Capitolo 2 Il sistema UMTS - servizi e architettura

Capitolo 2 Il sistema UMTS - servizi e architettura Questo capitolo fornisce una descrizione complessiva del sistema UMTS, analizzandone in particolare i requisiti, i servizi offerti, l architettura di rete e la struttura protocollare, secondo quanto definito in ambito 3GPP dal comitato di specifica tecnico RAN. 2.1 Requisiti e principali innovazioni del sistema Come già accennato, UMTS è stato di fatto progettato per rispondere ad una serie di requisiti qui elencati: capacità di supportare servizi a larga banda, con un significativo sviluppo dei servizi diffusivi e punto-multipunto accanto ai classici servizi punto-punto; disponibilità di nuovi terminali di peso e dimensioni limitati, a basso costo e di semplice uso per l utente; garanzia di diversi livelli di qualità di servizio (QoS) per la vasta gamma di servizi disponibili; assegnazione efficiente delle risorse di rete attraverso l uso di schemi a bit rate variabile, di due modalità di accesso radio e la possibilità di controllare significativi livelli di asimmetria di servizio (ovvero differenza di capacità tra uplink e downlink); introduzione di una tariffazione flessibile, in funzione non solo della durata della connessione ma anche della quantità di dati trasferita e della qualità di servizio richiesta; offerta di nuove velocità di trasporto a seconda dell ambiente di servizio e delle caratteristiche di mobilità. Per soddisfare queste caratteristiche, è stato necessario sviluppare un interfaccia radio innovativa, senza però trascurare la parte di rete fissa (la Core ), che 7

supporta il sistema di accesso alla rete. Infatti le core network dei sistemi di comunicazione mobile di seconda generazione sono state ottimizzate per il trasporto vocale tramite connessione a circuito, mentre UMTS deve essere in grado di fornire anche il trasferimento dati nella modalità a pacchetto. Un primo passo verso l introduzione della commutazione a pacchetto si è avuto con GPRS ( General Packet Radio Service). Si è quindi pensato di realizzare per UMTS un e vidente separazione tra gli elementi della rete che si occupano della gestione delle risorse radio da quelli che regolano il flusso dati all interno della rete fissa. In questo modo si è in grado di passare dai vecchi sistemi (GSM, GPRS) a quelli nuovi di terza generazione, riutilizzando il sistema di rete con diverse tecnologie di accesso sull interfaccia radio (figura 2.1). Figura 2.1 : Architettura logica del dominio a pacchetto GPRS - UMTS Per la parte di rete fissa, gli studi eseguiti hanno portato ad adottare come sistema di trasporto una soluzione mista ATM/IP. ATM (Asynchronous Transfer Mode) è infatti in grado di fornire diversi livelli di QoS con connessioni a circuito, mentre IP (Internet Protocol) supporta il trasferimento a pacchetto e, grazie alla sua grande diffusione, permette una facile interazione con una moltitudine di altri sistemi. 8

2.2 Servizi e classi di QoS 2 Il sistema UMTS - servizi e architettura I servizi di rete sono considerati end-to-end, ovvero vanno da un terminale ad un altro. Ogni servizio end-to-end è caratterizzato da una certa qualità di servizio, fornita all utente dalla rete. Per realizzare una QoS di rete è necessario instaurare un servizio di trasporto (Bearer Service) che parta dalla sorgente e giunga fino al destinatario del servizio. Un Bearer Service include tutti gli aspetti necessari a garantire la qualità di servizio richiesta. Tra questi aspetti si ricordano in particolare la segnalazione, il trasporto dei dati d utente e le funzionalità di gestione della QoS. UMTS presenta un architettura stratificata dei servizi di trasporto: il Radio Bearer di livello N offre il suo servizio utilizzando i servizi forniti dagli (N-1) livelli sottostanti. In figura 2.1 si illustra tale architettura. Figura 2.2 : Architettura di QoS in UMTS Il traffico passa attraverso diversi servizi di trasporto lungo il suo cammino da un TE all altro. Il servizio end-to-end utilizzato dall utente è quindi realizzato come combinazione di: un TE/MT local Bearer Sevice, un UMTS Bearer Service e un External Bearer Service. Dato però l interesse a descrivere il sistema UMTS, si pone l attenzione sul solo UMTS Bearer Sevice che introduce il concetto di qualità di servizio in UMTS. Il servizio di trasporto UMTS è costituito da due elementi: il Radio Access Bearer (RAB) service e il Core Bearer (CNB) service. Il primo deve 9

