Corso di Servizi di Telecomunicazioni Laurea in Ingegneria Biomedica A.A Cenni ai sistemi e servizi GPRS e UMTS

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1 Corso di Servizi di Telecomunicazioni Laurea in Ingegneria Biomedica A.A Cenni ai sistemi e servizi GPRS e UMTS Susanna Spinsante s.spinsante@univpm.it General Packet Radio Service: GPRS Modalità a pacchetto per reti GSM Usa da 1 a 8 canali sulla stessa portante Tariffazione in base alla mole di dati trasferiti Si interfaccia a IP e X.25 Supporta la QoS(Quality of Service) con diversi profili 2

2 Caratteristiche GPRS Il GPRS (General Packet Radio Service) è un efficiente risposta alle esigenze della trasmissione dati wireless Il GPRS consente di trasmettere dati in ambito GSM con tecnica di interconnessione a commutazione di pacchetto Velocità di trasmissione: da 9.05 kbit/s, nella modalità più codificata e con un solo time slot allocato all utente, sino a kbit/s, nella modalità non codificata, nel caso in cui siano allocati alla stessa stazione mobile gli 8 time slot di una portante ÈprevistalacondivisionedellerisorseradiotrailGPRSedilGSMperiservizidati e voce, con l allocazione dinamica dei canali, separata tra up-link e down-link, consentendo di allocare sino ad 8 time slot ad un utente e di allocare, tramite multiplazione, lo stesso time slot a più utenti La tecnica di interconnessione utilizzata consente di adottare una tariffazione a volume di traffico, anziché a tempo 3 Utilizzo efficiente della risorsa radio, realizzato tramite tecniche di multiplazione statistica, che consentono sia una condivisione dello stesso intervallo di tempo (time slot) in condizioni di bassa velocità media di trasmissione, sia l aggregazione di più time slot per ciascun utente, in condizioni di elevata velocità media di trasmissione Possibilità di effettuare la tariffazione a volume sull effettiva mole di dati scambiata dall utente e non sulla durata della sessione Possibilità di mantenere sempre attiva una connessione logica (funzionalità always on), in quanto le risorse fisiche pregiate sono impegnate solo in presenza di una necessità di trasferimento effettivo dell informazione, e vistochelatariffa nonècalcolata sultemporealediimpegno Possibilità di assegnare asimmetricamente le risorse in quei casi in cui il servizio abbia esigenze trasmissive asimmetriche 4

3 Trasmissione dati in GSM Consideriamo le opportunità offerte dal sistema GSM per la trasmissione dati La tecnologia GSM prevede l accesso radio a divisione di tempo e di frequenza (TDMA/FDMA) in cui otto utenti accedono a turno alla portante con periodicità di otto intervalli di tempo(time slot). Conlacodificafullrateedenhancedfullratelaperiodicitàèdiottotimeslot,mentreconla codifica half rate è di sedici time slot, potendo così multiplare sedici utenti. Comunque sia, qualsiasi connessione, sia essa di dati o fonica, richiede di instaurare nel GSM un circuito che impegna un time slot per l intera durata della chiamata, anche negli intervalliditempoincuinoncisianodatidatrasmettere. Se per le comunicazioni vocali l efficienza di impiego del canale è piuttosto elevata (circa il 50%), nel caso di connessione dati in cui la trasmissione è tipicamente intermittente, l efficienza di utilizzo del canale è assai limitata. Per queste applicazioni ad elevata intermittenza, i tempi morti potrebbero essere efficientemente impiegati attraverso la condivisione delle risorse trasmissive tra più utilizzatori. La trasmissione a pacchetto consente quindi di gestire in maniera indipendente le risorse trasmissive nel verso entrante ed uscente dal terminale e quindi di allocare risorse trasmissive con entità diversa nel caso di marcata asimmetria delle esigenze, e di applicare una tariffazione sulla base della quantità di dati trasferiti. 5 Come si passa al GPRS? L attivazione del GPRS richiede modifiche hardware marginali nella rete di accesso radio, ma principalmente necessita di aggiornamenti software per inserire i nuovi protocolli richiesti Nella rete di transito fissa occorre introdurre due nuove tipologie di nodi (SGSN e GGSN) a commutazione di pacchetto(reimpiegati per l UMTS) Per ciò che riguarda la configurazione dei canali sull interfaccia radio, per effettuarla sono previste in alternativa due diverse possibilità: - impiegare canali on demand, ossia condivisi tra GSM e GPRS a seconda delle esigenze di traffico e con priorità per l utenza che richiede il servizio in fonia GSM; - impiegare canali statici, configurati cioè in maniera permanente per le chiamate relative al trasporto dei dati GPRS. 6

