Capitolo 1 Introduzione

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1 Capitolo 1 Introduzione I sistemi di comunicazione mobile costituiscono, tuttora, uno dei motori della società dell informazione. Lo scopo principale di questo simulatore è verificare il comportamento e le prestazioni dei protocolli d accesso previsti per la UTRAN. In particolare tale strumento consente di qualificare e quantificare le prestazioni dei livelli MAC, RLC, RRC al variare dei rispettivi parametri, in modo tale che un operatore possa fare un utilizzo efficiente delle risorse di rete a propria disposizione. 1.1 Il sistema UMTS UMTS ([1], [2], [3]) è l'acronimo di Universal Mobile Telecommunications System e costituisce lo standard per la terza generazione di servizi telefonici mobili. La rete analogica rappresentava la prima generazione di telefonia mobile, la rete GSM ([4]), tuttora attiva, rappresenta la seconda. La nuova tecnologia UMTS cerca di migliorare ed ampliare la capacità attuale delle tecnologie mobili, fornendo una capacità maggiore e una gamma di servizi superiori. Attraverso la nuova tecnologia UMTS saranno disponibili una serie di servizi multimediali individuali, ad esempio l'associazione del numero alla persona, e non ad un'utenza o un ufficio. 6

2 Questo consente l'introduzione di un numero di prodotti e servizi concepiti espressamente per la comunicazione mobile. Inoltre significa la possibilità di usare telecomunicazioni a voce e non in qualunque luogo, di mandare e ricevere fax ed in movimento, di accedere ad Internet e di scaricare o trasmettere pacchetti di dati senza aver bisogno di cercare un terminale fisso Mobilità e copertura L UMTS è concepito come un sistema globale. Terminali operanti secondo modalità multiple (anche tramite sistemi 2G, cioè GSM 900 e 1800) estenderanno ulteriormente la portata dei servizi UMTS. Attraverso questi terminali un abbonato potrà effettuare operazioni di roaming da un network privato a uno pubblico di tipo pico/micro-cellulare, quindi a un network di tipo macrocellulare (cioè uno di terza generazione) e infine a un network satellitare mobile, il tutto con minime ricadute sulla comunicazione. Tecnologia radio per tutti gli ambienti. L interfaccia radio UTRA sosterrà le operazioni con alta efficienza di spettro e qualità di servizio. Nelle applicazioni pratiche, i terminali UMTS potrebbero essere incapaci di operare costantemente alle velocità più alte, ed in zone remote o congestionate i sistemi di servizio potrebbero garantire velocità basse per problemi economici. Allo scopo di impedire che gli utenti utilizzino di continuo i loro terminali, i servizi saranno adattati alla velocità di trasmissione disponibile e ad altri parametri QoS (Quality of Service) Tecnologia L'avvento dei sistemi digitali di terza generazione costituisce un passo avanti epocale nella storia delle nuove tecnologie. Comparato ai telefoni di seconda generazione, infatti, un terminale UMTS avrà una enorme disponibilità di banda in più, ed una velocità di trasferimento dati dagli attuali bit al secondo a circa 2 milioni. 7

3 Ruolo principale nel progetto UMTS risiede nella convergenza tecnologica che questo porterà, ovvero nella possibilità di avere su di un solo terminale multimediale, diversi servizi ora appannaggio di svariati mass media. L'integrazione della rete fissa con quella mobile è una delle chiavi di volta del sistema UMTS, che farà in modo che una vera e propria comunicazione personale sia finalmente avviata. L'UMTS è stato programmato per essere operativo pienamente nel 2002, anno in cui l'attuale sistema GSM verrà "spremuto" fino in fondo. Esso integrerà tutti i presenti e i futuri servizi in un unico sistema di telecomunicazione, ma per fare ciò ci sarà bisogno di una nuova tecnologia di accesso radio a divisione di codice e di frequenza, si dovrà passare, cioè, dall'attuale FDMA/TDMA al futuro W-CDMA/FDD ([5], [6]) che consentirà una maggiore disponibilità dello spettro radio (figura 1.1). A t 200 khz A ms 8 utenti x frame f GSM (FDMA/TDMA) UMTS (W-CDMA/FDD) 10 ms t 5 MHz, 54 utenti x frame f Figura 1.1: confronto fra le due tecniche di accesso radio: FDMA/TDMA utilizzata per GSM e CDMA che verrà utilizzata per UMTS. 8

