunicazione mobile (la cosiddetta generazione 0) furono introdotti negli Stati Uniti solo alla fine degli anni '40, e in Europa nei primi anni '50. Questi primi sistemi erano a cella singola, cioè senza procedure di handover, cosa che comportava la caduta della comunicazione quando il terminale usciva dalla cella stessa. Le prestazioni erano caratterizzate da mobilità carente, bassa capacità, gamma di servizi limitata e modesta qualità della voce; inoltre i terminali erano ingombranti, costosi e suscettibili a interferenze. Per questi motivi la diffusione a livello mondiale di sistemi di telefonia mobile era limitata nei primi anni '80 a meno di un milione di utenti. L'introduzione tra la fine degli anni '70 e l'inizio degli anni '80 di sistemi cellulari rappresentò un notevole passo avanti nella telefonia mobile, soprattutto per capacità e mobilità. L'avanzamento nella tecnologia dei semiconduttori e i microprocessori misero sistemi mobili più piccoli, più leggeri e più sofisticati alla portata di milioni di utenti. I sistemi di prima generazione (1G) trasmettevano comunque solo voce in modalità analogica. Il TACS (Total Access Communication System) e sistemi equivalenti portarono il numero di utenti mondiale a circa 20 milioni nel Lo sviluppo di cellulari di seconda generazione (2G) è nato dal bisogno di migliorare la qualità di trasmissione, la capacità del sistema e la copertura. Ulteriori avanzamenti nel campo dei semiconduttori e delle microonde hanno permesso di introdurre la trasmissione numerica (o digitale) nelle comunicazioni mobili. La trasmissione della voce era sempre il servizio dominante, ma la richiesta di fax, messaggi brevi e dati in genere era in veloce aumento. Al giorno d'oggi coesistono a livello mondiale sistemi 1G e 2G. Di quest'ultima esistono numerosi standard che coprono differenti tipologie di servizio con differenti livelli di mobilità, capacità e copertura. Alcuni standard sono diffusi solo in un'unica regione o nazione; molti sono incompatibili tra loro. 3

4 1.1 La standardizzazione La famiglia di standard con maggiore successo è la GSM (Global System for Mobile communications) che, comprendendo GSM900, GSM-railway, GSM1800, GSM1900, GSM400, supporta circa 250 dei 450 milioni di utenti cellulari al mondo, con un roaming internazionale in circa 140 paesi e 400 reti. La fase 1 della standardizzazione del GSM900 è stata completata in Europa dall'etsi (European Telecommunication Standard Institute) nel In questa si definivano i servizi di telefonia e trasmissione dati (a 9.6 kbit/s), ma venivano offerti solo pochi e semplici servizi supplementari. Per questo gli standard GSM furono estesi nella fase 2 nel 1995 per incorporare una vasta gamma di servizi supplementari paragonabili a quelli di reti digitali fisse come ISDN (Integrated Services Digital Network). Nel 1996 l'etsi decise un ulteriore sviluppo del GSM per incorporare caratteristiche che saranno tipiche di sistemi di terza generazione. Il GSM fase 2+ comprende innovazioni come intelligent network per la customizzazione dei servizi offerti (vedi CAMEL), compressione e decompressione della voce (CODEC), multirate adattativo (AMR), servizi a rate elevato e nuovi principi di trasmissione grazie a HSCSD (High Speed Circuit Switched Data) e GPRS Miglioramenti che di fatto si propongono come un ponte tra i sistemi di seconda e di terza generazione. 1.2 Evoluzione dalle reti GSM a quelle UMTS La futura introduzione del sistema di comunicazione mobile UMTS è considerata un evento rivoluzionario, in grado di raggiungere importanti obiettivi come la convergenza tra reti fisse e reti mobili, l'offerta di un'ampia gamma di servizi, comprendendo tra essi tutto ciò che attualmente viene definito con il termine 'comunicazione multimediale', e una vasta disponibilità di applicazioni accessibili sia in modo wired che wireless. Il raggiungimento di tali obiettivi è possibile principalmente tramite lo sviluppo di un'interfaccia radio innovativa, senza tuttavia trascurare la core network che supporta il sistema di accesso alla rete. Le attuali core network dei sistemi di telecomunicazione mobile sono principalmente ottimizzate per il trasporto vocale tramite connessioni a circuito mentre, al contrario, per UMTS vi è la necessità di supportare anche il trasferimento di dati nella modalità a pacchetto. L'integrazione tra reti mobili e fisse ha come conseguenza la realizzazione di un sistema in grado di fornire una singola piattaforma di servizi di telecomunicazione. Le principali funzionalità richieste ad UMTS sono, quindi, la capacità di supportare servizi dati a larga banda, comunicazioni di 4

5 tipo simmetrico e asimmetrico, traffico a commutazione di circuito con garanzia di Quality of Service, traffico a commutazione di pacchetto con diversi livelli di QoS, servizi real-time e non real-time e l'introduzione di nuovi servizi basati su tariffazioni flessibili. La nascita delle nuove reti UMTS è un'evoluzione delle attuali reti di telefonia mobile numeriche (di seconda generazione), le quali presentano il grande vantaggio di essersi diffuse ampiamente e velocemente in tutto il mondo, divenendo uno standard. Il passaggio da GSM a UMTS risulta quindi un percorso costituito da un insieme di passi successivi strettamente correlati tra loro. L'infrastruttura delle attuali reti mobili si è evoluta a partire da quella delle reti di telecomunicazione pubbliche fisse, caratterizzate da ritardi di trasferimento limitati, ereditando però da esse la bassa flessibilità dell'architettura di rete e la difficoltà di sviluppare nuove caratteristiche. Infatti l'infrastruttura delle reti mobili è strettamente legata alla scelta delle tecniche di comunicazione sull'interfaccia radio, rendendo difficoltose le modifiche su di essa senza ripercussioni sulla parte di rete fissa. Inoltre, l'interfaccia radio, essendo ottimizzata per il traffico vocale, può dare luogo ad alcuni problemi quando si intendono aggiungere nuovi servizi dati; infine la tariffazione, basata sulla durata della connessione e sulla distanza, risulta essere scarsamente flessibile. Molte di queste limitazioni sono state affrontate dai comitati di standardizzazione internazionali e hanno portato alle soluzioni che sono state recentemente introdotte, come la già citata evoluzione dalle reti GSM verso il sistema GPRS che fornisce agli operatori la possibilità di offrire servizi dati notevolmente migliorati rispetto a quelli supportati dal GSM, le cui velocità sono limitate a 9.6 kbit/s. Tali miglioramenti sono dovuti all'utilizzo della commutazione di pacchetto che permette di supportare le comunicazioni IP direttamente sull'interfaccia radio, senza il bisogno di instaurare una connessione di circuito. La tecnica di trasporto a commutazione di pacchetto, rispetto a quella a commutazione di circuito, permette di trasferire contemporaneamente in modo efficiente dati che richiedono bit-rate variabili, ma anche informazioni di segnalazione; questa tecnica è stata scelta per essere utilizzata all'interno dei sistemi che rappresentano l'evoluzione delle reti GSM proprio perché permette un migliore sfruttamento delle risorse della rete. Entrambi i sistemi GPRS e UMTS sono accomunati da un'evidente separazione tra gli elementi della rete che si occupano della gestione delle risorse radio e che rendono possibile la comunicazione con i terminali mobili, da quelli che invece regolano il flusso dei dati all'interno della rete fissa e che realizzano l'interconnessione con altre reti. Ciò che rende diversi questi due è principalmente il tipo di 5

