Rivolgiamo ora la nostra attenzione alle reti telefoniche cellulari che hanno una storia più lunga per quanto riguarda il supporto delle mobilità.
Qui ci focalizzeremo sulla mobilità, utilizzando l'architettura delle reti cellulari GSM come caso di studio concreto, in quanto si tratta di una tecnologia matura e ampiamente sviluppata.
GSM adotta un instradamento indiretto, inviando prima la chiamata del corrispondente alla rete di appartenenza dell'utente mobile e da lì alla rete visitata. Nel gergo GSM, la rete di appartenenza dell'utente mobile è identificata come home PLMN (home public land mobile network, rete di appartenenza mobile di area pubblica). Poiché l'acronimo PLMN è un po' complicato, per evitare una zuppa di sigle, ci riferiremo alla home PLMN di GSM semplicemente come alla rete di appartenenza. Questa è costituta dal fornitore di servizi cellulari con cui l'utente mobile ha un contratto. La PLMN visitata, alla quale faremo riferimento come rete visitata, è la rete in cui l'utente mobile di volta in volta risiede.
Come nel caso di IP mobile, le responsabilità delle reti domestiche e di quelle visitate sono differenti.
- La rete di appartenenza mantiene un database detto HLR (home location register, registro di localizzazione di appartenenza), che contiene il numero telefonico permanente del telefono cellulare e le informazioni sul profilo degli utenti. L'HLR contiene anche informazioni sulla localizzazione corrente di questi utenti. Quindi, se al momento l'utente mobile sta operando nella rete cellulare di un altro fornitore, HLR conterrà le informazioni necessarie per ottenere l'indirizzo nella rete visitata al quale instradare le chiamate verso l'utente. Come vedremo, uno switch speciale GMSC (gateway mobile services switching center) viene contattato da un corrispondente per le chiamate dirette agli utenti mobili. Qui ci riferiremo al GMSC con il termine più evocativo di MSC di appartenenza (home MSC).
- La rete visitata mantiene un database detto VLR (visitor location register, registro di localizzazione dei visitatori), che contiene una voce per ogni utente mobile che si trova attualmente nella parte della rete da lui servita. Queste voci nascono e muoiono ogni volta che l'utente entra o lascia la rete. VLR è solitamente localizzato nell'MSC che coordina l'instaurazione delle chiamate da e per la rete visitata.
In pratica, la rete del gestore servirà come rete di appartenenza per i suoi utenti e come rete visitata per gli utenti mobili di altri fornitori.
Instradamento delle chiamate verso utenti mobili...
Adesso siamo in grado di descrivere come sono instradate le chiamate dirette a un utente GSM che si sposta in una rete ospitante. Considereremo un semplice esempio, le cui fasi sono illustrate nella figura seguente.
- Il corrispondente compone il numero di telefono dell'utente mobile. Questo numero non si riferisce a una particolare linea o locazione, in quanto il numero di telefono è fisso, ma l'utente è mobile. Si suppone che la prima parte del numero di telefono sia utile per identificare la rete di appartenenza dell'utente. La chiamata viene instradata dal corrispondente attraverso la rete pubblica commutata verso l'MSC della rete di appartenenza.
- L'MSC di appartenenza riceve la chiamata e interroga l'HLR per determinare la localizzazione dell'utente. In questo semplice caso, l'HLR restituisce il MSRN (mobile station roaming number, numero di roaming della stazione mobile), a cui ci riferiremo come numero di roaming. Notiamo che questo è diverso dal numero di telefono permanente, che è associato alla rete di appartenenza dell'utente mobile. Il numero di roaming è effimero: è assegnato temporaneamente all'utente quando visita una rete. Il numero di roaming è simile al COA di IP mobile ed è invisibile al corrispondente e all'utente. Se HLR non ha il numero di roaming, restituisce l'indirizzo del VLR della rete visitata. (In questo caso, non mostrato nella figura, l'MSC di appartenenza dovrà interrogare il VLR per ottenere il numero di roaming dell'utente mobile).
- Dato il numero di roaming, l'MSC di appartenenza imposta la seconda tratta della connessione verso l'MSC della rete visitata. Ka chiamata è completata in quanto instradata lungo il percorso che va dal corrispondente, all'MSC di appartenenza, all'MSC visitato, fino alla stazione base, che sta servendo l'utente mobile.
Quando il telefono mobile viene acceso o entra a far parte di una nuova rete visitata, coperta da un nuovo VLR, dovrà registrarsi tramite uno scambio di messaggi di segnalazione tra il nodo mobile e il VLR. Quest'ultimo, a sua volta, invia un messaggio di richiesta di aggiornamento di localizzazione all'HLR del nodo mobile. Questo messaggio informa l'HLR del numero di roaming con cui il nodo può essere contattato, oppure dell'indirizzo VLR (a cui può essere richiesto il numero di roaming). Durante questo scambio, il VLR ottiene anche informazioni sull'utente e determinata quali eventuali servizi gli possono essere accordati nella rete visitata.
Handoff in GSM...
Quando una stazione mobile cambia la sua associazione da una stazione base ad un'altra nel corso di una chiamata si verifica l'handoff (letteralmente passaggio di mano).
La chiamata, inizialmente, instradata alla vecchia stazione mobile e dopo l'handoff è instradata verso la nuova stazione. Assumiamo, per adesso, che la vecchia e la nuova stazione condividano lo stesso MSC e che questo effettui il re-instradamento.
