LA MIGRAZIONE DAI SISTEMI CELLULARI 2G AI SISTEMI 3G

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1 LA MIGRAZIONE DAI SISTEMI CELLULARI 2G AI SISTEMI 3G C. Carciofi Fondazione Ugo Bordoni Via Celestini 1 - Villa Griffone Pontecchio Marconi Bologna tel: fax: ccarciofi@deis.unibo.it

2 Evoluzione dei servizi del GSM Crescente domanda di bit-rate elevate Necessità di accesso a servizi Internet ( , web-browsing, FTP, ecc.) Voce Miglioramento della qualità (enhanced full rate) per avvicinare la qualità di rete fissa Trasmissione dati a bit-rate medio-alta Servizi supplementari Servizi specifici offerti dall operatore 1000 K 100 K 10 K 1 K Bit/s voce Internet/ Intranet grafici testo video Alta qualità Media qualità

3 L evoluzione del bit rate sull interfaccia radio GSM Codifica di canale a 14.4 kbps HSCSD GPRS EDGE Kbps 14.4 Kbps 38.4/57.6 Kbps Kbps (max) (max) <160 Kbps <384 Kbps Trasferimento testo & annessi Trasferimento files Services di controllo Trasferimento veloce files Video lento Efficiente accesso Internet Gestione flotte Multimedia Video-conferenza Impatti sulla BSS 4Q/ anno Transcoder aggiornato No hardware aggiuntivo Aggiornamento software Transcoder come per 14.4 kbps Aggiornamento hardware & software per la BSC Nuovo elemento di rete BSS: SGSN Devono essere definiti gli schemi di modulazione radio per raggiungere tali bit rates

4 Evoluzione dei servizi dati Funzionalità UMTS, trasferimento dati fino a 2 Mbit/s GSM GPRS, trasferimento dati fino a 170 Kbit/s GSM HSCSD, trasferimento dati fino a 38,4/64 Kbit/s EDGE GSM CS, trasferimento dati fino a 9,6 kbit/s (successivamente 14,4 Kbit/s con TCH/F / /00 02 Anno

5 Mobilità, capacità, complessità MOBILITY COMPLEXITY GSM Phase 2+ GSM UMTS MBS DECT W-LAN BIT-RATE Kbit/s Mbit/s Un aumento sia della bit-rate che della mobilità dei terminali implica una maggiore complessità del sistema

6 Trasmissione dati sull interfaccia radio GSM Riducendo la codifica di canale si può salire teoricamente da 9.6 fino a 24.2 Kbit/s TCH/F14.4, GPRS Utilizzando il multislot si può incrementare la bit-rate fino ad un fattore 8 (teorico) HSCSD, GPRS Si può ottenere un ulteriore aumento della bit-rate con una diversa modulazione EDGE

7 High Speed Circuit Switched Data (HSCSD) Principio di funzionamento: Incremento della velocità di trasmissione dati sull interfaccia radio grazie all uso contemporaneo di più canali di traffico assegnati alla stessa comunicazione Caratteristiche principali: Commutazione di circuito Bit-rate fino a 58 Kbit/s con 4 time slot (TCH/14.4) Il multi-slot è gestito come un singolo collegamento Algoritmo di allocazione degli slot: Richiede l introduzione di HO intracella per liberare time slot consecutivi Commutazione di circuito: Le corrispondenti risorse libere della configurazione asimmetrica non possono essere assegnate ad altri utenti

8 Esempi di connessioni HSCSD Allocazione simmetrica (2 + 2) MS RX MS TX Monitoraggio celle adiacenti Allocazione Asimmetrica (3 + 1) MS RX MS TX Monitoraggio celle adiacenti

9 HSCSD: gestione delle risorse radio Più time slot (massimo teorico: 6) allocati ad un unico terminale mobile per ciascun frame Può essere difficile trovare abbastanza time slot liberi Si impegna la risorsa radio per tutto il tempo della chiamata anche se non si trasmette Uso poco efficiente delle risorse spettrali Principali difficoltà: possibilità di congestione di una cella problema dell HO verso una cella congestionata elevati tempi di connessione (può essere necessario liberare dei time slot)

10 HSCSD come soluzione? Svantaggi di HSCSD Tariffazione a tempo costo elevato per gli utenti difficile differenziare le tariffe Multislot elevate probabilità di blocco e di perdita necessità di effettuare HO intracella Commutazione di circuito bassa efficienza per servizi ad elevata burstiness o a bit-rate variabile Caratteristiche desiderabili Possibile tariffazione differenziata e flessibile a tempo a volume (Bytes) a canone fisso a sessione Capacity on demand possibilità di utilizzare i canali liberi anche per brevi periodi di tempo Commutazione di pacchetto ottimale per servizi ad elevata burstiness o a bitrate variabile

