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dispense universitarie relative al protocllo umts
Tipologia: Dispense
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In questo capitolo viene descritta l’architettura di rete del sistema di comunicazione mobile cellulare UMTS e ne viene analizzata la struttura protocollare, approfondendo in modo particolare il livello fisico.
La futura introduzione del sistema di comunicazione mobile UMTS è considerata un evento rivoluzionario, in grado di raggiungere importanti obiettivi come la convergenza tra reti fisse e reti mobili, l’offerta di un’ampia gamma di servizi, comprendendo tra essi tutto ciò che attualmente viene definito con il termine ‘comunicazione multimediale’, e una vasta disponibilità di applicazioni accessibili sia in modo wired che wireless. Il raggiungimento di tali obiettivi è possibile principalmente tramite lo sviluppo di un’interfaccia radio innovativa, senza tuttavia trascurare la core network che supporta il sistema di accesso alla rete. Le attuali core network dei sistemi di telecomunicazione mobile sono principalmente ottimizzate per il trasporto vocale tramite connessioni a circuito mentre, al contrario, per UMTS vi è la necessità di supportare anche il trasferimento di dati nella modalità a pacchetto. L’integrazione tra reti mobili e fisse ha come conseguenza la realizzazione di un sistema in grado di fornire una singola piattaforma di servizi di telecomunicazione. Le principali funzionalità richieste ad UMTS sono, quindi,
la capacità di supportare servizi dati a larga banda, comunicazioni di tipo simmetrico e asimmetrico, traffico a commutazione di circuito con garanzia di QoS, traffico a commutazione di pacchetto con diversi livelli di QoS, servizi real time e non real time e l’introduzione di nuovi servizi basati su tariffazioni flessibili. La nascita delle nuove reti UMTS è un’evoluzione delle attuali reti di telefonia mobile numeriche (di seconda generazione), le quali presentano il grande vantaggio di essersi diffuse ampiamente e velocemente in tutto il mondo, divenendo uno standard ‘de facto’. Il passaggio da GSM a UMTS risulta quindi un percorso costituito da un insieme di passi successivi strettamente correlati tra di loro.
L’infrastruttura delle attuali reti mobili si è evoluta a partire da quella delle reti di telecomunicazione pubbliche fisse, caratterizzate da ritardi di trasferimento limitati, ereditando però da esse la bassa flessibilità dell’architettura di rete e la difficoltà di sviluppare nuove caratteristiche. Infatti l’infrastruttura delle reti mobili è strettamente legata alla scelta delle tecniche di comunicazione sull’interfaccia radio, rendendo difficoltose le modifiche su di essa senza ripercussioni sulla parte di rete fissa. Inoltre, l’interfaccia radio, essendo ottimizzata per il traffico vocale, può dare luogo ad alcuni problemi quando si intendono aggiungere nuovi servizi dati; infine la tariffazione, basata sulla durata della connessione e sulla distanza, risulta essere scarsamente flessibile. Molte di queste limitazioni sono state affrontate dai comitati di standardizzazione internazionali e hanno portato a soluzioni che attualmente stanno per essere introdotte. Una di queste soluzioni è l’evoluzione dalle reti GSM verso il sistema General Packet Radio Service (GPRS) che fornisce agli operatori la possibilità di offrire servizi dati notevolmente migliorati rispetto a quelli supportati dal GSM, le cui velocità sono limitate a 9.6 kbit/s. Tali miglioramenti sono dovuti all’utilizzo della commutazione di pacchetto che permette di supportare le comunicazioni IP direttamente sull’interfaccia radio, senza il bisogno di instaurare una connessione a circuito. Quindi, il sistema GPRS rappresenta il primo passo verso l’introduzione della tecnica a commutazione di pacchetto sull'interfaccia radio.
La tecnica di trasporto a commutazione di pacchetto, rispetto a quella a commutazione di circuito, permette di trasferire contemporaneamente in modo efficiente dati che richiedono bit rate variabili, ma anche informazioni di segnalazione; questa tecnica è stata scelta per essere utilizzata all’interno dei sistemi che rappresentano l’evoluzione delle reti GSM proprio perché permette un migliore sfruttamento delle risorse della rete.