4 Gli operatori telefonici possono riutilizzare parte della infrastruttura preesistente di rete per realizzare la trasmissione a pacchetto sulla rete GSM: per quanto riguarda la parte radio possono essere riutilizzati i siti, le antenne, le BTS (Base Transceiver Station) e i BSC (Base Station Controller) già in opera per il sistema GSM, applicando in queste ultime parti degli impianti modesti adeguamenti software. Per quanto riguarda la rete di transito fissa, il GPRS introduce due nuovi nodi di rete: l SGSN (Serving GPRS Support Node) ed il GGSN(Gateway GPRS Support Node). Il primo governa la gestione della MS (Mobile Station) e della sua mobilità, mentre il GGSN effettua l interlavoro tra il sistema GPRS e la PDN(Packet Data Network) esterna che fornisce supporto agli specifici servizi forniti alla MS. 7 Utilizzando la modalità di trasferimento a pacchetto sull'interfaccia radio si hanno due principali vantaggi: -il primo è che la risorsa radio è impegnata da un utente solo quando vi è informazione da trasferire e ciò porta ad una efficienza maggiore con condivisione delle risorse tra connessioni contestuali; -il secondo vantaggio è l'assegnazione dinamica della capacità trasmissiva in relazione alle esigenze puntuali di traffico della sorgente: lo stesso time slot può essere assegnato a connessioni diverse contemporaneamente attive (trasmissione subslot) ed inoltre alla stessa connessione si possono assegnare più time slot(trasmissione multislot) Di rilievo è la possibilità di allocare in maniera indipendente la capacità in uplink e downlink qualora le esigenze siano di tipo asimmetrico, come nel caso del web browsing, in cui la capacità richiesta in uplink per le interrogazioni verso Internet è molto minore della capacità necessaria per scaricare le pagine WEB in downlink. 8

5 Risorse radio Le risorse radio possono essere destinate alle connessioni a circuito (GSM) e a pacchetto (GPRS), ripartendole con modalità statica o dinamica Nel sistema GPRS sono previsti due tipi di canali: Canali dinamici o on-demand: canali allocati alle connessioni GPRS solo in presenza di richieste di questo tipo, altrimenti allocati alle connessioni GSM. Nel caso di congestione radio sui canali GSM e di connessioni GPRS attive, i canali GPRS saranno progressivamente deallocati ed assegnati al GSM, dando così priorità alle chiamate GSM piuttosto che a quelle GPRS Canali statici: canali assegnati in maniera permanente al GPRS, indipendentemente dalle richieste di connessione GPRS, dando così rilevanza particolare a queste connessioni. 9 TS TS Frame Number X Utenti GSM 2 Utente 2 GPRS 1 Utente 1 GPRS 3 Utente 3 GPRS Nella figura è riportato un esempio di allocazione delle risorse GSM e GPRS all interno di una generica portante della cella. Si evidenziano 4 time slot dedicati continuativamente a 4 connessioni a circuito GSM, mentre per il GPRS si nota una assegnazione dinamica delle risorse per i tre utenti contemporaneamente attivi. Supponendo che il throughput per ogni time slot sia di 8 kbit/s, nel caso di allocazione di 4 time slot al singolo utente, il throughput massimo istantaneo è di 8x4=32 kbit/s. Il throughput medio si ottiene mediando il throughput istantaneo per trama sull'intervallo di osservazione: ad esempio per l'utente 1 è uguale a( )/ kbit/s mentre per l'utente 2 è uguale a( )/7 4.6 kbit/s. 10

6 Architettura generale GPRS Introduce una rete logica nuova sovrapposta a GSM Utilizza l infrastruttura fisica di GSM Introduceduenuovinodidirete SGSN: Serving GPRS Support Node, che svolge le funzioni dell MSC per la rete a pacchetto GGSN: Gateway GPRS Support Node, che interconnette la rete GSM con le altre reti a pacchetto(pdn-packet Data Networks) 11 Architettura di Rete GSM/GPRS HLR GR VMSC GMSC PSTN/ISDN BTS CCU BSC PCU SGSN Scambio di informazioni GGSN INTERNET INTRANET X25 Vengono introdotte in rete delle nuove unità funzionali attraverso le quali è possibile l accesso diretto alle reti dati e a pacchetto IP e X.25 HLR: Home Location Register GMSC: Gateway Mobile Switching Center VMSC: Visited MSC 12

