Architettura di una rete Cellulare Marco Listanti 1
Indice 2 Le reti cellulari Architettura di una rete cellulare Sistemi e interfacce in una rete cellulare Architettura funzionale Coperture cellulari Il GSM Le WLAN
Soggetti di una rete cellulare 3 OPERATORE RETI ESTERNE Sistema di Gestione UTENTI Rete dorsale Accesso radio Terminali mobili Interfaccia radio
Terminali mobili 4 I terminali mobili (TM) comunicano attraverso il mezzo radio con l infrastruttura fissa Il TM comprende due parti funzionalmente distinte La terminazione mobile, in grado di svolgere le funzioni di comunicazione dal livello fisico a quello applicativo in accordo a uno specifico standard o anche a più di uno (terminale multimodo o riconfigurabile) Un modulo personale di utente, contenente le informazioni, i parametri e le funzioni che personalizzano la terminazione mobile per un dato utente, in particolare riguardo gli aspetti di sicurezza, gestione della mobilità, gestione dei servizi; questo modulo è spesso indicato con il termine Subscriber Identity Module (SIM)
Accesso radio: sistemi 5 La rete di accesso comprende le stazioni radio base interconnesse con i nodi della rete dorsale ed eventualmente tra loro Le stazioni radio base si distinguono in due tipi i punti di accesso (PA) comprendono generalmente le antenne e i rice-trasmettitori; svolgono funzioni principalmente di livello fisico Base Transceiver Station (BTS) nel GSM/GPRS, Node-B in UMTS, Access Point nelle WLAN le stazioni base (SB) svolgono funzioni relative soprattutto alla gestione delle risorse radio e riferibili al livello di collegamento (incluse le funzioni MAC) e al livello di rete Base Station Controller (BSC) nel GSM/GPRS, Radio Network Controller (RNC) nel UMTS; access router nelle WLAN
Accesso radio: topologia 6 La topologia tipica di interconnessione dei PA con gli SB è una stella, cioè ad ogni SB sono connessi direttamente una molteplicità di PA A ciascun PA corrisponde una cella della copertura radio Diversi punti di accesso possono essere co-locati, per contenere i costi della copertura legati al numero dei siti di antenna Le SB possono essere collegate direttamente tra di loro è prevista una specifica interfaccia tra RNC nell UMTS il collegamento diretto non è invece possibile nel GSM Il collegamento diretto è realizzato tipicamente mediante una LAN nel caso di coperture WLAN costituite da una molteplicità di punti di accesso)
Rete dorsale (1/2) 7 Ciascuna SB è connessa alla rete dorsale (core network) della rete cellulare Normalmente non è prevista un architettura specifica per la rete dorsale di una WLAN o per accessi radio locali (DECT) Nel caso delle reti cellulari pubbliche (es. GSM, GPRS, UMTS) la rete dorsale consta di un insieme di nodi di commutazione interconnessi, il cui piano di controllo è modificato e arricchito per gestire le caratteristiche specifiche delle reti radiomobili funzioni di gestione delle comunicazioni, in particolare indirizzamento, instradamento, tariffazione, controllo della qualità di servizio funzioni per la gestione della mobilità e della sicurezza I nodi svolgono inoltre funzioni di transcodifica dei formati di trasporto della rete di accesso radio in quelli usati nella rete dorsale e viceversa
Rete dorsale (2/2) 8 Nel caso di reti dorsali a circuito i nodi sono delle centrali di commutazione ISDN, mentre nel caso di reti dorsali a pacchetto, i nodi sono router IP In entrambi i casi esiste un piano di controllo I nodi della rete dorsale di una rete cellulare sono distinti funzionalmente in due categorie nodi di accesso (NA) connessi con le SB nodi gateway (NG) connessi con reti esterne Gli NG sono equipaggiati con hardware e software aggiuntivo rispetto agli NA per effettuare l interconnessione ed eventualmente un vero e proprio interlavoro con specifiche reti esterne (per esempio, con reti IP, con la PSTN, ecc.)