L'handoff si può verificare per diversi motivi:
- il segnale tra stazione base corrente e quella mobile potrebbe subire un tale deterioramento che la chiamata rischia di cadere;
- una cella potrebbe essere sovraccarica di chiamate. La congestione in questo caso è risolta passando la chiamata e delle stazioni base in delle celle vicine, meno congestionate.
Le stazioni mobili analizzano periodicamente l'intensità del segnale di beacon della stazione base cui sono correntemente associate e dei segnali di beacon di stazioni vicine (circa 1-2 volte ogni secondo), tale analisi danno le informazioni necessarie per spingere una stazione ad effettuare handoff.
La figura seguente, illustra le fasi dell'handoff.
- La vecchia stazione base (BS) comunica all'MSC visitato che sta per essere eseguito l'handoff e la nuova stazione (o il gruppo di possibili nuove stazioni) cui l'utente mobile sarà a associato.
- L'MSC visitato inizializza un percorso verso la nuova BS, allocando le risorse necessarie per re-instradare la chiamata e segnalandole che l'handoff sta per essere eseguito.
- La nuova BS alloca e attiva un canale radio per la stazione mobile.
- La nuova BS trasmette all'MSC visitato e alla vecchia BS che il percorso dall'MSC visitato alla nuova BS è stato stabilito e che la stazione mobile dovrà essere informata dell'imminente handoff. La nuova BS fornirà tutte le informazioni necessarie alla stazione mobile per associarsi.
- La stazione mobile è informata che dovrà eseguire l'handoff. Notiamo che, fino a questo punto, la stazione mobile è inconsapevole che la rete ha preparato le basi per effettuare l'handoff.
- Le stazioni mobili e la nuova BS si scambiano uno o più messaggi per completare l'attivazione del nuovo canale, nella nuova BS.
- La stazione mobile invia un messaggio di completamento dell'handoff alla nuova BS, la quale lo invierà all'MSC visitato. A sua volta, questo re-instraderà la chiamata attiva alla stazione mobile attraverso la nuova BS.
- Le risorse allocate lungo il percorso verso la vecchia BS vengono rilasciate.
Gestione handover 4G...
L'handover è il corrispondente dell'handoff nel 4G.
Un handover si verifica quando un dispositivo mobile cambia la sua associazione da una stazione base all'altra. Il processo di handover descritto di seguito è lo stesso a prescindere dal fatto che il dispositivo mobile si trovi nella copertura Wi-Fi domestica o si ospite in una rete visitata (visited network).
Prima dell'handover i datagrammi dal dispositivo mobile o verso il dispositivo mobile sono inizialmente inoltrati al dispositivo mobile tramite una stazione base (a cui ci riferiremo con stazione sorgente), e dopo l'handover sono instradati al dispositivo mobile tramite una altra stazione base (a cui ci riferiremo con stazione target).
- La stazione sorgente seleziona la stazione target e gli invia una richiesta di handover.
- La stazione target controlla se ha le risorse per aggiungere un nuovo dipositivo mobile e i suoi requisiti di servizio. Se le ha, pre-alloca le risorse del canale sulla sua rete di accesso radio e altre risorse per il dispositivo da accogliere. La stazione target invia un ACK per la richiesta di handover contenente tutte le informazioni che servono al dispositivo per associarsi alla nuova stazione base.
- La stazione sorgente riceve l'ACK per la richiesta effettuata in precedenza e informa il dispositivo dell'identità della stazione base e le informazioni di accesso al canale. A questo punto, il dispositivo mobile può cominciare ad inviare/ricevere datagrammi da/verso la nuova stazione base. Dal punto di vista del dispositivo mobile l'handover è finito.
- La stazione sorgente smetterà di inoltrare datagrammi al dispositivo mobile e invece comincerà ad inoltrarli verso la stazione target, che li inoltrerà successivamente al dispositivo mobile.
- La stazione target informa l'MME che la stazione target stessa sarà la nuova stazione base per il dispositivo mobile. L'MME lo segnala a S-GW e la stazione target riconfigura il S-GW per collegarsi con sé stessa invece che con la stazione sorgente.
- La stazione target ri-conferma alla stazione sorgente che il tunnel è stato riconfigurato, consentendo alla stazione sorgente di poter liberare le risorse per il dispositivo che ha lasciato la stazione sorgente.
- A questo punto, la stazione target può cominciare a consegnare i datagrammi al dispositivo mobile, inclusi i datagrammi inoltrati alla stazione target dalla stazione sorgente durante l'handover.
Concludiamo accennando a cosa succede quando si verifica handoff e l'MSC delle stazioni base coinvolte nell'handoff non è lo stesso.
Come si vede in figura, GSM definisce la nozione di MSC di appoggio (anchro MSC), ovvero quello visitato dalla stazione mobile quando vengono inizializzate le chiamate, e che non può cambiare durante la chiamata. Per tutta la sua durata, indipendentemente dal numero di trasferimenti inter-MSC effettuati dalla stazione mobile, la chiamata è instradata dall'MSC di appartenenza all'MSC di appoggio e, in seguito, da questo a quello visitato, dove la stazione mobile è correntemente ubicata. Quando un utente mobile si sposta dall'area di copertura di un MSC a un'altra, le chiamate in esecuzione sono re-instradate dall'MSC di appoggio al nuovo MSC visitato che contiene la nuova stazione base. Quindi, in ogni momento, ci sono al massimo tre MSC (di competenza, d'appoggio e visitato) tra il corrispondente e l'utente mobile.