Dalla commutazione manuale

Alla telefonia su IP

Alle reti mobili di 3a generazione (UMTS)

Le reti telefoniche

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

semi-automatici (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)

protocolli di utente

(PCM)protocolli di

segnalazione(SS#7)

protocolli di utente

(PCM)

protocolli di segnalazione

(SS#7)

bla ... bla ... bla

informazione di utente

informazione di controllo

centrale locale

Informazione e controllo “viaggiano” separati

PCM SS#7

nodoPCM

nodoSS#7

centrale locale nodo

SS#7PCMSS#7

nodoPCM

nodoPCM

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

centrale locale

centrale distrettuale

rete diaccesso

rete digiunzione

rete dilunga distanza

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 75

• 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• .......

Architettura di principio

SSP

SSP

SSP

database

SCPSCP

SMPSMP

database

INAP links

SSP: Service Switching PointSCP: Service Control PointSMP: Service Managing Point

SS#7

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 LPC-LTP (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

Campionamento e Quantizzazione

tempo

am

pie

zza

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

Comunicazioni personalied evoluzione verso le reti integrate

RETI CELLULARI:

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

•AMPS: Advanced Mobile Phone Service•è 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 - 3

•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 - 4

•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 - 5

•I 4 problemi da risolvere hanno spinto verso soluzioni di tipo concertato (standard internazionali) con tecnologia numerica (GSM, D-AMPS, IS-95)

Cenni storici - 6

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 WIRELESSè una (sotto)rete in cui l’accesso da un terminale avviene attraverso un canale

“senza filo”

RETE CELLULAREè 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

StazioneRadio Base

Verso altre reti

(Gateway o Router)

Terminale

Terminale

Rete Wireless Autoconfigurante

Verso altre reti

(Gateway)

Verso altre reti(Gateway)

Terminale

Terminale

Terminale

Terminale

Terminale

Terminale

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

CLUSTER

7

65

2

4

32

7

1

1

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°

Stazioneradio base

Settori1

3

7

6

5

4

9

8

2

Copertura cellulare con celle di dimensione diversa per aree a diversa intensità di

traffico

Zona ad altadensità di traffico

Zona a bassadensità di traffico

Copertura cellulare stratificata

micro-celle

Celle a“ombrello”

Copertura cellulare di tipo autostradale

Celle per la copertura stradale

Via di grandecomunicazione

Altrecelle

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 - 11982: 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 - 21985: 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 - 31987: 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)

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 - 4

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 - 5

1994-95: introduzione degli SMS1995-97: introduzione dei servizi a 1800MHz1996: standardizzazione dei codificatori

enhanced sia full che half-rate1997: terminali dual-band con codificatore

enhanced1999: 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 - 6

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 verso le reti di 3a generazione e contribuendo a determinare il fallimento commerciale delle reti satellitari

Evoluzione del GSM - 7

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

BTS

BSC

MS

Rete telefonicafissa

ISDN/PSTN

OMC

EIR

MS

MS

BTSMS

BTSMS

MS

BTS

MS

MS

BSC

BSC

Um

Um

Um

Um

Abis

AbisAbis

Abis

BSC

A

A

A

A

E

AuC

MSC

GMSC

VLR

VLR HLR

BSS

NSS

OSS

RS

Network and Switching

Operation

Radio

Base Station

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

•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

Terminale Mobile (Mobile Station - MS)

MS

Modulo di Identificazione Utente(Subscriber Identity Module - SIM)

• È una scheda intelligente (con processore e memoria) di tipo smart card che rende “operativo” un qualunque terminale MS

• 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

SIM

Modulo di Identificazione Utente(Subscriber Identity Module - 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)

SIM

Stazione Radio Base(Base Tranceiver Station - 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)

BTS

Controllore della Stazione Radio Base(Baser Station Controller- 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

BSC

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

• 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

GMSC

Registro di Localizzazione Principale(Home Location Register)

• 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

HLR

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

• 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

AC

Registro di Identificazione degli apparati(Equipment Identity Register)

• 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

EIR

Centro Gestione e Controllo(Operation and Maintenance Center)

• 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)

OMC

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 reteModifica 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 registrazioneHandover: 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

Richiesta del Canale

Rilascio del Canale

Aggiornamento dei “Registri”