garantire il trasporto dell informazione sull interfaccia radio assicurando la QoS richiesta. Il secondo invece deve portare il servizio al di fuori del sistema UMTS. Dovendo offrire una vasta gamma di servizi con caratteristiche molto diverse, è fondamentale che UMTS associ ad ognuno di essi una certa qualità di servizio. Nel fissare le classi di QoS si devono prendere in considerazione le restrizioni e le limitazioni proprie dell interfaccia radio, senza però definire meccanismi complessi come quelli delle reti fisse. La tabella 2.1, tratta da [5], illustra le classi di QoS per UMTS. Sono definite quattro differenti classi di QoS: 1. Conversational class: E utiliz zata per il trasporto di traffico real time. Tra i servizi tipici di questa classe ci sono quelli voce, voce su IP e di videoconferenza. Le caratteristiche principali della Conversational class sono un ritardo di trasferimento molto basso, determinato dai tempi di percezione umana delle immagini e della voce, una variazione limitata di questo ritardo, il mantenimento delle relazioni temporali tra le varie entità (come campioni, pacchetti) del flusso dati. 2. Streaming class: Viene usata per il trasporto di traffico real time unidirezionale sia audio che video. Come per la Conversational, questa classe è caratterizzata dal mantenimento delle relazioni temporali tra le varie entità che compongono il flusso dati e da una limitata variazione del ritardo di trasferimento. La variazione ammessa risulta però molto più grande di quella data dai limiti della percezione umana. Non ci sono invece particolari requisiti finalizzati a mantenere basso il ritardo di trasferimento. 3. Interactive class: Si applica questo schema quando un utente (sia esso umano o macchina) richiede dati ad un apparato remoto. Esempi di interazione umana con un apparato remoto sono: il web browsing, la ricerca su data base e l accesso ad un server di rete. Esempi di interazione di macchine sono invece la ricerca di misure e l interrogazione automatica di data base. Le caratteristiche di questa classe sono la necessità di una risposta per l utente in seguito ad una interrogazione effettuata ad un apparato remoto, il contenimento del round trip delay in tempi ragionevoli, il trasferimento dei dati in modo trasparente (con un basso tasso d errore). 4. Background class: Viene utilizzata nel caso in cui l utente finale, tipicamente un computer, invia o riceve file dati in background. Alcuni esempi sono la consegna di E- mail, la spedizione di SMS, il download di informazioni da un database. 10

Questa classe è quella meno sensibile ai tempi di consegna poichè l utente non ha la necessità di ricevere dati in tempo reale. Al contrario però la Background class richiede la massima affidabilità e integrità sulla trasmissione dei dati. Traffic class Fundamental characteristics Example of the application Conversational class conversational RT - Preserve time relation (variation) between information entities of the stream - Conversational pattern (stringent and low delay) Streaming class streaming RT - Preserve time relation (variation) between information entities of the stream Interactive class Interactive best effort - Request response pattern - Preserve payload content - voice - streaming video - Web browsing Tab. 2.1 : Classi di QoS di UMTS Background Background best effort - Destination is not expecting the data within a certain time - Preserve payload content - background download of emails Traffic class Conversational class Streaming class Maximum bitrate (kbps) < 2 048 < 2 048 Interactive class < 2 048 overhead Background class < 2 048 overhead Delivery order Yes/No Yes/No Yes/No Yes/No Maximum SDU size (octets) Delivery of erroneous SDUs Residual BER SDU error ratio Transfer delay (ms) Guaranteed bit rate (kbps) <=1500 or 1502 <=1500 or 1502 <=1500 or 1502 <=1500 or 1502 Yes/No/- Yes/No/- Yes/No/- Yes/No/- 5*10-2, 10-2, 5*10-3, 10-3, 10-4, 10-6 5*10-2, 10-2, 5*10-3, 10-3, 10-4, 10-5 4*10-3, 10-5, 4*10-3, 10-5,, 10-6 6*10-8 6*10-8 10-2, 7*10-3, 10-3, 10-4, 10-5 10-1, 10-2, 7*10-3, 10-3, 10-4, 10-5 10-3, 10-4, 10-6 10-3, 10-4, 10-6 80 maximum value 250 maximum value < 2 048 < 2 048 Traffic handling priority 1,2,3 Allocation/Retention priority Source statistic descriptor 1,2,3 1,2,3 1,2,3 1,2,3 Speech/unknown Speech/unknown Tab. 2.2 : Parametri dei Radio Access Bearer 11

