RETI WIRELESS E RETI MOBILI.
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CAPITOLO 12
RETI WIRELESS
E RETI MOBILI .
112. RETI WIRELESS E RETI MOBILI
Spesso i due termini, RETI MOBILI e RETI WIRELESS vengono usati indifferentemente come se
fossero sinonimi, ma in realtà non è così.
Una RETE WIRELESS è una “rete senza fili”.
Talvolta per evitare il cablaggio che può risultare non conveniente, si utilizzano le RETI WIRELESS, in
cui le varie entità comunicano tra di loro attraverso delle interfacce aeree.
Questa soluzione può essere utilizzata anche in sede locale in cui vi sia la necessità di collegare più
calcolatori senza effettuare il cablaggio dell’edificio (Fig. 12.1-1).
Oppure, se diversi terminali di una sede distaccata devono essere connessi con la sede centrale,
invece di stendere una linea in cavo tra le due postazioni fisse, se sono in visibilità elettromagnetica,
si può realizzare un collegamento di tipo punto-punto, dotando ciascuna sede di un’antenna (Fig.
12.1-1). In questo modo il problema si risolve senza dover affrontare costi eccessivi. Quello che
abbiamo presentato è l’esempio di una LAN realizzata con una RETE WIRELESS.
La trattazione delle RETI WIRELESS in ambito locale sarà effettuata di seguito in questa sezione.
RETE WIRELESS
RETE WIRELESS
LOCALE
Sede 2
Sede 1- Centrale
Fig. 12.1-1: RETE WIRELESS
Al contrario delle RETI WIRELESS, in cui i terminali sono fissi, nelle RETI MOBILI (Fig. 12.1-2 di
pagina 3) i terminali possono muoversi e continuare ad avere la conversazione attiva, con la grande
comodità di essere rintracciati nel caso di chiamate provenienti da altri terminali. Le reti mobili
sono, infatti, delle reti che supportano la mobilità.
Per molti anni la mobilità è stata terminale, in cui si aveva la disponibilità di terminali che
permettevano la comunicazione di un utente in movimento, attraverso un’interfaccia wireless (tra il
terminale e la rete).
Successivamente con l’esigenza di disaccoppiare il terminale dall’utente, nasce la mobilità
personale, che si presenta come l’integrazione della Terminal Mobility con la Service Profile
Portability, con l’aggiunta di altri servizi (vedi pagina 3).
2Fig. 12.1-2: RETE MOBILE
12.1 Reti Mobili
Le reti mobili possono essere classificate sia in base ai tipi di mobilità che in base alle tecnologie
utilizzate.
12.1.1 Classificazione delle Reti Mobili in base ai tipi di mobilità
Si distinguono 4 diverse classi di mobilità:
1. ACCESS MOBILITY
In questo caso la capacità di movimento di un terminale è limitata all’interno di un piccolo
raggio d’azione prossimo al punto di accesso ad una rete di telecomunicazione. Un esempio
sono i sistemi Cordless, nei quali un terminale mobile non può allontanarsi più di 500 m dal
punto base, che presenta una interconnesione fissa con la rete telefonica.
2. TERMINAL MOBILITY
E’ caratterizzata dalla capacità di un terminale di accedere ad una rete di telecomunicazione,
mentre esso è in movimento e di essere in qualsiasi momento identificato e localizzato dalla
rete.
3. SERVICE PROFILE PORTABILITY
Questo tipo di mobilità permette ad un utente di avere accesso ai servizi del suo profilo,
utilizzando una rete diversa da quella presso cui ha sottoscritto il contratto (con i relativi
servizi). In un prossimo futuro si prevede, infatti, che ogni utente potrà sottoscriversi ad un
“provider” della rete, indicando tutti i servizi che gli interessano (esempio: e-mali,
videoconferenza, fax, …) e la qualità richiesta per ciascun servizio; inoltre se l’utente si sposta
e vuole accedere ad un altro provider, i servizi gli verranno forniti sempre secondo la sua
sottoscrizione. In questo modo è come se l’utente si trovasse sempre presso lo stesso provider
a cui si è abbonato.
4. PERSONAL MOBILITY
Si tratta della capacità di un utente di accedere ai servizi di telecomunicazione, per cui ha
sottoscritto un abbonamento, tramite qualsiasi terminale. Inoltre la rete riesce ad identificare e
localizzare l’utente per offrirgli i servizi sottoscritti. Quindi la Personal Mobility si può
configurare come l’integrazione della Terminal Mobility con la Service Profile Portability,
con l’aggiunta di altri servizi.
3La figura qui di seguito riportata mostra come
• nel I caso (NO MOBILITY) non si ha nessuna mobilità: infatti esiste una relazione fissa
tra l’utente e il proprio terminale e tra il terminale e la rete fissa;
• con la TERMINAL MOBILITY (II caso) la rete ha sempre una relazione fissa con il
terminale (o quantomeno con la SIM CARD), ma il terminale non è legato staticamente
alla rete;
• con la PERSONAL MOBILITY (III caso) tutto diventa dinamico, poiché l’utente può
essere contemporaneamente presente su più terminali fissi o mobili.
Line Terminal User
identification identification identification
Fixed Fixed Fixed
No
networks mobility
Relations Relations
Dynamic Dynamic Terminal
Mobile
mobility
networks Relations Relations
Fixed Dynamic
and Dynamic Personal
Mobile mobility
networks Fixed
Con la PERSONAL MOBILITY ad ogni utente viene assegnato un numero personale e per
ciascuno di essi la rete crea un User Profile, cioè un profilo d’utente, in cui sono specificati il
tipo e la qualità dei servizi ed eventuali restrizioni sugli spostamenti, stabiliti in fase di
contratto con l’utente.
Nell’user profile possono essere indicati anche i numeri attraverso cui è possibile rintracciare
l’utente per telefonare, per spedire e-mail, fax, etc.
In questo modo la rete, dal nome dell’utente e dal tipo di servizio richiesto, sarà in grado,
interrogando l’user profile, di sapere se tale utente è abilitato al servizio richiesto e di
conoscere il numero su cui è possibile rintracciarlo
Inoltre l’utente ha la possibilità di modificare il suo user profile, al fine di poter essere
rintracciato anche in caso di trasferimento provvisorio verso un terminale dove l’utente è, al
momento, presente: grazie a questo tipo di registrazione remota, l’utente, da remoto, può
registrarsi, a suo piacimento, su qualsiasi terminale.
