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11Reti cellulari - Prof. Marco Listanti - A.A. 2008/2009INFOCOM Dept

Architettura di una rete Cellulare

Marco Listanti

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Reti cellulari - Prof. Marco Listanti - A.A. 2008/2009INFOCOM Dept

Indice

Le reti cellulari

Architettura di una rete cellulareSistemi e interfacce in una rete cellulare

Architettura funzionale

Coperture cellulari

Il GSM

Le WLAN

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Soggetti di una rete cellulare

Rete dorsale

RETIESTERNE

Sistema di Gestione

Accesso radio Terminali mobili

UTENTI

OPERATORE

Interfaccia radio

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Terminali mobili

I terminali mobili (TM) comunicano attraverso il mezzo radio con l’infrastruttura fissa

Il TM comprende due parti funzionalmente distinteLa 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 èspesso indicato con il termine Subscriber Identity Module (SIM)

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Accesso radio: sistemi

La rete di accesso comprende le stazioni radio base interconnesse con i nodi della rete dorsale ed eventualmente tra loroLe 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 fisicoBase 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 reteBase Station Controller (BSC) nel GSM/GPRS, Radio Network Controller (RNC) nel UMTS; access router nelle WLAN

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Accesso radio: topologia

La topologia tipica di interconnessione dei PA con gli SB è una stella, cioè ad ogni SB sono connessi direttamente una molteplicità di PAA ciascun PA corrisponde una cella della copertura radioDiversi punti di accesso possono essere co-locati, per contenere i costi della copertura legati al numero dei siti di antennaLe SB possono essere collegate direttamente tra di loro

è prevista una specifica interfaccia tra RNC nell’UMTSil collegamento diretto non è invece possibile nel GSMIl collegamento diretto è realizzato tipicamente mediante una LAN nel caso di coperture WLAN costituite da una molteplicità di punti di accesso)

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Rete dorsale (1/2)

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) larete 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 serviziofunzioni per la gestione della mobilità e della sicurezza

I nodi svolgono inoltre funzioni di transcodifica dei formati ditrasporto della rete di accesso radio in quelli usati nella retedorsale e viceversa

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Rete dorsale (2/2)

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 IPIn entrambi i casi esiste un piano di controlloI 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.)

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Basi di dati (1/4)

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 utenteLo scopo di una base di dati sugli utenti è mantenere le informazioni dei relativi profili

IdentitàServizi sottoscritti, con i relativi profili di personalizzazioneInformazioni di localizzazioneParametri per la sicurezza (autenticazione, riservatezza) Dati per la tariffazione e la contabilizzazione degli addebiti e per la successiva fatturazione

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Basi di dati (2/4)

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 datiNelle reti cellulari il ricorso ai dati del profilo di utente è molto più frequente che nel caso delle reti fisseLa 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

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Basi di dati (3/4)

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

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Basi di dati (4/4)

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 utenteNegli 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 (EquipmentIdentity Registrer, EIR)

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Gestione della localizzazione

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 sicurezzaL’accesso per consultazione e/o modifica di questi dati è necessario nella fase di instaurazione e anche nel corso di una chiamataNelle reti di TLC per utenti fissi, questi dati possono essere (almeno per la parte di più frequente consultazione) memorizzati nella centrale locale dell’utenteNelle 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

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Esempio di architettura

HLR

VLRPSTNPSTN

GGSN

PDNPDN

SGSN

BTS

MSC

BSS

BSC

CCSCCS

ArchitetturaGSM/GPRS

CCSCCS

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Indice

Le reti cellulari

Architettura di una rete cellulareSistemi e interfacce in una rete cellulare

Architettura funzionale

Coperture cellulari

Il GSM

Le WLAN

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Architetture protocollari

Le architetture protocollari specificate per le reti cellulari comprendono

un piano di utenteun piano di controlloun piano di gestione

ProtocolliI protocolli di livello “basso” (fino al livello di rete o trasporto) sono dedicati al trasporto di dati di

utentecontrollo (segnalazione)