6 accesso radio utilizzato (radio subsystem); la core network invece è mantenuta senza grandi variazioni. Il passaggio da GPRS a UMTS è quindi un esempio di come la separazione tra i diversi elementi della rete permetta di riutilizzare il network subsystem con diverse tecnologie di accesso sull'interfaccia radio. Infatti è proprio quest'ultima che influisce maggiormente sulla qualità dei servizi offerti dalle reti radiomobili, poiché la trasmissione sul canale radio è molto critica e necessita di particolari accorgimenti per poter soddisfare, con adeguati livelli qualitativi, la crescente richiesta di servizi ad alto bit-rate. La parte della rete denominata core network è basata sul trasporto di tipo ATM/IP. Si è scelto di adottare una soluzione mista in quanto ATM è in grado di fornire un'elevata velocità di commutazione e diversi parametri di QoS, mentre IP, a causa della sua grande diffusione, permette un facile internetworking con una moltitudine di altri sistemi. In questo modo i diversi livelli di qualità di servizio permettono un efficiente trasferimento sia di traffico real-time (trasferimento di dati intermittenti e a burst, occasionali trasmissioni di grandi quantità di dati), ma anche di applicazioni basate su protocolli standard e di servizi di messaggistica come gli SMS (short messages). Un'altra caratteristica importante è determinata dall'introduzione di una tariffazione flessibile che può dipendere dalla durata della connessione, ma anche dalla quantità di dati trasferiti o dalla qualità di servizio richiesta. Dal punto di vista dell'utente, ciò che rende diverso il sistema UMTS da GPRS è una maggiore disponibilità di servizi ed una maggiore velocità di trasferimento dati; essa è resa possibile da un'allocazione delle risorse radio molto flessibile ed efficiente, in quanto per la trasmissione di dati a pacchetto, a seconda del livello di attività di un terminale mobile, possono essere allocati dalla rete canali comuni a contesa o canali dedicati. 1.3 Gestione della multiutenza in UMTS Il problema della gestione della multiutenza deriva dal fatto che l'unico canale di trasmissione (il canale radiomobile), cioè la banda di frequenze assegnata al sistema, deve trasmettere in contemporanea dati relativi a più utenti distinti. Il sistema FDMA (Frequency Division Multiple Access) gestisce la coesistenza di più utenti dividendo lo spettro totale in più bande, assegnando ad un singolo utente una singola banda di frequenza per tutto il tempo della trasmissione. Parallelamente il sistema TDMA (Time Division Multiple Access) assegna l'intero spettro ad ogni singolo utente per un periodo limitato di tempo, in maniera più o meno ciclica [3]. 6

7 Fig Diversi tipi di trasmissione dati UMTS adotta una politica innovativa rispetto a quella utilizzata in sistemi reali fino ad adesso. Col CDMA (Code Division Multiple Access) ogni utente si vedrà assegnato tutto lo spettro per tutto il tempo della comunicazione. Per evitare che i segnali dei diversi comunicatori si sommino indistintamente, ad ognuno di essi è assegnato un codice univoco. Ogni codice individua una determinata sequenza pseudo-casuale a rate molto più elevato del segnale trasmissivo, detto chip-rate. Moltiplicando il segnale per la sequenza si ottiene una effetto di spreading del segnale in frequenza, cioè un allargamento della banda del segnale ad un valore più elevato, nella pratica al valore della banda dell'intero sistema. Essendo le sequenze scelte in modo da essere tra di loro ortogonali (crosscorrelazione nulla), in ricezione e sufficiente correlare il segnale ricevuto con la sequenza stessa; se i codici sono effettivamente ortogonali tutti i contributi dovuti a sequenze interferenti (non di interesse) saranno nulli. Questa operazione è detta di spreading. Fig Operazione di spreading 7