Nel caso in cui è possibile supportare sia la mobilità personale che la mobilità terminale si parla di
Personal Communications Services (PCS).
412.1.2 Classificazione delle reti mobili in base alla tecnologia utilizzata
Distinguiamo tre diverse generazioni:
I. I GENERAZIONE. Sistemi a trasmissione analogica, generalmente non standardizzati da enti
ufficiali e non interoperanti (non esisteva l’interoperabilità a livello
europeo).
II. II GENERAZIONE. Sistemi a trasmissione digitale standardizzati e interoperanti a livello
europeo.
III. III GENERAZIONE. Sistemi multimediali, globali, che integrano più servizi (offerti anche dalle
generazioni precedenti) accessibili da un unico terminale di utente, al fine
di realizzare la Personal Mobility.
12.1.3 Servizi di mobilità esistenti
SERVIZI DI PAGING
Nei SERVIZI DI PAGING, cioè il classico “cerca persona”, i terminali sono radio ricevitori dotati di
display, ma non trasmettitori. Le caratteristiche principali dei SISTEMI DI PAGING sono:
Maggiore semplicità rispetto ai sistemi cellulari (segue dall’assenza del trasmettitore);
Eccellente copertura del territorio con una spesa ridotta;
dimensioni ridottissime dei terminali;
lunga vita delle batterie (sempre grazie all’assenza del trasmettitore).
I servizi di PAGING disponibili in Italia sono il Teledrin (in ambito nazionale) e l’Euromessage (che
permette il roaming in altre quattro nazioni europee: Francia, Svizzera, Germania, Inghilterra).
SISTEMI DI TELECOMUNICAZIONI CORDLESS
Per sistemi CORDLESS si intendono le coppie Terminale-Base che sono collegati attraverso
un’interfaccia radio, mentre la Base è connessa in maniera fissa ad una rete di telecomunicazioni.
Per i sistemi CORDLESS possiamo distinguere due generazioni:
A. Sistemi CT-1 e CT-2: si tratta di sistemi, spesso non omologati, concepiti per essere usati
all’interno delle abitazioni, non protetti dalle interferenze e dalle
frodi. La frequenza di lavoro di questi sistemi è intorno a 900 MHz.
B. Standard DECT: prevede la possibilità di mobilità terminale entro i confini della città,
commutando, in caso di allontanamento dalla postazione base, le
conversazioni anche su antenne diverse da quella collocata nella propria
abitazione. Di conseguenza lo standard DECT (Digital Enhanced
Cordless Telecomunications) prevede anche funzioni di roaming e di
handover, in cui i terminali non possono spostarsi con velocità
superiore a 40 Km/h. Inoltre il DECT, rispetto ai sistemi CT-1 e CT-2,
offre una migliore qualità della voce e garantisce una maggiore
sicurezza rispetto alle frodi alle intercettazioni. La frequenza di lavoro è
intorno a 1880 ÷ 1990 MHz.
TELEFONIA CELLULARE
E’ nata per soddisfare l’esigenza degli utenti di potersi spostare continuando ad avere lo stesso
terminale, lo stesso abbonamento e quindi lo stesso numero al quale essere chiamati.
Quindi un Sistema di Telefonia Cellulare deve avere la capacità di localizzare gli utenti e trasferire
loro le chiamate. Ecco i diversi sistemi cellulari che sono nati e che si sono via via evoluti:
51) Sistemi di I Generazione: sistemi cellulari analogici, alle frequenze di 450 e 900 MHz, che
permettono il roaming solo a livello nazionale.
2) Sistema TACS (Total Access Comunications System): non è altro che il sistema analogico
che ha preceduto il GSM. Con il sistema TACS, il roaming è solo a livello
nazionale, si ha l’handover e si garantisce una buona qualità della voce ed
un elevato grado di copertura del territorio nazionale.
3) Sistema GSM (Global System for Mobile Comunications): è un sistema digitale, migliore
anche del E-TAC (Extended - TACS, sistema analogico sviluppatosi dopo il
TACS) in cui la frequenza è intorno ai 900 MHz; è previsto il roaming
internazionale e la presenza di una SIM CARD. Infatti mentre nei sistemi
analogici al terminale è associato un numero telefonico, nel sistema digitale
GSM il numero è associato alla SIM CARD e rimane invariato anche
inserendo tale CARD in diversi terminali.
Il trasporto dell’informazione è basato sulla multiplazione della frequenza FDM, (almeno nello
stadio iniziale, adesso si usa anche il TDM), gestita mediante un’allocazione dinamica.
Alcuni esempi di servizi offerti dai sistemi GSM sono:
avviso di conteggio,
identificazione del numero chiamante e
Call Forwarding, cioè la possibilità di deviare le chiamate in arrivo verso un altro terminale.
SISTEMI MOBILI SATELLITARI
Oltre alle antenne di terra, possono anche essere utilizzate, per comunicare, antenne poste sui
satelliti. Le antenne paraboliche servono per comunicare con satelliti in orbita geostazionaria, cioè
in posizione fissa rispetto alla terra e a distanza da essa di circa 36.000 Km.
Non è proponibile l’idea di realizzare terminali mobili che sfruttano satelliti in orbita
geostazionaria, visto che le distanze sono proibitive e l’autonomia delle batterie dovrebbe essere
notevolmente elevata.
A tal proposito si è pensato di lanciare satelliti ad orbita più bassa (LEO - Low Earth Orbit, con
distanze che vanno da 500 Km a 1500 Km), a scapito della geostazionarietà.
Se è teoricamente possibile coprire tutta la superficie terrestre usando solamente 3 satelliti
geostazionari, con un satellite a bassa orbita si riesce a coprire una piccola porzione di superficie
terrestre, per cui è necessario un numero di satelliti LEO maggiore di 3.
Consideriamo un terminale collegato ad uno dei satelliti LEO della costellazione: non essendo tale
satellite geostazionario, esso può scomparire durante una conversazione, non assicurando più la
copertura della zona in cui l’utente si sta movendo. Per evitare questo inconveniente, presa una
qualsiasi porzione della superficie terrestre, ci deve sempre essere un satellite che la “illumina”,
cioè se un satellite “tramonta” ne deve subito “sorgere” un altro.