7 L introduzione in rete di nuove unità funzionali permette l accesso diretto alle reti dati e a pacchetto (ad es. IP ed X.25). Ciò consente l instaurazione di nuove connessioni in tempi rapidi: secondo. IlGGSNèil nododa cuisiaccededa una reteapacchettoesterna oppurealsistema GPRSdi un altra rete mobile a pacchetto; esso permette di validare l indirizzo di rete corrispondente al terminale GPRS che si intende contattare. Il GGSN contiene le informazioni di instradamento(tra cui quelle riguardanti il nodo SGSN di riferimento) per ogni utente che sta effettuando una sessione dati in rete. L SGSN è il nodo di riferimento per il terminale mobile: esso costituisce l elemento di interfaccia tra la rete di transito GPRS (Core Network) e la rete di accesso radio ed è deputato a trasferire i pacchetti verso il BSC di destinazione, e ad eseguire le procedure per la registrazione in rete, di gestione della mobilità, di allocazione delle chiavi di cifratura e di autenticazione dell utente GPRS. L SGSN gestisce, infine, le informazioni relative alla sicurezza e alla mobilità del terminale (MS). Il GGSN e l SGSN, seppure da un punto di vista logico nettamente separati, possono risiedere nello stesso nodo fisico. Il GGSN e l SGSN fanno parte anche dell architettura della rete fissa prevista nella prima fase dell UMTS. 13 Architettura di Rete: SGSN e GGSN HLR GR VMSC GMSC PSTN/ISDN BTS CCU BSC PCU SGSN Scambio di informazioni GGSN INTERNET INTRANET X25 Il Serving GPRS Support Node (SGSN) si colloca allo stesso livello gerarchico dell MSC e ha funzioni comparabili al Mobile Switching Centre Il Gateway GPRS Support Node (GGSN) si colloca allo stesso livello gerarchico del gateway MSC ed assume le funzioni di interconnessione verso la Packet Data Network PDN 14

8 Architettura di Rete: GR HLR GR VMSC GMSC PSTN/ISDN BTS CCU BSC PCU SGSN Scambio di informazioni GGSN INTERNET INTRANET X25 Il GPRS Register (GR) aggiunge all HLR (Home Location Register) il profilo degli utenti GPRS 15 L HLR (Home Location Register) o Registro di localizzazione principale è un data base permanente associato in modo univoco a un GMSC(Gateway- Mobile Switching Center). Ricordiamo le sue funzioni: - Memorizza le informazioni relative a tutti le MS la cui localizzazione di default è presso il GMSC considerato - HLR memorizza informazioni permanenti come l IMSI (International Mobile Subscriber Identity), il numero di telefono della SIM associata e la sua chiave di autenticazione, i servizi supplementari acuil utente èabilitato,... - HLR memorizza anche informazioni temporanee come l indirizzo del VLR presso cui può essere reperito l utente, parametri transitori per identificazione e crittografia, un eventuale numeroditelefono perl inoltrodellechiamate,... - HLR gioca un ruolo fondamentale nella gestione delle chiamate che provengono dalla rete fissaesonoinoltrate versounams. A questa unità funzionale vanno aggiunti, per l integrazione GPRS, i profili degli utenti GPRS contenuti nel GR(GPRS Register). 16

9 Mobile Station (MS) GPRS TERMINALI MOBILI CLASSE A: terminale in grado di effettuare o ricevere comunicazioni GSM e GPRS simultaneamente CLASSE B: terminale in grado di effettuare o ricevere comunicazioni GSM e GPRS sequenzialmente, monitorando però i canali di controllo GSM e GPRS simultaneamente CLASSE C: terminale in grado di effettuare o ricevere comunicazioni GSM e GPRS sequenzialmente, senza monitoraggio simultaneo dei canalidicontrollogsmegprs 17 Il GPRS ha richiesto lo sviluppo di nuove tipologie di terminali mobili suddivisi in tre classi: - CLASSE A: terminale in grado di effettuare o ricevere comunicazioni GSM e GPRS simultaneamente. - CLASSE B: terminale in grado di effettuare o ricevere comunicazioni GSM o GPRS sequenzialmente, monitorando però i canali di controllo GSM e GPRS simultaneamente. Con tali tipi di terminali, se ad esempio l utente sta effettuando una connessione dati GPRS e riceve l indicazione di una chiamata voce entrante, può decidere di porre in standby la chiamata GPRS e di commutare su quella voce. Al termine di quest ultima, può decidere se riprendere o meno la chiamata GPRS. - CLASSE C: terminale in grado di effettuare o ricevere comunicazioni GSM o GPRS sequenzialmente, senza monitoraggio simultaneo dei canali di controllo GSM e GPRS. In questo caso l utente può essere registrato o sulla rete GSM o su quella GPRS, ma non contemporaneamente su entrambe. 18

