Politecnico di Milano. Facoltà di Ingegneria dell Informazione. Reti Radiomobili. Prof. Antonio Capone. 4 Gestione della mobilità

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1 Politenio di Milano Faoltà di Ingegneria dell Informazione Reti Radiomobili Prof. Antonio Capone 4 Gestione della mobilità

2 Gestione della mobilità Nelle reti ellulari gli utenti possono muoversi nell area del sistema e quindi passare da una ella ad un altra Questo ovviamente pone problemi di routing dell informazione (o più sempliemente delle iamate nel aso di servizio voe) Tutte le proedure e la rete mette in atto per onsentire agli utenti mobili di essere in omuniazione vanno sotto il nome di gestione della mobilità 2

3 Gestione della mobilità Gli utenti di sistemi ellulari MENTRE SI SPOSTANO possono: iamare essere iamati onversare E neessaria una quale intelligenza e supporti tutto questo (funzionalità di ROAMING). 3

4 Gestione della mobilità Nel aso di servizio a iruito le proedure di gestione della mobilità si differenziano a seondo e l utente e si sposta sia in stato IDLE (nessun iruito attivo) o in stato ACTIVE (in onversazione) ACTIVE: è un iruito attivo e deve essere reinstradato dopo ogni ambio di ella (Handover) IDLE: l utente deve poter essere loalizzato per indirizzargli una iamata (Loation Update, Cell Seletion, Cell Reseletion) 4

5 Gestione della mobilità: Cell seletion Un terminale mobile in idle si aggania ad una ella sulla base del segnale rievuto dalla stazione base Su un opportuno anale di ontrollo omune la stazione radio base trasmette dell informazione di sistema e, tra l altro, speifia il suo identifiativo Il terminale mobile sandise le frequenze radio per deodifiare il anale di ontrollo delle stazioni base della zona Il terminale seleziona la stazione base da ui rieve il segnale più potente Il terminale non smette mai di sandire periodiamente ane le altre frequenze e se trova un segnale più forte da un altra stazione base ambia la selezione 5

6 4. Handover 6

7 Gestione della mobilità: Handover Proedura on ui un terminale mobile in onversazione ambia la stazione base su ui è attestato La proedura è sempre iniziata lato rete, sulla base di misurazioni (potenza del segnale rievuto, qualità, e.) effettuate sia lato rete e lato utente Si riiedono proedure di Handover effiienti e veloi Vedremo nel aso del GSM ome le proedure di andover vengono gestite dal punto di vista della segnalazione di rete e del routing del iruito 7

8 Gestione della mobilità: Handover Quando satenare un Handover? La selta delle soglie di attivazione della proedura di andover è fattore ritio Handover TH Reeiver TH Δt t Se è troppo piolo Δt è troppo piolo e si risia di perdere la onnessione Se è grande aumenta il numero di riieste di andover e quindi il traffio di segnalazione in rete 8

9 Gestione della mobilità: Handover Quando satenare un Handover? Esistono diversi metodi - metodo del segnale più forte l andover avviene nel punto A a ausa delle fluttuazioni del segnale sono possibili molti rimbalzi (effetto ping-pong) 9

10 Gestione della mobilità: Handover Quando satenare un Handover? Esistono diversi metodi 2 - metodo del segnale più forte on soglia se il segnale dalla preedente BS è inferiore a una soglia (as. es. T2) e la potenza di un altra BS è più forte; l andover avviene nel punto B 0

11 Gestione della mobilità: Handover Quando satenare un Handover? Esistono diversi metodi 3 - metodo del segnale più forte on isteresi se la potenza dell altra BS è più forte di un valore ; l andover avviene nel punto C

12 Gestione della mobilità: : Tipologie di Handover Hard Handover (GSM-2G) Presuppone l abbattimento e l instaurazione di un nuovo lin radio Soft Handover (UMTS-3G) Sfruttando la marodiversità l utente è ontemporaneamente ollegato on più stazioni base 2

13 Prestazioni Handover Quando avviene un andover viene rilasiato il anale nella veia ella e viene riiesto un anale nella nuova; il anale nella nuova può non essere disponibile Definiamo la probabilità di rifiuto di andover (P drop ) ome la probabilità e una riiesta di andover non possa essere soddisfatta e la probabilità di bloo (P blo ) ome la probabilità di rifiutare una nuova iamata Nei sistemi e trattano le riieste di andover ome le nuove riieste entranti (all setup) P drop P blo In realtà è meglio bloare una iamata entrante e perderne una attiva Si può tentare di trattare meglio le riieste di andover 3