I protocolli di livello superiore sono relativi ai sistemi terminali e servono a realizzare

i servizi applicativi per gli utentele funzioni di controllo della rete

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Trasporto

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

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Accesso multiplo

Gli schemi di accesso multiplo usati nell’accesso radio si basano sulle tecniche

FDMATDMACDMA

Normalmente si usano in combinazioneLa bidirezionalità è realizzata mediante una modalità di duplexing

FDDTDDCDD

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Piano di controllo

Le funzioni di controllo sono raggruppabili in famiglieGestione 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

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Ruoli dei sistemi

CM

MM

RRM

Piano di utente.

TM PA SB NA/VLR NG HLRSIM

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Funzioni di gestione delle risorse radio

Notifica della richiesta di una comunicazione entrante ad un TM inattivo (paging)Gestione delle sessioni radio (apertura, modifica, chiusura)Misura dei parametri dell’accesso radioHandoverAllocazione delle risorse radio, procedure di accesso al mezzo, controllo di ammissione, controllo della congestione, gestione dell’interferenzaControllo 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.)

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Stati di un TM nel RRM

Dal punto di vista del TM è sempre possibile identificareuno 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 inattivitànessuna 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)

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Caratteristiche accesso mobile (1/2)

La risorsa radio è condivisa tra gli utenti di una cellaLa 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

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Caratteristiche accesso mobile (2/2)

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 destinatoPermettere 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

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Handover

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 combiarePA mentre il TM è nel modo dedicato

La procedura necessita dimeccanismi di rivelazione della qualità e caratteristiche delle risorse radio assegnatemeccanismi decisionali per definire quale PA è opportuno selezionare di volta in volta come PA “servente” nella sessione radio attivameccanismi di rilascio e ri-assegnazione delle risorse radio passando dal PA attuale e quello nuovo

L’handover deve essere trasparente all’utente

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Gestione della mobilità (1/3)

Il piano MM comprende quelle funzioni che sono specifiche di una rete cellulare, ma non riguardano specificamente la gestione dell’interfaccia radioLe funzioni che appartengono al dominio della gestione della mobilità sono

selezione della rete/operatoreselezione della cellaregistrazione/associazione iniziale, attach/detachaggiornamento 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

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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 presenteseleziona 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

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L’aggiornamento della localizzazione ha lo scopo di segnalare alla rete la posizione dell’utente affinché sia possibile instradare il traffico destinato ad essoLa 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) ecarico della segnalazione richiesta proprio per aggiornare la localizzazioneLe 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

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Localizzazione

Per la localizzazione dell’utente sono possibili tre strategie

localizzazione a livello di cellail terminale mobile segnala alla rete ogni cambio di cellail segnale di paging è inviato in un’unica cella

localizzazione ubiquail segnale di paging è inviato in tutte le cellenessun tipo di segnalazione

definizione di un’area di localizzazioneun’area di localizzazione è formata da un insieme di celleil terminale mobile segnala alla rete quando entra in una cella appartenente ad un’altra location areail segnale di paging è inviato su tutte le celle della location area

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Roaming

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 dicompatibilità tra terminale e rete

accordi amministrativi (es. tariffazione) tra i gestori di rete

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Gestione della sicurezza

Le funzioni di sicurezza sonol’autenticazione dell’utente e della retela confidenzialità (cifratura dei dati e protezione dell’identitàdell’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

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Gestione della comunicazione

Le funzioni di gestione della comunicazione non sono specifiche delle reti cellulariRicalcano 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 ISDNNella successiva evoluzione delle reti cellulari il paradigma dicomunicazione si è spostato verso quello a pacchetto IP

Gli aspetti della comunicazione influenzati dalla mobilità degli utenti sono

l’indirizzamentol’instradamentola definizione e la gestione della qualità di servizio offerta dalla retela tariffazione

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