Le reti telefoniche - Telecommunication Networks Group

Le reti telefoniche
Dalla commutazione manuale
Alla telefonia su IP
Alle reti mobili di 3a generazione (UMTS)
Evoluzione delle reti telefoniche
• Fine ‘800 primi ‘900:
– trasmissione analogica
– commutazione manuale (operatore che
“sposta spinotti”)
– architettura non gerarchica
• Anni ‘20 e ‘30
– introduzione delle reti gerarchiche di
lunga distanza
– introduzione dei primi commutatori semiautomatici (con operatore)
Evoluzione delle reti telefoniche
• Anni ’40 e ’50:
– autocommutatori elettromeccanici
– prima “teleselezione”
• Anni ’60:
– introduzione della trasmissione e della
commutazione numerica PCM (Pulse Code
Modulation)
– primo commutatore elettronico (USA‘65)
Evoluzione delle reti telefoniche
• Anni ’70:
– diffusione delle reti PCM
– introduzione dei sistemi di segnalazione a
canale comune (SS7)
• Anni ’80:
– completamento (??) della IDN
(Integrated Digital Network)
– definizione e prime installazioni di ISDN
(Integrated Services Digital Network)
– diffusione delle reti cellulari analogiche
Evoluzione delle reti telefoniche
• Anni ’90:
–
–
–
–
diffusione (??) di ISDN
introduzione delle reti intelligenti
definizione della Broadband-ISDN (ATM)
diffusione delle reti cellulari numeriche
• 2000 +:
– trasporto della voce su reti a pacchetto
– reti cellulari a commutazione di
pacchetto (GPRS) e larga banda (UMTS)
Le reti telefoniche tradizionali
• La rete attuale (POTS - Plain Old
Telephony Services)
• La rete ISDN (trattata piu`
avanti)
• Il supporto trasmissivo SDH
(trattato piu` avanti con ATM)
La rete POTS
• L’attuale rete telefonica e`
sostanzialmente una IDN (Integrated
Digital Network)
• Interfaccie servizio/specifiche
(analogiche)
• Commutazione a circuito
• Trasmissione/commutazione numerica PCM
• Segnalazione a canale comune (SS#7 trattata con ISDN)
Il modello di riferimento
• L’architettura e` divisa in piano utente,
piano di controllo (segnalazione) e piano di
gestione (che non vediamo)
bla ... bla ... bla
informazione di utente
protocolli
di utente
(PCM)
protocolli di
segnalazione
(SS#7)
informazione di
controllo
protocolli
di utente
(PCM)
protocolli di
segnalazione
(SS#7)
Informazione e controllo “viaggiano” separati
nodo
SS#7
centrale
locale
PCM
nodo
SS#7
SS#7
centrale
locale
SS#7
nodo
PCM
nodo
PCM
nodo
PCM
PCM
Organizzazione (piano utente)
• E` tipicamente organizzato su 3 livelli:
– Rete di accesso (da casa dell’utente alla
centrale locale)
– Rete di giunzione (tra le centrali locali e la il
centro distrettuale - non necessariamente
coincide con un prefisso telefonico)
– Rete di lunga distanza (connette tra loro le
centrali di gerarchia piu` elevata)
Rete di Trasporto e Accesso
• Una suddivisione alternativa e` tra
– Rete di Trasporto (giunzione+lunga
distanza), destinata al “trasporto” delle
informazioni
– Rete di Accesso, destinata alla raccolta
delle informazioni
• In altre parole una architettura “Core
& Edge”. La rete di trasporto e`
spesso chiamata “backbone”
Architettura della rete
rete di
lunga distanza
centrale
distrettuale
centrale
locale
rete di
giunzione
rete di
accesso
Interconnessione delle diverse “reti”
• I punti di interconnessione tra le reti
di accesso, giunzione e lunga distanza
sono apparati condivisi (es. dei
commutatori)
• La rete di trasporto (in particolare a
lunga distanza) ha pochi nodi ad
elevata capacita` ed e`molto magliata
• La rete di accesso ha un elevatissimo
numero di nodi (i terminali di utente)
ed una topologia ad albero.
Rete di Accesso (RA)
• RA e` realizzata con doppini, ha inizio
con la centrale di commutazione locale
• La distribuzione del segnale avviene
mediante ramificazioni successive,
man mano che ci si avvicina al
terminale d’utente
• Le centrali locali raccolgono
tipicamente alcune decine di migliaia
di utenti
Soluzioni per le RA del futuro
• Miglior sfruttamento dei doppini
installati: xDSL e similaria
• Cavo coassiale in rame: CableModem o
simili basati sui cavi a 75W
• Reti in fibra ottica o miste
fibra/rame: PON, ...
• Accesso via radio, tipicamente a
frequenze molto elevate (micro-onde,
infrarosso lontano): LMDS, MMDS, ...
La rete di giunzione
• Fibra ottica (quasi interamente)
• Topologia ad anello (doppio anello
controrotante)
• Tecnologia SDH (Sinchronous Digital
Hierarchy)
• Alcune parti ancora PDH (Pleisochronous
Digital Hierarchy)
La rete di lunga distanza
• Interamente in fibra ottica
• Tecnologia SDH
• Pochi canali molto veloci
• Spesso ridondata in “hot swap”: il fascio di
canali viaggia su due percorsi diversi
contemporaneamente e il nodo di
destinazione sceglie il migliore
I nuovi servizi e
la “Rete Intelligente”
• “Numeri verdi” e rete `800’
• Centralizzazione dei servizi
• Convergenza fonia/dati/mobilita`
Dov’e` l’intelligenza?
• Il termine Rete Intellgente (RI) si
riferisce alla possibilita` di fornire servizi
supplementari ad elevato valore aggiunto
• RI definisce una architettura di
segnalazione incrementale rispetto a
SS#7
• E` basata sulla centralizzazione dei
servizi in nodi appositi “esterni” rispetto
ai piani di utente e di controllo della rete
Genesi della RI
• La RI e` basata su standard ITU-T che
garantiscono l’interoperabilita` delle RI di
operatori diversi, anche a livello
internazionale
• L’introduzione deve essere incrementale
sulle reti esistenti ed e` stata divisa in
“Capability Sets”
• Il fine ultimo e` l’integrazione funzionale
delle reti specializzate nella UPT
(Universal Personal Telecommunications)
Capability Sets
• CS1: Approvato nel ‘92 e rivisto nel ‘95,
definisce il protocollo applicativo per
l’implemetazione di rete intelligente,
Intelligent Network User Part (INAP), e
le prime funzioni da supportare
• CS2: Definito tra il ‘94 ed il ‘98 mira alla
gestione della mobilita` e dei servizi a
larga banda
• CS3: In fase di definizione ...
Servizi di CS1
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Numero Verde
Selezione abbreviata
Completamento della chiamata su occupato
Reinstradamento delle chiamate
Follow-me
Addebiti al chiamato e su carta telefonica
Televoto
Reti Private Virtuali
Numero personale
.......
Servizi di CS2
• Gestione avanzata della mobilita (es.
instradamento programmato in funzione
dell’ora)
• Interoperabilita` dei servizi
• Supporto della gestione di rete
• Indipendenza del numero
dall’instradamento
• Autenticazione e registrazione dell’utente
indipendentemente dal terminale usato
• .......
Servizi di CS3
• Completa separazione del servizio dalla
rete di trasporto
• Profilo di utente memorizzato dalla rete
(modificabile e “context dependent”)
• Integrazione completa tra RI, rete a larga
banda e reti cellulari
• Convergenza telefonia-internet
• .......
INAP links
Architettura di principio
data
base
data
base
SMP
SMP
SCP
SCP
SSP
SSP
SS#7
SSP
SSP: Service Switching Point
SCP: Service Control Point
SMP: Service Managing Point
Apparati e Servizi
• SSP e` associato alla centrale locale, in
sua assenza RI non puo` funzionare
• Il servizio RI e` riconosciuto in base al
numero (es. numero verde) oppure in base
a segnalazione successiva (es. “5” per
richiamata su occupato)
• SCP ed SMP (+basi dati) possono essere
centralizzati in un unico punto oppure
distribuiti a seconda dei servizi
Codifica e pacchettizzazione
della voce
• PCM (G.711)
• ADPCM
• Algoritmi LPCLTP (GSM)
• Algoritmi CELP
(G.729, G.723,
Enhanced GSM)
Segnale Vocale
• Il segnale vocale e` un’onda di
pressione in aria
• Un microfono lo trasforma in un
segnale elettrico analogico
(pressione
volt) -- NOTO!!