ACK di Area e TMSI

Assegnazione dell’Area e del TMSI

Controllo dell’Autenticazione

Risposta di Autenticazione

Richiesta di Autenticazione

Richiesta di Aggiornamento Posizione

Assegnazione del Canale

ACK dell’attivazione del Canale

Attivazione del Canale

Operazione o “Azione” MS BTS BSC (G)MSC VLR HLR

Procedura di Registrazione

Instaurazione di una chiamata da MS

ACK della Connessione

Avviso di “Chiamato libero (o occupato)”

Connessione Accettata dal Chiamato

ACK Canale Dati

Assegnazione di Canale per il Dati

Inoltro Chiamata in Atto

Setup (Numero da chiamare)

Comando di Cifratura

Accettazione della Cifratura

Risposta di Autenticazione

Scambio Dati Utente

Richiesta di Autenticazione

Richiesta di Chiamata

Assegnazione del Canale

Richiesta del Canale

Operazione o “Azione” MS BTS

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

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.

MSC BSC

BTS

BTS1MS

Confine tra le celle

Handover tra diversi BSC

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)

MSC

BTS1 BTS2

BSC1 BSC2

Confine tra le celle

MS

Handover tra diversi MSC

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.

MSC1

BTS1 BTS2

BSC1 BSC2

Confine tra le celle

MSC2

MS

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

GSM esteso downlink

GSM esteso uplink

DCS/1800 uplink

DCS/1800 downlink

F[MHz]880

890

915 935 960

925

1710 1785 18801805

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 canali FDM nella parte primaria dello spettro

più canali nella parte estesa

• DCS/1800 ha a disposizione canali FDM

• 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

125200

45000

50200

10000

375200

75000

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”

3107654310765 2 2

0765431076543 22

TDM Frame - 4.615 ms

BTS Transmits

MS Transmits

Struttura dei burst “normali”

8.253571261573

GPTCoded DataSTraining SequenceSCoded DataT

148 bit = 546.12 µs

• 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

83888

Guard Period TCoded DataSynchronization

SequenceT

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

• 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):

in realtà, per convenzione si assume

Sincronizzazione e Dimensione delle celle

km5.37m/s1032522

1CGP

2

1R 8 smax

km35R max

Dimensione delle Celle e Copertura del Territorio

• , in realtà le celle sono parzialmente sovrapposte per cui possiamo immaginare, per una copertura “macrocellulare” uniforme , cioè

• Il territorio Italiano è circa 300000 km , diciamo 400000 considerando le acque territoriali e simili

• Il numero minimo di celle per coprire l’Italia risulta quindi 400000/2800 se si usano celle circolari e se si usa una copertura settoriale a

• 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

km35R max

km30R 22RπΑ km28002

150150 0120

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

• 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)

Architettura Generale

GPRSArchitettura Generale

MS

BSS

SGSN

GGSNSGSN

MSC/VLR

SM-SC

GMSCHLR

EIR

GGSN

altre PLMN

PDN(IP,X.25,...)

GPRSPiano utente (trasmissione)

Application

IP/X.25

SNDCP

LLC

RLCMAC

GSM RF

RLCMAC

BSSGP

NS

GSM RF L1bis

IP/X.25

GTP

RLCMAC

GSM RF

UDP/TCP

TP

L2BSSGP

NS

L1bis L1

LLCUDP/TCP

TP

GTPSNDCP

MS BSS SGSN GGSN

U Gb G

GPRS

• 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

Protocolli piano utente

GPRSPiano di controllo (segnalazione)

GMM/SM

LLC

RLCMAC

GSM RF

RLCMAC

BSSGP

NS

GSM RF L1bis

GMM/SM

RLCMAC

GSM RF

LLC

MS BSS SGSNUm Gb

• GMM/SM: GPRS Mobility Management and Session Management

GPRS

• 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

QoS

GPRS

• 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

Accesso al canale

UMTS e IMT 2000

• Reti cellulari a larga banda, ovvero la terza generazione

• 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??

Oltre la telefonia

UMTS

• 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

Velocita` di trasmissione

UMTS

• 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!!!