10 Canale fisico e canali logici nell interfaccia Um (Tra MS e BTS) Il GPRS prevede l introduzione di un nuovo canale fisico sull interfaccia radio, ottimizzato per la trasmissione a pacchetto e denominato PDCH(Packet Data Channel) Esso è definito, come per il sistema GSM, dai seguenti parametri: un time-slot, una sequenza di trama TDMA e una sequenza di frequency hopping; sul PDCH vengono mappati sia i canali logici di segnalazione sia i canali di traffico. Differenti connessioni, definite TBF (Temporary Block Flow) possono condividere lo stesso canale PDCH, ovvero più utenti possono essere multiplati sullo stesso PDCH; il numeromassimoditbfperpdchèparia6inuplinke8indownlink. E possibile decidere di allocare i canali PDCH in modalità on-demand oppure dedicare canali PDCH esclusivamente al servizio GPRS. L allocazione on demand prevede che un PDCH sia allocato solo temporaneamente al GPRS, in base alle necessità di traffico di trasmissione dati a pacchetto, e venga altrimenti utilizzato per le chiamate voce, che in ogni caso mantengono una priorità maggiore sulle connessioni dati. 19 I canali dedicated PDCH sono invece allocati alla trasmissione GPRS in modo permanente e sono utilizzati esclusivamente per il traffico dati. Per quanto concerne i canali di segnalazione comune, le specifiche GPRS prevedono due modalità di impiego. Nella prima vengono impiegati gli stessi canali utilizzati per il GSM, quindi un mobile GPRS riceve le informazioni di sistema sul BCCH del GSM, opportunamente arricchito con le informazioni di sistema specifiche per il GPRS. Tutte le operazioni che richiedono l impiego di canali di segnalazione comuni per scambiare informazioni tra MS e rete (es. registrazione sulla rete GPRS, ascolto canali di paging, operazioni di accesso alla rete etc.) vengono quindi espletate tramite i canali GSM(PCH, RACH, AGCH). Nella seconda modalità sono definiti nuovi canali logici appositamente specificati per il GPRS (PBCCH, PCCCH). In quest ultimo caso, sul primo PDCH dedicato, definito Master PDCH (MPDCH), vengono mappati i canali logici di segnalazione del GPRS che sono il PBCCH (canale di broadcast) e il PCCCH (canale comune di segnalazione), con funzionalità analoghe ai corrispettivi BCCH e CCCH GSM, ma ottimizzati per il GPRS. Eventualmente, se è previsto un elevato traffico di segnalazione comune, è possibile configurare canali di segnalazione addizionali rispetto al master. Tutti gli altri PDCH che trasportano traffico e segnalazione dedicata all utente sono denominati slave. 20

11 PDCH (canale fisico) PBCCH PCCCH PDTCH PACCH Downlink PRACH Uplink PPCH PAGCH PNCH Downlink Downlink Downlink 21 Canali logici nell interfaccia Um (Air) (1) Suddivisione dei canali logici in gruppi funzionali Gruppo Nome Direzione Funzione PBCCH PBCCH Downlink Broadcast PCCCH PRACH Uplink Random Access PPCH Downlink Paging PAGCH Downlink Access Grant PNCH Downlink Multicast PTCH PDTCH Downlink e Uplink Trasmissione dati PACCH Downlink e Uplink Segnalazione associata I canali logici si distinguono in prima istanza in canali di segnalazione e di traffico. A loro volta, i canali di segnalazione possono suddividersi in canali comuni di controllo (PCCCH) e canali di broadcast (PBCCH). I canali di segnalazione specifici per il GPRS sono utilizzabili solo nel caso in cui sia definito il Master PDCH. 22