• Le tecniche di codifica si dividono tra
quelle che usano la sola conoscenza del
segnale elettrico istantaneo e quelle
che sfruttano le caratteristiche
dell’apparato di fonazione e uditivo
ampiezza
Campionamento e Quantizzazione
tempo
PCM lineare e “companding”
• Il PCM (Pulse Code Modulation) e` un
processo di campionamento e
quantizzazione
• La quantizzazione puo` essere lineare
(tutti gli intervalli uguali) o non lineare
(intervalli diversi a seconda dell’ampiezza)
anche detto “companding”
• PCM lineare: CD (~44 kHz, 16 bit)
• PCM companding: telefonia (8kHz, 8 bit)
PCM lineare e “companding”
• PCM lineare: CD (~44 kHz, 16 bit)
qualita` eccellente (MOS 5)
• PCM companding: telefonia (8kHz, 8 bit,
64 kbit/s) qualita` buona (MOS 4+),
standard ITU-T G.711
• MOS: Mean Opinion Score
PCM adattativo o differenziale
• E` possibile modificare nel tempo
l’ampiezza degli intervalli di quantizzazione
in funzione della dinamica del segnale
(adattamento)
• E` possibile codificare la differenza tra un
campione e il precedente: se c’e`
correlazione tra i campioni la dinamica della
differenza e` minore di quella dei campioni;
al posto della differenza si possono usare
tecniche piu` sofisticate di predizione
PCM adattativo e differenziale
• Un PCM adattativo e differenziale di
qualita` buona (MOS 4) e` l’ADPCM a
32kbit/s (G.721)
• Un altro esempio e` la modulazione delta,
in cui il segnale e` campionato a frequenza
elevata per ottenere alta correlazione tra
i campioni e la differenza e` campionata
su un solo bit, che indica se il segnale
cresce o decresce
Pacchettizzazione
• Il PCM e i suoi derivati codificano il
segnale campione per campione
• Le reti di telefonia tradizionale
trasmettono campione per campione
• In una rete a commutazione di
pacchetto devo accumulare campioni
fino a riempire un pacchetto (es.
payload 80 byte -> 80 campioni PCM ->
10ms di voce)
!!RITARDO!!
Codificatori a blocco
• Trasmettere a pacchetto implica ritardo
...
• Considerando un segmento vocale (es. un
fonema di durata 10-500 ms) e`
possibile usare algoritmi di codifica e
compressione molto efficienti
• Si parte da una codifica PCM lineare
eccellente, si raggruppano da 80-320
campioni (10-40 ms) e si lavora
sull’insieme (blocco)
Codifica LPC-LTP
• La codifica Linear Prediction Coding Long Term Prediction si basa sulla
modellizzazione fisica del tratto vocale
mediante un filtro
• Si calcolano e trasmettono i coefficienti
del filtro
• Il segnale viene rigenerato eccitando il
filtro con rumore gaussiano bianco o un
treno di impulsi regolari (RPE - Regular
Pulse Excitation)
Codifica CELP
• Code Excited Linear Prediction
• E` un codificatore LCP in cui
l’eccitazione per ricostruire il segnale
non e` rumore bianco ma una sequenza
di un “codebook” (catalogo) che
minimizza l’errore rispetto al segnale
originale
• Il codificatore e` molto complesso
perche` deve scegliere tra i possibili
codici in modo esaustivo
Codificatori GSM
• GSM tradizionale:
– codificatore LPC-LTP con RPE
– blocchi da 20ms che producono 260 bit
raggruppati in 3 livelli di importanza
(50+132+78)
– 13kbit/s
• GSM Enhanced (1800 e telefonini
dual-band)
– CELP a 12.6 kbit/s
Codificatori per reti a pacchetto (IP)
• G.729:
– CELP a 8kbit/s
• G.723:
– CELP a 6.3 o 5.3 kbit/s
• Tutti i codificatori hanno MOS>4
(tranne il GSM originale che e` poco
sotto 4) e sono pressoche` in
indistinguibili dalla telefonia PCM
RETI CELLULARI:
Comunicazioni personali
ed evoluzione verso le reti integrate
Cenni storici - 1
• La propagazione nello spazio libero è usata da
quasi 100 anni per le telecomunicazioni
• I primi (rudimentali) sistemi di
telecomunicazione non diffusiva con mezzi
mobili appaiono durante la seconda guerra
mondiale
• I primi sistemi di telefonia mobile risalgono
agli anni ’60, ma sono costosi, poco pratici,
con bassa qualità e bassa affidabilità
Cenni storici - 2
• Nei primi anni ’80 vengono installate le prime
reti cellulari nel senso “moderno” del termine
(1983 Chicago, 1980/2 prototipazione in
Giappone)
– reti “specializzate” (es. private di una
organizzazione)
– piuttosto costose
– bassa capacità e versatilità
• Nella seconda metà degli anni ’80 vengono
installate le reti analogiche “avanzate”
(AMPS,NMT, TACS) con immediato ed
enorme successo commerciale
Cenni storici - 3
• AMPS: Advanced
•è
•
Mobile Phone Service
uno standard U.S.A. (EIA-553); lavora nella
banda intorno agli 800 MHz
diffusione: Stati Uniti, Canada, Messico, Australia,
Nuova Zelanda, Taiwan, Corea del sud, Singapore,
Hong Kong, Thailandia, Brasile, Argentina, ...
• TACS: Total Access Communications System
•è
•
uno standard sviluppato nel Regno Unito; lavora
nella banda intorno ai 900 MHz, di fatto è un
adattamento dello standard AMPS
diffusione: U.K., Italia, Irlanda, Spagna, Austria,
Penisola Arabica, ...
Cenni storici - 4
• NMT: Northern Mobile Telephone System
•è
•
uno
standard
scandinavo,
sviluppato
indipendentemente da AMPS e TACS; lavora nelle
bande intorno ai 450 e ai 900 MHz; ci sono notevoli
differenze nel funzionamento tra le 2 bande
diffusione: Scandinavia, BeNeLux, Austria, Francia,
Ungheria, Spagna, Svizzera, ...
Cenni storici - 5
•Alla fine degli anni ’80 è diventato chiaro che
le reti cellulari esistenti non erano in grado di
sopportare la domanda di traffico e qualità a
meno di:
• risolvere i problemi di bassa capacità a causa
•
•
•
dell’indisponibilità dello spettro
migliorare in modo significativo la qualità del
servizio e la gamma dei servizi disponibili
diminuire drasticamente i costi delle
apparecchiature
risolvere i problemi di interoperabilità tra sistemi
diversi
Cenni storici - 6
•I 4 problemi da risolvere hanno spinto
verso soluzioni di tipo concertato
(standard internazionali) con tecnologia
numerica (GSM, D-AMPS, IS-95)
Cenni storici - 7
• Nel ‘92 e` stato introdotto GSM in
Europa con un successo ed una diffusione
enorme
• D-AMPS e IS-95 (CDMA) sono
introdotte in USA nella meta` degli anni
‘90 con grande successo (meno del GSM)
• Fine anni ‘90 standardizzazione di reti
con accesso a pacchetto
• ... domani ... UMTS
Una differenza fondamentale
RETE WIRELESS
è una (sotto)rete in cui l’accesso da un terminale
avviene attraverso un canale “senza filo”
RETE CELLULARE
è una rete la cui copertura geografica è ottenuta
con una tassellatura di aree adiacenti e/o
sovrapposte dette celle. L’utente (terminabile
mobile) si può muovere attraverso la
retepassando da una cella all’altra senza
interrompere la comunicazione
Rete Wireless con Punto di Accesso Fisso
Terminale
Verso altre reti
Stazione
Radio Base
Terminale
(Gateway o Router)
Terminale
Rete Wireless Autoconfigurante
Terminale
Verso
altre reti
Terminale
Terminale
Terminale
(Gateway)
Terminale
Terminale
Verso altre reti
(Gateway)
Rete Cellulare
HANDOVER
Handover
• È la procedura che consente il trasferimento di
una chiamata da una cella alla successiva,
mentre il terminale mobile si sposta all’interno
della rete
• Di fatto è l’elemento distintivo tra le reti
cellulari ed ogni altro tipo di rete TLC
• È una operazione complessa che pone alla rete
notevoli requisiti in termini di architettura di
rete, di protocolli e di segnalazione per la
gestione delle procedure connesse agli
handover
Efficienza delle Reti Cellulari
• Viene misurata essenzialmente in base al ri-uso
dei canali radio disponibili in celle adiacenti: la
“banda” è una risorsa molto preziosa (sul canale