4 La velocità di trasmissione dati tramite l'utra dipenderà dalla cella in cui ci si trova. Infatti le celle classiche verranno divise in macro-celle, micro-celle e pico-celle. Più la cella è piccola maggiore sarà la trasportabilità dei dati in quell'area. Si passerà quindi da un minimo di 144 kbit/s nelle macro-celle, ad una velocità di Mbit/s nelle pico-celle. Quest'ultima velocità sarà disponibile anche in celle di maggiore grandezza per applicazioni a corto e medio raggio a seconda della disponibilità dello spettro radio e dalle scelte attuate dall'operatore della zona. Una delle maggiori innovazioni del GSM è stata la SIM (Subscriber Identity Module) card, che ha introdotto la possibilità di alti margini di sicurezza ed un fiorente mercato di scambio dei terminali, ormai puri simulacri dentro i quali mettere la propria SIM card. La stessa tecnologia, ma molto più evoluta, verrà utilizzata nell'umts. Dal 2002 le industrie costruttrici di SIM card saranno in grado di produrre carte con una maggiore capacità di memoria, una CPU più veloce, una enorme capacità di sostenere mole di dati. Queste innovazioni porteranno alla creazione dell'usim (UMTS Subscriber Identity Module), che darà al servizio UMTS il necessario supporto per essere realizzato. Difatti le nuove card saranno in grado di memorizzare tutti quei dati che l'utente vorrà ricevere nel suo uso della rete UMTS. La compatibilità dei vari terminali nelle diverse reti sarà assoluta. La card diverrà una specie di hard disk nella quale l'utente potrà scegliere i diversi tipi di programmi da installare, a seconda dell'utilizzo della carta stessa. Ma il vero punto di forza della tecnologia UMTS è rappresentata dalla compatibilità IP (Internet Protocol). La connessione con la rete sarà assicurata da collegamenti iperveloci e quotidianamente aggiornati secondo la crescita e le innovazioni di Internet stessa. Infatti i terminali UMTS saranno in grado di apprendere in maniera automatica e di conseguenza di evolvere tecnologicamente a seconda di ciò che si troveranno di fronte. Questi nuovi servizi permetteranno una ulteriore personalizzazione del media che incrementerà l'utilizzabilità e la flessibilità dello strumento. 9

5 Il sistema che si trova alla base del nuovo sistema mobile di terza generazione è lo stesso sviluppato dai precedenti sistemi radiomobili, basato quindi sulla divisione del territorio in celle di più o meno ampio diametro. La differenza principale fra GSM e UMTS che balza subito all'occhio è il diverso grado di riuso delle frequenze. La capacità di trasferimento è enormemente più ampia, e dove prima parlavano 8 utenti in 200 khz, adesso ne parlano ben 54 in 5 MHz (figura 1.1), tutto ciò è dovuto al fatto che appunto il riuso è a livello di tre sole celle e non di sette come i passati sistemi radiomobili, permettendo quindi una maggiore disponibilità di canali radio. Inoltre la possibilità di collocare negli stessi siti radio base UMTS e GSM permetterà di contenere le spese d'impianto per gli operatori. 1.2 Descrizione della struttura generale del simulatore Il sistema UMTS è caratterizzato da una complessa struttura sincrona in cui, a ciascun mobile, è consentito di trasmettere (in modalità FDD) per un intervallo temporale minimo di durata pari a 10 ms, detto frame. Tutto ciò ha portato la scelta della tecnica di simulazione a optare per la time-driven, la quale si presta bene all implementazione utilizzando un linguaggio di programmazione ad oggetti e per cui si è scelto, come intervallo di tempo minimo, proprio il frame. La programmazione ad oggetti consente la creazione di elementi funzionali a scatola nera (o oggetti) il cui accesso può essere controllato rigorosamente. Il linguaggio scelto per la codifica del codice del simulatore è il C++. Lo strumento di simulazione in esame era già presente, presso il Politecnico di Torino, in una versione comprendente i livelli MAC (Medium Access Control), RLC (Radio Link Control) e un modello astratto del livello fisico; inoltre il livello RRC (Radio Resource Control) è stato sviluppato in un lavoro di tesi [7] parallelo a questo. 10