Accesso al canale e rete fissa

UMTS

• 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

Protocollo MAC

Il primo passo verso le reti multimediali

La telefonia su IP

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

ApplicazioniServizi 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

Chiamate possibili

telefono - telefono

PC - telefono

PC - PC

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

...

gatekeeper

endpoint

H.225/RAS

H.245RTP/DATI

H.323 comunicazione tra terminali nativi

H.323

...

gatekeeper

endpoint

gateway

endpoint

H.225/RAS

H.245RTP/DATI

comunicazione tra un terminale nativoe uno “esterno”

...

gatekeeper

gateway

endpoint

endpoint

H.225/RAS

H.245RTP/DATI

H.323 comunicazione tra terminali esterni

G.711G.722G.723G.728G.729

IP

TCP UDP

H.225(Q.931)

RTP

H.245 T.120 RTCPH.225 (RAS)

H.261H.263

ControlloSegnalazione Dati Audio Video Controllo

H.323: Pila protocollare

SetupCall Proceeding

TCSM/S Det.

Release Complete

AlertingConnect

TCS + AckM/S Det. + AckTCS Ack

M/S Det. AckOpen L. Ch

Open L. Ch + Ack

Media Close L. Ch

End Sess. Cmd Close L. Ch. + AckClose L. Ch. + AckEnd Sess. CmdEnd Sess. Cmd

H.245H.225.0 (Q.931)

RTP/RTCP

Segnalazione H.323 (call control)

Terminal Capability SetTerminal Capability SetMaster Slave Master Slave DeterminationDetermination

Open L. Ch Ack Open Logical ChannelOpen Logical Channel

Close Logical ChannelClose Logical ChannelEnd Session CommandEnd Session Command

DisengageReq

Reg. Req

Adm. Req

Reg. Req

Adm. Req

RASH.225.0

Disengage Req

Setup

Rel.Complete

Call setup, comunicazione, tear-down

Rel. Complete

Unreg. Req

Unreg. Req

Segnalazione H.323 (RAS)end-

pointend-

pointgatekeep

er

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??)

Internet o

intranetPSTN

oISDN

oPBX

Gatekeeper

RouterGateway

H.320(ISDN)

H.324(POTS)

telefoni tradizionali

H.323 Una “zona”Client H.323 Client H.323

...

Client H.323

IP phone

IP phone

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

• 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

Gatekeeper

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 inter-gatekeeper !!!!

• 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 GH.323 V.3

Gatekeeper

Gatekeeper

Gatekeeper

Gatekeeper

BorderElement

Gatekeeper

Gatekeeper

Endpoint

PSTNo

ISDN

EndpointH.323 Zone

Gateway

MCU

AD

AD

AD

AD

AD

H.323Administrative

Domain

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

• 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: Elementi dell’architettura

• Gli indirizzi sono URL:– sip:jdrosen@bell-labs.com:5067– sip:ann:passwd@lucent.com

• 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: Indirizzi e Metodi

• La sintassi è ripresa da HTTP:

INVITE gerla@cs.ucla.edu SIP/2.0From: locigno@polito.it (Renato Lo Cigno)Subject: Next visit to L.A.To: gerla@cs.ucla.edu (Mario Gerla)Call-ID: 1999284605.56.86@Content-type: application/sdpCSeq: 4711Content-Length: 187

SIP: Sintassi dei messaggi

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

SAP

Internet

Session Announcement Protocol

• Annuncia sessioni multimediali via multicast

• Descrive sessioni (normalmente RTP) mediante SDP

RTSP Client

RTSP Server

PLAY

Real Time Streaming Protocol

• 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

SIP: Esempio di una chiamata vocale

SIP: OPTIONS

SIP: INVITE+ SDP+ SAP

SIP: ACK

RTP/RTCP: pacchetti e controllo voce

SIP: BYE

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`

Apertura di una chiamataIntServ

segnalazione hop-by-hop

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

RSVPResource 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

IntServ

flussodati

messaggidi prenotazione

“merged”

messaggidi 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

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-edgeDiffServ

networkcore

networkedge

networkedge

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)

DiffServ

classification marking

dalla sorgente

allarete

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 reteDiffServ

speciali entita`chiamate Bandwidth Brockers

(BB) scambiano informazioni e “gestiscono” le risorse

definite con i PHB

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