8 Il primo vantaggio della tecnica CDMA sta nel poter riutilizzare l'intero spettro di frequenza in celle adiacenti senza rischi di interferenza; ciò e garantito dall'uso di diversi codici di spreading. Questo non avviene invece negli accessi a divisione di frequenza e di tempo (FDMA e TDMA), dove il riutilizzo delle frequenze portanti si ha in celle distanziate. Il secondo vantaggio del CDMA consiste nel fatto che non esiste una soglia massima di utenti servibili oltre la quale non è possibile andare, ma all'aumentare del numero di utenti da servire diminuisce gradualmente la qualità del servizio, ovvero si innalza il valore del BER (Bit Error Rate). Questa degradazione "morbida" del servizio prende il nome di softblocking. Il terzo e ultimo vantaggio del CDMA sta nella protezione del multipath. Infatti al ricevitore possono giungere diverse riflessioni dello stesso segnale che in generale hanno diversa ampiezza e fase. Generalmente la loro somma produce una distorsione del segnale originario, in quanto risulta costruttiva ad alcune frequenze e distruttiva ad altre. Nel CDMA la protezione da questo fenomeno è intrinseca nell'uso di codici, infatti ogni codice è scelto in modo da avere una bassa autocorrelazione; questo significa che il ricevitore tratta le repliche del segnale con ritardo superiore ad una certa soglia come gli altri segnali interferenti. 1.4 I servizi e le classi di Quality of Service Il sistema UMTS affianca servizi tipici dei sistemi attualmente diffusi con importanti novità. Servizi tipici saranno: Business information, ovvero tutto ciò che riguarda il mobile office o la narrowcasttv, oltre alla possibilità di creare dei gruppi di lavoro virtuali; Servizi economici/finanziari, quindi tutto ciò che è legato al virtual banking, all on-line billing, ed alle operazioni finanziarie da effettuarsi con le nuove universal Sim-Card che diventeranno delle vere e proprie carte di credito virtuali; Servizi di sicurezza e/o sociali, possibilità di celere collegamento con i servizi di emergenza; Servizi di comunicazione, come la video telefonia e la video conferenza, ma anche l utilizzo di risponditori e riconoscitori vocali automatizzati, oltre ai servizi di localizzazione istantanea; 8

9 Ausilio al trasporto, con pedaggi prepagati o gestione di flotte aziendali, oltre ad eccellenti capacità di antifurto; Utilizzo della rete internet, ovvero browsing the WWW con terminali portatili completamente automatizzati, e-commerce istantaneo, editoria on-lline e traduzioni on-line, oltre a vari servizi di diffusione su base locale; Didattica, strumenti come la scuola virtuale o laboratori scientifici on-line, librerie on-line, laboratori linguistici on-line; Intrattenimento, ovvero funzioni di audio on demand o di games on demand, visione di video clips, o di itinerari turistici di ogni parte del mondo. Dovendo ospitare un'ampia gamma di servizi con caratteristiche molto diverse, è indispensabile che la rete UMTS associ ad ognuno di essi una certa qualità di servizio (QoS) che permetta di identificare in modo univoco i requisiti del servizio di trasporto (radio bearer) da utilizzare. Nel definire le diverse classi di QoS in UMTS è necessario tenere in considerazione le limitazioni e le restrizioni proprie dell'interfaccia radio, le quali richiedono l'introduzione di meccanismi appropriati per garantire la QoS necessaria. Sono definite quattro classi di qualità di servizio in base alla sensibilità ai ritardi di trasferimento: Conversazional class: è la classe più sensibile ai tempi di trasferimento e viene utilizzata per il trasporto di traffico real-time. Uno degli utilizzi più conosciuto di questa classe è la telefonia, ma con gli sviluppi di Internet e dei servizi multimediali, un'ampia gamma di nuove applicazioni rientrerà in questa categoria, come il trasporto della voce tramite il protocollo IP e il trasferimento di immagini e audio (videoconferenza). I servizi principali della 'conversazional class' quindi sono costituiti dalle comunicazioni tra due o più persone; proprio per il fatto che i requisiti qualitativi sono strettamente determinati dalle percezioni umane, essi devono sottostare a vincoli più severi rispetto a tutte le atre classi di qualità del servizio. Infatti le caratteristiche principali della 'conversational class' sono il basso ritardo di trasferimento, la limitata variazione di esso ed il mantenimento delle relazioni temporali tra le varie entità che compongono il flusso dati. Streaming class: viene utilizzata per il trasporto di un flusso dati real-time e unidirezionale sia di tipo video che di tipo audio. Questa classe, come la 'conversational class', è caratterizzata dal mantenimento 9

10 delle relazioni temporali tra le varie entità che compongono il flusso dati e da una limitata variazione dei ritardi del flusso end-to-end. La variazione ammessa per i ritardi di trasferimento, però, risulta essere molto più grande di quella data dai limiti della percezione umana e quindi da quella richiesta al punto precedente. Interactive class: viene applicata al caso in cui l'utente finale richieda dati ad un apparato remoto. Alcuni esempi possono essere il web browsing, la ricerca su database e l'accesso ad un determinato server. Questa classe è caratterizzata dal fatto che l'utente finale attende un messaggio in risposta all'interrogazione effettuata all'apparato remoto. Risulta quindi di primaria importanza il round trip delay che deve essere contenuto in tempi ragionevoli; inoltre è necessario che il trasferimento dei dati avvenga in modo trasparente, con basso tasso d'errore. Background class: viene utilizzata nel caso in cui l'utente finale, in genere un computer, stia effettuando un trasferimento di file in background. Alcuni esempi possono essere l'utilizzo dell' , oppure la spedizione di SMS ed il download di file da database. Per questa classe è importante sottolineare il fatto che l'utente non ha la necessità di ricevere i dati in tempo reale, e quindi è quella meno sensibile ai tempi di consegna. Al contrario, la 'background class' richiede la massima affidabilità e integrità sulla trasmissione dei dati e necessita quindi di un basso tasso d'errore. Mentre le prime due classi sono adatte al trasporto di traffico real-time, le ultime due sono quelle più adatte per le tradizionali applicazioni Internet come WWW, , FTP, Telnet, ecc. A causa dei bassi requisiti di ritardo rispetto alla classe conversazionale e quella streaming, la background class e la interactive class offrono minore error-rate tramite opportuni schemi di codifica e di ritrasmissione. Il traffico della interactive class ha una priorità più alta rispetto al traffico background e quindi quest'ultimo può utilizzare soltanto le risorse lasciate libere dal traffico interactive. Tale caratteristica è importante nelle reti wireles, poiché la larghezza di banda a disposizione è di gran lunga inferiore a quella utilizzata nelle reti fisse. 10