6 1.2.1 Architettura del sistema La figura 1.2 descrive, a grandi linee, la struttura globale del simulatore in via di implementazione. Interfaccia di ingresso Topologia Modello di mobilità degli utenti Modello del canale fisico e calcolo dell'interferenza Modelli di traffico (real-time non real-time) Protocolli di accesso (MAC, RLC), di gestione (RRC), di trasporto (TCP, UDP) Interfaccia di uscita Figura 1.2: schema dell architettura del simulatore. L interfaccia di ingresso presente al momento attuale è molto semplice ed è di tipo testuale. Un esempio (figura 1.3) è costituito dal file Source.dat contenente le caratteristiche di una semplice sorgente di traffico. Com è noto, una rete cellulare è caratterizzata dalla suddivisione dello spazio in aree o celle in cui lo spettro di frequenze a disposizione viene più 11

7 volte riutilizzato, consentendo agli utenti di usufruire dei servizi offerti dalla rete mentre si muovono liberamente, sia all interno di una stessa cella sia tra celle contigue. SOURCES.DAT Number of STREAMING service state = 4 Streaming service lenght distribution type = 1 Max Streaming service lenght [s] = 30 Mean Streaming service lenght [s] = 25 Min Streaming service lenght [s] = 20 Maximum loosing packet probability before reduce quality = 0.1 Loosing packet probability measurement interval [frame] = 50 Send ack after number of packet = 3 Data Parameters for state = 1 bitrate [kbit/s] = 384 Mean time between pck [s] = Mean packet size [byte] = 480 Ack time [s] = 0.03 Mean time to change state [s] = 5 Max time to change state [s] = 8 Changing state distribution type = 7 Figura 1.3: esempio di file di configurazione. A tale proposito costruire uno spazio di simulazione formato da un unica cella sarebbe troppo limitativo: da qui l esigenza di definire una topologia di rete formata da un certo numero di celle attraverso le quali i terminali possano muoversi. Le scelte possibili erano sostanzialmente due: topologia aperta; topologia chiusa. Nel caso di una topologia aperta si è sicuramente avvantaggiati dalla semplicità di gestione dello spazio di simulazione; tuttavia può accadere che un utente, muovendosi, giunga ad un estremo della rete dove non è facile determinare e modellare i fenomeni che intervengono, soprattutto in 12

8 termini di interferenza infracella che è sicuramente inferiore che non nel caso di una cella centrale rispetto allo spazio considerato. Come rimedio si potrebbe costruire uno spazio di simulazione composto da un numero elevato di celle ma effettuando misurazioni e considerazioni statistiche solo su un numero contenuto di celle disposte al centro della topologia (figura 1.4). Figura 1.4: esempio di topologia aperta. Al contrario un vantaggio notevole, dal punto di vista dell efficienza, si ottiene ricorrendo ad una topologia chiusa (toroidale ad esempio, come mostra la figura 1.5), caratterizzata da un certo numero di celle in cui, comunque si muovano, i terminali non saranno mai soggetti agli effetti di bordo di cui sopra; d altra parte ciò consente di effettuare misure su tutto lo spazio di simulazione che quindi potrà essere costituito da un numero di celle inferiore che non nel caso di una topologia aperta. Accanto ai precedenti benefici si pongono, tuttavia, la maggiore complessità computazionale richiesta per la gestione di uno spazio chiuso, 13

9 nonché l elevato grado di correlazione che un numero troppo basso di celle comporterebbe. Fatte queste considerazioni iniziali, per il simulatore in esame è stata adottata un topologia chiusa. Figura 1.5: passaggio da una topologia aperta ad una topologia chiusa. Un segnale trasmesso sul canale radiomobile è soggetto a numerose variazioni dovute a diversi fattori (propagazione, shadowing, fading). Peraltro tali variazioni possono occorrere anche mentre un utente si muove all interno di una stessa cella, a prescindere dalla forma di quest ultima. Questo fenomeno deve essere preso in seria considerazione se si vuole compiere una simulazione corretta. Inoltre costruire uno spazio di 14

10 simulazione in cui le dimensioni delle celle siano tali da poter considerare costante, al loro interno, l attenuazione che un segnale subisce sarebbe un ipotesi troppo restrittiva oltre che poco realistica. A tale proposito si è deciso di suddividere la superficie coperta dalla rete da simulare in porzioni di spazio, dette pixel, di dimensioni significativamente inferiori rispetto a quelle delle celle e tali da poter considerare costante l attenuazione che un segnale subirebbe al loro interno. In tal modo ciascuna cella, a seconda delle dimensioni, conterrà un certo numero di pixel (figura 1.6), ognuno caratterizzato da un diverso livello di disturbo in funzione della distanza dalla BTS. Figura 1.6: suddivisione dello spazio di simulazione in pixel. L utente del simulatore ha la possibilità di specificare le dimensioni sia delle celle, sia dei pixel. Nel simulatore in esame si è pensato di adottare la più semplice descrizione dello spazio simulativo che si possa immaginare. Questo è 15