Basi di dati (1/4) 9 Sono elementi costitutivi fondamentali delle reti radiomobili le basi di dati che contengono informazioni sugli utenti della rete Le funzioni di questi elementi risedono completamente nei piani di controllo e di gestione e non trattano informazioni del piano di utente Lo scopo di una base di dati sugli utenti è mantenere le informazioni dei relativi profili Identità Servizi sottoscritti, con i relativi profili di personalizzazione Informazioni di localizzazione Parametri per la sicurezza (autenticazione, riservatezza) Dati per la tariffazione e la contabilizzazione degli addebiti e per la successiva fatturazione
Basi di dati (2/4) 10 Nelle reti per terminali fissi i profili sono immagazzinati nel nodo locale associato al terminale il concetto di nodo locale di un terminale si perde nelle reti per radiomobili In linea di principio i profili degli utenti potrebbero risiedere in un unica base di dati Nelle reti cellulari il ricorso ai dati del profilo di utente è molto più frequente che nel caso delle reti fisse La soluzione centralizzata non è quindi appicabile per reti cellulari geografiche, specialmente quando il numero degli utenti è elevato Replicare i dati su una molteplicità di basi di dati comporta d altra parte il rilevante problema della sincronizzazione dei dati
Basi di dati (3/4) 11 La tipica soluzione adottata dalle architetture di rete cellulare geografica è l impiego di una base di dati distribuita a due livelli gerarchici Il livello superiore comprende una o poche basi di dati con tutti i dati relativi agli utenti: Home Location Register (HLR) Il secondo livello gerarchico comprende basi di dati capillarmente distribuite sul territorio, nelle quali sono riportati i dati del profilo di quegli utenti che si trovano nell area di competenza della base di dati locale: Visitor Location Register (VLR) Gli HLR possono essere distribuiti sul territorio, ridondati in ogni singolo sito, e raccogliere le informazioni sugli utenti in modo da suddividere il carico di comunicazione ed elaborazione
Basi di dati (4/4) 12 Lo scopo del VLR è alleggerire il carico di segnalazione tra i nodi della rete dorsale e l HLR Quando un utente mobile si registra in una data area, il VLR locale richiede all HLR dell utente copia dei dati del profilo di utente Negli accessi successivi, quando l utente effettua qualunque interazione con la rete cellulare, l NA locale può agire autonomamente, senza invocare l intervento dell HLR, grazie alla copia locale dei dati presente nel VLR. I risultati di alcune interazioni sono riportate i a livello di HLR, tuttavia si riduce sostanzialmente il volume di traffico di segnalazione da e verso l HLR Un altra tipica base di dati (centralizzata) con scopi gestionali riporta l elenco dei terminali con i relativi identificativi e caratteristiche principali (Equipment Identity Registrer, EIR)
Gestione della localizzazione 13 Perché introdurre basi di dati locali, oltre all HLR? In ogni rete esistono basi di dati contenenti il profilo di utente, con informazioni riguardanti il tipo di abbonamento, i servizi supplementari, questioni amministrative, gli addebiti, ecc.; nel GSM si aggiungono anche dati relativi alla localizzazione e alla gestione della sicurezza L accesso per consultazione e/o modifica di questi dati è necessario nella fase di instaurazione e anche nel corso di una chiamata Nelle reti di TLC per utenti fissi, questi dati possono essere (almeno per la parte di più frequente consultazione) memorizzati nella centrale locale dell utente Nelle reti per radiomobili viene meno il concetto di centrale locale; tutti i dati di utente sono quindi memorizzati in una base di dati centralizzata; per ridurre il carico di segnalazione e di elaborazione che grava su tale base di dati, conviene copiare parte del profilo di utente in basi di dati locali, presso gli MSC dove via via si registra l utente
Esempio di architettura 14 Architettura GSM/GPRS CCS CCS HLR PDN PDN PSTN PSTN MSC VLR SGSN GGSN BSC BTS BSS
Indice 15 Le reti cellulari Architettura di una rete cellulare Sistemi e interfacce in una rete cellulare Architettura funzionale Coperture cellulari Il GSM Le WLAN
Architetture protocollari 16 Le architetture protocollari specificate per le reti cellulari comprendono Protocolli un piano di utente un piano di controllo un piano di gestione I protocolli di livello basso (fino al livello di rete o trasporto) sono dedicati al trasporto di dati di utente controllo (segnalazione) I protocolli di livello superiore sono relativi ai sistemi terminali e servono a realizzare i servizi applicativi per gli utente le funzioni di controllo della rete