11 1.5 Architettura generale La struttura della rete UMTS può essere essenzialmente suddivisa in tre elementi principali: UE (User Equipment): è il terminale mobile di cui si serve l'utente per usufruire di tutti i servizi offerti dalla rete. L'UMTS si basa sugli stessi principi del GSM, distinguendo tra l'apparecchiatura fisica, ME (Mobile Equipment) e scheda identificativa USIM (UMTS Subscriber Identity Module). Come per GPRS, sono previsti diversi tipi di UE, in base alla modalità operativa supportata. E' infatti prevista la possibilità di utilizzare solo i servizi a commutazione di circuito, solo quelli a commutazione di pacchetto o entrambi. UTRAN (UMTS Tererstrial Radio Access Network): è l'entità dedicata al controllo dell'accesso alla rete tramite la gestione delle risorse radio disponibili. L'UTRAN è l'unica entità che maggiormente differenzia il sistema UMTS rispetto a GPRS, principalmente a causa dell'introduzione della tecnica di multiplazione a divisione di codice al posto di quella a divisione di tempo utilizzata nei sistemi cellulari GSM/GPRS. CN (Core Network): è l'entità che si occupa di fornire agli utenti i vari servizi richiesti: può essere connessa con reti di tipo diverso che supportano svariati protocolli di comunicazione. Sarà compito dei diversi operatori di rete di definire e negoziare le interconnessioni con quelle esterne (PDN o altro). L'UMTS incorpora la rete centrale GSM della fase 2+ con il GPRS e il CAMEL. Questo per permettere agli operatori di proteggere gli investimenti nella seconda generazione, riducendo quindi i rischi. Dal punto di vista evolutivo, la rete UMTS descritta comprende tre principali tipi di elementi: Gli elementi della rete centrale GSM fase 1/2; Le aggiunte del GSM fase 2+: il GPRS e il CAMEL; Aggiunte e modifiche introdotte dall'umts, in particolare UTRAN. 11

12 1.6 Elementi della rete centrale GSM fase 1/2 La rete del GSM fase 1/2 è formata da più sottosistemi. La stazione base (BSS, Base Station Subsystem) è l'entità funzionale delegata alla comunicazione con un terminale GSM in una particolare area geografica; l'area controllata da una BSS può essere costituita da una o più celle ciascuna servita da un elemento di rete definito come BTS (Base Transceiver Station). L'entità che sovraintende l'insieme delle BTS è identificata come BSC (Base Station Controller). Nel sistema GSM (e in tutti i seguenti su di esso basati) vi è una netta separazione fra gli elementi di rete che si occupano della gestione dell'accesso radio da quelli che si devono occupare delle problematiche della rete fissa. La BSS (come insieme BTS + BSC) è deputato a svolgere i servizi di "ricezione e trasmissione delle informazioni" (garantendo una buona qualità di trasmissione) e "controllo delle risorse radio". La centrale di commutazione radiomobile (MSC, Mobile switching center) e il registro visitatori (VLR, Visitor Location Register) sono in grado di servire gli utenti di una rete radiomobile GSM che si trovano nell'area di copertura radio da essi controllata. In pratica svolge le funzioni di commutazione necessarie per instaurare, controllare, tassare le chiamate da e verso un terminale presente nella propria area. Tale area è definita dalle BSS controllati dall'msc. Un terminale mentre si sposta all'interno della rete GSM può cambiare in continuazione BTS effettuando la procedura detta di handover. Un MSC è delegato alla commutazione delle chiamate verso un certo numero di BSS (da esso controllati) in modo tale da mascherare la mobilità degli utenti all'interno dell'area da esso servita. Nel VLR sono mantenute le informazioni degli utenti che sono attualmente sotto il controllo dell'msc a cui il VLR appartiene. Il GMSC (Gateway MSC) è un MSC che ha la particolare funzione di occuparsi delle chiamate provenienti da MSC di altri operatori o di chiamate che coinvolgono gli elementi della rete telefonica fissa. La sua funzione principale è quindi quella di operare come gateway fra la rete telefonica esterna e l'msc presso cui è registrato il mobile. Per svolgere questo servizio il GMSC ha una connessione col database centrale (HLR) per riuscire a ricavare il VLR (e quindi l'msc) in cui è attualmente memorizzato il mobile in modo tale da poter instradare verso di esso la chiamata. Il registro abbonati (HLR, Home Location Register) costituisce il database centrale su cui un gestore di rete GSM memorizza in modo permanente i dati relativi agli utenti che hanno sottoscritto un abbonamento. Questo tipo di dati vengono definiti come dati statici, per contrapporli ad un'altra serie di 12

13 dati (dinamici), anche questi presenti nell'hlr. che possono variare a seconda della posizione del radiomobile, come ad esempio l'identificativo del VLR presso cui l'utente è temporaneamente registrato, informazione necessaria al GMSC per svolgere i suoi compiti. 1.7 Elementi da GSM fase 2+ GPRS (General Packet Radio Service) Il più importante passo dal GSM verso l'umts è il GPRS. Come detto il GPRS ha introdotto la commutazione di pacchetto nella core network del GSM e permette un accesso diretto a reti a commutazione di pacchetto. Permette inoltre trasmissioni attraverso la core network del GSM con bitrate ben superiori al limite di 64 kbit/s tipico dell'isdn; cosa che è indispensabile per l'umts che prevede rate fino a 2Mbit/s. Il GPRS prepara e ottimizza quindi la core network per trasmissioni a commutazione di pacchetto a rate elevato, allo stesso modo di UTRAN per l'interfaccia del canale radio, ed è quindi un prerequisito per l'introduzione dell'umts. Due sono le unità funzionali introdotte dal GPRS, entrambe comprese sotto il nome di GSN (GPRS Support Node). La prima è l'sgsn (Service GSN) che risiede allo stesso livello gerarchico di un MSC/VLR. Il suo compito è di sovraintendere la comunicazione a pacchetto all'interno dell'architettura di rete fissa del sistema GPRS, interfacciando la parte di rete che gestisce l'accesso radio (le BSS) con quella che si occupa della commutazione a pacchetto. L'SGSN è responsabile della gestione dell'autenticazione del servizio, della gestione della mobilità e della connessione al mobile a livello di link logico. Può essere paragonato ad un router del mondo Internet a cui sono aggiunte funzionlità di gestione della connessione. L'SGSN si interfaccia con il VLR e con l'hlr per ottenere informazioni dettagliate sui mobili che sta gestendo all'interno della sua area. La rete a pacchetto interna del GPRS è quella ottenuta dalla connessione dei vari SGSN. La seconda unità funzionale del GPRS è il GGSN (Gateway GSN), che presenta funzioni simili a quelle definite per il GMSC. Il suo compito principale è quello di operare come interfaccia tra la rete a pacchetto interna e le reti a pacchetto esterne. Il GGSN converte i pacchetti GPRS provenienti dall'sgsn in un formato appropriato alla rete a pacchetto esterna verso cui devono essere instradati. 13