Il fattore principale di distinzione tra le classi è la sensibilità al ritardo di trasferimento: si passa quindi dalla Conversational class, molto sensibile al ritardo, alla Background class, che è quella con i minor requisiti in termini di ritardo. Mentre le prime due classi sono adatte al trasporto di traffico real-time, le ultime due sono pensate per le tradizionali applicazioni Internet, dal momento che offrono un minore tasso d errore tramite opportuni schemi di codifica e ritrasmissione. La tabella 2.2 mette in evidenza i possibili valori degli attributi dei servizi di trasporto dell accesso radio (Radio Access Bearer Service) per ogni classe di servizio. 2.3 Architettura generale L architettura generale di UMTS può essere modellata secondo un punto di vista sia fisico sia funzionale. Gli aspetti fisici sono studiati ricorrendo al concetto di dominio mentre quelli funzionali sono modellati in base al concetto di strato. Per dominio si intende un insieme di entità fisiche tra le quali sono definiti dei punti di interconnessione. Strato invece fa riferimento ad un particolare aspetto dei servizi offerti da uno o più domini. 2.3.1 Divisione in Domini Una prima divisione di base dell architettura di UMTS si ha tra i terminali e l infrastruttura di rete. Questo porta a definire due macro domini: l User Equipment e l Infrastructure. La figura 2.3 illustra i domini del sistema in esame. [Zu] Home Cu Uu [Yu] Serving Net work Transit USIM Mobile Equipment Access Core User Equipment Infrastructure Figura 2.3 : Domini e punti di interconnessione 12

2.3.1.1 Il dominio User Equipment Questo dominio comprende una moltitudine di apparecchiature con funzionalità differenti. Infatti ci possono essere terminali compatibili con una o più interfacce di accesso esistenti, come per esempio quelli dual standard UMTS-GSM. L User Equipment può a sua volta essere suddiviso in due sotto domini chiamati Mobile Equipment (ME) e User Services Identity Module (USIM). L interfaccia tra ME e USIM è denominata Cu. Il dominio ME gestisce la trasmissione radio e contiene le applicazioni. Questi può essere ulteriormente composto da varie entità che realizzano la connessione tra diversi gruppi funzionali. Il dominio USIM invece contiene i dati e le procedure per l identificazione priva di ambiguità. Queste funzioni sono racchiuse in una carta intelligente (smart card) propria di un dato utente ed indipendente dall ME che l utente usa. 2.3.1.2 L Infrastructure Questo dominio è formato dall Access, che è caratterizzato dall essere in diretto contatto con l UE, e dal Core. L Access è costituito da entità fisiche che gestiscono le risorse di accesso alla rete e fornisce all u tente un meccanismo per accedere al dominio di rete fissa. In UMTS questo dominio è definito UTRAN (UMTS Terrestrial Radio Access ) ed è l unità che maggiormente differenzia il sistema in esame da GPRS. L interfaccia tra questo dominio e il Core è chiamato mentre quello con il dominio UE è definito Uu. Il dominio di rete fissa fornisce il supporto per i servizi di telecomunicazione. Questo supporto include funzionalità quali il controllo delle caratteristiche della rete e i meccanismi di trasferimento della segnalazione e dei dati d utente. Il Core è organizzato in tre sotto domini che vengono qui solo citati: il Serving, l Home e il Transit. 2.3.2 Divisione in Strati Il seguente paragrafo mostra le interazioni tra i domini in UMTS. La stratificazione riportata in figura 2.4 è stata introdotta per realizzare un certo grado di indipendenza dell interfaccia radio dalle parti restanti del sistema. A questo proposito si p ossono individuare i seguenti strati: l Access stratum (AS); il Non Access stratum (NAS). L Access stratum, che è specifico di UMTS, è localizzato tra il confine del Serving Core domain e il Mobile Equipment dell UE. Esso fornisce i protocolli e le 13