12 Canali logici nell interfaccia Um(Air) (2) Nel GPRS sono stati introdotti nuovi canali logici, aggiunti a quelli già presenti nel GSM PBCCH: (Packet Broadcast Control Channel) canale downlink che invia in broadcast informazioni sul sistema, può essere sostituito dal BCCH del GSM PCCCH: (Packet Common Control Channel) canale comune usato per il controllo della segnalazione per i pacchetti dati PRACH: (Packet Random Access Channel) canale uplink utilizzato dall MS per ottenere risorse per i dati ed avere il timing advance; può anche essere usato il canale RACH GSM PPCH: (Packet Paging Channel) canale downlink che invia in broadcast informazioni di chiamata, può essere sostituito dal PCH del GSM, se non esiste nella cella PAGCH:(Packet Access Grant Channel) canale downlink che assegna le risorse richieste per l inoltro dei dati; può essere sostituito dal AGCH del GSM 23 Canali logici nell interfaccia Um(Air) (3) Nel GPRS sono stati introdotti nuovi canali logici, aggiunti a quelli già presenti nel GSM PNCH: (Packet Notification Channel) canale downlink, presente nella fase 2, permette di notificare la connessione PTM-M al gruppo MS PDTCH: (Packet Data Traffic Channel) canale riservato per il trasferimento dei dati. PDTCH corrisponde alla risorsa assegnata ad un singolo MS su di un canale fisico. In una operazione multislot, il singolo MS può utilizzare più PDTCH in parallelo per un individuale trasferimento di dati PACCH: (Packet Associated Control Channel) canale bidirezionale dedicato ad un MS per portare informazioni di segnalazione quali: acknowledgment, controllo della potenza, assegnazione delle risorse o riassegnazione PTCCH: (Packet Timing advance Control Channel) canale uplink usato per stimare il timing advance in un mobile nella trasmissione di burst in modalità random. Nella direzione downlink un PTCCH è usato per trasmettere informazioni di timing advance a diversi MS 24

13 Interfaccia radio nel GPRS (GSM-RF) I Canali fisici nel GPRS sono detti Packet Data Channel (PDCH): ogni PDCH è un canale condivisotradiversemselarete La mappatura di diversi canali logici su di un PDCH è ottenuta usando la struttura multitrama ; la multitrama è formata da 52 trame radio Una multitrama di 52 trame radio è suddivisa in 12 blocchi radio (4 radio blocchi per ogni trama),2tramediidlee2trameptcch Numero di trama 0 T X T 51 X Blocchi Radio B0 B1 B2 B3 B4 B5 B6 B7 B8 B9 B10 B11 Trama X -Trama di Idle T Canali PTCCH (PCCCH) Blocco Radio B0 a B11 = RLC blocchi composti da 4 burst 25 Servizi GPRS bearer: Servizi GPRS: bearer e supplementary services -Trasferimento dati end-to-end a commutazione di pacchetto -Due diverse tipologie: Point-To-Point(PTP) service e Point-To-Multipoint(PTM) service PTP offre il trasferimento di pacchetti dati tra due utenti, sia in modalità connectionless (ad esempio per scambio di pacchetti IP), che connection-oriented, ad esempio per X.25 PTM offre il trasferimento dati tra un utente e utenti multipli. Esistono due tipologie di servizi PTM: -Servizio Multicast PTM-M: i pacchetti dati sono trasmessi in broadcast su una certa area geografica. Un indicatore di gruppo serve a stabilire se i pacchetti sono destinati a tutti gli utenti osoloadungruppodiutenti. -Servizio Group Call PTM-G: i pacchetti dati sono indirizzati ad un gruppo di utenti (gruppo PTM) e inviati nelle aree geografiche nelle quali i membri del gruppo sono attualmente locati E possibile anche inviare SMS su rete GPRS; inoltre, sono previsti servizi supplementari come il Call Forwarding Unconditional(CFU)(tutte le chiamate entranti sono reindirizzate verso il numero indicato), Call Forwarding on mobile subscriber Not Reachable (CFNRc) (le chiamate sono inoltrate verso il numero specificato solo quando la MS non è raggiungibile) e Closed User Group (CUG) (chiamate con caratteristiche particolari). Inoltre, un provider GPRS può fornire tutta una serie di servizi aggiuntivi e non standardizzati, come accesso a DBs, servizi di messaggistica, di tele-azione (credit card validation, electronic monitoring, tele surveillance..) 26