I satelliti LEO permettono la copertura globale e l’interconnessione alle PSTN e ISDN, lavorando
alle frequenze di 1,6 e 2,4 GHz. Esistono due sistemi mobili satellitari:
• IRIDIUM: è costituito da 66 satelliti “intelligenti”, in quanto consentono anche la
commutazione a bordo.
• GLOBALSTAR: vi sono 48 satelliti, ma le centrali “intelligenti” sono poste al suolo.
Il grande vantaggio dei sistemi mobili satellitari è la capacità di coprire anche zone molto vaste e
scarsamente popolate senza dover affrontare grossi costi.
SISTEMI DI TELECOMUNICAZIONI MOBILI DI III GENERAZIONE: STANDARD UMTS
Gli obbiettivi dello Standard UMTS (Universal Mobile Telecomunications System) sono:
¾integrazione dei Sistemi Cellulari e Cordless in un unico sistema ed in un unico terminale;
6¾qualità della fonia e dei servizi almeno paragonabile a quella dell’attuale rete fissa;
¾servizi di trasmissione dati con bit rate fino a 2 Mbit/s;
¾accesso diretto ai servizi via satellite.
Lo standard prevede che ad ogni utente sia assegnato un numero, detto Personal Number (P.N.),
valido in tutte le reti presso cui egli ha l’abbonamento.
Se si vuole contattare un utente, basta digitare il P.N.: la rete penserà a rintracciarlo.
Affrontiamo più in dettaglio le problematiche della telefonia cellulare.
12.1.4 Problematiche del Sistema Cellulare
Supponiamo, ad esempio, che ad un sistema cellulare venga assegnata una banda di 1000 KHz (1
MHz) e che ogni conversazione telefonica utilizzi una banda di 1 KHz dell’ntera banda messa a
disposizione: cioè è possibile avere, al massimo, 1000 connessioni attive contemporanee.
Se si utilizza una sola antenna per coprire un territorio abbastanza esteso, con alta densità di
popolazione, solo 1000 degli utenti appartenenti a tale area possono istaurare conversazioni
contemporanee, quindi è probabile che si verifichi la congestione del sistema.
Il problema nasce dalla scarsa disponibilità di banda. Per superare questo limite si utilizzano dei
trasmettitori di potenza non molto elevata con antenne non eccessivamente alte che coprono aree
più o meno ampie a cui viene assegnata solo una parte di tutta la banda disponibile (ad esempio 100
KHz come indicato in Fig. 12.1-3).
0 - 100 KHz
101-200 KHz
1 6
201-300 KHz 7
2
5 10
3
0 - 100 KHz
4 8
1
Fig. 12.1-3: distribuzione, su una certa regione, di 10 antenne con banda di 100 KHz cadauno
In Fig. 12.1-3 è presente una distribuzione, su una certa regione, di 10 antenne cui viene assegnata
una banda di 100 KHz cadauno. L’antenna 1 utilizza la banda 0÷100 KHz, la 2 la banda 101÷201
KHz e così via.
Le stesse frequenze assegnate all’antenna 1, possono essere riassegnate ad un’altra antenna (a cui
assegniamo il numero 1, per indicare la stessa banda di appartenenza) purché questa si trovi a
distanza sufficientemente grande dall’antenna 1 da non interferire.
Così due utenti possono usare contemporaneamente la stessa banda di frequenza non interferendo
tra di loro, per via della notevole distanza che li separa: ecco spiegato il concetto di riuso della
frequenza, che permette il riutilizzo delle frequenze (frequency reuse) senza che le interferenze
rendano impossibile la comunicazione.
7L’area di copertura della singola antenna prende il nome di cella a cui viene assegnata una certa
banda, costituita da un certo numero di canali radio. Il raggio di copertura della cella può variare da
26 Km (macrocella) a 2 Km (microcella), fino alle centinaia di m (picocella).
Si definisce cluster l’insieme delle celle in cui viene utilizzato l’intero spettro di frequenze
disponibile (nell’esempio di Fig. 12.1-3, l’insieme delle celle 1÷10 costituisce un cluster).
Il riuso delle frequenze consente di aumentare la capacità del sistema, cioè il numero di
conversazioni contemporanee che possono avvenire in quella data area.
Si definisce CAPACITÀ TOTALE DEL SISTEMA la quantità
C = M ×K×N Eq. 12.1-1
dove M = numero di cluster
K = numero di canali per cella
N = numero di celle in un cluster, detto cluster size, mentre la grandezza 1/N è chiamata
frequency reuse factor, poiché ad ogni cella è associato solo 1/N della capacità totale.
Secondo quanto mostrato in Fig. 12.1-3, considerando un solo cluster di 10 antenne, si ha che
C = 1 × 100 × 10 = 1000
Se, invece, la stesa regione viene suddivisa in N cluster, la capacità del sistema diventa:
C ′ = N × 100 × 10 = N × 10 3 ,
per cui nella stessa estensione del territorio è possibile accettare contemporaneamente un numero di
chiamate N volte più grande.
Questo è il principale vantaggio dei sistemi cellulari. Ovviamente la scelta di N va fatta garantendo
che le antenne, che usano le stesse frequenze, siano abbastanza lontane da non interferire fra di loro.
In Fig. 12.1-4, sono rappresentati alcuni esempi di cluster al variare del numero N di celle che
costituiscono il singolo cluster.
1 1 1 1
1 1 1 2 2 2
1 1 3 3
1 1 1 1 1 1
N=1 1 1 N=3 2 2
1 1 1 3 3 3
1 1 1 1
1 1 1 2 2 2
1 1 3 3
2 2 2 1
1 3 1 1 5 7
4 4 4 7 6
3 1 3 6 3 4
N=4 2 2 2 N=7 4 2
1 3 1 2 1 5
4 4 4 5 7
3 1 3 7 6 3
2 2 2 3 4
1 3 1 4 2 1
Fig. 12.1-4: numero N = 1, 3, 4, 7 di celle che costituiscono il singolo cluster.
8In genere alla cella viene assegnata la forma di un poligono regolare, come mostrato in Fig. 12.1-5;
normalmente si preferisce rappresentare la cella nella forma esagonale.