radio) e va usata al meglio
• Se si potessero usare tutti i canali in ciascuna
cella si avrebbe efficienza 1
• Le celle vengono organizzate in “cluster” di N
celle: all’interno di un cluster, ciascuna cella
utilizza un sottoinsieme unico di canali
• La dimensione del cluster è una misura
dell’efficienza del sistema: più sono grossi i
cluster meno efficiente è il sistema
Copertura cellulare con cluster di 7 celle
2
3
7
1
6
4
5
2
7
1
CLUSTER
6
Dimensione del cluster
• Sistemi analogici con accesso FDMA (AMPS,
TACS, NMT):
• cluster di 19 o 21 celle
• Sistemi numerici con accesso di tipo TDMA o
misto FDMA/TDMA (GSM, D-AMPS, JCD):
• cluster di 7 o 9 celle
• Sistemi numerici con accesso CDMA (IS-95):
• cluster di una cella (almeno in linea di
principio)
Tecniche di Copertura Cellulare
• Le celle non sono necessariamente cerchi (o
esagoni) regolari delle stesse dimensioni
• L’effettiva dimensione della cella è determinata
dalla potenza degli apparati, dai ritardi di
propagazione e dalla densità di traffico
• È possibile usare antenne direzionali per avere
celle di forma e dimensione particolare
• Celle di dimensione (e forma) diversa
• Celle “stratificate” (celle a ombrello)
• Sono allo studio tecniche per ottenere celle
“puntiformi” che “inseguono” il terminale mobile
Copertura cellulare con cluster di 9 celle
e antenne settoriali a 120°
Stazione
radio base
6
7
3
5
Settori
1
4
2
8
9
Copertura cellulare con celle di dimensione diversa
per aree a diversa intensità di traffico
Zona ad alta
densità di traffico
Zona a bassa
densità di traffico
Copertura cellulare stratificata
micro-celle
Celle a
“ombrello”
Copertura cellulare di tipo autostradale
Celle per la copertura stradale
Via di grande
comunicazione
Altre
celle
Reti commerciali di prima generazione
• Trasmissione analogica, solo servizio di
telefonia
• Tecnica di accesso FDMA
• Copertura del territorio con celle di grandi
dimensioni
• Bassa qualità del servizio offerto
• Bassa efficienza nel riuso delle frequenze, e
bassa capacità complessiva della rete
• Reti in esercizio (in fase di dismissione): AMPS,
TACS, NMT
Reti commerciali di seconda generazione
• Trasmissione numerica
• Tecnica di accesso FDMA/TDMA oppure CDMA
• Celle di dimensioni più contenute (raggio delle
celle da alcune centinaia di metri ad alcune
decine di km)
• Bassa velocità di cifra
• Efficienza complessiva abbastanza buona, riuso
delle frequenze da buono ad accettabile
• Reti in esercizio: D-AMPS (o ADC), GSM,
DCS1800, DECT1900, JDC
Reti di seconda generazione “estese”
• Sono una prima fase commerciale - Es. GSM2/2+
• Sfruttano la stessa architettura e la stessa
tecnologia delle attuali reti di seconda
generazione
• Servizi a velocità di più elevata o ad accesso a
pacchetto (Es. GPRS), ma soprattutto mirano ad
accrescere la capacità complessiva della rete
Reti di seconda generazione “estese”
• L’architettura e` di tipo tipo “multirete”, cioè la
rete è formata da diverse sottoreti
specializzate (es. DECT e DCS in ambiente
urbano, GSM in ambiente rurale, etc.)
• È previsto l’uso di terminali “multistandard” in
grado di collegarsi alla rete più opportuna in
funzione del servizio richiesto
• Non sempre è possibile mantenere la
comunicazione se è necessario cambiare
sottorete (es. DCS->GSM SI, GSM->DCS NO,
GSM->DECT NO)
Reti di terza generazione
• Trasmissione numerica, servizi “multimediali”,
elevata velocità di cifra, accesso a pacchetto
• Tecnica di accesso CDMA, W-CDMA o A-TDMA
(Advanced-TDMA, una evoluzione della tecnica
FDMA/TDMA del GSM)
• Copertura cellulare “stratificata”, con celle di
piccole dimensioni per avere elevata capacità e
celle a ombrello sovrapposte per consentire
elevata mobilità
• Uso della diversità spaziale per maggiore
qualità/affidabilità
Reti di terza generazione
• Elevata integrazione di molte sottoreti
specializzate per fornire migliore qualità di
servizio
• Possibilità di handover tra sottoreti differenti
• Reti “previste”:
• UMTS (Universal Mobile Telecommunication System)
•
•
- ETSI
FPLMTS (Future Public Land MTS) o IMT2000 ITU
...
GSM e GPRS
• GSM e GSM “avanzato”
• Servizi a pacchetto e GPRS
Evoluzione del GSM - 1
1982: la CEPT (Conférence Européenne des
Administrations des Postes et des
Télécommunications) istituisce un gruppo
speciale per lo studio di un insieme uniforme di
regole per lo sviluppo di una futura rete
cellulare pan-europea: il Groupe Spécial Mobile
da cui GSM
1984: istituzione di 3 Working Parties (WP1-3)
per la definizione di servizi da offrire in GSM:
l’interfaccia radio, i formati di trasmissione e i
protocolli di segnalazione, le interfacce e
l’architettura di rete
Evoluzione del GSM - 2
1985: definizione della lista di raccomandazioni
che il GSM deve produrre (finiranno per essere
circa 130: 1500 pagine in 12 volumi! ... piu` tutti
quelli relativi all’evoluzione, cioe` le fasi 2+ e 3di
GSM)
1986: viene istituito il cosiddetto nucleo
permanente con lo scopo di coordinare il lavoro
del GSM, soprattutto visto il forte interesse da
parte dell’industria
Evoluzione del GSM - 3
1987: viene firmato un primo Memorandum of
Understanding (MoU) tra operatori Telecom in
rappresentanza di 12 Nazioni (europee) con i
seguenti obiettivi:
• coordinare lo sviluppo temporale delle reti
GSM europee e verificarne lo standard
• pianificare l’introduzione dei servizi
• concordare politiche di instradamento e la
tariffazione (modalità e prezzi)
Evoluzione del GSM - 4
1988: con l’istituzione di ETSI (European
Telecommunication Standards Institute) il
lavoro su GSM viene “spostato” in questo foro
1990: viene deciso di applicare le specifiche GSM
anche al sistema DCS1800 (Digital Cellular
System on 1800 MHz), un sistema di tipo PCN
(Personal Communication Networks) inizialmente
sviluppato in U.K.
1991: (luglio) il lancio commerciale del GSM,
pianificato per questa data, viene rimandato al
1992 per la mancanza di terminali mobili
conformi allo standard (?!?)
Evoluzione del GSM - 5
1992: viene rilasciato lo standard definitivo
relativo a GSM, che a questo punto diventa
l’acronimo di Global System for Mobile
Communications
1992: introduzione ufficiale dei sistemi GSM
commerciali
1993: il MoU raccoglie 62 membri di 39 paesi;
inoltre altre 32 organizzazioni in
rappresentanza di 19 paesi partecipano come
osservatori in attesa di firmare il MoU
Evoluzione del GSM - 5
1992: viene rilasciato lo standard definitivo
relativo a GSM, che a questo punto diventa
l’acronimo di Global System for Mobile
Communications
1992: introduzione ufficiale dei sistemi GSM
commerciali
1993: il MoU raccoglie 62 membri di 39 paesi;
inoltre altre 32 organizzazioni in
rappresentanza di 19 paesi partecipano come
osservatori in attesa di firmare il MoU
Evoluzione del GSM - 6
1994-95: introduzione degli SMS
1995-97: introduzione dei servizi a 1800MHz
1996: standardizzazione dei codificatori
enhanced sia full che half-rate
1997: terminali dual-band con codificatore
enhanced
1999: standard GPRS per la trasmissione a
pacchetto e primi terminali WAP (Wireless
Access Protocol) su circuito commutato
2000/01: introduzione dei servizi GPRS
Evoluzione del GSM - 7
1993-2001: GSM diventa la rete cellulare piu`
diffusa al mondo, con quasi 80M utenti in Europa
e 200M a livello mondiale (quasi 40M solo in
Cina), una penetrazione non marginale anche in
USA con quasi 10 operatori, che hanno una quota
di mercato seconda solo a AMPS/D-AMPS.