funzioni per la trasmissione dei dati sull interfaccia radio e per la gestione dell interfaccia radio stessa. Questo strato offre i servizi al Non Access stratum attraverso i seguenti Services Access points (SAP) (meglio descritti al paragrafo 3.7.1 del capitolo 3): General Control SAP; Notification SAP; Dedicated Control SAP. Il Non Access stratum invece comprende quei protocolli per instradare e trasmettere dalla sorgente alla destinazione i dati generati da utenti o dalla rete, oltre a tutte le funzioni quali l autenticazione e la localizzazione, come specificato in [4] e in [15]. Non-Access Stratum Radio protocols (1) Radio protocols (1) proto cols (2) proto cols (2) Access Stratum UE Radio UTRAN CN (Uu) Figura 2.4 : Stratificazione del sistema UMTS Se si considera il modello di Access stratum con maggiore attenzione (figura 2.5), si distinguono le entità finali dell AS, che forniscono i servizi ai livelli superiori, dalle entità locali, che forniscono i servizi rispettivamente sull interfaccia Uu e. In particolare l Uu stratum comprende un insieme di entità, di cui il livello RRC (Radio Resource Control) svolge un ruolo di supervisore, come si può vedere dalla figura 2.6. I protocolli sulle interfacce Uu e sono divisi in due gruppi: protocolli del piano utente: sono quei protocolli che implementano i servizi RAB, trasportando i dati d utente attraverso l Access Stratum; protocolli del piano di controllo: sono i protocolli per il controllo dei RAB e della connessione tra l UE e la rete sotto diversi aspetti (il controllo delle risorse trasmissive, la gestione degli handover). Includono anche un particolare meccanismo per il trasporto in modalità trasparente dei messaggi del NAS. 14

Non - Access Stratum (NAS) GC Nt DC GC Nt DC Access Stratum (AS) end AS entity end AS entity Relay GC Nt DC GC Nt DC GC Nt DC GC Nt DC Uu Stratum (UuS) Stratum UE Radio (Uu) UTRAN Core Figura 2.5 : SAPs tra gli strati UE UTRAN GC Nt DC GC Nt DC RRC RRC RLC / MAC / PHY RLC / MAC / PHY Radio (Uu) Figura 2.6 : Modello dell Uu stratum 15

2.4 UTRAN 2 Il sistema UMTS - servizi e architettura L UTRAN è costituito da un insieme di Radio Subsystem (RNS) connessi alla Core attraverso l interfaccia. A livello funzionale questa interfaccia ha una doppia valenza in quanto integra sia l interfaccia che collega l UTRAN alla CN a circuito ( Circuit Service) sia quella che collega l UT RAN alla CN a pacchetto (Packet Service). Un RNS comprende un controllore (Radio Controller RNC) e uno o più Node B. Un Node B è connesso all RNC attraverso l interfaccia b e sovrintende ad un insieme di celle che possono supportare entrambe le modalità di trasmissione (FDD e TDD). All interno dell UTRAN, RNC differenti possono essere collegati tra loro tramite l interfaccia r. La figura 2.7 illustra in dettaglio la struttura dell UTRAN. Core UTRAN RNS RNC r RNS RNC b b b b Node B Node B Node B Node B Figura 2.7 : Componenti e interfacce nell UTRAN Questa architettura offre la capacità di gestire la mobilità all interno dell UTRAN. Infatti sia il Node B sia l RNC sono in grado di gestire l handover e la macrodiversità. Queste due funzionalità possono essere coordinate a livello di Node B (nel caso di celle appartenenti allo stesso Node B), oppure possono essere gestite a livello di RNC mediante l impiego dell interfaccia b (nel caso di celle appartenenti a Node B diversi, ma controllati dallo stesso RNC) o della r (nel caso di celle appartenenti a RNS diversi). Fra RNS diversi l handover può anche essere effettuato tramite la CN (usando l interfaccia ) ma, in questo caso, non può esservi macrodiversità perchè quest ultima è realizzata mediante i protocolli radio limitati al Radio Controller. 16