14 Qualità del Servizio I requisiti di Qualità del Servizio (QoS) di applicazioni a pacchetto mobili tipiche possono essere molto diversificati (real time multimedia, Web Browsing, transfer ). Il supporto a classi di QoS distinte, che possono essere specificate per ciascuna sessione, è una caratteristica importante per i sistemi GPRS. GPRS consente di definire dei profili di QoS usando alcuni parametri, quali la precedenza del servizio, l affidabilità, il ritardo e il throughput: -Precedenza del servizio: priorità del servizio in relazione ad un altro. Esistono tre livelli di priorità in GPRS: elevata, normale, bassa -Affidabilità: indica le caratteristiche di trasmissione richieste da una applicazione. Sono definite tre classi di affidabilità, che garantiscono dei valori massimi per la probabilità di perdita, duplicazione, disordine e corruzione di pacchetti -Parametri di ritardo. Definiscono i valori massimi per il ritardo medio e per il ritardo garantito per il 95 per cento di tutti i trasferimenti dati. Il ritardo è inteso come tempo di trasferimento end-to-end tra due MS comunicanti o tra una MS e l interfaccia verso una rete a pacchetto esterna. Include tutte le fonti di ritardo su una rete GPRS, come quello per la richiesta e l assegnazione delle risorse radio, e il ritardo di transito nella rete GPRS di backbone. Ritardi dovuti a reti esterne a quella GPRS non sono presi in considerazione. -Throughput: specifica la bit rate massima e media 27 Usando queste classi è possibile negoziare i profili di QoS tra la MS e la rete, per ciascuna sessione, a seconda delle necessità di QoS e delle risorse effettivamente disponibili. La tariffazione del servizio è dunque poi basata sul volume di dati trasmessi, il tipo di servizio eilprofiloqosscelto. Classi di affidabilità Classi di ritardo 28

15 Connessione con reti IP GPRS supporta sia connessioni IPv4 che IPv6; l interfaccia Gi è il punto di interlavoro con reti IP esterne. Dal punto di vista di una rete IP esterna, la rete GPRS assomiglia ad un altra qualsiasi sottorete IP e il GGSN ad un router. La figura illustra lo stack di protocolli implementati al GGSN: Nella connessione tra la rete GPRS e Internet, ciascun utente registrato che voglia scambiare pacchettidaticonunareteipriceveunindirizzoip preso dallo spazio di indirizzi del gestore GPRS. Per poter supportare un elevato numero di utenti, è necessario ricorrere al protocollo DHCP: l operazione di risoluzione dell indirizzo tra indirizzo IP e indirizzo GSM è eseguita dal GGSN. 29 Un Domain Name Server (DNS) gestito dall operatore GPRS o dall operatore della rete IP esterna è poi necessario per eseguire la mappatura tra indirizzi IP esterni e nomi degli host. Per proteggere la rete da accessi indesiderati, può essere installato un firewall tra la retegprselareteipesterna. In questo modo, GPRS può essere visto come una estensione wireless ad Internet, analogamente alle reti WiFi. L utente mobile ha connessione diretta ad Internet. 30

16 Evoluzione dei sistemi mobili (I) Il terminale mobile si sta rivelando lo strumento più diffuso per l'accesso al mondo dell'informazione globale(accesso indipendente dalla posizione e dal tipo di mobilità) Il mondo delle telecomunicazioni mobili sta subendo mutamenti sempre più radicali, dovuti alla crescente convergenza dei concetti di telecomunicazioni e trasmissione dati, a sua volta guidata da Internet e il protocollo IP. Questi aspetti implicano l interesse a usufruire di servizi interattivi multimediali e di potersi avvalere di questi in condizioni di mobilità, vale a dire in qualunque momento e in qualunque luogo. Non meno importante si rivela la possibilità di essere sempre connessi alla rete (always on), senza il peso derivante dalla onerosità delle connessioni a circuito. Utilizzo di apparecchio mobile Richiesta di servizi multimediali a larga banda Richiesta di connessioni always on Flessibilità per convergenza di reti, in particolare verso il protocollo IP Personalizzazione delle connessioni (QoS) 31 Evoluzione dei sistemi mobili (II) Utilizzo di apparecchio mobile: La crescita vorticosa del numero di client mobili è accompagnata da un elevata velocità di ricambio del parco terminali, facilitando così l opportunità di introdurre facilmente nuovi servizi basati anche su caratteristiche innovative dei terminali. Già attualmente per quanto riguarda l accesso ai servizi a valore aggiunto i terminali si differenziano in voice centric (smart phone) e information centric (communicator). Tale distinzione è confermata anche per i terminali di terza generazione, essendo presenti terminali tipicamente multimediali per servizi video e di browsing evoluto. Per quanto riguarda le soluzioni applicative rese disponibili dalla rete mobile di terza generazione (UMTS), le principali tendenze sono guidate dalla nascita di terminali evoluti (dotati ad esempio di display a colori ad alta definizione o di telecamera integrata) e dalla disponibilità di accesso a larga banda e a pacchetto. 32