Di fatto e` diventato una standard mondiale,
influenzando in modo significativo l’evoluzione
a
verso le reti di 3 generazione e contribuendo a
determinare il fallimento commerciale delle reti
satellitari
Servizi attualmente offerti dal GSM
Servizi di trasporto:
•trasmissione dati (non strutturata) sincrona e
asincrona tra 300 bit/s e 9.6 kbit/s
•accesso PAD (Packet Assembly/Disassembly)
asincrono tra 300 bit/s e 9.6 kbit/s
•trasmissione dati a pacchetto sincrona con
velocità compresa tra 2.4 e 9.6 kbit/s
Servizi attualmente offerti dal GSM
Teleservizi:
•telefonia sia full rate (13 kbit/s,12.6
Enhanced coder), sia half rate (6.5 kbit/s)
•telefax di Gruppo 3
•messaggeria sia unicast che multicast
Servizi supplementari: praticamente tutti
quelli della rete PSTN (inoltro di chiamata,
richiamata su occupato, gruppi di utenti chiusi, ...)
Architettura del GSM
NSS
Um
BSC
MS
VLR
Um
MS
BTS
Network and Switching
HLR
A
AuC
Abis
Um
MS
BTS
BSC
Abis
EIR
A
Rete telefonica
fissa
ISDN/PSTN
GMSC
Um
MS
MS
BTS
Abis
BSC
A
E
OMC
Abis
Operation
MSC
MS
MS
MS
RS
Radio
VLR
A
BTS
BSS
Base Station
OSS
BSC
MS
Terminale Mobile
(Mobile Station - MS)
•È il terminale di proprietà dell’utente
•Ne esistono molti tipi diversi, a seconda delle
applicazioni e dei luoghi di installazione
•Tre categorie a seconda della potenza nominale:
•veicolari: possono emettere fino a 20 W all’antenna
•portatili: fino a 8 W all’antenna, sono trasportabili,
ma hanno bisogno di una notevole fonte di
alimentazione per il funzionamento (es. PC portatili,
fax, etc.)
•personali (hand-terminal): fino a 2 W all’antenna, è il
“telefonino”
MS
Terminale Mobile
(Mobile Station - MS)
• MS è solamente “hardware”, per poter
funzionare e collegarsi alla rete ha bisogno di
una scheda di abilitazione: la SIM
•Nei paesi dove i numeri di emergenza
(Ambulanza, Polizia, Pompieri, etc.) sono
considerati un bene primario (USA,
Scandinavia, etc.) MS è abilitato a chiamare
questi numeri anche senza la SIM
Modulo di Identificazione Utente
(Subscriber Identity Module - SIM)
SIM
•
È una scheda intelligente (con processore e memoria) di tipo smart card
“operativo” un qualunque terminale MS
che rende
•
Deve essere inserita nell’apposito lettore di MS
•
Sono ammessi 2 possibili formati: tipo carta di credito e un formato ridotto (plug-in SIM)
•
Le caratteristiche dell’utente (# telefonico, servizi accessibili, etc.) sono memorizzate in
modo permanente e crittografato nella SIM, che rappresenta quindi il vero e proprio
“servizio” offerto dai gestori; ad esempio è possibile acquistare SIM da gestori diversi e
usarle dallo stesso MS a seconda delle esigenze, oppure è possibile recarsi all’estero
portando solo la SIM, affittare un MS localmente e connettersi
Modulo di Identificazione Utente
(Subscriber Identity Module - SIM)
SIM
•
•
•
Memorizza messaggi brevi inviati dalla rete (più evolve la tecnologia più capacità potranno
essere associate alla SIM)
La SIM viene abilitata attraverso un codice di 4 cifre (PIN - Personal Identification
Number)
Se il PIN viene sbagliato 3 volte consecutive, la SIM si autoblocca e può essere sbloccata
solo con un codice di sblocco a 8 cifre (PUK - Personal Unblocking Key)
Stazione Radio Base
(Base Tranceiver Station - BTS)
•
•
•
•
•
BTS
È il punto di accesso alla rete di TLC, o se si vuole, la “controparte di MS
È collocata in un punto opportuno della cella (es. al centro per celle circolari, nel vertice
delle celle settorizzate, ad un estremo delle celle oblunghe per la copertura stradale...)
Dalla potenza del BTS dipende l’effettiva dimensione fisica della cella: grazie a questa
caratteristica è possibile “aggiustare” in modo dinamico le dimensioni delle celle
Ciascuna BTS può avere da 1 a 16 interfacce radio, corrispondenti a canali TDMA a
frequenza diversa
La BTS è un apparato di livelli fisico e non ha praticamente alcuna “intelligenza”: in GSM
anche la valutazione e la decisione sugli handover da effettuare è demandata ad altre entità
(MS, BSC e MSC)
Controllore della Stazione Radio Base
(Baser Station Controller- BSC)
BSC
•
Una BSC controlla un numero elevato di BTS: da alcune decine ad alcune centinaia
•
I compiti principali della BSC sono:
- la gestione delle frequenze, che possono essere assegnate in modo dinamico alle varie BTS
- la concentrazione del traffico verso un MSC e lo smistamento del traffico verso le BTS
- la gestione degli handover tra BTS adiacenti
•
Le BSC possono essere collocate nel sito di un MSC o essere autonome, o ancora essere
posizionate vicino (o insieme) ad alcune BTS
Centro di Commutazione dei Servizi Mobili
(Mobile Switching Center - MSC)
•
Sono commutatori di traffico, con capacità di commutazione a circuito
•
Consentono l’instradamento delle chiamate da un MS ad un altro
•
•
•
GMSC
Un caso particolare di MSC è il GMSC (Gateway-MSC), che è l’interfaccia tra la rete GSM e
le reti fisse (PSTN)
GMSC ed MSC hanno le stesse funzioni e capacità, escluse le funzioni di instradamento
verso la rete fissa e, molto importante, le funzioni legate alla sicurezza e all’autenticazione,
che sono effettuate solo presso i GMSC
A seconda delle dimensioni della rete e del numero di utenti un operatore può avere uno o
più GMSC
Registro di Localizzazione Principale
(Home Location Register)
•
•
•
•
•
HLR
È una base dati permanente associata in modo univoco a un GMSC
Memorizza le informazioni relative a tutti gli MS la cui localizzazione di default è presso il
GMSC considerato
HLR memorizza informazioni permanenti come l’IMSI (International Mobile Subscriber
Number), il numero di telefono della SIM associata (che NON sono la stessa cosa) e la sua
chiave di autenticazione, i servizi supplementari a cui l’utente è abilitato, . . .
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 numero di telefono per l’inoltro delle chiamate, . . .
VLR gioca un ruolo fondamentale nella gestione delle chiamate che provengono dalla rete
fissa e sono inoltrate verso un MS
IMSI
•
•
•
•
È il numero di identificazione di uso interno alla rete
È composto da 3 campi:
MCC: Mobile Countri Code (3 cifre)
MNC: Mobile Network Code, che identifica l’operatore che fornisce il servizio (2 cifre)
MSIC: Mobile Subscriber Identification Number, che identifica la SIM (fino a 10 cifre)
Ad esempio il numero 222 01 4572228769, identifica una SIM italiana (222) del gestore
TIM (01)
Il numero di telefono dell’apparato in questione è completamente scorrelato dall’IMSI; le
cifre corrispondenti al prefisso (ad es. 0330 o 0347) identificano l’HLR e quindi il GMSC cui
l’apparato è legato
Registro di Localizzazione dei Visitatori
(Visitor Location Register - VLR)
•
•
•
È una base dati temporanea che contiene i dati importanti per il servizio degli MS
attualmente sotto la giurisdizione del (G)MSC cui il VLR è associato. Si noti che per
questione di uniformità viene usato il VLR anche per gli MS che si trovano presso il proprio
HLR
In VLR vengono duplicati tutti i dati permanenti di un utente, con la differenza che l’IMSI
viene “mappato” su un TMSI (Temporary Mobile Subscriber Identity) per evitare di
trasmettere l’IMSI via radio e proteggere l’utente da “intrusioni” Hi-Tech. Il TMSI viene
modificato frequentemente ed è legato anche alla posizione del mobile (identificativo di
cella)
VLR gioca un ruolo fondamentale nella gestione delle chiamate che provengono dagli MS
Centro di Autenticazione
(Authentication Center - AC)
•
È associato a ciascun HLR
•
È di fatto il “motore” per l’autenticazione degli MS
•
•
AC
È in grado di effettuare correttamente le operazioni di codifica che sono associate a
ciascuna SIM
Gestisce alcune importanti operazioni per abilitare la cifratura della trasmissione
sull’interfaccia radio
Registro di Identificazione degli apparati
(Equipment Identity Register)
•
•
•
EIR
È una base dati il cui uso è a discrezione dell’operatore
Contiene l’identificativo e le caratteristiche di tutti gli apparati GSM prodotti, insieme al
produttore, al paese di fabbricazione, etc.
