Nella trattazione utilizzeremo la terminologia dello standard global system for mobile communication (GSM). Inizialmente GSM stava per Groupe Spécual Mobile poi convertito nell'attuale versione più anglofona.
Nel 1980 gli Europei sentirono l'esigenza di un sistema telefonico digitale continentale che potesse sostituire i numerosi telefoni cellulari nazionali che erano analogici e incompatibili tra di loro, arrivando allo standard GSM. Gli europei installarono la tecnologia GSM con grande successo agli inizia degli anni 90 e da allora l'Europa ha vestito i panni del gigante della telefonia cellulare in tutto il mondo.
Le tecnologie sono classificate in generazioni.
Quelle più datate sono state progettate per il traffico telefonico. I sistemi di prima generazione, 1G, erano analoghi ai sistemi FDMA progettati solamente per le comunicazioni audio. Questi sistemi, ormai estinti, sono stati sostituiti dai sistemi 2G digitali. Benché digitali, anche i sistemi di seconda generazione vennero progettati per la fonia, ma più tardi vennero estesi, 2.5G, per supportare il traffico dati, per esempio Internet, oltre al servizio di telefonia. I sistemi 3G supportano sia voce che dati, con una sempre maggiore enfasi sulla capacità di trasporto dati e collegamenti di accesso radio più veloci. Gli attuali sistemi 4G sono basati su tecnologia LTE (nucleo di rete completamente basato su IP) e forniscono voce e dati integrati a velocità in Megabit.
Architettura 2G...
Il termine cellulare si riferisce al fatto che un'area geografica è suddivisa in aree di copertura dette celle. Ogni cella contiene una stazione base che prende il nome di BTS (Base Trasnfer Station) che scambia segnali con le stazioni mobili della cella. L'area di copertura dipende da molti fattori, altezza dell'antenna, palazzi che ostruiscono il segnale, potenza di trasmissione.
Nella figura sopra gli esagoni (a nido d'ape) indicano le celle.
Nelle celle le stazioni base (BTS) sono collocate al centro degli esagoni, nella realtà si preferisce piazzare le stazioni nei punti di contatto con le altre celle. In modo che ogni BTS possa servire più celle.
Lo standard GSM per i sistemi cellulari 2G usa una combinazione di FDM e TDM per l'interfaccia aerea. Ricordiamo che FDM puro suddivide il canale in bande di frequenza, ciascuna banda dedicata ad una chiamata. Mentre TDM suddivide il tempo in frame, ciascuno ripartito in slot e a ogni chiamata viene assegnato un particolare slot di un frame. Usando una combinazione tra FDM e TDM, abbiamo il canale è suddiviso in bande di frequenza e ciascuna banda è suddivisa in frame e slot. Se il canale è suddiviso in
Le bande di frequenza di GSM sono di 200kHz, ciascuna supporta 8 chiamate TDM.
GSM codifica le chiamata a 13 e 12,2 kpbs.
Un base station controller (BSC nella figura) serve alcune decine di BTS.
Il ruolo del BSC è di allocare canali radio BTS agli utenti mobili, eseguendo la procedura di paging, consiste nel trovare la cella in l'utente risiede, ed eseguire l'handoff dell'utente mobile (trasferimento da una cella ad un'altra, lo vedremo tra poco).
Il BSC insieme alle BTS (che controlla) costituiscono il base station system (BSS) di una rete GSM.
Il mobile switching center (MSC, nella figura) gioca il ruolo centrale nell'autorizzazione e identificazione degli utenti (determinando per esempio se un dispositivo mobile è autorizzato a connettersi alla rete cellulare), nello stabilire o terminare una chiamata e nell'handoff. Tipicamente, un singolo MSC contiene fino a 5 BSC, pari a circa 200 mila utenti per MSC. Un operatore cellulare ha molti MSC, di cui alcuni speciali chiamati gateway MSC, che hanno il compito di connettere la rete cellulare dell'operatore alla più grande rete telefonica pubblica.