Gf
Uu
Um
D
Gi
Gn
Iu
Gc
E C
Gp
Gs
Signalling and Data Transfer Interface
Signalling Interface
MSC/VLR
TE MT UTRAN PDN TE
Iu Gr
HLR
Other PLMN
SGSN
GGSN
Gd
SMS-IWMSCSMS-GMSC SM-SC
GGSN
SGSN EIR
Gn (^) CGF
Ga Ga Billing System
Gb TE MT BSS R
A R
Figura 4.2: Architettura logica del dominio a pacchetto GPRS - UMTS
Un'altra caratteristica importante è determinata dall’introduzione di una tariffazione flessibile che può dipendere dalla durata della connessione, ma anche dalla quantità di dati trasferiti o dalla qualità di servizio richiesta. Dal punto di vista dell’utente, ciò che rende diverso il sistema UMTS da GPRS è una maggiore disponibilità di servizi ed una maggiore velocità di trasferimento dati; essa è resa possibile da un’allocazione delle risorse radio molto flessibile ed efficiente, in quanto per la trasmissione di dati a pacchetto, a seconda del livello di attività di un terminale mobile, possono essere allocati dalla rete canali comuni a contesa o canali dedicati.
Dovendo ospitare un’ampia gamma di servizi con caratteristiche molto diverse, è indispensabile che la rete UMTS associ ad ognuno di essi una certa qualità di servizio (QoS) che permetta di identificare in modo univoco i requisiti del servizio di trasporto ( Radio Bearer ) da utilizzare. Nel definire le diverse classi
di QoS in UMTS, è necessario tenere in considerazione le limitazioni e le restrizioni proprie dell’interfaccia radio, le quali richiedono l’introduzione di meccanismi appropriati per garantire la QoS necessaria. Sono definite quattro diverse classi di qualità di servizio in base alla sensibilità ai ritardi di trasferimento:
Iu
U T R A N
U E
U u
U T R A NC N UMTS Terrestrial Radio Access NetworkCore Network U E U s e r E q u i p m e n t
C N
Figura 4.3: Architettura generale del sistema UMTS
Al contrario, la Background class richiede la massima affidabilità e integrità sulla trasmissione dei dati e necessita quindi di un basso tasso d’errore.
Mentre le prime due classi sono adatte al trasporto dei flussi di traffico real time , le ultime due sono quelle più adatte per le tradizionali applicazioni Internet come WWW, E-mail, FTP, Telnet, ecc. A causa dei bassi requisiti di ritardo rispetto alla classe conversazionale e quella streaming, la background class e la interactive class offrono un minor error rate tramite opportuni schemi di codifica e di ritrasmissione. Il traffico della interactive class ha una priorità più alta rispetto al traffico background e quindi quest’ultimo può utilizzare soltanto le risorse lasciate libere dal traffico interactive. Tale caratteristica è importante nelle reti wireless , poiché la larghezza di banda a disposizione è di gran lunga inferiore a quella utilizzata nelle reti fisse. La tabella 4.1 mostra le caratteristiche delle classi di QoS, mentre la tabella 4. mette in evidenza per ogni classe i parametri del radio access bearer.
Se si osserva la figura 4.3, si può notare come la struttura della rete UMTS possa essere essenzialmente suddivisa in 3 elementi principali:
GC Nt DC GC Nt^ DC
UE UTRAN Core Network
Access Stratum
Non-Access Stratum
Radio (Uu) Iu
Figura 4.4: Suddivisione in Access Stratum e Non Access Stratum
La figura 4.4 mette in evidenza le stratificazioni all’interno dell’architettura di UMTS, ovvero la suddivisione della rete in Access Stratum (AS) e Non Access Stratum (NAS). L’Access Stratum comprende un insieme di elementi funzionali di cui fanno parte tutti i livelli appartenenti all’URAN (UMTS Radio Access Network ) e parte dei livelli all’interno dello User Equipment.