11 GPRS : Caratteristiche Il servizio GPRS permette il trasferimento dei dati (e segnalazione) in modalità pacchetto. E stato pensato per lavorare assieme al GSM. velocità di trasmissione dati variabile da 9.05 fino a (teoricamente) Kbitps uso del multislot accesso diretto alla Packet data network, IP (Internet) o X.25(i principali protocolli sono supportati dal GPRS) progettato per supportare sia trasferimento dati intermittenti o a burst sia trasferimento occasionale di grossi volumi di traffico Accesso rapido per instaurazione di trasmissione dati (una volta tuned ) servizi GSM e GPRS simultanei (per i terminali di classe A) possibilità di fatturazione : a volume (numero di Byte), a tempo (durata del trasferimento dati), sottoscrizione (nel caso di trasferimento ridotto di dati), servizio (per servizio indipendentemente dall ammontare dei dati)

12 GPRS : servizi navigazione siti www e scaricamento dei file (tipicamente asimmetrico) Intranet (informazioni aziendali, aziendale..) Video conferenza servizi tele-action (operazioni con carte di credito, prenotazioni biglietti..) servizi di telemetria (protezione allarmistica, measurement report) trasferimento dati P-T- P o P-T- M (group call o multicast) trasferimento SMS usando il protocollo GPRS

13 GPRS: i servizi (1) Servizi dati a commutazione di pacchetto Servizi Internet WWW browsing, , ecc. Mobile office Agenda, rubrica, ecc. Video conferenza Servizi tele-action (operazioni con carte di credito, prenotazioni biglietti..) Controllo dei treni e Gestione delle flotte Diverse applicazioni con diverse priorità e specifiche di QoS Trasmissione di informazioni sulla posizione dei mezzi SMS e cartoline elettroniche Applicazioni WAP

14 GPRS: i servizi (2) Servizi voce a commutazione di pacchetto Alternanza periodi di attività e silenzio Lunghe pause quando parla l interlocutore problema del rumore di fondo (occorre un cancellatore) La capacità è assegnata quando necessaria L assegnazione di uno slot richiede tempo Problema dei ritardi: la voce ha specifiche molto stringenti

15 Modello del traffico Proposto dall ETSI per valutare le prestazioni del protocollo di accesso del GPRS La pdf segue una distribuzione di Cauchy Probabilty [%] Information size [KBytes]

16 Modello per il traffico WWW browsing (1) L informazione è a burst, tipicamente in downlink L arrivo delle sessioni Internet segue una distribuzione di Poisson Ciascuna sessione comprende un numero di chiamate a pacchetto che seguono una distribuzione geometrica Datagrammi Packet call Reading time Sessione web

17 Modello per il traffico WWW browsing (2) WWW 8 kb/s Numero di Packet call Dist.Geom v.m. 5 p.c Durata del reading time Dist. Geom. v.m sec Numero di datagrammi in una p.c. Dist. Geom. v.m. 25 Valor medio tempo interarrivo tra pacchetti Dimensione Datagrammi 0.5 sec Dist. Pareto v.m. 480 bytes WWW 144 kb/s Dist.Geom v.m. 5 p.c Dist. Geom. v.m sec Dist. Geom. v.m sec Dist. Pareto v.m. 480 bytes WWW 384 kb/s WWW 2048 kb/s Dist.Geom v.m. 5 p.c Dist.Geom v.m. 5 p.c Dist. Geom. v.m sec Dist. Geom. v.m sec Dist. Geom. v.m. 25 Dist. Geom. v.m sec Dist. Pareto v.m. 480 bytes sec Dist. Pareto v.m. 480 bytes

18 Meccanismi di accesso a pacchetto tempo tempo tempo Utente A Utente B Trasmissione di pacchetti da piu utenti Accesso random: ogni utente trasmette un pacchetto nell istante in cui e generato collisione E necessario un meccanismo di feedback affinche l utente venga informato sul successo o meno della trasmissione del pacchetto Ritrasmissione dei pacchetti

19 Protocolli e sistemi ALOHA Unsynchronized or unslotted: un utente puo iniziare a trasmettere un pacchetto in qualsiasi istante Synchronized or slotted: i pacchetti vengono trasmessi solamente durante i time slots Traffico offerto G = λ T p Dove T p e la durata di un pacchetto Ritrasmissione di un pacchetto a seguito di una collisione dopo un certo tempo τ p ( τ ) = αe ατ dove α e un parametro di progetto che determina il tempo medio tra ritrasmissioni successive