11 costituito da celle tutte della stessa forma (esagonale) ed equidimensionali, disposte su due assi (complanari alla superficie su cui si muovono i terminali) e che formano un angolo di 60 o 120 a seconda che si decida di utilizzare antenne mono e trisettoriali rispettivamente. La figura 1.7 mostra la disposizione delle BTS nel caso si utilizzino antenne monosettoriali. 60 Figura 1.7: esempio di disposizione delle BTS nel caso di antenne monosettoriali. In figura 1.8 viene rappresentato lo schema di una topologia chiusa (come quella appena descritta) composta da 16 celle (4 su ciascun asse). L interferenza che un terminale incontra, muovendosi con una ben definita velocità (costante) da un pixel al successivo, è dovuta alla presenza di cammini multipli attraverso cui le varie repliche del segnale trasmesso si propagano. Tali repliche vengono originate in seguito alle continue riflessioni e rifrazioni che il segnale subisce propagandosi a causa della presenza di ostacoli. Questi ultimi possono avere forme ed estensioni 16

12 diverse: in ambito urbano sono costituiti dagli edifici, in ambiente extraurbano derivano dalla conformazione del terreno Figura 1.8: esempio di topologia chiusa composta da 16 BTS. In base a quanto detto finora è possibile distinguere un certo numero di ambienti che consentano la simulazione delle circostanze più comuni; tra tutti quelli possibili possiamo identificare i seguenti: indoor office; urbano; extraurbano. L ambiente indoor office è caratterizzato da spazi circoscritti che per essere coperti non necessitano di celle di dimensioni elevate, anzi al contrario tanto da poter essere definito picocellulare (figura 1.9). E il caso, ad esempio, di uffici in cui gli impiegati rimangano fermi o comunque si muovano lentamente. 17

13 L ambiente urbano è costituito da dimensioni considerevolmente più grandi rispetto al caso precedente; può essere coperto da celle di media dimensione e pertanto denominato microcellulare (figura 1.9). Fra le caratteristiche salienti di questo scenario troviamo la presenza di ostacoli anche molto alti (edifici) attraverso cui i terminali si muovono a bassa e media velocità (oppure rimangono fermi). Infine l ambiente extraurbano caratterizzato da enormi spazi aperti in cui gli unici ostacoli sono dovuti, per lo più, alla conformazione del terreno (colline, montagne). In esso gli utenti si muovono a gran velocità (ad esempio a bordo di auto o treni) ed è necessario che le celle abbiano dimensioni elevate per evitare che si rendano necessari più handover nell arco del loro tragitto: per questo motivo si parla di ambiente macrocellulare (figura 1.9). microcelle picocelle macrocelle Figura 1.9: esempi di celle a seconda degli ambienti in cui si desidera realizzare la copertura. 18

14 Le dimensioni elevate delle celle non pregiudicano, tuttavia, l efficienza di utilizzo delle frequenze dal momento che le aree extraurbane presentano di solito una densità molto bassa di utenti, magari disposti lungo una via di comunicazione (autostrade). Modificando opportunamente un certo numero di parametri, tra cui le dimensioni delle celle e dei pixel, il sistema consente la simulazione di uno qualsiasi degli ambienti precedentemente descritti. All inizio di ogni simulazione i terminali mobili (il cui numero viene specificato dall utente) vengono distribuiti in modo uniforme nell ambito dello spazio considerato. L utente ha, inoltre, la possibilità di dividere gli utenti in classi di velocità, ovvero insiemi caratterizzati da un ben definito valore di velocità (costante) di movimento. In questo senso, i terminali che rimangono fermi per tutto l arco della simulazione appartengono ad una particolare gruppo caratterizzato da velocità nulla. Figura 1.10: possibili direzioni di spostamento degli utenti nello spazio di simulazione. 19