Fig. 12.1-5: celle triangolari, quadrate, esagonali
Consideriamo un’area divisa in celle di forma quadrata, in cui un cluster sia costituito da 4 celle
(Fig. 12.1-6). Concentriamo la nostra attenzione sulla cella blu n° 1. Le altre celle azzurre limitrofe
contrassegnate con il numero 1, utilizzano lo stesso range di frequenze della cella 1 originaria.
L’obbiettivo è cercare di minimizzare le interferenze tra queste celle.
1
3 4
1 1 2 1
1
Fig. 12.1-6: area divisa in celle di forma quadrata, in cui un cluster è costituito da 4 celle
A tal fine definiamo il RAPPORTO DI RIUSO CO-CANALE.
Se indichiamo con D la distanza fra i centri di 2 celle co-canali (Fig. 12.1-7), detta anche distanza
di riuso, e con R il raggio di ciascuna cella (supposta di forma esagonale), si definisce rapporto di
riuso co-canale la quantità:
D
Q= Eq. 12.1-2
R
Se N è il numero di celle che formano il cluster , si dimostra che
Q = 3⋅ N Eq. 12.1-3
Inoltre si dimostra che il rapporto Segnale(S)/Rumore interferente(I) (stiamo considerando solo il
rumore I dovuto all’interferenza di i0 celle, escludendo qualsiasi altro tipo di rumore eventualmente
esistente) è pari a
9S Qα
= Eq. 12.1-4
I i0
dove α = coefficiente di propagazione (generalmente 2 < α < 5)
i0 = numero di celle interferenti (mediamente i0 è uguale a 4 per le celle di forma quadrata e
uguale a 6 per celle di forma esagonale).
D
R INTERFERING
CELL
Fig. 12.1-7: distanza D fra i centri di 2 celle co-canali; raggio R della cella
Dall’Eq. 12.1-3, segue che
S ( 3 ⋅ N )α
= Eq. 12.1-5
I i0
Gli enti di standardizzazione hanno fissato pari a 18 dB il rapporto S/I minimo che si deve
assicurare nei sistemi cellulari di tipo analogico (es. il TACS).
Imponendo S/I=18 dB e fissando α=3.9, si può determinare, dall’Eq. 12.1-5, il valore di N per celle
di forma esagonale (i0=6):
[ S / N ]dB
S ( 3 ⋅ N )α
N = 10 = ⇒
10
dB i0
2 2
[ S / N ]dB
α 18
3.9
i0 × 10 10 6 × 10 10
⇒ N= = = 6.9985423 ≅ 7
3 3
105
6 4
1 6
7 3
2 7
Fig. 12.1-8: cluster composto da 7 celle esagonali
Secondo quanto calcolato e mostrato in Fig. 12.1-8, il valore di N=7 è stato ottenuto non tenendo
conto della situazione peggiore in cui il segnale utile è più debole rispetto al segnale interferente,
ovvero quando il terminale mobile si trova ai confini di una cella. Nel caso in cui il terminale è
vicino all’antenna, posta in genere al centro della cella, N=7 è un valore accettabile, in quanto è
massima la potenza del segnale utile e la distanza da tutte le celle interferenti vale D.
Nelle condizioni peggiori, per avere un S/I=18 dB, occorre fissare N=9 o N=12.
Dimensionamento delle Celle
La dimensione delle celle viene scelta in base alla densità degli utenti di una certa area.
Naturalmente più piccole sono le celle con cui si suddivide l’intera area, più cluster si avranno e più
la capacità C=M× K×N (con M = numero di cluster) sarà elevata.
Capacità elevate consentono di servire contemporaneamente un numero elevato di chiamate.
Per ridurre le dimensioni di una cella, si dovrà operare diminuendo la potenza di trasmissione
dell’antenna.
Il dimensionamento della cella dipende anche dal tipo di servizio che si deve offrire: per esempio,
se si deve realizzare una video conferenza, è necessaria una banda molto ampia e quindi si deve
predisporre una sola antenna che espleti questo servizio.
Questi problemi diventano importanti con l’avvento dei sistemi di III generazione, basati sulla
multimedialità.
Frequenze utilizzate nel Sistema GSM
Nel sistema GSM viene assegnata una banda di 25 MHz sia alla trasmissione uplink, cioè dal
terminale mobile (MOBILE STATION - MS) alla stazione radio (BASE STATION - BS), che alla
trasmissione downlink (dalla BS alla MS); in particolare
• la banda uplink ∈ [890, 915 MHz]
• la banda downlink ∈ [935, 960 MHz]
Ad ogni canale viene assegnata una banda di 200 KHz, ottenendo 124 canali bidirezionali
(124×200 KHz = 24.8 ≅ 25 MHz).
Requisiti di un Sistema Cellulare
Servire le chiamate emesse dall’utente;
inoltrare chiamate verso il terminale dell’utente;
mantenere attiva la comunicazione anche se il terminale mobile si sposta da una cella all’altra
(cambiando BS o eventualmente anche MSC). Questa procedura prende il nome di HANDOVER
(passaggio di mano) o HANDOFF;
Conoscere dove si trova l’utente mobile (che può spostarsi lungo la rete) per consegnargli
eventuali chiamate. Questa operazione, detta ROAMING, viene effettuata offline, cioè
indipendentemente che ci sia o meno una comunicazione in corso.
11Disconnessione delle chiamate quando la qualità del segnale scende al di sotto di un limite
prestabilito.
Tutte queste funzioni vengono gestite tramite dei canali di controllo differenti rispetto a quelli usati
per la comunicazione. Il protocollo usato per scambiare tali messaggi è il SS7 e la rete di
segnalazione è chiamata SS7 network.
ROAMING
Consideriamo un’area geografica coperta da un certo numero di antenne e suddivisa in un
certo numero di celle. E’ necessario un meccanismo, detto di ROAMING, attraverso cui la rete
riesca a localizzare un utente durante i suoi spostamenti.
A tale scopo si suddivide l’area geografica in tante location area (l.a.): per location area
intendiamo un insieme di celle entro cui il terminale non deve effettuare nessuna procedura di
location update (spiegata di seguito in questa trattazione).
Per comprendere come si realizza il ROAMING, mostriamo un esempio in cui, per semplicità, le
celle siano quadrate e che ciascuna location area (1, 2, 3, 4, 5, 6 di Fig. 12.1-9) sia costituita
da 4 celle.