Può essere usato per proteggere la rete dall’uso di apparecchiature non a norma
Centro Gestione e Controllo
(Operation and Maintenance Center)
•
•
•
OMC
È la sede di tutte le operazioni di gestione (tecnica e non) della rete
Effettua la tariffazione, controlla il traffico in rete, gestisce i messaggi di errore
provenienti dalla rete, controlla e memorizza il carico delle singole BTS e BSC per
operazioni di pianificazione (eventualmente dinamica)
Consente di configurare le singole BTS tramite le BSC e di controllare il funzionamento
(corretto o meno) di tutte le apparecchiature periferiche della rete (cioè in pratica di tutti
gli elementi descritti fino ad ora)
Gestione della mobilità e delle chiamate
•
•
In una rete cellulare esistono numerose operazioni e funzioni che non hanno controparte
nelle reti fisse:
Registrazione: è la procedura con cui un MS, quando viene acceso, notifica alla rete la
propria presenza in una certa cella e chiede accesso ai servizi in rete
Modifica della Localizzazione: deve essere eseguita ogni volta che un MS, essendo in
Stand-By (cioè acceso, ma senza comunicazioni attive), modifica la propria posizione
all’interno della rete; tecnicamente è del tutto analoga alla registrazione
Handover: modifica della posizione di un MS con chiamate in corso (nelle reti analogiche
viene in genere chiamato handoff)
Notifica di Spegnimento: ogni MS deve sempre notificare alla rete il proprio spegnimento
per consentire il corretto aggiornamento del contenuto di VLR e HLR
Anche le normali operazioni di instaurazione ed abbattimento delle chiamate sono molto più
complesse che non in una rete fissa
Procedura di Registrazione
MS
BTS
BSC
(G)MSC
VLR
HLR
Operazione o “Azione”
Richiesta del Canale
Attivazione del Canale
ACK dell’attivazione del Canale
Assegnazione del Canale
Richiesta di Aggiornamento Posizione
Richiesta di Autenticazione
Risposta di Autenticazione
Controllo dell’Autenticazione
Assegnazione dell’Area e del TMSI
ACK di Area e TMSI
Aggiornamento dei “Registri”
Rilascio del Canale
Instaurazione di una chiamata da MS
MS
BTS
Operazione o “Azione”
Richiesta del Canale
Assegnazione del Canale
Richiesta di Chiamata
Richiesta di Autenticazione
Risposta di Autenticazione
Comando di Cifratura
Accettazione della Cifratura
Setup (Numero da chiamare)
Inoltro Chiamata in Atto
Assegnazione di Canale per il Dati
ACK Canale Dati
Avviso di “Chiamato libero (o occupato)”
Connessione Accettata dal Chiamato
ACK della Connessione
Scambio Dati Utente
Procedura di handover
•
•
•
In GSM la procedura di handover è decisa dalla rete, tuttavia la decisione viene presa
essenzialmente in base a misure effettuate da MS
Quando MS si connette ad una cella, il relativo BSC gli comunica un elenco di “canali
alternativi”, appartenenti alle celle adiacenti, su cui effettuare misure di potenza RF; il
risultato di queste misure viene continuamente trasmesso alla rete ed è il parametro base su
cui viene deciso un handover; queste misure possono essere integrate da misure effettuate
dalle BTS, nonchè da considerazioni di “opportunità” e di priorità basate sulle
caratteristiche del traffico in corso
In GSM sono ammesi 3 diversi “tipi” di handover:
- tra due BTS connesse allo stesso BSC
- tra due BTS connesse a BSC diversi ma appartenenti allo stesso MSC
- tra due BTS di due BSC diversi e di diversi MSC
Handover tra diverse BTS
MSC
BSC
Confine tra le celle
BTS
BTS1
MS
È il caso più semplice, l’handover è deciso e gestito direttamente da BSC, che si limita a notificare a
MSC l’avvenuta procedura. Date le caratteristiche di BSC e BTS è poco più di un cambio di canale
radio.
Handover tra diversi BSC
MSC
BSC2
BSC1
Confine tra le celle
BTS1
MS
BTS2
Un handover che coinvolge due BSC deve essere gestito da MSC, per garantire una transizione “dolce”
della comunicazione. Ovviamente è più complesso del precedente e richiede la modifica
dell’instradamento della chiamata (MSC è un commutatore)
Handover tra diversi MSC
MSC2
MSC1
BSC2
BSC1
Confine tra le celle
BTS1
MS
BTS2
È il caso più complesso previsto dal GSM, coinvolge un numero elevato (7) di entità di rete che devono
coordinarsi. L’handover è sempre gestito dal MSC1, cioè dall’MSC “di partenza”, che, inoltre, mantiene
le funzioni di controllo della chiamata.
Considerazioni sulle procedure di handover in GSM
• In linea di principio non ci sono limiti al numero di handover effettuabili
•
•
•
durante una chiamata
Un handover dura alcune decine di millisecondi (tipicamente 50-100),
tempo durante il quale il canale di comunicazione è interrotto, per cui è
necessario limitare il numero di handover per non degradare
eccessivamente la qualità del servizio
Data la modalità di handover tra MSC, tutte le volte che viene
effettuato un tale handover vengono impegnate risorse aggiuntive (il
controllo della chiamata resta all’MSC presso cui è stata iniziata)
Da un punto di vista tecnico non ci sono limitazioni all’handover tra
gestori diversi, ovvero tra diversi GMSC, tuttavia attualmente non sono
ammessi per questioni politico-commerciali; ad esempio non è possibile:
- iniziare una chiamata su Omnitel e passare in una zona coperta da TIM
- iniziare una chiamata in Germania e attraversare il confine Francese
senza abbattere la comunicazione
Tecnica di Accesso e Struttura dei Canali
• GSM usa una tecnica di accesso mista tempo/frequenza (FDMA/TDMA)
• La porzione di spettro disponibile è suddivisa in canali FDM di 200 kHz
•
•
l’uno, ciascun canale FDM è ulteriormente suddiviso in 8 canali con tecnica
TDM
La trasmissione è organizzata in “bursts” , cioè ogni stazione trasmette un
blocco di dati in un intervallo temporale (1 canale TDM) e “tace” durante gli
altri 7 intervalli dedicati agli altri canali. Per risparmiare le batterie e
ridurre l’interferenza il trasmettitore RF viene spento quando non
trasmette e anche quando non vi è informazione da trasmettere
(soppressione dei silenzi). Lo spegnimento e l’accensione del trasmettitore
RF pongono notevoli problemi di “ramping”, cioè di transitorio per portare
l’amplificatore a regime prima di cominciare la modulazione dei dati
La velocità di cifra al trasmettitore è di circa 271 kbit/s
Frequenze assegnate al GSM (Europa)
GSM primario uplink
GSM primario downlink
DCS/1800 uplink
DCS/1800 downlink
GSM esteso uplink
GSM esteso downlink
915
880
890
935
925
960
1710
1785
1805
1880
F[MHz]
Frequenze assegnate al GSM (Europa)
•
•
•
•
•
•
I canali uplink e downlink sono sempre accoppiati in modo fisso e distano 45 MHz nel
GSM/900 e 95 MHz nel DCS/1800
GSM/900 ha a disposizione 45000  125canali FDM nella parte primaria dello spettro più
200
10000
 50 canali nella parte estesa
200
75000
DCS/1800 ha a disposizione
 375 canali FDM
200
Sia in GSM/900 che in DCS/1800 il canale a frequenza più bassa non è usato e serve come
“guardia” verso i servizi che utilizzano le porzioni di spettro a frequenza più bassa
La banda assegnata a GSM è parzialmente sovrapposta a quella dei servizi TACS, creando
qualche problema di “convivenza”
Esiste un sistema di numerazione assoluto dei canali (ARFCN - Absolute Radio Frequency
Channel Number), che consente di identificare in modo univoco il canale da usare (o in uso)
indipendemente dal fatto che sia GSM/900 o DCS/1800
Assegnazione delle frequenze in Italia
•
In Italia le frequenze in uso per il TACS sono nella banda assegnata al GSM a livello
internazionale, creando quindi situazioni di conflitto
Assegnazioni per l’uplink
(quelle per il downlink si ottengono aggiungendo 45 MHz)
TACS Da 882 MHz a 902.6
GSM TIM Da 902.7 MHz a 908.2-
GSM Omnitel Da 908.2+ MHz a 913.7
Struttura della trama GSM
•
•
•
•
Ogni canale FDM è diviso in 8 canali TDM; la durata della trama TDM è di 4.615 ms