Il confine tra AS e NAS è determinato dalla separazione tra livelli dipendenti dalla particolare tecnica di accesso radio utilizzata e quelli totalmente indipendenti da essa. Questo confine si trova all’interno dell’UE ( mobile boundary ) e in particolari nodi della rete ( fixed boundary ). Questa suddivisione è necessaria affinché la riconfigurazione della rete di accesso o le modifiche apportate ad essa abbiano il minimo impatto sulle funzionalità della core network (e viceversa). Inoltre una particolare Access Network , attraverso l’interfaccia Iu, può offrire l’accesso a diversi tipi di core network e deve risultare trasparente ai diversi servizi supportati. L’ Access Stratum offre i servizi attraverso i seguenti Services Access Points (SAP), che saranno meglio descritti nel paragrafo 4.5.1, al Non Access Stratum :
Questa stratificazione può essere ridefinita per distinguere le entità finali dell’ Access Stratum , che forniscono i servizi ai livelli superiori, dalle entità locali, che forniscono servizi rispettivamente sull’interfaccia Uu e Iu. La figura 4.5 mostra tali caratteristiche. Il blocco Uu Stratum comprende le entità descritte in figura 4.6, in cui si nota come il livello RRC svolga un ruolo di supervisione sui livelli protocollari RLC/MAC e fisico dell’interfaccia radio.
I protocolli di comunicazione riguardanti le interfacce di rete Uu e Iu, a cui si è fatto riferimento precedentemente, possono essere divisi in due gruppi:
RNS
RNC
RNS
RNC
Core Network
Node B (^) Node B Node B Node B
Iu Iu
Iur
Iub Iub Iub Iub
Figura 4.7: Architettura dell’UTRAN
S R N S
C o r e N e t w o r k
Iu D R N S (^) I u r
U E
C e l l s
Figura 4.8: Serving RNS e Drift RNS
L’UTRAN è costituito da un insieme di Radio Network Subsystem connessi alla core network attraverso l’interfaccia Iu. Un Radio Network Subsystem, come mostrato in figura 4.7, comprende due elementi fondamentali: un Radio Network Controller ed uno o più Node B. Un Node B è connesso al RNC attraverso l’interfaccia I ub e può supportare entrambe le modalità di trasmissione FDD ( Frequency Division Duplex ) e TDD ( Time Division Duplex ). Un RNC è l’entità responsabile della gestione delle risorse all’interno delle celle di cui esso è a capo, ma anche degli handover che richiedono lo
S R N S
C o r e N e t w o r k
I u D R N S (^) I u r
U E
R N S
C o r e N e t w o r k
I u S R N S
U E B e f o r e S R N S R e l o c a t i o n A f t e r S R N S R e l o c a t i o n
Cells
Figura 4.9: Rimpiazzo del SRNS
Application Protocol
Data Stream(s)
ALCAP(s)
Transport Network Layer
Physical Layer
Signalling Bearer(s)
Transport User
Network Plane
Control Plane User Plane
Transport User
Network Plane
Transport Network Control Plane
Radio Network Layer
Signalling Bearer(s)
Data Bearer(s)
Figura 4.10: Modello protocollare generale per le interfacce UTRAN
trasferimento dati. A seconda del contesto, questa funzione può essere svolta da diverse entità come i SRNS, i DRNS e i Node B.
L
RLC
PDCP
MAC
E.g., IP, PPP, OSP
Application
L
RLC
PDCP
MAC ATM
UDP/IP
GTP-U
AAL
Relay
L
UDP/IP L
GTP-U
E.g., IP, PPP, OSP
MS UTRAN 3G-SGSN
Uu Iu-PS Gn Gi 3G-GGSN
ATM
UDP/IP
GTP-U
AAL L
UDP/IP
GTP-U
L
Relay
Figura 4.11: Architettura protocollare di UMTS nel piano utente
RLC
RRC
L
GMM / SM / SMS
RRC
MAC
ATM
RANAP
AAL
Relay
ATM
AAL
MS RNS 3G SGSN
Uu Iu-Ps
RLC SCCP Signalling Bearer
MAC L
Signalling Bearer
RANAP SCCP
GMM / SM / SMS
Figura 4.12: Architettura protocollare di UMTS nel piano di controllo
L’interfaccia radio è costituita principalmente da tre livelli protocollari:
L
controlcontrol control control
Logical Channels
Transport Channels
C-plane signalling U-plane information
PHY
L2/MAC
L
RLC
GC Nt DC
L2/RLC
MAC
RLC RLC RLC RLC RLC RLC RLC
Duplication avoidance
UuS boundary
BMC (^) L2/BMC
RRC
control
PDCP PDCP L2/PDCP
GC Nt^ DC
Figura 4.13: Stratificazione protocollare dell’interfaccia radio Uu
Il livello 2 è diviso nei seguenti sottolivelli: Medium Access Control (MAC), Radio Link Control (RLC), Packet Data Convergence Protocol (PDCP) e Broadcast/Multicast Control (BMC). Il livello 3 ed il RLC sono suddivisi nei piani di utente (U) e di controllo (C). I livelli PDCP e BMC esistono soltanto nel piano d’utente. Nel piano di controllo, il livello 3 è diviso in sottolivelli di cui fa parte anche il Radio Resource Control (RRC) che si interfaccia con il livello 2 e termina nell’UTRAN. Il livello 3 termina all’interno della Core Network , ma fa ancora parte dell’ Access Stratum : esso fornisce i servizi dell’Access Stratum ai livelli superiori. I livelli superiori come il Mobility Management (MM) e il Call Control (CC) non dipendono dall’ Access Stratum e non saranno qui descritti. La figura 4.13 mostra l’architettura dei protocolli dell’interfaccia radio. Ogni blocco nella figura rappresenta un’istanza del rispettivo protocollo.