17 Evoluzione dei sistemi mobili (III) Richiesta di servizi multimediali a larga banda: La recente disponibilità di nuovi ambienti applicativi per la fornitura di servizi a valore aggiunto di mobilità prospetta un nuovo scenario rispetto al passato, in termini di possibilità di sviluppo e supporto di applicazioni dati o integrate dati e voce, oltre che come strumenti di realizzazione di soluzioni verticali. Ad esempio i servizi WAP permettono, utilizzando il solo telefonino GSM, di accedere in maniera interattiva ad informazioni ed applicazioni residenti su un server web. Tale funzionalità è consentita dall introduzione di un microbrowser all interno del telefonino, e permette di offrire servizi applicativi a valore aggiunto, ottimizzati per rispondere alle limitate capacità di banda e di visualizzazione dei telefonini. 33 Evoluzione dei sistemi mobili (IV) Richiesta di connessioni always on: la connessione avviene come trasmissione dati (a pacchetto) verso la rete mobile, dove è collocato un gateway di protocolli tra il mondo mobile e quello di server applicativi IP. Flessibilità per convergenza di reti, in particolare verso il protocollo IP: Il numero di reti ed applicazioni IP sta crescendo rapidamente; quella più conosciuta è Internet, ma le reti private IP ( intranet ) mostrano ritmi di crescita e di utilizzo simili se non addirittura maggiori. L UMTS diventa la più flessibile tecnologia di accesso mobile a banda larga in quanto consente l uso residenziale, da ufficio a mobile, in una vasta gamma di reti pubbliche e non pubbliche. L UMTS può supportare sia il traffico IP, sia non IP, in una varietà di modalità che includono quella a pacchetti, quella a commutazione ed il circuito virtuale 34

18 Scelte degli operatori Virtual home environment (Vhe): possibilità di accedere ai servizi 3G in qualunque luogo ci si trovi, a mezzo di qualsivoglia terminale e attraverso qualunque rete. In altre parole, con il Vhe l'utente in roaming su reti diverse da quella di appartenenza, detta home environment, non percepirà alcuna differenza di funzionalità né di aspetto dei servizi sottoscritti. Per rendere possibile la realizzazione del Vhe e consentire l'implementazione rapida e flessibile dei servizi, è stata specificata dagli enti di standardizzazione la cosiddetta Open Service Architecture (OSA), un'architettura che permette a coloro che sviluppano le applicazioni, o content provider, siano essi gli operatori stessi o terze parti, di utilizzare funzionalità e risorse di rete per mezzo di interfacce aperte, dette Application Programming Interface (API), indipendentemente dalle infrastrutture dei livelli sottostanti e dai relativi protocolli. Gli elementi che costituiscono la Service network, secondo la definizione di OSA, sono dunque: gli Application server, sui quali sono implementate le applicazioni stesse, i Service capability server (Scs), che permettono, tramite Api, di fare uso in modo semplice delle risorse della Core network, consentendo dunque, con un buon livello di astrazione da essa, l'introduzione di nuovi servizi senza influenza alcuna nei livelli di connettività e controllo. 35 Servizi IP con accessi mobili L offerta di servizi basati sull Internet Protocol(IP), come ad esempio l accesso ad Internet o l accesso alle Intranet aziendali, attraverso i sistemi mobili tradizionali di seconda generazione, risente delle limitazioni intrinseche a questi sistemi nel trattamento dei dati. Tra le principali limitazioni si ricordano: labandalimitata(9.6kbit/sperilgsm) i tempi di set-up delle connessioni l inefficace uso delle risorse radio e la tariffazione a tempo Le evoluzioni del sistema GSM sono andate nella direzione di superare queste limitazioni. Come sappiamo, l avvento del sistema GPRS rappresenta un punto di svolta estremamente significativo, perché ha comportato l introduzione di caratteristiche innovative quali la commutazione a pacchetto ed un uso più consono ai dati dell interfaccia radio. La rete GPRS ha inoltre la capacità di interfacciarsi in modo nativo verso le tradizionali reti IP attraverso apparati di gateway che nei confronti del mondo IP risultano a tutti gli effetti dei router. Queste evoluzioni sono foriere di interessanti opportunità per gli operatori mobili: espandendosi ben oltre i confini del loro tradizionale mercato della fonia, essi possono aspirare a diventare non solo Access Provider verso le reti IP possedute da terze parti, ma anche ISP essi stessi. 36