La trasmissione bidirezionale in GSM è ottenuta mediante la tecnica a divisione di tempo
(TDD - Time Division Duplex)
Le trame sui canali uplink e downlink sono sincronizzate e sfalsate di 3 slot, in modo da
consentire la separazione tra trasmissione e ricezione
La trasmissione nello slot TDM avviene solo in modo “burst”
TDM Frame - 4.615 ms
5
6
7
0
1
2
3
4
5
6
2
3
4
5
6
7
0
1
2
3
7
0
1
2
3
4
5
6
7
0
BTS
Transmits
MS
Transmits
Struttura dei burst “normali”
148 bit = 546.12 µs
T Coded Data S
3
57
1
•
•
•
•
•
Training
S
Sequence
26
Coded Data T GP
1
57
3 8.25
T-bits: posti sempre a 0, usati come tempi di guardia e per l’inizializzazione del
demodulatore
S-bits: segnalano se il burst contiene dati utente o di segnalazione
Coded Data: bit di utente (voce, dati etc.), 114 bit dopo la codifica di canale, che
corrispondono a 13 kbit/s netti per la voce, a 9.6 kbit/s o meno per i dati (codifica di canale
più ridondante)
Training Sequence: bit di controllo usati per la sincronizzazione e per l’aggancio dei
trasmettitori
GP: periodo di guardia per consentire l’accensione e lo spegnimento dei trasmettitori
Sincronizzazione della trasmissione sull’uplink
•
•
•
La trasmissione in GSM è sincrona, ciò significa che gli MS devono trasmettere in istanti
temporali dipendenti dalla posizione nella cella in modo che le trasmissioni siano
correttamente sincronizzate quando arrivano alla BTS
La gestione del sincronismo è relativamente semplice durante la normale fase di
trasmissione, ma richiede notevole attenzione nella fase di instaurazione del canale
Per consentire l’instaurazione del canale il mobile usa una struttura di burst ridotta,
chiamata random access burst, in cui il periodo di guardia alla fine del burst è di 252 µs
Synchronization
Coded Data
Sequence
8
8
8
T
T
Guard Period
3
8
Sincronizzazione e Dimensione delle celle
•
•
•
La dimensione massima delle celle deve essere tale per cui il random access burst giunge alla
BTS senza pericolo di sovrapposizionecon lo slot TDM successivo
In mancanza di altre informazioni MS si comporta come se il ritardo di propagazione tra MS
e BTS fosse nullo, di conseguenza il periodo di guardia deve coprire 2 volte il tempo di
propagazione massimo tra MS e BTS
Ne consegue (con un pò di approssimazione):
R max
1
1
  GP  C   252s  3 108 m/s  37.5km
2
2
in realtà, per convenzione si assume
R max  35km
Dimensione delle Celle e Copertura del Territorio
• R max  35km, in realtà le celle sono parzialmente sovrapposte per cui possiamo immaginare,
•
•
•
•
per una copertura “macrocellulare” uniforme
2
2
R  30km, cioè Α  π  R  2800km
Il territorio Italiano è circa 300000 km2, diciamo 400000 considerando le acque territoriali
e simili
Il numero minimo di celle per coprire l’Italia risulta quindi 400000/2800  150 se si usano
celle circolari e  150 se si usa una copertura settoriale a 1200
In realtà non è possibile usare celle così grandi per problemi di traffico e di conformazione
orografica
Assumendo una dimensione media delle celle di 100 km vuol dire che sono necessarie da
3000 a 4000 celle per coprire il territorio Italiano
2
Il Livello Data Link
•
•
Il protocollo usato da GSM al livello 2 per gestire la segnalazione è una derivazionedel
protocollo usato sui canali D della rete ISDN (fissa)
Viene chiamato LAPDm (Link Access Protocol for the mobile D channel), le sue funzioni
principali sono:
- l’organizzazione delle informazioni di livello 3 in trame per la trasmissione sui canali
- la trasmissione “peer-to-peer” delle informazioni di segnalazione con formati di trama
prestabiliti
- il riconoscimento dei formati di trama
- l’instaurazione, il mantenimento e la chiusura di uno o più canali (logici) di segnalazione
- la trasmissione, la ricezione e l’eventuale “ACK”delle trame di informazione
Il livello Rete
•
Il livello 3 è il vero livello di gestione di una rete di TLC, e la rete GSM è così complessa che
il livello 3 è stato suddiviso in 3 livelli sovrapposti per semplificarne la definizione
Radio Resource Management:
dedicato alla gestione delle risorse trasmissive
Mobility Management:
dedicato al supporto delle mobilità dei terminali
Connection Management:
dedicato al supporto e alla gestione delle chiamate e delle connessioni
Radio Resource Management
•
•
•
Procedure di assegnazione e rilascio dei canali radio
Procedure di handover e cambio di canale
Procedura per il cambio di frequenza del canale, per l’uso di sequenze di hopping e per la
gestione delle tavole di frequenze
•
Raccolta dei rapporti di misura da MS
•
Controllo di potenza e sincronizzazione
•
Modifica del modo di trasmissione (voce o dati): cioè uso di diversi codici di protezione
•
Gestione della cifratura
Mobility Management
•
Registrazione, localizzazione, supporto della mobilità e gestione dei dati di mobilità
•
Controllo dell’identità degli apparati (MS) e degli utenti (SIM)
•
Gestione dell’accesso ai servizi
•
Supporto della privacy e della sicurezza dell’utente
•
Gestione di un canale logico di tipo MM, supportato da primitive RR e di supporto a canali CM
Connection Management
•
Procedure di instaurazione e rilascio delle connessioni (voce, dati)
•
Supporto della segnalazioned’utente (ad esempio la selezione multifrequenza)
•
Ristabilimento delle chiamate dopo l’interruzione del canale MM (durante gli handover)
•
Modifica dei parametri delle chiamate durante la connessione
General Packet Radio Service:
GPRS
• Modalita` a pacchetto per reti GSM
• Usa da 1 a 8 canali sulla stessa portante
• Tariffazione a alla mole di dati trasferiti
• Si interfaccia a IP, X.25
• Supporta la QoS con diversi profili
GPRS
Architettura Generale
• Introduce una rete logica nuova
sovrapposta a GSM
• Utilizza l’infrastruttura fisica di GSM
• Introduce due nuovi nodi di rete
• SGSN: Serving GPRS Support Node, che
svolge le funzioni dell’MSC per la rete a
pacchetto
• GGSN: Gateway GSN, che interconnette
la rete GSM con le altre reti a pacchetto
(PDN-Public Data Networks)
GPRS
Architettura Generale
SM-SC
EIR
MSC/VLR
GMSC
HLR
MS
SGSN
GGSN
BSS
SGSN
GGSN
altre
PLMN
PDN
(IP,X.25,...)
GPRS
Piano utente (trasmissione)
Application
IP/X.25
IP/X.25
SNDCP
SNDCP
LLC
LLC
RLC
MAC
RLC
MAC
BSSGP
BSSGP
NS
NS
GSM RF
GSM RF
L1bis
L1bis
MS
BSS
U
GTP
GTP
UDP/TCP
UDP/TCP
TP
TP
L2
RLC
MAC
L1
GSM RF
SGSN
Gb
GGSN
G
GPRS
Protocolli piano utente
• GTP: GPRS Tunneling Protocol
• SNDCP: SSSub-Network Dependent
Convergence Protocol
• LLC: Logical Link Control, cifrato e
affidabile (quello del GSM)
• BSSGP: Base Station System GPRS
Protocol
• NS: Network Service, una derivazione di
Frame Ralay
GPRS
Piano di controllo (segnalazione)
GMM/SM
GMM/SM
LLC
LLC
RLC
MAC
RLC
MAC
BSSGP
NS
RLC
MAC
GSM RF
GSM RF
L1bis
GSM RF
MS
Um
BSS
Gb
SGSN
• GMM/SM: GPRS Mobility Management
and Session Management
GPRS
QoS
• Espressa in base a:
– Classe di ritardo: 4 livelli, nessuno adatto a
servizi interattivi real-time
– Classe di affidabilita`: 5 livelli, in base ai
meccanismi di controllo e ACK dei vari
protocolli
– Classe di perdita: 3 livelli, da 10-2 a 10-9
GPRS
Accesso al canale
• Protocollo a contesa (slotted Aloha) per le
richieste su un canale logico dedicato
(PRACH-Packet Random Access Channel)
• Risorse di trasmissione sui canali dati
(PDCH-Packet Data Channel) assegnate
dalla BSS a gruppi di 4 “blocchi”, cioe`
circa 260 byte a livello X.25/IP
• Efficienza molto dipendente
dall’implementazione
UMTS e IMT 2000
• Reti cellulari a larga banda,
ovvero la terza generazione
Oltre la telefonia
• UMTS: Universal Mobile
Telecommunication System, standard
eurepeo (ETSI)
• IMT2000: Sigla ITU per i cellulari di
terza gen. - compatibile UMTS
• Accesso a pacchetto a larga banda
• Integrazione dei servizi
• Operative SUBITO, a partire dal 2002/3
• Un salto nel buio??