14 Tenia dei Canali di Guardia Canali di guardia (Guard Cannels) Un erto numero di anali viene riservato per le riieste di andover P drop diventa più bassa ma la apaità del sistema risulta inferiore E ritio il dimensionamento del sistema e neessita stime aurate sull andamento temporale del traffio (quanti anali riservo alle riieste di andover?) 4

15 Prestazioni Handover Senza Canali di Guardia Nuove iamate λ i Ciamate terminate Riieste di andover λ Ipotesi: Tutti i proessi Poisson indipendenti m anali disponibili μ Si può usare la B di Erlang B(A,m) on: A λ i λ μ 5

16 Prestazioni Handover Con Canali di Guardia Nuove iamate λ i Ciamate terminate Riieste di andover μ λ Ipotesi: Tutti i proessi Poisson indipendenti m ganali disponibili g solo per andover Definiamo: i λi μ λ μ 6

17 λ λ i λ λ i Prestazioni Handover λ λ i λ λ 0 2 g μ μ 2μ ( ) μ ( g) μ π π... 2 λ λi π 0 μ 2 ( ) i 2 ( ) π 0 i π 0 π π!! ( ) ( ) i i π 0 π 0 < g 7

18 8 Prestazioni Handover Prestazioni Handover ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) g i i g i g f g i i g i g b g i i g P P !! )! (!!!!! π π π Probabilità di bloo nuove iamate Probabilità di fallimento andover

19 Prestazioni Handover Ovviamente il modello appena analizzato prende in ingresso i parametri: λ, λ i, μ Sfortunatamente tali parametri non sono indipendenti tra loro e sono legati alla mobilità dell utente Il parametro τ /μ rappresenta il tempo medio di tenutadi unaanalein unaella(annel olding time) Definiamo il parametro τ /η e rappresenta il tempo medio speso in una ella da parte di un utente mobile 9

20 Prestazioni Handover Definiamo il parametro τ/μ e rappresenta il tempo medio di una iamata Risulta: τ min τ, { } τ Nell ipotesi e τ e τ siano variabili asuali esponenziali negative si può failmente osservare e: τ μ μ η 20

21 Prestazioni Handover La probabilità e una iamata faia un andover è data da: P η Pr 0 [ τ > τ ] e ( μ η ) y ηe η μ η ηx μe μy Definiamo ν il numero medio di andover per iamata: dx 0 τ ν τ dx η μ x dy 2

22 Prestazioni Handover Possiamo ora alolare λ in funzione di λ i : /6 del traffio in usita λ [( P ) λ ( P ) λ ] P b i f Risolvendo per λ : λ P ( P ) [ P ( P )] i b f λ 22

23 Prestazioni Handover Purtroppo la relazione dipende dalle probabilità P b e P f e sono proprio iò e la atena i onsente di alolare. λ P ( P ) [ P ( P )] i E possibile adottare un approio risolutivo di tipo iterativo:. Six ipotizzano dei valori di P b e P f e si alola λ 2. Si risolve la atena e si onfrontano i valori ottenuti on quelli ipotezzati 3. se la differenza è maggiore di una soglia di preisione prefissata si torna allo step ; altrimenti STOP. b f λ 23

24 Prestazioni Handover Nella maggior parte dei asi, però, è ragionevole assumere e P b e P f siano pioli e dunque: P ( P ) λ b λ λ f [ ( )] i ( ) i i i P P P In questo non serve aluna iterazione Ovviamente l assunzione va verifiata a posteriori P η λ μ νλ 24

25 Prestazioni Handover La probabilità di fallimento del andver P f non è però quella e interessa direttamente l utente Oorre derivare la probabilità di aduta di una iamata per fallimento del andover: P d P P P f f P P P i 0 P f P i P f P 2 ( P ) ν P f ( P ) f i f... P P P f ( P ) f 25

26 Prestazioni Handover Rimane da alolare il parametro η in funzione dei parametri geometrii e della veloità dell utente Consideriamo prima il aso semplie di elle quadrate: l α r num. di andover γ num. di linee oriz. e vert. attraversate 26

27 Si a: Prestazioni Handover 2 γ π 2 r π l V η γ r π / 2 0 r osα l ( sin α osα ) 4V πl r sin α dα l π / 2 0 4r πl dove V èla veloità 27

28 In generale si a: Prestazioni Handover L η V π S Prova: Infatti, onsideriamo un segmento dl di bordo e la probabilità e l utente attraversi tale segmento nel tempo dt. Sia f V (v) la densità di probabilità della veloità e α l angolo d inidenta sul segmento dl. Il terminale attraverserà il segmento solo se si trova nell area infinitesima: dl dove L è il perimetro e S l area α vdt osα 28