Architettura 3G: accesso a Internet agli utenti delle reti cellulari...
Con l'architettura 2G è possibile effettuare chiamate audio. Per aggiungere i servizi disponibili in Internet è necessario un dispositivo che esegua tutti i protocolli dello stack TCP/IP e che acceda ad internet attraverso la rete dati cellulare. L'argomento delle reti cellulari è molto vaso ed eterogeno. Non esistono singoli standard da enti ufficiali tra quelli in competizione. In questa trattazione ci focalizzeremo sugli standard 3G e 4G UMTS (Universal Mobile Telecom Communications Service), sviluppati da 3GPP (3rd Generation Partenership Project). Diamo ora uno sguardo alla figura seguente, facendo un'analisi dell'alto e scendendo nei dettagli man mano.
3G core network...
Il nucleo (core) della rete dati cellulare 3G connette reti di accesso radio a Internet. La core network interopera con le componenti della rete cellulare esistente per la voce, in particolare con l'MSC. I progettisti dei servizi dati 3G preferirono lasciare in tatto il nucleo GSM per la voce, aggiungendo in parallelo funzionalità per la trasmissione dati.
Nella core network vi sono due tipi di nodi:
- Serving GPRS Support Nodes (SGSN)
- Gateway GPRS Support Nodes (GGSN)
GPRS sta per Generalized Racket Radio Service che è un servizio dati cellulare di 2G.
In questa sede discutiamo la versione evoluta di GPRS implementata nelle reti 3G.
Un SGSN (ricorda S: serving) ha il compito di consegnare datagrammi a/da nodi mobili nella rete di accesso radio a cui l'SGSN è collegato.
L'SGSN interagisce con l'MSC della rete voce cellulare di quell'area, fornendo agli utenti i servizi di autorizzazione e handoff, memorizzando le informazioni di posizione (cella) dei nodi mobili attivi e inoltrando i datagrammi tra i nodi mobili in una rete di accesso radio e un GGSN, che agisce come gateway connettendo più SGSN a Internet. Quindi il GGSN è l'ultima parte dell'infrastruttura 3G che un datagramma inviato da un nodo mobile incontra prima di entrare in internet. Al mondo esterno il GGSN appare come un qualsiasi altro gateway; la mobilità dei nodi all'interno delle rete di un GGSN è nascosta all'esterno.
Le reti voce e dati operano in parallelo.
Nella figura non è chiaro, SGSN e MSC collaborano per instradare il traffico dati. Sarebbe stato più chiaro se ci fosse stata una linea/freccia che connettesse i due elementi della rete 3G.
Reti di accesso radio 3G: il confine wireless...
La rete di accesso radio 3G è la rete wireless del primo hop vista da un utente 3G.
Il Radio Network Controller (RNC) controllare tipicamente alcune stazioni base simili ai BTS incontrati nei sistemi 2G (nel gergo UMTS chiamati Node B, nome poco esplicativo).
L'RNC è connesso sia alla rete cellulare a commutazione di circuito tramite un MSC sia a Internet a commutazione di pacchetto tramite un SGSN.
Sebbene i nuclei dei servizi voce e dati siano paralleli, hanno in comune il primo e ultimo hop che è l'RNC.
Un cambiamento significativo di UMTS rispetto alle reti 2G è quello di usare una tecnica CDMA particolare (nota come Direct Sequence WideBand CDMA, DS-WCDMA) all'interno degli slot TDM, invece di usare (come avveniva nella rete 2G) GSM FDM/TDM.
Questo richiede una nuova rete di accesso cellulare 3G che operi in parallelo con la rete radio BSS 2G (come mostrato nella figura sopra). Il serivizio associato alle specifiche WCDMA è noto come HSPA (high speed packet access) e prospetta velocità di downlink per i dati fino a 14Mbps.