Trasporto 17 Generalmente i protocolli dei livelli fisico e MAC sono condivisi dai piani di utente e di controllo ed effettuano la multiplazione dei flussi di dati di diverse comunicazioni e procedure di controllo I protocolli di collegamento sono spesso differenziati e se ne definisce un istanza per ogni singola comunicazione (sia di utente sia di controllo) I livelli fisico e MAC definiscono in generale un insieme di canali fisici, basati sullo schema di accesso multiplo usato nell accesso radio, e un insieme di canali logici, basati sui canali fisici, per la multiplazione di flussi di traffico di utente e di controllo
Accesso multiplo 18 Gli schemi di accesso multiplo usati nell accesso radio si basano sulle tecniche FDMA TDMA CDMA Normalmente si usano in combinazione La bidirezionalità è realizzata mediante una modalità di duplexing FDD TDD CDD
Piano di controllo 19 Le funzioni di controllo sono raggruppabili in famiglie Gestione delle risorse radio (Radio Resource Management, RRM) Gestione della mobilità (Mobility Management, MM) Gestione della comunicazione (Communication Management, CM) Gestione della sicurezza Quest ultima famiglia di funzioni è spesso inclusa nella gestione della mobilità o anche con la gestione delle comunicazioni
Ruoli dei sistemi 20 CM MM RRM Piano di utente. SIM TM PA SB NA/VLR NG HLR
Funzioni di gestione delle risorse radio 21 Notifica della richiesta di una comunicazione entrante ad un TM inattivo (paging) Gestione delle sessioni radio (apertura, modifica, chiusura) Misura dei parametri dell accesso radio Handover Allocazione delle risorse radio, procedure di accesso al mezzo, controllo di ammissione, controllo della congestione, gestione dell interferenza Controllo di potenza Più in generale algoritmi adattivi di ottimizzazione dei parametri dell interfaccia radio (oltre alla potenza trasmissiva, i codici per la correzione degli errori, l ARQ, i formati di modulazione, i parametri delle schiere di antenne adattive, ecc.)
Stati di un TM nel RRM 22 Dal punto di vista del TM è sempre possibile identificare uno stato di attività il TM ha risorse trasmissive che gli permettono una comunicazione con l infrastruttura fissa di rete allo scopo di trasferire informazione, di utente o di controllo (in uplink e/o in downlink) uno stato di inattività nessuna risorsa di trasferimento è assegnata al TM, pur essendo questo acceso; il TM ascolta comunque le informazioni diffuse dalla rete Le funzioni del RRM coinvolgono il TM quando è nello stato di attività ovvero per la transisione di stato da inattivo ad attivo (e viceversa)
Caratteristiche accesso mobile (1/2) 23 La risorsa radio è condivisa tra gli utenti di una cella La capacità di smaltimento del traffico in una cella (per esempio, il numero di canali) è normalmente inferiore al numero di utenti presenti in essa Le risorse radio (capacità) devono essere allocati e rilasciati dinamicamente Manca un canale di segnalazione sempre disponibile come tipico delle reti per terminali fissi L allocazione e il rilascio del canale radio sono funzioni addizionali rispetto alla gestione delle comunicazioni e richiedono la gestione di una sessione radio
Caratteristiche accesso mobile (2/2) 24 Dato che l interfaccia radio è inerentemente condivisa tra i TM, occorrono canali di segnalazione comuni per Notificare a un TM la presenza di traffico entrante ad esso destinato Permettere a un TM nello stato inattivo di inizializzare una sessione radio, cioè acquisire appropriate risorse radio per eseguire procedure del piano di controllo o supportare servizi applicativi La presenza di traffico entrante è comunicata all utente mediante un canale di paging di tipo diffusivo La richiesta di apertura di una sessione radio da parte di un utente è presentata su un canale ad accesso casuale
Handover 25 Si attiva questa procedura se una sessione radio è attiva al momento in cui il terminale passa nell area di copertura di un nuovo PA Sistemi ad alta capacità => celle piccole => elevata probabilità di combiare PA mentre il TM è nel modo dedicato La procedura necessita di meccanismi di rivelazione della qualità e caratteristiche delle risorse radio assegnate meccanismi decisionali per definire quale PA è opportuno selezionare di volta in volta come PA servente nella sessione radio attiva meccanismi di rilascio e ri-assegnazione delle risorse radio passando dal PA attuale e quello nuovo L handover deve essere trasparente all utente