UMTS
Velocita` di trasmissione
• 2 Mbit/s: per MS fermi o quasi in
prossimita` della stazione radio base
• 384 kbit/s: per MS in ambiente urbano
con mobilita` fino a 50/60 km/h
• 144 kbit/s: per MS in ambiente rurale e
velocita` automobilistiche (<150 km/h)
• In fase di discussione la possibilita` di
supportare velocita` fino a 500km/h per
le linee TAV
UMTS
Accesso al canale e rete fissa
• Wideband-CDMA
• Il livello fisico e l’accesso al canale radio
sono l’unica parte la cui standardizzazione
e` terminata
• Radicalmente diverso da GSM/GPRS
(FDMA/TDMA)
• La rete fissa eredita molto da GSM/GPRS
e deve integrare tutte le reti 2G
esistenti!!!
UMTS
Protocollo MAC
• PRMA++: Packet Reservation Multiple
Access ++
• Protocollo simile a Reservation Aloha, con
alcuni miglioramenti
• Organizzato in slot temporali di contesa
molto brevi che prenotano la trasmissione
per numerosi slot dati di lunghezza molto
maggiore
La telefonia su IP
Il primo passo verso le reti multimediali
Reti IP Multimediali
• VoIP e` la “testa di ponte” verso le
reti IP multimediali integrate
• Tutte le architetture di rete e di
segnalazione proposte vanno “oltre” la
voce
• I servizi di telefonia avanzata sono
solo l’inizio della rivoluzione dei
servizi
Applicazioni
Servizi e Segnalazione
Trasferimento dell’informazione
applicazioni
servizi - segnalazione
trasferimento
dell’informazione
Alcune Idee Base
• Una rete IP multimediale ha sempre
– una parte periferica e di interfaccia
(edge, bordo) che supporta i servizi di
utente e la relativa segnalazione
– una parte interna invisibile all’utente
(core, nucleo) che serve al trasporto
dell’informazione
Alcune Idee Base
• I servizi multimediali sono in genere
orientati alla connessione (unicast o
multicast)
• Le chiamate possono essere tra
terminali nativi della rete oppure
richiedere di interoperare con altre
reti
PC - PC
telefono - telefono
Chiamate possibili
PC - telefono
telefono - PC
IP
Architetture dei servizi
e della segnalazione
• H.323
• SIP
H.323
• Insieme di standard definito da ITU-T
• Architettura per “teleconferenza” su
reti a qualità di servizio non garantita
• Deriva da H.320 (teleconferenza su
ISDN)
• Non nasce per la telefonia su IP, ma di
fatto e` attualmente l’unica
applicazione rilevante
Dispositivi (elementi) H.323
• End-point: terminali abilitati alle
comunicazioni
• Gateway: unita` di interlavoro con altre
reti (PSTN/ISDN in particolare)
• Gatekeeper: realizza il controllo delle
comunicazioni
• MCU (Multipoint Control Unit): abilita
le comunicazioni tra più parti
(multicast)
H.323: Componenti obbligatorie
• H.225 (controllo di connessione e stato):
– Q.931 per la segnalazione di utente
– RAS (Registration, Authentication and Status)
per la segnalazione tra endpoint e gatekeeper
• H.245: capacita` dei terminali e tipo di
“media” su cui poggia l’informazione
• RTP/RTCP: trasporto e controllo di flusso
• G.711: codifica audio a 64 Kbps (in realta` si
usano sempre codificatori piu` sofisticati)
H.323
H.225/RAS
H.245
RTP/DATI
end
point
comunicazione tra terminali nativi
gatekeeper
...
H.323
H.225/RAS
H.245
RTP/DATI
comunicazione tra un terminale nativo
e uno “esterno”
gatekeeper
end
point
...
gateway
end
point
H.323
H.225/RAS
H.245
RTP/DATI
comunicazione tra terminali esterni
gatekeeper
end
point
...
gateway
end
point
H.323: Pila protocollare
Controllo
Segnalazione
H.225
(Q.931)
H.245
Dati
Audio
Video
Controllo
H.261
H.263
T.120
G.711
G.722
G.723
G.728
G.729
RTCP
RTP
TCP
UDP
IP
H.225
(RAS)
Segnalazione H.323 (call control)
TCS
M/S Det.
TCS Ack
M/S Det. Ack
Open L. Ch
Setup
Call Proceeding
Alerting
Connect
Terminal Capability Set
Master Slave
Determination
TCS + Ack
M/S Det. + Ack
Open L. Ch Ack
Open Logical Channel
Open L. Ch + Ack
Close L. Ch
End Sess. Cmd
Media
Close Logical Channel
End Session Command
Close L. Ch. + Ack
End Sess. Cmd
Release Complete
H.225.0 (Q.931)
H.245
RTP/RTCP
Segnalazione H.323 (RAS)
end-point
end-point
gatekeeper
Reg. Req
Reg. Req
Adm. Req
Setup
Adm. Req
Call setup, comunicazione, tear-down
Disengage
Req
Rel.Complete
Disengage
Req
Rel. Complete
Unreg.
Req
Unreg.
Req
H.225.0
RAS
Architettura H.323
• Una rete H.323 è costituita da una o più
“zone”
• Una zona è un insieme di dispositivi H.323
gestiti da un unico gatekeeper
• I limiti di una zona posso essere basati su
limiti amministrativi, struttura di
indirizzamento, confini geografici, etc.
• Le chiamate che coinvolgono differenti zone
sono gestite da più gatekeeper (come??)
H.323
Una “zona”
Client H.323
Client H.323
IP phone
...
Gatekeeper
Router
Internet
o
intranet
Gateway
telefoni
tradizionali
Client H.323
IP phone
PSTN
o
ISDN
o
PBX
H.320
(ISDN)
H.324
(POTS)
Gatekeeper
• E’ il dispositivo “intellignte” di gestione
dell’intera rete H.323
• Ciascun gatekeeper gestisce una “zona”
(insieme di end-point)
• Realizza almeno le funzionalità obbligatorie:
– Admission Control (controllo dei permessi di un
end-point di inviare e ricevere le chiamate)
– Traduzione degli indirizzi
– Bandwidth control (se richiesta)
– Gestione di zona
Gatekeeper
• Puo` implementare funzioni opzionali
– Autorizzazione
– Gestione delle risorse
– Call control signalling (per gestire direttamente la
segnalazione tra terminali)
– Prenotazione delle risorse (per terminali non in
grado di realizzarlo)
– Call management (chiamate multimediali avanzate)
– Gatekeeper management information (gestione
remota via SNMP su MIB sdandard)
– Directory services
H.323 V.2
• Approvata nel Gennaio 1998
• Più orientata alla voce su IP
• Introduce:
– H.235 per la sicurezza delle comunicazioni
(Authentication, Integrity, Privacy)
– Fast Setup
– H.450.1 Segnalazione tra terminali H.323 per servizi
supplementari
– H.450.2 (Call Transfer), H.450.3 (Call Diversion)
– H.323/T.120 integration
• Rimane nondefinita la comunicazione intergatekeeper !!!!
H.323 V.3
• Approvata nel settembre 1999
• Introduce la comunicazione
inter-gatekeeper
– H.225.0 Annex G (Inter-Domain Communications)
• Risolve numerosi problemi di scalabilità
dell’architettura
H.323 V.3
Architettura H.225.0 Annex G
AD
AD
AD
Gatekeeper
AD
Endpoint
AD
MCU
Endpoint
H.323 Zone
Border
Element
H.323
Administrative
Domain
Gateway
Gatekeeper
PSTN
o
ISDN
Gatekeeper
Gatekeeper
Gatekeeper
Gatekeeper
SIP: Session Initiation Protocol
• Definito in ambito IETF
• RFC 2543 (marzo 1999)
• Multiparty MUltimedia Session Control
(Mmusic) WG
• Nasce dall’esperienza Mbone e come
alternativa a H.323
La visione IETF
• L’obiettivo e`la connettivita‘,
– Il trasporto e` tramite protocollo IP
– l’intelligenza e` ai bordi della rete (nei
terminali) e non nascosta nella rete.