VLR HLR
4 3 2C RETE
FISSA
A (PSTN
BS
5 6 1B o
ISDN)
Fig. 12.1-9: spostamenti A→B e A→C di un terminale d’utente.
La BS invia, periodicamente, al terminale d’utente il segnale relativo alla location area in cui
si trova. Nel momento in cui l’utente si sposta dalla posizione A alla posizione B (Fig. 12.1-
9), la BS gli comunica che appartiene ancora alla location area n°1.
Se, invece, l’utente dalla posizione A si sposta nella posizione C, si accorge di essere passato
su un’altra location area (n° 2), grazie al segnale inviatogli dalla BS, e comunica la sua
collocazione corrente alla rete, attraverso un messaggio che prende il nome di location update
(aggiornamento di locazione). In questo modo la rete sa sempre dove si trova l’utente.
Nella rete sono presenti due diversi registri, attraverso cui riesce a gestire le informazioni
dell’utenza:
HLR - HOME LOCATION REGISTER
VLR - VISITOR LOCATION REGISTER
Ogni qual volta un utente sottoscrive un servizio di terminal mobility, viene inserito nel HLR
del provider, presso cui si è abbonato (es. OMNITEL o TIM).
Infatti il registro HLR contiene i dati personali di ogni utente, i servizi che può eseguire per
ogni utente e un puntatore orientato verso il VLR che in quel momento sta servendo l’utente.
12Il VRL è, invece, un registro che ha la funzione di memorizzare dinamicamente i dati degli
utenti che si trovano nella sua area di copertura, compreso l’indicativo della location area in
cui istante per istante si trovano.
Se, infatti, un utente, proveniente da una certa location area, quando accende il suo terminale,
si trova in una nuova location area, la rete prima interroga il HLR, in cui sono inseriti i dati
dell’utente, e successivamente carica questi sul VLR relativo alla l.a. in cui l’utente è
collocato in quel momento.
In questo modo il VLR può gestire i dati di tutti gli utenti che si trovano nella sua area di
appartenenza, anche se questi provengono da HLR lontani.
Con questo sistema non si sa esattamente la cella in cui l’utente si trova, ma si conosce la
location area (formata da 1 o più celle) in cui è situato.
Altro elemento necessario per gestire la terminal mobility è il MSC (MOBILE SWITCHING
CENTER), che si occupa delle funzioni di switching, di location registration e call delivery.
Infatti il MSC svolge la funzione di monitorare la mobilità dei suoi utenti e di gestire le risorse
richieste per poter effettuare la locazione e la funzione di HANDOVER.
Il MSC, dovendo servire tante richieste, può essere rappresentato da una coda. Inoltre il MSC
è anche coinvolto nelle funzioni di internetworking per comunicare con altre reti quali la
PSTN e la ISDN.
Esaminiamo come la rete riesce a tenere la traccia della posizione dell’utente.
Consideriamo un utente x che, quando accende il terminale, si trova nella posizione A di una
cella appartenente alla location area n° 1 di Fig. 12.1-10.
VLR HLR
4 3 2 RETE
FISSA
A (PSTN o
BS MSC
5 6 1 ISDN)
Fig. 12.1-10: registrazione della posizione A (appartenete alla l.a. n° 1) da parte dell’utente x.
Per registrare la sua posizione, l’utente x invia un messaggio alla BS locale, la quale lo inoltra
verso il MSC locale, che informa il VLR locale per registrarvi la collocazione corrente di x.
Possono presentarsi 2 casi:
1° Caso) il VLR ha l’identificativo dell’utente;
2° Caso) il VLR non ha l’identificativo dell’utente. Allora, attraverso la rete fissa, il VLR
contatta il HLR di origine dell’utente x che, dopo consuete operazioni di
identificazione e di autenticazione, provvede a caricare su un record del VLR in
questione i dati dell’utente x.
In questo modo se l’utente, dalla location area n° 1, chiede dei servizi, non è necessario
riferirsi al HLR di origine, visto che i suoi dati sono stati inseriti nel VLR locale.
13Supponiamo che l’utente x si sposti dalla posizione A alla posizione B, cioè nella cella
confinante che appartiene alla location area n° 2 (Fig. 12.1-11).
In questo caso l’utente x, avendo variato la sua posizione, deve inviare, alla BS della location
area n° 2, il messaggio di location update.
VLR HLR
4 3 2B BS RETE
FISSA
A (PSTN o
BS MSC
5 6 1 ISDN)
Fig. 12.1-11: spostamento dell’utente x dalla posizione A alla posizione B (∈ location area 2).
Essendo la BS collegata allo stesso MSC che gestisce la location area n° 1, è necessario
aggiornare soltanto il campo del VLR relativo alla location area in cui si trova l’utente x (l.a.
n° 2), in quanto nel VLR, con la precedente procedura mostrata in Fig. 10.1-10, sono stati
inseriti tutti i dati di x. Quindi, in questo caso, il HLR dell’utente x non sarà informato dello
spostamento di x, visto che il VLR è rimasto lo stesso; cioè la procedura di location update si
esaurisce a livello di VLR.
Se, invece, l’utente x si sposta dalla posizione A alla posizione C, relativa ad una cella
appartenente alla location area n° 6 (Fig. 12.1-12), la BS di questa cella è connessa ad un
MSC diverso dal MSC di Fig. 12.1-10 e 12.1-11. Quindi il nuovo VRL non conosce l’utente
x, per cui deve contattare il HLR d’origine per caricare da esso i dati di x.
Il HLR, dopo aver inviato i dati dell’utente x, aggiorna il puntatore al nuovo VLR che sta
servendo x e comunica al vecchio VLR di cancellare i dati dell’utente x, a cui non servono più.
VLR HLR
MSC
4 3 2 RETE
FISSA
A (PSTN o
BS
5 6 C
1 ISDN)
VLR
BS MSC
Fig. 12.1-12: spostamento dell’utente x dalla posizione A alla posizione C (∈ location area 2).
14Nella seguente Fig. 12.1-13 è rappresentata la struttura della rete di accesso ad un sistema di
terminal mobility, in cui più location area fanno capo allo stesso MSC, collegato direttamente
ad un VLR. Inoltre per collegarsi al HLR, in cui sono contenuti i dati d’utente, il MSC deve
utilizzare la rete fissa. Si badi a non confondere le location area con i cluster, perché tra essi
non c’è alcuna corrispondenza.