Ogni RNS è responsabile delle risorse del suo insieme di celle. Per ciascuna connessione tra UE e UTRAN, esiste un RNS definito come Serving RNS, il cui compito è quello di instaurare e gestire la connessione esistente. In caso di una temporanea carenza di risorse radio, come mostrato in figura 2.8, è possibile che il S-RNS sia supportato da un altro RNS, chiamato Drift RNS. Quest ultimo deve essere in grado di fornire un certo numero di risorse al primo. C o re D R N S r S R N S C e lls U E Figura 2.8 : Serving e Drift RNS 2.4.1 Funzioni dell UTRAN Vengono adesso elencate e brevemente descritte le funzioni principali svolte dall UTRAN: Trasferimento dei dati d utente: questa funzione permette di trasferire i dati d utente attraverso l UTRAN tra le in terfacce e Uu. Funzioni relative al controllo dell accesso al sistema: permettono all utente di connettersi alla rete UMTS per poter usufruire dei servizi offerti. L accesso al sistema può essere effettuato sia dal terminale mobile sia dalla rete. Tra queste funzioni si identificano: i) Controllo dell accesso: il suo compito è quello di accettare o rifiutare nuovi utenti, cercando di evitare situazioni di sovraccarico in base a misurazioni di interferenza e adeguata gestione delle risorse. Questa funzione è svolta dal Serving RNC attraverso l interfaccia e viene eseguita ogni volta che un utente tenta di accedere alla rete, durante gli handover e durante l instaurazione o riconfigurazione dei RAB. ii) Controllo della congestione: deve monitorare, rilevare e risolvere situazioni in cui il sistema è prossimo alla congestione. Per questo motivo dovranno essere prese velocemente delle decisioni in grado di riportare il sistema ad uno stato di stabilità. 17

iii) Trasmissione delle informazioni di sistema: questa funzione fornisce ai terminali mobili tutte le informazioni necessarie sull Access stratum e il Non Access stratum di cui ogni UE si serve per svolgere le sue operazioni all interno della rete. Cifratura e decifratura dei canali radio: deve proteggere i dati trasmessi da intercettazioni non autorizzate. Questa funzione è localizzata nell UE e nell UTRAN. Funzioni relative alla mobilità: i) Handover: gestisce la mobilità sull interfaccia radio. Si basa su misure dei livelli di potenza ricevuti e serve a garantire il mantenimento della QoS richiesta dalla Core. ii) Rimpiazzo del SRNS: coordina le attività della rete quando il ruolo di un SRNS sta per essere preso da un altro RNS. Il cambio di SRNS è iniziato dall SRNS ed è localizzato nel RNC e nalla CN (vedere figura 2.9). iii) Posizione dell UE : consente di stabilire la posizione geografica di un certo terminale mobile. C o re N etwork C o re N etwork D R N S r S R N S S R N S R N S C e ll s U E U E B e fo re SRNS Relocation A fte r SRN S Relocation Figura 2.9 : Rimpiazzo del SRNS Funzioni relative alla gestione e al controllo delle risorse radio: i) Configurazione delle risorse radio: gestisce le risorse radio della rete, configurando opportunamente le celle e i canali di trasporto comuni. ii) Monitoraggio dei canali radio: effettua misurazioni sui canali radio della cella di interesse e su quelle adiacenti e le traduce in stime sulla qualità del canale. 18