14 Nella direzione opposta, attraverso le informazioni contenute nell'hlr, il GGSN instrada i pacchetti in arrivo dalle reti esterne verso l'sgsn che gestisce il mobile in quel particolare momento. CAMEL (Customized Application for Mobile Enhanced Logic) Permette l'accesso globale a operazioni "intelligenti" dipendenti dall'operatore, come servizi prepagati, screening delle chiamate, supervisione, ecc. CAMEL è tra tutte le innovazioni del GSM 2+ quella che più punta verso l'introduzione del concetto dell'umts VHE (Virtual Home Environment). VHE è una piattaforma che permette la definizione di servizi flessibili, cioè un insieme di strumenti atti alla creazione personalizzata di servizi, che permette all'utente di modificare e/o migliorare a proprio uso e consumo servizi già esistenti, nonché di definirne di nuovi. Inoltre VHE permette un ampio accesso a questi servizi operator-specific, in tutte le reti GSM e UMTS presenti al mondo. 1.8 Elementi da UMTS fase 1 Come già menzionato l'umts differisce dal GSM fase 2+ principalmente per i nuovi principi introdotti nell'interfaccia radio di trasmissione (politiche di gestione multiutenza a divisione di codice, W- CDMA, invece delle classiche a divisione di tempo o frequenza), è stato quindi necessario introdurre una nuova intrefaccia radio, UTRAN. Le modifiche necessarie per adattare la core network esistente alle novità introdotte sono minimali; ad esempio è necessario implementare la funzione "transcoder" per la compressione della voce e l'internetworking per conversione tra i protocollo dell'interfaccia A (tra il BSS del GSM) e la Iu-CS (la corrispettiva UMTS). Le previsioni del Forum UMTS, rispetto al mercato della telefonia mobile, prevedono che in Europa nel 2005 circoleranno circa 200 milioni di terminali mobili, mentre nel nostro paese sempre alla stessa data se ne prevedono circa 40 milioni. La crescita esponenziale della telefonia mobile e la globalizzazione delle tecnologie mobili digitali stanno facendo compiere ai paesi dell Unione Europea un passo decisivo verso la wireless information society, dove insieme alla voce anche i dati e le immagini saranno consegnati per parte decisiva alla comunicazione mobile. 14

15 L UMTS (Universal Telecommunication System) è uno dei sistemi menzionati dall Unione Internazionale delle Telecomunicazioni (UIT) nel quadro del progetto mondiale IMT 2000 volto alla definizione di sistemi mobili di terza generazione (3G). Tale scelta è applicata al fine di promuovere lo sviluppo di sistemi mobili in grado di offrire al mercato di massa una serie di servizi telefonici e multimediali mobili. Un sistema universale deve poter garantire di andare verso una rete unificata, offrire dei nuovi servizi sia agli abbonati esistenti che quelli nuovi e facilitare dunque il rapido utilizzo di una vasta gamma di servizi. Per questa ragione una visione globale del concetto di UMTS (fig.1) comprende: - Una nuova interfaccia radio, in grado di ottenere delle alte potenzialità relativamente ai servizi multimediali offerti; - Dei mezzi atti a realizzare una rete di base unificata per le applicazioni fisse e mobili nonché per le applicazioni relativa a telefonia e dati; - Un architettura flessibile di servizi in grado di consentire agli operatori di soddisfare le esigenze degli abbonati. La WARC (World Administrative Radio Conference) nel 1992 ha introdotto un nuovo sistema di comunicazioni mobili di 3^ generazione chiamato FPLMTS (Future Public Land Mobile Telecommunications) definendo le frequenze da utilizzare ed avviando gli studi per definire le specifiche caratteristiche per consentire l impiego di prestazioni del sistema indipendentemente dalla zona geografica in cui il terminale sta operando in quel momento. Successivamente la WARC-97 (World Radio Conference) ha modificato la denominazione del servizio da FPLMTS a IMT (Internazional Mobile Comunications). Con tale concetto si è inteso designare non uno standard rigido ed un unico livello mondiale a cui tutte le apparecchiature dovessero uniformarsi, ma piuttosto più standard che devono conformarsi agli elementi comuni definiti in ambito ITU R (International Telecommunications Union-Radio). Nell ambito dell IMT-2000 l Europa ha definito l UMTS e ciò ha comportato competizioni con altre proposte provenienti da tutto il mondo. Infatti i giapponesi sostengono l accesso multiplo a divisione 15

16 di codice a banda larga W-CDMA (Wideband code division multiple access), mentre gli americani propongono due tecnologie il CDMA 2000, un evoluzione dell IS-95 (nota con la denominazione commerciale di CDMAOne e l UWC-136 un evoluzione dell IS-136. Fig Sistema UMTS La fig evidenzia le principali proposte dell IMT2000 oltre alle corrispondenti tecnologie della seconda generazione proposte dallo stesso organismo di standardizzazione. Nella fig il collegamento 2G/3G indica che le normative sono emesse dallo stesso organismo di normalizzazione ma non implicano che la proposta 3G sia una evoluzione della normativa 2G. Sussiste ad esempio una differenza molto netta tra le interfacce radio GSM e UMTS così come tra la W-CDMA e il PDC (Personal Digital Cellular). Tuttavia quando una proposta 3G proviene da una evoluzione della normativa 2G esistono dei collegamenti di interfunzionamento forti da permettere di utilizzare degli isolotti 3G. Una volta definita l interfaccia radio, occorre studiare gli aspetti della rete collegati alla possibilità di sfruttare la nuova normativa con le reti mobili esistenti ; ciò presuppone la risoluzione di un certo numero di problemi al fine di assicurare l armonizzazione globale e la definizione della parte fisica dell interfaccia radio. Attualmente l IMT 2000 comprende i seguenti sistemi di terza generazione: 16