20 Algoritmi di ritrasmissione dei pacchetti Nonpersistent CSMA: se il canale e libero il pacchetto viene trasmesso, se e occupato viene ritrasmesso dopo un certo ritardo τ 1-persistent CSMA: se il canale e libero il pacchetto viene trasmesso, se e occupato l utente aspetta che si liberi un canale p-persistent CSMA: se il canale e libero l utente trasmette con probabilita p o aspetta un certo tempo τ con probabilita 1-p. Al tempo t=τ se il canale e libero si segue la stessa procedura se e occupato si aspetta un canale libero

21 GPRS : gestione della risorsa radio (1) Trasferimento a pacchetti Accesso diretto alle reti a pacchetto Flessibilità nella gestione della risorsa radio Bit-rate di canale: 9, 13.4, 15.6, 21.4 Kbit/s Codifica adattativa: la bit-rate varia in funzione della qualità del canale Da uno ad otto time slot assegnabili ad una chiamata bit-rate massima (teorica): Kbit/s Risorse condivise fra diversi utenti e fra dati e voce Canali uplink e downlink assegnati e gestiti separatamente

22 GPRS : gestione della risorsa radio (2) Flessibilità nella gestione della risorsa radio Assegnazione della risorsa radio solo quando necessaria I canali logici per la trasmissione dati sono scelti fra i canali fisici disponibili nella cella (PDCH) Il numero di PDCH varia dinamicamente in funzione del traffico ottimizzazione nell utilizzo della banda Utilizza per i dati i time-slot lasciati liberi dalla voce Data-rate variabile in funzione del traffico - In caso di congestione il servizio dati è più lento - E sempre possibile effettuare un handover, adattando il data-rate di utente

23 GPRS : gestione della risorsa radio (3) Condivisione delle risorse Più utenti voce sul singolo canale PDTCH (Packet Data TCH) riallocazione dei canali durante i periodi di silenzio le risorse vengono riutilizzate con elevata efficienza possibilità di ritardi dovuti a congestione per: - elevato numero di utenti - elevata attività vocale Un utente voce e più utenti dati sul singolo canale PDTCH la voce ha priorità più alta l allocazione dei canali non deve introdurre ritardi eccessivi per la voce - lo stesso schema di priorità deve essere supportato anche negli elementi di rete fissa GPRS

24 GPRS : gestione della risorsa radio (4) t canale occupato } servizi dati

25 GPRS : gestione della risorsa radio (5) 10 8 impegno canali TS dati a pacchetto Voce a circuito tempo

26 GPRS: impatto sull architettura di rete del GSM Stessa interfaccia radio del GSM riuso della infrastruttura di rete e delle BTS del GSM copertura dipendente dagli schemi di codifica Necessità di interlavoro con la rete a commutazione di circuito esistente Funzionalità da aggiungere: Supporto multislot Capacity on demand ecc. Nuovi elementi dell architettura di rete

27 Architettura di rete GPRS Architettura GPRS Gestione delle risorse radio HLR VLR MSC Reti esterne dati Gr Gs Gi SGSN GGSN BSC Gb Gn BTS Abis segnalazione Traffico dati Gestione mobilita autenticazione instradamento Gateway gestione mobilita instradamento impacchettamento SGSN: gestisce le funzioni di mobilita' e autenticazione del terminale GGSN: provvede alla gestione delle connessioni e all'accesso con reti esterne a pacchetto

28 Architettura di rete GPRS (II) GPRS register: contiene le informazioni necessarie per il routing dei pacchetti (es. indirizzo di rete del mobile) - informazioni QoS utente PDN (Public Data Network) Figura 4. Architettura GPRS. GPRS PLMN (Public Land Mobile Network)

29 Schemi di codifica del canale GPRS A livello di interfaccia radio, il GPRS introduce: CS kbit/s per singolo timeslot CS kbit/s per singolo timeslot CS kbit/s per singolo timeslot CS kbit/s per singolo timeslot Per l applicativo, considerando i primi disponibili, si può gestire fino a: (13.40 * 4) * 0.7 = 38 kbit/s terminali GPRS Con il CS-4 4 si può raggiungere il massimo teorico pari a: 21.4 * 8 = kbit/s. Data la natura intermittente della trasmissione GPRS, la velocità varia a seconda degli accessi contemporanei