PSTN SS7
HLR
MSC HLR
VLR
BSC
BSC
LOCATION
AREA
BS
BS
Fig. 12.1-13: STRUTTURA DELLA RETE DI ACCESSO ad un sistema di terminal mobility,
Nella Fig. 12.1-14 è schematizzata la procedura di LOCATION REGISTRATION che si effettua
quando un utente si sposta tra due celle diverse che appartengono a location area distinte, che
a loro volta fanno capo a due MSC diversi. Ecco rispiegate le azioni compiute:
(1) l’utente si sposta e
(2) capisce che si trova in una location area diversa e invia un messaggio di location
update al MSC. Quest’ultimo interroga il VLR, il quale gli comunica che non ha in
memoria i dati dell’utente in questione.
(3) Allora il MSC richiede al HLR i dati dell’utente.
(4) Il HLR invia i dati al MSC e
(5) comunica al vecchio MSC di cancellare i dati dell’utente in questione.
(6) Il vecchio MSC invia al HLR la conferma della cancellazione.
15HLR
(3)
(4)
(6)
(5)
VLR MSC
VLR MSC
BS
BS BS
(1)
BS BS (2)
BS
Fig. 12.1-14: procedura di LOCATION REGISTRATION di un utente che si sposta tra due celle
diverse che appartengono a location area distinte
In Fig. 12.1-15 è mostrato come viaggiano i messaggi nella procedura di location registration.
Dal terminale mobile (MS) parte un messaggio di registrazione verso il nuovo MSC.
La BS non viene indicata perché non svolge funzioni di commutazione sui messaggi, ma
soltanto li inoltra. Il nuovo MSC chiede al VLR se conosce l’utente, e ricevendo risposta
negativa rivolge la richiesta al HLR. Quest’ultimo trasferisce al nuovo VRL i dati dell’utente
e invia il comando di cancellazione di questi dati al vecchio VLR.
New Old
MS MSC VLR MSC VLR HLR
registration
REGNOT
REGNOT, PROFREQ
REGCANC
REGCANC
Fig. 12.1-15: messaggi che viaggiano nella procedura di location registration
16Vediamo come viene consegnata una chiamata nel caso in cui un utente vuole comunicare con
un altro utente. Questa procedura è indicata con il nome di CALL DELIVERY (consegna di
chiamata). Lungo le linee tratteggiate di Fig. 12.1-16 si scambiano solo messaggi di
segnalazione, mentre i tratti continui rappresentano il circuito che viene impegnato durante la
conversazione.
(2)
HLR (3)
VLR
RETE TLDN
(4)
CALLED
CALLING (1)
MSC
(5)
Fig. 12.1-16: procedura di CALL DELIVERY
L’utente chiamante (calling) digita il numero dell’utente chiamato (called) e la rete consulta il
registro HLR del chiamato per conoscere l’identificativo del VLR che lo sta servendo.
Conseguentemente tale VLR comunica alla rete la location area in cui l’utente chiamato si
trova e indaga sul suo stato attuale (idle o busy, cioè libero o occupato): se il called è busy, il
VLR lo comunica all’utente chiamante; viceversa il VLR assegna all’utente chiamato un
numero temporaneo, detto TLDN, comunicandolo al HLR, il quale a sua volta informerà la
rete della posizione corrente e del TLDN dell’utente chiamato.
In questo modo la rete collega l’utente chiamante direttamente con il MSC dell’area in cui si
trova l’utente chiamato. Però questa procedura non mi consente di individuare con precisione
la BS che sta servendo l’utente chiamato (e quindi la cella in cui è situato).
Per determinare l’esatta collocazione del called, al fine di realizzare il dialogo tra il chiamante
e il chiamato, si deve effettuare la PROCEDURA DI PAGING.
BS BS
Location area N
MSC
x
Reply BS BS
Fig. 12.1.17: PROCEDURA DI PAGING
17Il MSC, per sapere, di preciso, in quale cella della location area l’utente chiamato x si trova,
invia (Fig. 12.1-17), attraverso dei canali di controllo, in modo broadcast, un messaggio di
ricerca dell’utente x a tutte le BS appartenenti alla location area in questione.
Ovviamente solo una BS restituirà al MSC, sempre attraverso i canali di controllo, un
messaggio di “reply”, comunicando che, in quel momento, sta servendo x.
Nella seguente Fig. 12.1-18 sono riassunte le azioni di una PROCEDURA DI CONSEGNA DI
CHIAMATA:
(1) l’utente calling invia la chiamata al proprio MSC;
(2) dall’identificativo dell’utente chiamato, il MSC risale al HLR dell’utente chiamato.
(3) Il HLR comunica al MSC dell’utente called che c’è una chiamata in arrivo.
(4) Quest’ultimo MSC assegna all’utente chiamato il TLDN, vede se è occupato o libero
e, se si trova in nello stato di idle, lo comunica al HLR.
(5) Il HLR inoltra la disponibilità dell’utente chiamato al MSC del chiamante.
(6) Quindi il MSC del chiamante, dopo aver inviato i segnali di paging alle varie BS
della location area in cui si trova il called (per determinare l’esatta posizione),
realizza, attraverso la rete PSTN o ISDN, un circuito per collegarsi con il MSC del
chiamato.
(4)
(5)
(3)
(2) HLR
MSC (6)
MSC
VLR VLR
(1)
Calling
MT
BS BS
BS BS BS BS
Calling
BS MT BS
Fig. 12.1-18: PROCEDURA DI CONSEGNA DI CHIAMATA:
Nella Fig. 12.1-19 è rappresentato il flusso delle informazioni nella procedura di CALL
DELIVERY (consegna di chiamata). La figura si legge da destra verso sinistra.
Si vede che arriva una richiesta di chiamata al MSC del chiamante, che richiede al HLR la
posizione del chiamato. Il HLR invia al VLR del chiamato una richiesta di indirizzamento, la
quale perviene al MSC del called. Quindi il VRL del chiamato risponde al MSC del
chiamante, inviando il parametro TLDN, il quale (MSC) realizzerà la consegna della chiamata
al MSC dell’utente chiamato.