17 - l UMTS, definito dal progetto di partneriato per la terza generazione (3GPP),messo in piedi dall SMG (Special Mobile Group) dell Istituto europeo di standardizzazione delle telecomunicazioni (ETSI), gli organismi giapponesi ARIB (Association of Radio Industries and Businesses), il TTC (Telecommunication Technology Association ) coreano e il comitato nord-americano T1P1; - il CDMA2000, definito dal 3GPP2 (ARIB, T1, TTA, TTC). Il CDMA 2000 è una evoluzione della normativacdmaone; - l UWC-136, basato sulle tecnologie GPRS (General Packet Radio Service) ed EDGE ( Enhanced Datarate for GSM Evolution) definiti dall ETSI per il trasporto di dati su rete sovrapposta a delle reti telefoniche IS-136 classiche. Sono dunque definite tre tecnologie di interfaccia radio in grado di coesistere con le due principali normative di reti di base. La fig. 3 rappresenta le possibilità di interfunzionamento tra le interfacce radio e le reti di base. Malgrado le normative della terza generazione siano meno numerose di quelle della seconda esistono due grandi tecnologie: il CDMA (UMTS e CDMA2000) e l accesso multiplo a divisione di tempo (TDMA) (UWC-136). Ancora oggi non si è pervenuti ad un accordo su di una normativa unica. Esiste un certo grado di armonizzazione tra l UMTS e il CDMA2000, e certi parametri radio sono identici, ma restano da studiare gli aspetti di segnalazione rete/mobile ai fini di un interfunzionamento completo. 17

18 Fig Tecnologia IMT2000 di III generazione Interfaccia radio UMTS: La definizione dell interfaccia radio UMTS ha due modi di funzionamento TDD (Time division duplexing) e FDD (Frequency division duplexing). La modalità FDD dell UTRA (UMTS terrestrial radio access) si basa su una tecnica di CDMA a sequenza diretta (DS-CDMA). Essa comporta dei meccanismi (ad esempio dei canali pilota multiplexati nel tempo e il funzionamento asincrono) utilizzati per ottenere una capacità superiore a quella offerta dai sistemi DS-CDMA esistenti, come l IS-95. Sono stati studiati i parametri radio (potenza di emissione e potenzialità dei servizi) in modalità FDD per permettere l utilizzazione di reti UTRA su grande scala. Sono necessarie due carrier in modalità FDD: una per l uplink ed una per il downlink. La modalità TDD dell UTRA è stata concepita e ottimizzata per le applicazioni ad intenso traffico. 18

19 Fig Interconnessioni radio-rete Fig Modi FDD e TDD 19

20 In modalità TDD vengono utilizzati due meccanismi differenti per mantenere l ortogonalità tra gli utenti (vale a dire per permettere agli utenti di condividere la stessa frequenza senza avere un doppio disturbo). Si basano su un multiplexing temporale e dei codici. Conseguentemente è possibile realizzare dei detector multi-utente e a tal fine la modalità TDD assicura una grande protezione per quanto concerne il disturbo emesso dagli altri utenti. Certi parametri radio, come la larghezza di banda (5 GHz), la velocità di modulazione (3,84 Mbit/s) e la modulazione per spostamento di fase a 4 stadi (MDP4) sono comuni ad entrambe le modalità FDD e TDD. Invece, le stesse sono differenti per potenzialità di servizi e tipologia di servizio preferenziale. E possibile avere delle erogazioni/potenzialità di servizio che raggiungono i 2,048 Mbit/s in modalità TDD, mentre l FDD raggiungerà i 384 Kbit/s in condizioni di utilizzo corrente. Per le sue caratteristiche, l interfaccia radio UMTS si presenta come il dispositivo ideale per soddisfare sia le esigenze degli utenti finali che degli operatori. Il terminale UMTS comunica con la rete di accesso UTRA tramite l interfaccia radio (Uu). La rete di accesso è costituita da elementi quali il nodo B (che può essere paragonato alla stazione base GSM), collegata ad un controllore di rete radio (RNC) simile ad un controllore di stazione di base GSM attraverso l interfaccia Iub. Un RNC controlla i diversi nodi B. L interfaccia Iur, assente nel GSM, è una conseguenza della tecnologia di interfaccia radio CDMA. Una interfaccia Iu collega tra loro le reti di accesso e di base. L interfaccia radio Uu è una interfaccia aperta per tutti gli elementi della rete. Una interfaccia Iu aperta (come l interfaccia A del GSM) favorirà la concorrenza sul mercato delle infrastrutture. Comunque, poiché il sistema è destinato ad essere impiegato in Europa, in Asia (compreso il Giappone) e negli Stati Uniti,dove le reti di base seguono delle vie di evoluzioni differenti, si potrà avere un insieme di funzioni standardizzate con l interfaccia Iu anziché avere una unica interfaccia Iu. 20

21 Una interfaccia Iub aperta permetterà agli operatori di rete UMTS di far interagire le attrezzature di nodo B e RNC di diversi fornitori. Mentre l introduzione delle tecnologie CDMA e ATM differenzia l accesso radio UMTS dall accesso radio GSM, l architettura della rete di base sarà una evoluzione del sotto sistema rete GSM e dovrà permettere una migrazione a partire dalle reti esistenti. L architettura di rete di base UMTS e la sua evoluzione si basano su due principi:la necessità di preservare gli investimenti in GSM e di conservare l archittettura del sotto sistema di rete ; l uso continuo delle tecnologie di commutazione e di trasmissione dei pacchetti principalmente IP, per beneficiare di costi ridotti di gestione. Negli anni a venire la rete di base sarà ottimizzata per il traffico dati al fine di considerare la più gran parte del traffico globale. Poiché una gran parte di dati sarà generata dai servizi internet, l IP sembra la soluzione migliore. Infine da quando sarà possibile instradare la voce sull IP, i servizi mobili e fissi potranno condividere le stesse risorse di rete. 1.9 Cenni alla struttura protocollare L'interfaccia radio è costituita principalmente da tre livelli protocollari: il livello fisico (L1), il livello Data Link (L2) e il livello rete (L3). Il livello 2 è diviso nei seguenti sottolivelli: MAC (Medium Access Control), RLC (Radio Link Control), PDCP (Packet Data Convergence Protocol) e BMC (Broadcast/Multicast Protocol). Il livello 3 e l'rlc sono suddivisi nel piano utente e di controllo: il primo gestisce il trasferimento delle informazioni nella rete (generalmente di tipo multimediale), mentre l'altro sovraintende le operazioni necessarie al collegamento e la segnalazione. I livelli PDCP e BMC esistono solo nel piano utente. Nel piano di controllo, il livello 3 è diviso in sottolivelli di cui fa parte anche l'rrc (Radio Resource Control) che si interfaccia col livello 2 e termina nell'utran. Il livello 3 termina all'interno della core network, ma fa ancora parte della rete di accesso. 21