iii) Controllo della divisione e della ricombinazione dei flussi dati: permette la trasmissione e la ricezione dello stesso flusso di informazioni attraverso più canali fisici da o verso un determinato terminale mobile, introducendo così nel sistema la macrodiversità e la possibilità di effettuare il soft-handover. Questa funzione è localizzata completamente nell UTRAN. iv) Instaurazione e rilascio dei Radio Bearer: è responsabile dell instaurazione e del rilascio delle connessioni end-to-end. v) Allocazione e deallocazione dei Radio Bearer: consente di gestire i canali fisici in base alla qualità di servizio dei Radio Access Bearer. vi) Funzione dei protocolli Radio: fornisce la possibilità di trasferire dati d utente e segnalazione attrave rso l interfaccia radio della rete UMTS adattando i servizi alla trasmissione radio. Questa funzione include la multiplazione dei diversi servizi di utenti differenti sui Radio Bearer, la segmentazione e il riassemblaggio dei dati, la consegna affidabile a seconda della QoS richiesta. vii) Controllo della potenza: realizza il controllo della potenza trasmessa per minimizzare l interferenza e garantire un adeguata qualità della trasmissione. viii) Codifica e decodifica di canale: la codifica introduce informazioni ridondanti nel flusso dei dati da trasmettere sul canale; attraverso la decodifica si possono rilevare e correggere in ricezione gli errori introdotti dal mezzo trasmissivo. Quest ultima cerca di ricostruire il flusso informativo utilizzando la ridondanza aggiunta dalla codifica di canale. Entrambe queste operazioni sono localizzate nell UE e nell UTRAN. ix) Controllo della codifica di canale: genera le informazioni di controllo richieste dalle funzioni di codifica e decodifica. x) Gestione dell accesso casuale alla rete: deve rilevare i vari tentativi di accesso alla rete da parte di un mobile e rispondere adeguatamente a tali richieste, risolvendo eventuali contese verificatesi sul canale radio. Nel caso in cui sia consentito l accesso, si procederà alla richiesta per l allocazione di risorse adeguate. 2.4.2 Architettura dei protocolli dell UTRAN L architettura dei protocolli dell UTRAN è illustrata in figura 2.10. L obiettivo principale di questa struttura è di rendere indipendenti i vari livelli dai diversi piani, per agevolare future modifiche delle pile protocollari. Si individua una prima suddivisione verticale tra il piano di controllo e quello d utente. Nel primo transita l informazione di segnalazione mentre nel secondo l informazione d utente. C è poi una sec onda suddivisione orizzontale tra il Radio Layer e il Transport Layer. Tutti i problemi relativi all UTRAN 19

sono visibili solo nel primo livello mentre il secondo rappresenta la tecnologia di trasporto che è stata scelta per essere utilizzata dall UTRAN. Il Transport Layer fornisce al livello superiore essenzialmente due tipi di canali di trasporto. Il primo canale è dedicato al trasporto di dati (data bearer): sia relativi ai flussi informativi dei protocolli radio sulle interfacce r e b (AAL2/ATM), sia ai flussi di utente (data streams) a cicuito (AAL2/ATM) e a pacchetto (IP/AAL5/ATM) sull interfaccia. Il secondo canale invece è adibito al trasporto della segnalazione ed è basato su SS#7/AAL2/ATM (o su IP/AAL5/ATM). La segnalazione è relativa ai protocolli applicativi di rete che provvedono a stabilire, ri-stabilire e rilasciare i bearer richiesti, oltre a gestire tutte le procedure legate alla mobilità. I canali di segnalazione possono essere sia pre-stabiliti tramite procedure di gestione, sia realizzati su richiesta tramite procedure di segnalazione. In quest ultimo caso si ricorre ad un protocollo di segnalazione definito genericamente Access Link Control Application Protocol (ALCAP). Radio Layer Control Plane Application Protocol User Plane Data Stream(s) Transport Layer Transport User Plane Transport Control Plane ALCAP(s) Transport User Plane Signalling Bearer(s) Signalling Bearer(s) Data Bearer(s) Physical Layer Figura 2.10 : Architettura dei protocolli nelle interfacce dell UTRAN Senza entrare nei dettagli, si elencano i diversi protocolli applicativi, definiti per ognuna delle interfacce: RANAP (Radio Access Application Part) sulla. RNSAP (Radio System Application Part) sulla r. NBAP (Node B Application Protocol) sulla b. 20

Informazioni più dettagliate su questi protocolli si possono trovare nelle specifiche [24]. Le figure 2.11 e 2.12 mostrano in modo più particolareggiato l intera struttura protocollare di UMTS tra l UE e la Core, sia nel piano d utente che in quello di controllo. Figura 2.11 : Architettura protocollare di UMTS nel piano utente Figura 2.12 : Architettura protocollare di UMTS nel piano di controllo 21