e offre servizi di trasferimento delle informazioni al MAC ed ai livelli superiori. Le primitive di comunicazione con il MAC (PHY-primitives) forniscono il trasferimento di transport block sull’interfaccia radio e l’indicazione dello stato del livello fisico al MAC, mentre le primitive di comunicazione con il RRC (CPHY-primitives) forniscono il controllo della configurazione del livello 1.
I servizi di trasporto di questo livello sono definiti da quante risorse e con quali caratteristiche i dati sono trasferiti sull’interfaccia radio. Il trasferimento dati dal livello fisico al MAC e viceversa avviene tramite i canali di trasporto ( Transport Channels ). Le caratteristiche di un determinato canale di trasporto sono definite da un formato di trasporto o da un insieme di formati di trasporto. Ad ogni canale di trasporto con rate fisso o lentamente variabile può essere associato un Transport Format mentre ad ogni canale con rate fortemente variabile può essere associato un Transport Format Set. Un formato di trasporto è definito come una combinazione di codifica, interleaving e bit rate da applicare alle informazioni da trasmettere. Un Transport Format Set è un gruppo di formati di trasporto.
L’unità temporale di riferimento per il livello fisico è pari alla durata di una trama radio ( frame ) che corrisponde a 10 ms. Il Transmission Time Interval (TTI), invece, può durare quanto una trama radio, ma può anche essere un multiplo del tempo di trama e rappresenta l’intervallo temporale in cui un transport block o, più in generale, un transport block set (inteso come un insieme di transport block da trasmettere contemporaneamente sfruttando lo stesso transport channel) viene passato dal livello 2 al livello 1 per la trasmissione sul canale radio. Tipicamente un transport block corrisponde ad una PDU di livello RLC.
Un UE può avere contemporaneamente attivi uno o più canali di trasporto, ognuno con le proprie caratteristiche di trasporto; il multiplexing di tali canali su di uno o più canali fisici è compito del livello fisico. Il flusso dati ottenuto in seguito alle operazioni di multiplexing e codifica è definito Coded Composite Transport Channel (CCTrCH) e viene trasferito su uno o più canali fisici. In downlink per ogni UE possono essere utilizzati contemporaneamente più CCTrCH e per la modalità FDD i diversi CCTrCH possono sottostare a diversi requisiti di C/I in modo da fornire diverse QoS. In uplink, invece, può essere utilizzato un solo CCTrCH nella modalità FDD. Ad ogni CCTrCH viene associato un Transport Format Combination Indication (TFCI) che serve per
identificare in modo univoco il Transport Format Combination (TFC), definito come la combinazione dei transport format utilizzati dai canali di trasporto del Coded Composite Transport Channel all’interno della durata dell’attuale trama radio. Il TFC può essere scelto dal MAC tra una serie di combinazioni di formati di trasporto fornita dal livello RRC, definita come Transport Format Combination Set (TFCS).
Per meglio mettere in evidenza l’importanza dei parametri che permettono ai dati provenienti dai canali di trasporto di essere trasmessi sull’interfaccia radio, è necessario sintetizzare nel seguente elenco le loro caratteristiche.