22 Il livello fisico è il più basso livello all'interno del modello di riferimento ISO/OSI e supporta tutte le funzionalità necessarie alla trasmissione del flusso di bit sul mezzo fisico. L'interfaccia è UTRA/FDD, basata sulla Wideband Direct-Sequence CDMA. Il chip-rate considerato è di Mchip/s, pari a una banda di circa 5MHz. L'unità temporale di riferimento per il livello fisico è pari alla durata di una trama radio (frame) che corrisponde a 10ms. Si interfaccia con il MAC e con l'rrc e offre servizi di trasferimento delle informazioni al MAC ed ai livelli superiori. Il livello fisico fornisce ad essi più canali di trasporto. Questi sono poi mappati dal livello fisico sui canali fisici. Un UE può avere attivi contemporaneamente uno o più canali di trasporto, ognuno dei quali con le proprie caratteristiche di trasporto; il multiplexing di tali canali su di uno o più canali fisici è compito del livello fisico Canali di trasporto I canali di trasporto possono essere divisi in due gruppi: Canali di trasporto comuni: su di essi è necessaria l'identificazione di ogni UE. Canali di trasporto dedicati: ogni UE è identificato dal particolare canale fisico (codice). Vi sono diversi tipi di canali di trasporto comuni: RACH (Random Access Channel): è un canale a contesa utilizzato per la trasmissione di una quantità di dati relativamente ridotta come nel caso di acceso iniziale alla rete e per il trasferimento di informazioni di controllo dedicate non real-time o dati d'utente. Questo canale è caratterizzato dal rischio di collisione con la trasmissione di altri UE. CPCH (Common Packet Channel): è un canale a contesa utilizzato per la trasmissione di dati intermittenti. FACH (Forward Access Channel): è un canale comune utilizzato in downlink per la trasmissione di una quantità di dati relativamente ridotta. DSCH (Downlink Shared Channel): è un canale utilizzato in downlink ed è condiviso da più UE per il trasporto di dati utente o di segnalazione dedicata. 22

23 BCH (Broadcast Channel): è un canale in downlink utilizzato per trasmettere le informazioni di sistema a bit-rate fisso non elevato all'interno dell'intera cella. PCH (Paging Channel): è un canale in downlink utilizzato per trasmettere informazioni di controllo come messaggi di paging. Esiste un unico canale di trasporto dedicato ed è: DCH (Dedicated Channel): è un canale presente sia in uplink che in downlink dedicato ad un particolare utente e caratterizzato dalla possibilità di cambiare le velocità di trasmissione ogni 10ms. Esistono numerosi canali fisici sui cui vengono mappati i precedenti canali di trasporto. Alcuni esempi: Il RACH è mappato sul PRACH (Physical Random Access Channel), che è un canale comune uplink atto a trasportare il RACH. E' un canale a contesa, con possibilità di collisione. La politica di accesso (casuale) è basata sul protocolo Slotted ALOHA, con rapida indicazione di acquisizione. L'utente può iniziare la trasmissione soltanto in istanti di tempo ben definiti, detti access slot. In un frame ci sono 8 access slot. Il BCH è mappato sul P-CCPCH (Primary Common Control Physical Channel), mentre FACH e PCH sono multiplessati sull's-ccpch (Secondary Common Control Physical Channel). Il canale dedicato DCH è mappato sul DPDCH (Dedicated Physical Data Channel); a questo si affianca il DPCCH (Dedicated Physical Control Channel) che trasporta le informazioni di controllo riguardanti il canale dedicato. DPDCH e DPCCH sono multiplessati insieme e trasmessi simultaneamente in ogni slot, nella componente rispettivamente in fase e in quadratura di una QPSK Funzioni del MAC Il MAC è il più basso dei sottolivelli del Data Link (L2). Svolge importanti funzioni, tra cui: Redirezione di canali logici sui canali di trasporto. I canali logici individuano dei particolari flussi di informazioni che vengono trasferiti; si dividono in canali di controllo e canali di traffico. I livelli superiori vedono solo i canali logici. 23

24 Gestione delle priorità tra diversi flussi di dati appartenenti ad uno stesso UE. A flussi a più alta priorità è possibile assegnare bit-rate più elevati. Gestione della priorità tra UE tramite la schedulazione dinamica. Volendo utilizzare le risorse radio in modo efficiente per traffico impulsivo, il MAC realizza le gestione della priorità su canali comuni e condivisi, assegnando ad ogni frame le risorse ai diversi terminali che ne abbiano fatto richiesta, rispettando le priorità derivanti dai diversi requisiti di Quality of Sevice. Identificazione degli UE sui canali di trasporto comuni. Monitoraggio dei volumi di traffico Trasmissione sui canali di trasporto più importanti Trasmissione sul RACH Essendo un canale a contesa l'accesso non è immediato. I pacchetti di richiesta di accesso constano di una parte di preambolo fissa e di una di messaggio di lunghezza variabile. L'UE che decide di trasmettere sul RACH sceglie uno dei codici ortogonali e inizia a trasmettere da uno degli access slot in cui è diviso il frame. La scelta di entrambi i parametri è random. Dopo aver effettuato la trasmissione del pacchetto il terminale attende un acknoledgment dalla stazione base sul canale FACH. Se non arriva è necessario ripetere la procedura di trasmissione. Trasmissione sul DCH Essendo un canale di trasporto dedicato ad un particolare UE non è soggetto a ritardi di accesso come sul RACH. Il problema connesso all'uso di questo canale risiede nel fatto che l'allocazione di questo canale equivale ad instaurare una connessione a circuito, in quanto viene riservato un codice soltanto per un utente, rendendo quindi possibile il rapido esaurimento delle risorse del sistema. E' quindi di grande importanza l'utilizzo di adeguate politiche di rilascio del canale (basate ad esempio su un timer di inattività) che permettano di sfruttare in modo efficiente l'insieme delle risorse disponibili senza influenzare eccessivamente la QoS che può essere offerta su questo canale. 24