Verso il 4G: LTE...
Il 4G, rispetto al 3G presenta due importanti innovazioni: nucleo di rete completamente basato su IP e rete di accesso migliorata.
La figura sopra mostra l'architettura generale del 4G, che sfortunatamente introduce nuovi vocaboli per indicare le componenti, tra cui cercheremo di non perderci. Vi sono alcune importanti osservazioni ad alto livello ce si possono fare, che sono le seguenti:
- Un'architettura di rete unificata e completamente basata su IP. A differenza del 3G, in cui vi sono due reti separate, una per la voce e una per i dati, qui abbiamo una rete completamente basata su IP.
- Una netta distinzione del piano dei dati e del piano di controllo 4G. Come abbiamo già visto nei capitoli 4 e 5, il 4G sfrutta la separazione tra il piano dei dati e il piano di controllo.
- Una netta separazione tra l'accesso radio e il nucleo completamente basato su IP. I pacchetti IP che trasportano i dati dell'utente vengono inoltrati tra l'utente (chiamato UE nel gergo di 4G, User Equipment) e il gateway (noto come P-GW, Packet Gateway) su una rete 4G interna, verso la rete esterna.
Le principali componenti...
- eNodeB è il discendente logico della base station 2G e del 3G radio netowrk controller (node B) e gioca, ancora una volta, un ruolo centrale, ovvero quello di trasmettere i datagrammi tra l'UE e il P-GW. I datagrammi dell'UE vengono incapsulati nell'eNodeB e inviati in modalità tunneling al P-GW attraverso il nucleo di rete (completamente basato su IP) che è EPC (Evolved Packet Core). La procedura di tunneling è simile a quella usata da per instradare pacchetti IPv6 nella rete IPv4 (tunneling IPv6). Il tunnel potrebbe aver associato garanzie di qualità del servizio (QoS).
- Il Packet Data Network Gateway (P-GW) assegna gli IP agli UE e si occupa del QoS. Essendo un endpoint, svolge anche operazioni di incapsulamento/decapsulamento durante l'inoltro di un datagramma a un UE o verso un UE.
- Il Serving Gateway (S-GW) è il nodo in cui passa tutto il traffico di un UE e che svolge funzioni anche di fatturazione e intercettazione del traffico.
- Il Mobility Management Entity (MME): esegue la connessione e la gestione della mobilità per conto dell'UE che si trova in una certa cella (controllata dall'MME).
- L'Home Subscriber Server (HSS) contiene le informazioni dell'UE quali la capacità di roaming, il profilo della qualità del servizio e le informazioni di autenticazione.
LTE Radio Access Network...
LTE utilizza una combinazione di multiplexing a divisione di frequenza e di tempo sul canale di downstream noto come multiplexing a divisione di frequenza ortogonale. Con ortogonale ci si riferisce al fatto che i segnali inviati su canali a frequenze diverse vengono creati in modo da creare poca interferenza anche quando le frequenze sono molto vicine.
In LTE, per ogni nodo mobile attivo, vengono allocati uno o più time slot da 0,5 ms, su una o più frequenze del canale.
In figura vediamo un'allocazione di otto time slot su quattro frequenze diverse. Più time slot vengono allocati, più aumenta la capacità trasmissiva del nodo. Il tasso trasmissivo può variare in base a diverse tecniche di modulazione (che si adattano alle condizioni correnti). La massima velocità di trasmissione dati di LTE è 100 Mbps in downstream e 50 Mbps in upstream su uno spettro di 20 MHz. Questa particolare allocazione degli slot ai nodi mobili non è imposta dallo standard LTE. La decisione di quale nodo mobile è autorizzato a trasmettere in un dato slot su una fissata frequenza è determinata dagli algoritmi di scheduling forniti dai costruttori di apparati LTE e/o dagli operatori di rete. Si usano inoltre le priorità dell'utente e i livelli di servizio dei contratti.