29 Prestazioni Handover La probabilità è dunque pari all area infinitesima fratto l area totale: v osα dtdl S Mediando su v e su α, si a: p 2πS π / 2 dv v f v α dldt dα V os 2 v fv v dldt 2πS 0 π / 2 0 Integrando lungo il perimetro: VL p dt πs E dunque la frequenza di attraversamento: V πs () () dv dldt S L η V π.v.d. 29

30 Gestione della mobilità: Handover Ci ouperemo in seguito dell andover in GMS LETTURA CONSIGLIATA: LETTURA CONSIGLIATA: Trends Trends in in andover andover design design Pollini, Pollini, G.P. G.P. IEEE IEEE Communiations Communiations Magazine Magazine,, Volume: Volume: Issue: Issue: 3 3,, Mar Mar Page(s): Page(s):

31 4.2 Loation update 3

32 Gestione della mobilità: : Loation Update Loation Area: entità topologia gerariamente superiore alla ella (gruppo di più elle) Un utente IDLE è loalizzato dal sistema su base Loation Area (e non su base ella) L ultima loation area di ogni utente è memorizzata in opportuni database della rete Data Base LA LA 2 32

33 Gestione della mobilità: : Loation Update Se un utente in stato IDLE passa da una LA ad un altra satena una proedura di Loation Update L informazione sulla LA in ui si trova un utente serve per indirizzare le iamate Data Base LA LA 2 33

34 Paging All arrivo di una iamata per l utente mobile viene onsultato il registro Una volta nota la LA viene iniziata una proedura di paging Ogni stazione base della LA invia un messaggio di ontrollo in broadast on l identifiativo dell utente erato Alla risposta del teminale mobile la rete onose la ella e instrada la iamata reply paging paging Data Base 34

35 QUESITO: Paging vs. Loation Update Quanto grandi onviene fare le Loation Area? piole grandi Cosa spinge in un verso, osa nell altro? Data Base LA LA 2 35

36 Paging vs. Loation Update Il dimensionamento delle loation area dipende da due opposte esigenze: All aumentare delle dimensioni della loation area (in numero di elle) aumenta il traffio di segnalazione dovuto al paging Al diminuire delle dimensioni della loation area (in numero di elle) aumenta il traffio di segnalazione dovuto alle proedure di loation update Esiste dunque una dimesione ottimale delle loation area e dipende da numero parametri tra i quali la mobilità degli utenti e la frequenza di arrivo delle iamate 36

37 Dimensionamento delle loation area Un metodo semplie per il dimensionamento delle loation area si basa sul alolo del osto di segnalazione per utente Consideriamo elle quadrate di lato l, e loation area quadrate formate da elle Indiiamo on C p il osto di segnalazione per utente per ella dovuto all arrivo di una iamata [bytes/paging/ell] C u il osto di segnalazione per un loation update [bytes/update] λ la frequenza di arrivo delle iamate per utente [alls/our/user] u la frequenza di loation update per utente [update/our/user] 37

38 Dimensionamento delle loation area Il osto di segnalazione per utente si può esprimere ome: 2 C, λ, u λc u C ( ) p u Indiiamo on m il numero medio di utenti e esono dalla loation area nell unità di tempo la densità di utenti per unità di area v la veloità dell utente (VE[v]) 38

39 Dimensionamento delle loation area In modo analogo a quanto fatto per la il alolo del parametro η per gli andover si può mostrare e: e dunque E [ m] [ m] E ( l) 4l π V 4V lπ u u 2 39

40 Dimensionamento delle loation area Normalizzando C u a e definendo (,λ) C(,λ)/C u possiamo esprimere la funzione di osto normalizzata ome:, λ) 2 λγ u / dove ( γ C p / C u u 4V lπ 40

41 Dimensionamento delle loation area Definiamo: Δ(, λ, u (2 ) (, λ, u ) ( ) γλ u ( ) ) (, λ, u Il valore ottimo di, opt, si ottiene erando il lavoro massimo di per ui il Δ è negativo: ) se Δ(2, λ, u opt ( λ, u) max[ Δ(, λ, u ) 0] altrimenti ) > 0 4

42 Esempio: l V Dimensionamento delle loation area 50 m λ 5 m/ γ C p / C u [alls//user] Si a: opt u 4V lπ [update// user] Δ(2, λ, u Δ(3, λ, u Δ(4, λ, u Δ(5, λ, u Δ(6, λ, u Δ(7, λ, u Δ(8, λ, u ) 6.80 ) 5.36 ) 2.4 ).6 ) 0.46 ) 0.03 )