18New Home
MSC MSC VLR HLR MSC
LOCATE Incoming
Routereq Call
Routereq
RSP (TLDN)
RSP (TLDN)
Call delivery
Page
Fig. 12.1-19: flusso di informazioni nella procedura di CALL DELIVERY
Abbiamo visto come, per comodità, l’area di copertura viene suddivisa in tante location area:
queste sono fissate dal gestore.
Se l’utente si trova in una zona di confine tra due location area, bastano piccoli spostamenti
per avviare la procedura di location update, la quale può coinvolgere anche percorsi molto
lunghi. Per superare l’incertezza della collocazione dell’utente, quando si trova in una
posizione di confine, si possono pensare le location area non più fisse, come fin’ora
considerato. A tal proposito, avendo ciascun utente delle caratteristiche differenti in termini di
mobilità e di frequenza con cui avviene la consegna di chiamate, si è pensato di adattare le
location area a queste caratteristiche d’utente. Ne scaturiscono 3 diverse strategie dinamiche
di location update:
1. A TEMPO: invece di effettuare una location update ogni qual volta che l’utente
attraversa il confine tra due location area diverse, si opera
periodicamente, ogni ∆t secondi. E’ possibile memorizzare le
caratteristiche degli utenti in un database per poter scegliere ∆t più
piccolo o più grande a secondo se l’utente si sposta più o meno
frequentemente. In Fig. 12.1-20 è rappresentato il percorso A-B-C-D di
un utente, che informerà la rete della sua posizione ogni ∆t secondi.
A→t=0
B → t = ∆t
C → t = 2∆t
D D → t = 3∆t
C
B
A
Fig. 12.1-20: Time-based location update scheme
192. A MOVIMENTI: l’utente comunica la sua posizione ogni d passaggi di cella. E’
facile verificare dalla Fig. 12.1-21 che d =3, visto che ogni tre
passaggi di cella l’utente comunica alla rete la sua nuova
posizione corrente A, B, e C.
C
B
A
Fig. 12.1-21: Movement-based location update scheme
3. A DISTANZA: l’utente deve comunicare la sua posizione solo se essa dista dalla
precedente di un certo numero D di celle fissato (Fig. 12.1-22).
B
A
Fig. 12.1-22: Distance-based location update scheme
La strategia basata sulla distanza è certamente migliore della strategia a tempo: infatti se un
utente dovesse rimanere sempre nella stessa cella, con la strategia a distanza non ci sarebbe
nessun location update, mentre con la strategia a tempo verrebbe inutilmente effettuato un
location update ogni ∆t secondi.
La strategia a movimenti è invece una soluzione intermedia tra quella a tempo e quella
distanza: infatti funziona bene nel caso in cui l’utente rimane fermo, mentre se l’utente si
20sposta rimanendo nei dintorni della sua collocazione iniziale (percorrendo per esempio una
traiettoria circolare), oppure rimane praticamente fermo al confine tra due celle diverse, questa
strategia non va più bene.
Per la realizzazione di un sistema che adotta la strategia a tempo, si deve semplicemente
prevedere un timer, che viene resettato ogni qual volta l’utente invia un messaggio di location
update.
Un sistema che adotta la strategia a movimenti deve solamente contare il numero d di celle
fissato che l’utente ha attraversato.
Il sistema che adotta la strategia a distanza è, invece, il più complicato da realizzare, in quanto
presuppone che il terminale conosca come sono organizzate le celle che lo circondano.
Inoltre i parametri ∆t ,d, e D, devono essere scelti in modo tale da trovare un compromesso tra
la procedura di location update e quella di paging: infatti se si avvantaggia eccessivamente la
procedura di location update, attraverso una delle tre strategie dinamiche viste, si svantaggia
enormemente la procedura di paging.
Se, per esempio, si utilizza la strategia A DISTANZA, nel caso in cui un utente si muove molto
e riceve poche chiamate, conviene assegnare un grande valore a D, in quanto, anche se si
perderà molto tempo nelle procedure di paging, queste saranno effettuate una volta ogni tanto.
Viceversa, se un utente si muove poco e riceve molte chiamate, conviene fissare D piccolo in
modo tale che, di volta in volta, si possa effettuare il paging su un’area ristretta.
Oltre alle tecniche fisse e dinamiche, si sta pensando di realizzare delle TECNICHE
ADATTATIVE. Mentre nella strategia dinamica si fissa ∆t ,d, e D, in base alle caratteristiche
medie dell’utente, la strategia ADATTATIVA cerca di capire come l’utente sta modificando il suo
carattere e quindi variare ∆t, d, e D, in base alle caratteristiche “istantanee” dell’utente.
Questo ci consente di adattare la procedura di location update e di paging al comportamento
del singolo utente, che assume delle caratteristiche non sempre vicine a quelle medie,
minimizzando il numero dei segnali che devono viaggiare in rete per l’esecuzione di queste
procedure. Per quanto riguarda, invece, la CONSEGNA DI CHIAMATA, si utilizza la tecnica PER-
USER LOCATION CACHING.
STP2
STP1
MSC1 MSC2
VLR1 VLR2
MT1 MT2
Fig. 12.1-23: tecnica PER - USER LOCATION CACHING.
Supponiamo che il terminale mobile 1 (MT1) debba chiamare il terminale mobile 2 (MT2)
(Fig. 12.1-23). La chiamata arriva al MSC1 (cioè MSC che sta servendo il MT1), il quale
dovrebbe raggiungere il HLR, in cui sono contenuti i dati dell’utente chiamato.
Per evitare questo, specialmente quando il HLR è notevolmente distante, si potrebbe cercare
se qualche altro utente dell’area di MT1 abbia già inviato una chiamata verso MT2: in tal caso
il MSC1 troverebbe in un database locale i dati relativi all’utente chiamato.
21L’idea è quella di utilizzare una tabella in cui memorizzare il VLR dei terminali
precedentemente rintracciati. In altre parole, ogni qual volta viene rintracciato un nuovo
terminale, ad una tabella viene aggiunto l’elemento contenente l’ID del terminale e il VLR in
cui il MT è registrato. Tale tabella viene mantenuta dal Signal Transfer point (STP) più
vicino al terminale, che ha effettuato la richiesta di CALL DELIVERY.
Quando viene effettuata una chiamata, l’STP dapprima cerca il terminale nella tabella, e se
non è presente avvia la procedura standard.