25 1.13. Richiesta e allocazione delle risorse Richiesta risorse Nel nostro studio prendiamo in considerazione terminali vocali (voice terminal, VT), terminali video (video terminal, VDT) e terminali dati (data terminal, DT). Terminali vocali e dati usano lo stesso canale, il RACH, per richiedere l'assegnazione di un canale di trasmissione. In particolare scelgono casualmente uno dei codici ortogonali del RACH e trasmettono immediatamente un pacchetto. Come detto, il RACH è ad accesso casuale, quindi non esiste nessuna politica per evitare e gestire le collisioni. Semplicemente, dopo aver completato la trasmissione della richiesta, il terminale si mette in attesa di un messaggio di acknowledgment dalla stazione base, che avviene sul canale FACH. Se questo non arriva entro un certo timeout, il terminale si comporta come se ci fosse stata collisione, quindi si appresta ritrasmettere. La ritrasmissione avviene con le stesse modalità, ma dopo un tempo di attesa, la cui durata può variare a seconda della politica utilizzata. La politica più semplice consiste nell'aspettare il frame successivo e scegliere in esso casualmente lo slot in cui trasmettere. Un'altra politica è detta p-persistent, in cui si effettua una scelta al primo slot disponibile: con probabilità p si trasmette in tale slot, con probabilità 1-p si aspetta e si ripete la scelta allo slot successivo. In caso di trasmissione con successo, cioè senza collisioni, il terminale si pone in stato di attesa, aspettando che la stazione base comunichi il canale DCH su cui poter effettuare la trasmissione, ovvero il codice ortogonale del canale dedicato. Solo dopo questo evento può iniziare la trasmissione. I terminali vocali si alternano tra uno stato di talk e uno di silenzio. Quando il segnale da trasmettere scende sotto una certa soglia per un certo periodo, si considera iniziata una fase di silenzio, durante la quale non trasmettere niente. Da studi percettivi risulta conveniente mantenere anche nelle fasi di silenzio il rumore di fondo, che però richiede un bit-rate molto inferiore e quindi lo si trasmette con modalità differenti e meno critiche. I VT usano il RACH per richiedere un canale dedicato non solo all'inizio della chiamata, ma anche dopo ogni fase di silenzio, durante la quale il canale assegnato viene rilasciato. La richiesta del canale di trasmissione avviene quindi all'inizio di ogni fase di talk, e la sua assegnazione è valida fino alla successiva fase di silenzio; in altre parole non è prevista prelazione per il traffico vocale. Il traffico vocale appartiene alla classe conversazionale. I requisiti di Quality of service per i VT prevedono un flusso di dati "isocrono", cioè continuo nel tempo e necessitante il 25

26 rispetto di un riferimento temporale esterno ben preciso (ad esempio 8bit ogni 0,125 ms). Il bit-rate è quindi costante per tutta la durata della trasmissione. Un pacchetto vocale si ritiene valido se è recapitato a destinazione con un ritardo non superiore a 32ms; si è ricavato sperimentalmente che un ritardo superiore risulta fastidioso alla percezione umana, ed è quindi necessario scartare tutto ciò che arriva oltre la soglia. Da studi effettuati risulta che una trasmissione vocale è di qualità se la percentuale di pacchetti persi resta sotto l'1%. Per come è strutturato il sistema, l'unica fase in cui si può avere perdita pacchetti è quella di contesa, dato che il canale dedicato è assegnato fino al rilascio spontaneo. I terminali dati inviano una richiesta alla stazione base ogniqualvolta hanno dati da trasmettere. La fonte di questi dati può essere di più tipi, data la varietà delle applicazioni dati gestibili dal sistema UMTS; in fase di analisi vengono però tutti schematizzati come messaggi di lunghezza (in pacchetti) variabile. Ogni DT ha un buffer in cui memorizza tutti i messaggi appena generati. Il DT effettua una richiesta sul canale di contesa per ognuno di questi messaggi, ma solo quando tutti quelli precedenti hanno già completato la fase di contesa e sono spostati in un altra coda, in attesa di trasmissione. Esistono due politiche di trasmissione dati: Variable Bit-Rate (VBR) e Constant Bit-Rate (CBR). Nella prima un unico terminale trasmette un unico messaggio alla volta, al massimo bit-rate disponibile. Nella seconda più terminali possibile trasmettono contemporaneamente il prorpio primo messaggio nel buffer, ognuno al bit-rate minimo. Il traffico dati può appartenere alla classe interattiva o a quella background, a seconda del tipo di servizio. Per la prima classe i requisiti di Quality of service riguardano soprattutto i ritardi in gioco, come ad esempio il tempo di accesso, calcolato dalla generazione del messaggio fino all'inizio della trasmissione, oppure il tempo totale di trasmissione, calcolato dalla generazione del messaggio fino alla sua completa trasmissione. Ritardi tipici accettati sono valori intorno a 100ms. Per la seconda classe non contano i ritardi, dato che si parla di servizi non in tempo reale; conta solo l'integrità della trasmissione. I terminali video non usano il canale RACH per richiedere le risorse di trasmissione. Il sistema di codifica è di tipo MPEG, quindi il flusso dati che è necessario trasmettere non è costante, ma varia a seconda del contenuto informativo del video. Per questo motivo la richiesta delle risorse è trasmessa insieme al segnale informativo, ad ogni frame. Questo tipo di traffico appartiene alla classe conversazionale, per quanto riguarda le videoconferenze (nel caso di trasmissione di viedoclip o simili si parla di classe streaming). Ritardi massimi accettati per la trasmissione di una cella MPEG sono 26