Gestione della mobilità (1/3) 26 Il piano MM comprende quelle funzioni che sono specifiche di una rete cellulare, ma non riguardano specificamente la gestione dell interfaccia radio Le funzioni che appartengono al dominio della gestione della mobilità sono selezione della rete/operatore selezione della cella registrazione/associazione iniziale, attach/detach aggiornamento dell area di localizzazione o dell area di instradamento (location update / routing area update) L esecuzione di queste procedure, se è richiesta comunicazione esplicita, implica l apertura di una sessione radio
Gestione della mobilità (2/3) 27 Un utente che vuole ricevere servizio deve selezionare preliminarmente un operatore; quindi il TM dell utente rimane in costante ascolto dell ambiente radio della rete (almeno) dell operatore selezionato; in particolare, il TM identifica e demodula i segnali emessi con continuità dai PA allo scopo di scoprire l infrastruttura di copertura presente seleziona il PA candidato per tentare un accesso iniziale, sulla base di criteri di ottimalità dal punto di vista radio, effettuando misure passive La registrazione (attach) ha luogo quando la posizione dell utente non sia già nota alla rete (per esempio, quando il TM dell utente viene acceso) L utente chiede di essere accettato tra gli utenti abilitati a fruire dei servizi messi a disposizione dell operatore, con le limitazioni dovute al contratto di servizio esistente tra utente e operatore e quelle legate alle capacità del TM
Gestione della mobilità (3/3) 28 L aggiornamento della localizzazione ha lo scopo di segnalare alla rete la posizione dell utente affinché sia possibile instradare il traffico destinato ad esso La conoscenza della posizione della SIM dell utente deve essere fornita con una risoluzione spaziale frutto di un compromesso tra accuratezza (che diminuisce il carico di segnalazione nel momento in cui si effettua un paging) e carico della segnalazione richiesta proprio per aggiornare la localizzazione Le celle sono quindi raggruppate in insiemi compatti e disgiunti che prendono il nome di aree di localizzaizone (Location Area, LA) la LA rappresenta la granularità con cui la rete individua la posizione dell utente
Localizzazione 29 Per la localizzazione dell utente sono possibili tre strategie localizzazione a livello di cella il terminale mobile segnala alla rete ogni cambio di cella il segnale di paging è inviato in un unica cella localizzazione ubiqua il segnale di paging è inviato in tutte le celle nessun tipo di segnalazione definizione di un area di localizzazione un area di localizzazione è formata da un insieme di celle il terminale mobile segnala alla rete quando entra in una cella appartenente ad un altra location area il segnale di paging è inviato su tutte le celle della location area
Roaming 30 Aree di territorio diverse possono essere coperte da sistemi cellulari di gestori diversi La funzione di roaming consente ad un utente di accedere anche a sistemi di gestori diversi da quello con cui ha sottoscritto l abbonamento La funzione di roaming necessita di compatibilità tra terminale e rete accordi amministrativi (es. tariffazione) tra i gestori di rete
Gestione della sicurezza 31 Le funzioni di sicurezza sono l autenticazione dell utente e della rete la confidenzialità (cifratura dei dati e protezione dell identità dell utente) l integrità dei dati Gli aspetti di sicurezza sono legati alla mobilità degli utenti e all uso di un interfaccia radio Con la mobilità salta l associazione geografica tra identità e punto di accesso presente tradizionalmente nelle reti per utenti fissi La tendenza evolutiva delle reti radiomobili verso un trasferimento a pacchetto secondo il paradigma IP sta spostando la sicurezza da problema specifico dell interfaccia radio al contesto generale della sicurezza nell ambito delle reti IP
Gestione della comunicazione 32 Le funzioni di gestione della comunicazione non sono specifiche delle reti cellulari Ricalcano e in parte coincidono con quelle impiegate per gli stessi scopi in altri contesti di rete. Nelle reti cellulari di prima e seconda generazione esse corrispondono a quelle previste nella rete telefonica (PSTN) e nella ISDN Nella successiva evoluzione delle reti cellulari il paradigma di comunicazione si è spostato verso quello a pacchetto IP Gli aspetti della comunicazione influenzati dalla mobilità degli utenti sono l indirizzamento l instradamento la definizione e la gestione della qualità di servizio offerta dalla rete la tariffazione