19 Contemporaneamente all evoluzione dei sistemi mobili, anche all interno delle reti IP sono sorti e affrontati problemi per il supporto della mobilità. Le esigenze di poter accedere alla rete Internet indipendentemente dal punto di collegamento (e dalla tecnologia di rete sottostante) oquella dipoteraccederedaremotoaiservizidireteintranetsonostatetra le più forti emerse nel mondo IP negli ultimi anni. Tali esigenze hanno portato allo studio ed allo sviluppo di componenti di servizio utili allo scopo: meccanismi di autenticazione ed accounting tunneling tecniche per aumentare la sicurezza delle comunicazioni, strumenti per permettere il roaming tra ISP diversi Inoltre l IETF (Internet Engineering Task Force) ha sviluppato una tecnica di routing denominata Mobile IP, che è capace di superare le limitazioni del routing IP per supportare la mobilità di terminali tra sottoreti (macro-mobilità). Questa tecnica, che pure presenta molte somiglianze con le tecniche di gestione di mobilità proprie del sistema GSM, sfrutta i meccanismi propri dell Internet Protocol e risulta ottimale per l offerta di servizi di mobilità in reti IP. 37 Tecnologie di accesso UMTS Il sistema mobile di terza generazione UMTS è di fatto progettato per rispondere al presunto impatto dei servizi dati sul mobile. Le configurazioni di integrazione, la banda assegnata e le capacità minime sono state decise a livello europeo e si fanno carico di fattori quali: l universalità dei servizi forniti, perseguita soprattutto attraverso l interazione diretta o indiretta col mondo Internet l uso diffuso di schemi a variable bit rate e la possibilità di controllare significativi livelli di asimmetria di servizio: differenza di capacità tra up e down link i requisiti di trasporto (144 kbit/s, 386 kbit/s e 2 Mbit/s) variabili a seconda dell ambiente di servizio e delle caratteristiche di mobilità le esigenze di flessibilità Mentre l esigenza di universalità del servizio poggia sulle funzioni di rete, sui livelli di integrazione (ad esempio con Internet) e sullo sviluppo di funzioni intelligenti, i requisiti di trasporto e flessibilità sono coperti in buona misura dalla modalità di accesso e di uso della risorsa radio scelta per i sistemi di terza generazione. Rispetto ai sistemi come il GSM, su questo piano vale un cambio di paradigma che è particolarmente significativo proprio per la varietà del traffico dati (classi di servizio) e per le sue caratteristiche di dinamicità in termini di bit rate. 38

20 L UMTS segue lo standard UTRA ( Universal Terrestrial Radio Access ), che racchiude al suo interno due tecnologie: -W-CDMA ( Wideband Code Division Multiple Access ) per bande a spettro accoppiato di tipo simmetrico ( paired ) con modalità FDD ( Frequency Division Duplex ), adatta alla trasmissione e ricezione di dati alla medesima velocità (attraverso l utilizzazione di diversi spreading factor) e su frequenze differenti. Il W-CDMA si basa sulla distinzione tramite codici tra gli utenti in una cella, anziché tramite frequenze e slot temporali, come accade con i sistemi TDMA-FDMA adottati per il GSM, e permette di trasmettere in aria ad alta velocità sessioni multiple contemporanee a bit rate variabile, come necessario per sostenere i servizi di terza generazione. È da notare che il prefisso wideband non ha un significato specifico, ma è stato inserito in relazione al fatto che la versione euro-giapponese della CDMA adoperava una banda più larga della versione CDMA americana -TD-CDMA( Time Division Code Division Multiple Access) per bande non accoppiate di tipo asimmetrico ( unpaired ) con modalità TDD ( Time Division Duplex ), con velocità di ricezione superiori a quella di trasmissione. 39 Nel W-CDMA gli utenti utilizzano contemporaneamente l intera banda di frequenza, grazie alla tecnologia a divisione di codice che personalizza il segnale da trasmettere, visto che ogni utente è identificato da un codice personale. L accesso W-CDMA accetta per sua natura una vasta gamma di bit rate sullo stesso (unico) canale radio usato dalle stazioni mobili. Addirittura, la cadenza di bit può essere variata lungo la stessa connessione se la sorgente lo richiede. Nei sistemi TDMA invece, la scalabilità della capacità di trasporto è più direttamente connessa all uso multiplo dei singoli bearer (time slot) e quindi risulta meno flessibile. La modalità d uso della risorsa radio nel CDMA può essere definita guidata dall interferenza nel senso che le scelte di allocazione della risorsa ad una connessione devono direttamente fare i conti col livello di interferenza presente in quel momento. Tale livello non è infatti garantito a priori, in quanto la propagazione reale dei segnali degrada le condizioni di ortogonalità degli utenti, e quindi determina sempre la presenza di una interferenza residua. Versatilità del sistema UMTS: - da un lato l utilizzo di tecnologie diverse dal GSM consente una maggiore copertura della base di utenti, - dall altro questa maggiore flessibilità dello standard consente l interazione (possibilità di coesistenza) con infrastrutture di standard precedenti, come GSM e DECT in Europa, AMPS in America. 40