15 Ogni volta che un terminale passa da un pixel all altro è necessario effettuare un aggiornamento della posizione oppure un handover. In ogni caso la frequenza con cui queste procedure avvengono è costante e dipende dalla velocità di movimento dei terminali. In corrispondenza della suddivisone operata per lo spazio di simulazione, ciascun terminale può muoversi dal pixel in cui si trova a uno degli altri 8 contigui (figura 1.10). Ovviamente per rendere più realistica la cosa si è pensato di introdurre un modello probabilistico per determinare la direzione dello spostamento, assegnando a tutte quelle possibili un diverso valore di probabilità: in questo modo ad ogni passo vi sarà una maggiore probabilità di procedere in avanti piuttosto che svoltare a destra. L unità dati, più comunemente detta pacchetto, è stata implementata nel simulatore come lista di intestazioni (header). In trasmissione, nell attraversare la pila protocollare, il pacchetto viene opportunamente manipolato da ciascun livello. Ad esempio ogni entità aggiunge alla SDU, ricevuta dal livello superiore, una propria intestazione generando una PDU che verrà poi trasferita a quello sottostante eventualmente segmentandola in più elementi. Allo stesso modo, in ricezione, una PDU precedentemente segmentata viene concatenata prima di essere consegnata verso all entità sovrastante. Per semplicità di implementazione, i pacchetti non contengono alcun campo dati ma più semplicemente esiste una variabile che tiene conto di quest ultimo memorizzandone la dimensione. Al contrario, le intestazioni contengono diversi campi necessari al riconoscimento della PDU stessa. Il compito principale di un simulatore, oltre a quello di emulare il comportamento di un sistema, è quello di estrarre dei valori che quantifichino le prestazioni del sistema stesso in modo da dare delle indicazioni precise sulla sua configurazione ottimale. Anche nel caso in esame è così. In particolare è stato implementato un meccanismo in grado di raccogliere un determinato insieme di misure con opportune caratteristiche, che è l utente a decidere, specifiche per ogni entità cui esse si riferiscano (UE, UTRAN, BTS). 20

16 I risultati ottenuti dalle misurazioni vengono poi, al termine della simulazione, presentate in uscita producendo dei file in formato testuale Modello del canale fisico e calcolo dell interferenza Per modellare il fenomeno dell interferenza, i cui protagonisti sono il canale radiomobile (con fading selettivo in frequenza) e i ricevitori di tipo RAKE (con controllo di potenza ad anello chiuso), sono state effettuate delle considerazioni statistiche basate sulla tecnica SGA (Standard Gaussian Approximation) sviluppato in un lavoro di tesi [8] parallelo a questo. Se all interno di una cella vi è un numero di terminali relativamente elevato, il livello di interferenza che un segnale trasmesso subisce può essere descritto da una variabile casuale gaussiana a valore medio nullo e varianza pari, stando a quanto afferma il Teorema del Limite Centrale, alla somma delle varianze delle altre variabili gaussiane. Il modello, brevemente descritto, tiene conto bene del fatto che ciascun utente non produce un valore elevato di interferenza ma quello ricevuto aumenta considerevolmente al crescere del numero di UE in trasmissione all interno della stessa cella. L entità che descrive quantitativamente la qualità del canale radiomobile in un determinato istante è il SIR (Signal to Interference Ratio); il valore di quest ultimo viene influenzato dai seguenti parametri: numero di utenti all interno di una cella e di quelle adiacenti; numero M di cammini multipli attraverso cui si propaga il segnale trasmesso; rapporto E b /N 0 ; varianza del guadagno dovuto alla presenza di cammini multipli σ 2 ; Processing Gain G P. Tutti questi parametri sono lasciati a disposizione dell utente che può settarli opportunamente. 21

17 A partire dal SIR si ricava la qualità del canale radiomobile in termini di probabilità di errore sul blocco: ciò si ottiene mediante consultazione di una curva (curva di BLER) fornita in ingresso dall utente del simulatore. Il modello fin qui esposto fin viene utilizzato per modellare la trasmissione sia in uplink che in downlink Sorgenti di traffico La prima parte del software, comprendente i livelli MAC, RLC e RRC sono già stati validati nei precedenti lavori di tesi ([7], [9], [10]) mediante l utilizzo di modelli di traffico di tipo convenzionale (sorgenti ON-OFF). Questo tipo di sorgenti consente di simulare la generazione e il trasferimento di dati, ma non sono in grado di modellare tutti i tipi di traffico generati dai vari servizi offerti. Nasce quindi l esigenza di implementare dei modelli con cui simulare i servizi che la rete UMTS sarà in grado di fornire ai propri utenti (real time e non real time). Obiettivo di questo lavoro di tesi sarà, dunque, quello di introdurre nel sistema un generatore di traffico streaming (cap. 4) per modellare servizi real time che emulino il trasferimento di brevi sequenze video o anche solo traffico voce ma di elevata qualità. 22