• Scalabilita`e Sicurezza sono requisiti
primari
• Protocolli piccoli e mono-funzionali
– Evitano duplicazione di funzioni
– Modularita`
SIP: caratteristiche generali
• Protocollo client server
• Utilizzato per “invitare” gli utenti a sessioni
multimediali
• Utilizza diverse funzionalità di HTTP
• Indipendente dal transporto
• Scalabile, Modulare, Semplice
• Impiega altri protocolli multimediali
–
–
–
–
RTP/RTCP (trasporto voce)
SDP: Session Description Protocol
SAP: Session Announcement Protocol
RTSP: Real Time Streaming Protocol
SIP: Elementi dell’architettura
• Client (o end system)
– Invia le richieste SIP
– Usualmente contiene un SIP User Agent
Server
• User Agent Server
– Soddisfa le richieste di chiamata entranti
• Redirect Server
– Redirige una chiamata su un altro server
• Proxy Server
– Invia la richiesta ad un altro server
SIP: Indirizzi e Metodi
• Gli indirizzi sono URL:
– sip:[email protected]:5067
– sip:ann:[email protected]
• 6 metodi:
–
–
–
–
INVITE: Inizia o invita ad una conferenza
BYE: Termina la partecipazione ad una conferenza
CANCEL: Termina una ricerca
OPTIONS :Interroga un client sulle sue
“capabilities”
– ACK: Accetta la chiamata (invito)
– REGISTER: Informa un SIP server sulla posizione di
un utente
SIP: Sintassi dei messaggi
• La sintassi è ripresa da HTTP:
INVITE [email protected] SIP/2.0
From: [email protected] (Renato Lo Cigno)
Subject: Next visit to L.A.
To: [email protected] (Mario Gerla)
Call-ID: 1999284605.56.86@
Content-type: application/sdp
CSeq: 4711
Content-Length: 187
Session Description Protocol
• Sintassi testuale per descrivere sessioni
multimediali unicast e multicast
• Caratteristiche base
– Descrive i flussi audio/Video che formano la
sessione ed i relativi parametri
– Contiene gli indirizzi di destinazione dei diversi
stream
– “Governa” i tempi di inizio e fine di ogni sessione
– Molto semplice
Session Announcement Protocol
• Annuncia sessioni
multimediali via
multicast
• Descrive sessioni
(normalmente RTP)
mediante SDP
SAP
Internet
Real Time Streaming Protocol
RTSP Server
• Controllo di un “media server”
per servizi “on-demand”
• Controlli tipo VCR:
– Play, Pause, Fast-forward,
Rewind, Record, ...
• Un server RTSP puo`essere
interrogato da un client
mediante SIP (invito)
• La sessione e` descritta
mediante SDP
PLAY
RTSP Client
SIP: Esempio di una chiamata vocale
RTP/RTCP: pacchetti e controllo voce
SIP: OPTIONS
SIP: INVITE
+ SDP
+ SAP
SIP: BYE
SIP: ACK
Architettura della
rete di trasporto
• I principi
• Le proposte IETF:
• Int-Serv
• Diff-Serv
Le basi per fornire QoS
• Esistono alcuni principi indispensabili
per poter fornire QoS
• Sono criteri euristici di “buon senso”
(anche se molto spesso negati!!), ma
non dimostrabili
• Possiamo chiamarli principi o meglio
ancora postulati
Primo Postulato
• Classificazione dei pacchetti
– Consente agli apparati di distinguere tra
diversi clienti o classi di traffico
– Permette di definite diversi livelli di
QoS per flussi classificati in modo
diverso
– Consente una tariffazione differenziata
Secondo Postulato
• Verificabilita` dei contratti di
traffico
– Permette al fornitore di servizi di
evitare frodi
– Consente all’utente di controllare se il
servizio ricevuto e` conforme alle
aspettative
Terzo Postulato
• Isolamento dei diversi flussi
– Separa il traffico proveniente da
applicazioni diverse
– Permette un trattamento differenziato
della QoS in funzione della classe di
traffico
– Consente la coesistenza di priorita`
diverse all’interno della rete
Quarto Postulato
• Controllo di accesso
– Una nuova chiamata deve essere
accettata dalla rete solo se:
1) puo` ricevere il servizio richiesto con la
qualita` richiesta con elevata probabilita`
2) non danneggia la QoS delle chiamate gia`
accettate
3) non porta la rete in instabilita`
Quinto Postulato
• Elevato uso delle risorse
– mantiene basso il costo dei servizi
– mantiene alto il guadagno del fornitore
– e` un fattore abilitante per
l’introduzione di servizi ad alto valore
aggiunto
Architetture proposte in IETF
Integrated Services
+
RSVP
Differentiated Services
+
Bandwidth Brokers
Integrated Services
• Architettura per fornire QoS
individuale a ciascun flusso
applicativo; i nodi della rete riservano
le risorse necessarie al flusso
(terzo postulato)
• Instaurazione delle chiamate tramite
segnalazione: ogni applicazione apre
una chiamata separata che puo`
essere rifiutata
(quarto postulato)
Integrated Services
• Caratterizzazione del traffico
tramite le specifiche vettoriali
“T-spec” di ogni flusso
• Caratterizzazione della QoS richiesta
tramite specifiche vettoriali
“R-spec” di ogni flusso
• Problemi di scalabilita`
IntServ
Apertura di una chiamata
segnalazione
hop-by-hop
IntServ
Caratterizzazione del traffico
• T-spec
– insieme di parametri che descrivono il
traffico che verra` iniettato in rete
• R-spec
– insieme di parametri che descrivono la
QoS richiesta dal traffico (sempre
associata ad una T-spec)
• T-spec ed R-spec servono ai nodi per
stabilire se ci sono abbastanza
risorse per la nuova connessione
IntServ
Servizio “Guranteed Quality”
• Fornisce un limite superiore assoluto
e “dimostrabile” al ritardo che un
pacchetto puo` esperire in un nodo
• Piuttosto complicato, ma l’idea di base
e` quella emulare in ogni nodo la
presenza di dispositivi tipo “token
buket” dedicati ad ogni flusso
IntServ
Servizio “Controlled Load”
• Fornisce “una qualita` di servizio quasi
indistinguibile dalla QoS che lo stesso
flusso riceverebbe se l’elemento di rete
fosse scarico”
• Non fornisce garanzie assolute ma solo
statistiche
• Ha come obiettivo soprattutto fornire un
servizio migliore a applicazioni real-time
sviluppate per reti best-effort
IntServ
RSVP
Resource ReSerVation Protocol
• Protocollo di segnalazione per IntServ
• Fornisce un servizio di trasporto
hop-by-hop direttamente su IP per i
messaggi di segnalazione
• Non specifica come i nodi prenotano le
risorse ne’ come forniscono la QoS
richiesta
IntServ
RSVP
• Basato sul concetto di “soft-state”: ogni
prenotazione deve essere continuamente
mantenuta, altrimenti viene cancellata allo
scadere di un contatore
• Adatto a sessioni sia unicast sia multicast
• Protocollo pilotato dai ricevitori:
chi riceve le informazioni prenota le
risorse e le mantiene durante la
comunicazione
IntServ
RSVP:
funzionamento schematico
messaggi
di prenotazione
“merged”
flusso
dati
messaggi
di prenotazione
Differentiated Services
• Architettura di rete semplice
• Considera flussi aggregati
(scalabilita`)
• Fornisce modelli di servizio flessibili e
aperti
• Supporta la QoS senza bisogno di un
sistema di segnalazione complesso
come RSVP
DiffServ
Architettura core-and-edge
• Struttura differenziata tra i bordi
della rete (edge) e la parte interna
(core)
• Le funzioni piu` complesse sono
svolte solo sul bordo della rete
• La parte interna si concentra su
poche funzioni fondamentali
DiffServ
Architettura core-and-edge
network
edge
network
core
network
edge
DiffServ
Funzioni di bordo
(edge functions)
• Classificazione dei pacchetti
(Primo Postulato)
• Condizionamento del traffico
(Secondo Postulato)
DiffServ
Funzioni della Parte Interna
(core functions)
• Commutazione e trasmissione dei
pacchetti in base alla sola classe di
appartenenza dei pacchetti
(per-hop-behavior)
DiffServ
Classificazione dei pacchetti
• Si suddivide in due parti:
– scelta della classe di traffico o behavior
aggregate (classification)
– assegnazione del codice DSCP
Differentiated Service Code Point
(marking)
dalla
sorgente
alla
rete
classification
marking
DiffServ
Per-Hop-Behavior (PHB)
• Insieme di regole coerenti che
consentono di inoltrare i pacchetti in
modo differenziato solamente in
funzione del loro DSCP
– comportamento differenziato misurabile
dall’esterno, senza alcuna specifica sui
meccanismi interni
– implicitamente “raccomanda” algoritmi
work-conserving (quinto postulato)
DiffServ
Gestione della rete
speciali entita`chiamate
Bandwidth Brockers
(BB)
scambiano informazioni
e “gestiscono” le risorse
definite con i PHB
?
?
?