30 Impatto dei diversi schemi di codifica L introduzione degli schemi di codifica di alto livello riduce l area di servizio: necessità di Link Adaptation (scelta della codifica più appropriata alle condizioni del canale) per ridurre le ritrasmissioni CS-1 è il più robusto: utilizzabile quando il C/I è basso CS-2 e CS-3 hanno robustezza simile fra loro CS-4 utilizzabile solo con elevato C/I Le ritrasmissioni dovute all interferenza riducono il throughput: importanza della scelta dello schema di codifica

31 Assegnazione delle frequenze Un traffico GPRS elevato potrebbe richiedere cambiamenti al riuso delle frequenze GPRS richiede C/I elevati per fornire buona qualità e throughput Possibile soluzione: Utilizzare per il GPRS le frequenze usate per i BCCH, pianificate con elevato C/I Problema aperto: verificare le prestazioni del GPRS con Frequency Hopping in condizioni reali

32 Qualità del servizio - Parametri Velocità di trasmissione: velocità netta del flusso binario (throughput) tempo di trasferimento delle informazioni Accuratezza probabilità di perdita di un pacchetto probabilità di ricezione di pacchetti errati probabilità di errata sequenza di ricezione Affidabilità disponibilità del servizio probabilità che la QoS stabilita non sia garantita

33 Qualità del servizio - GPRS Attributi della QoS non possono cambiare dopo che è stata attivata la connessione: Attributo QoS Descrizione Variabilita' classe di precedenza indica la priorita' a mantenere la qualita' in condizioni critiche (es. indica l'ordine in cui i pacchetti devono essere scartati dalla rete) classe di ritardo indica il massimo valore di ritardo Selezionato in base alla classe livello di affidabilita' indica la massima tolleranza ad errori throughput medio Valore medio bit rate trasmissione dati throughput massimo Valore massimo bit rate dati Parametri della QoS previsti nel GPRS Alta priorita' (1) Priorita' normale (2) Bassa priorita' (3) 4 diverse classi a cui corrispondono 4 diversi ritardi [GSM 02.60] 4 diverse residual error rates: 1 probabilita' perdita pacchetti 2 probabilita' dati trasmessi fuori sequenza 3 probabilita' dati duplicati 4 probabilita' dati corrotti non esiste garanzia che questo picco della bit rate sia garantito nel tempo

34 GPRS per l evoluzione verso la 3G Caratteristiche GPRS Tariffazione a volume (Euro/Kb) costi contenuti per gli utenti possibilità di differenziare le tariffe Codifica adattativa e multislot bit-rate fino a 170 Kbit/s Commutazione di pacchetto elevata efficienza per servizi ad alta burstiness o a bit-rate variabile Velocità di trasferimento limitata dalla modulazione GMSK Migliori prestazioni utilizzando modulazione di livello più alto EDGE

35 Trasmissione di immagini Utilizzando 2 canali (CS-2) 30 kbytes immagine JPEG (dimensione 349 x 512 pixels, 16M colori) 10 secondi per ricezione/trasmissione Utilizzando 2 canali (CS-2) stessa immagine in B/N (14 kbytes) 4 secondi per ricezione/trasmissione

36 Scaricamento brani musicali MP3 Il brano musicale é compresso mediante l algoritmo MPEG audio (12:1 con qualità CD) Una sessione di scaricamento si ipotizza: uplink richiesta: 500 bytes/request downlink download: 3 Mbytes Il tempo richiesto per completare una sessione vale: uplink 1 sec downlink 10 min con basso traffico, 25 min con alto traffico fonico I terminali mobili devono avere una capacità sufficiente di memoria (almeno 3 Mbytes)

37 Terminali Mobili - Palmari Palmari senza tastiera (pocket PC) Palmari con tastiera (handheld PC)

38 Applicazione di mobile Internet per la distribuzione di musica su device mobili Dipartimento di Scienze dell Informazione - Università di Bologna Fondazione G. Marconi Palmare Palmare Gateway GPRS / UMTS. Palmare Gateway Sistema Di Intermediazio ne (SDI). Download Manager Discovery Server Server Server

39 Applicazione di mobile Internet per la distribuzione di musica su device mobili Dipartimento di Scienze dell Informazione - Università di Bologna Fondazione G. Marconi Interfacce per la connessione e la messa a regime del sistema. Indirizzo del Gateway. Visualizza ricerche effettuate. Opzioni locali. Porta di ascolto del Gateway Opzioni di collegament o dalla rete. Pulsanti di scelta. a) Interfaccia per la connessione al Gateway. b) Informazione principale(download). Controllo stato di download. Pulsante di uscita.