Se il terminale è presente nella cache, viene contattato il VLR indicato in tabella. Se il
terminale si trova ancora nell’area di competenza di tale VLR, il MT è rintracciato (in questo
caso si dice che si è avuto un hit (successo di individuazione) - viceversa, se il terminale si è
spostato in un’altra area, si dice che si è avuto una miss (perdita del punto di riferimento)).
Affinché sia conveniente l’utilizzo del pre-user location caching è necessario che la
percentuale di hit sia alta.
Infatti questa tecnica è spesso utilizzata quando è elevata la probabilità che lo stesso utente sia
chiamato da più utenti appartenenti alla stessa area.
Per minimizzare il numero di messaggi che devono essere introdotti in rete durante la
procedura di location registration, si usa la tecnica del POINTER FORWARDING.
HLR
MSC MSC MSC MSC
VLR1 VLR2 VLR3 VLR4
MT1 MT2
Fig. 12.1-24: procedura di POINTER FORWARDING
Abbiamo visto che quando un terminale si sposta passando in un’area di appartenenza ad un
diverso MSC, l’informazione di location registration deve arrivare fino al HLR. Per evitare
questo il VRL di partenza (VRL1) (Fig. 12.1-24) può crearsi un puntatore verso il VLR di
arrivo (VLR2); naturalmente i due VLR devono essere vicini, cioè devono essere relativi a
MSC che gestiscono zone contigue. Se l’utente si sposta ulteriormente in direzione di un altro
MSC, analogamente nel VLR2 verrà creato un puntatore verso il VLR3.
Questa procedura di pointer forwarding, ad un certo punto, dovrà arrestarsi, in quanto se
arriva una chiamata per l’utente occorre leggere i puntatori di HLR, VLR1, VLR2, …, e la
durata della connessione sarebbe eccessiva. Di solito, per tale motivo, si inserisce il limite di
avere al massimo tre puntatori tra i vari VLR e quindi se il terminale dovesse ancora spostarsi
bisognerà effettuare le normali procedure di location registration. Quindi nell’esempio di Fig.
12.1-24, il VLR4 invierà un messaggio al HLR, il quale cancellerà il puntatore sul VLR1 e
indirizzerà il VLR1 verso il VLR4.
22HANDOVER
Come già detto, l’operazione che la rete mobile compie per mantenere la comunicazione
anche quando il terminale si muove, prende il nome di HANDOVER (passamano), in quanto si
verifica una sorta di “passamano” tra la vecchia e la nuova BS.
Essendo la connessione gestita dal MSC, quando l’utente si sposta in una cella (Fig. 12.1-25),
relativa ad una nuova BS, confinante con la precedente, si crea un circuito che collega il MSC
alla nuova BS e attraverso un’interfaccia aerea si raggiunge il terminale.
MSC
BS
BS
Fig. 12.1-25: HANDOVER
In Fig. 12.1-26 la stazione mobile (MS) sta utilizzando il canale di conversazione xxx. Durante
ogni conversazione si esegue continuamente l’analisi del livello e della qualità di questa.
Quando il terminale si allontana dalla BS, il livello del segnale utile diminuisce, mentre
aumenta quello del rumore dovuto ad interferenze. Quindi il BS Controller (che rappresenta
l’interfaccia tra la BS e il MSC) si accorge che il valore del rapporto S/N richiesto è diminuito
e invia una richiesta di handover al MSC.
Verifica dei
criteri di qualità (2)
(3)
(1)
Richiesta di Hand-Over;
invio livello di potenza Conversazione
VC sul canale xxx
misurato sul canale xxx
BS A
MSC
BS Controller
Hand-Over
Required
Message
BS B
Canale di conversazione (VC) xxx
Fig. 12.1-26: richiesta di Hand-Over da parte della stazione A
Questo MSC verifica se le celle adiacenti sullo stesso canale xxx offrono una qualità migliore
del segnale utile. Quindi, come mostrato in Fig. 12.1-27, il MSC invia alla BS “B” e a tutte le
eventuali BS delle celle adiacenti, la richiesta di handover, a cui tutte le BS rispondono
inviando il risultato del calcolo del rapporto S/N sul canale xxx.
23(4)
Richiesta di misura
nelle celle adiacenti VC
Conversazione
BS A sul canale xxx
MSC
Confronto tra le
misure ricevute.
Scelta della
(6)
cella “migliore” (5)
Misura del livello di
Hand-Over potenza sul canale xxx
Required Message
BS B
Risultato della misura sul canale xxx
Fig. 12.1-27: interrogazione delle celle adiacenti
Se dal confronto la BS “B” è quella che offre il più alto S/N, si realizzerà l’handover tra la BS
“A” e la BS “B”, e dal MSC partirà l’ordine, impartito attraverso un messaggio di
segnalazione che viaggia sul canale xxx, di attivare il nuovo ricetrasmettitore sul canale yyy
(Fig. 12.1-28).
Invio dell’ordine
di commutazione
utilizzando il
(9)
VC
canale xxx
BS A
MSC
(7)
Scelta della cella
B e del canale yyy
(8)
Attivazione del
trasmettitore sul canale yyy
VC = xxx BS B
Ordine di attivare il nuovo ricetrasmettitore
Fig. 12.1-28: invio dell’ordine di commutazione dal MSC alla cella A
Di seguito (Fig. 12.1-29) il MSC invierà l’ordine di commutazione alla vecchia BS,
utilizzando il canale xxx, la quale provvederà a trasmetterlo al terminale mobile, usando
sempre il canale xxx (perché è su questo canale che sta dialogando il terminale). A questo
punto la stazione mobile (MS) invia una conferma dell’ordine ricevuto sul canale xxx e si
sintonizza sul canale yyy.
24Ordine di
commutazione sul
(11) (10)
canale yyy
Conferma dell’ordine
verso il MSC
VC
BS A
MSC
(12)
Reistradamento
della conversazione
(13)
verso la nuova cella
Conferma dell’ordine
ricevuto sul canale xxx
e sintonizzazione sul
canale yyy
VC = xxx BS B
Fig. 12.1-29: invio dell’ordine di commutazione al terminale mobile e conferma sul vecchio e
sul nuovo canale.
Per terminare l’handover la BS “A” rilascia il canale xxx, che sarà così disponibile ad altre
conversazioni; nel frattempo MS e la BS “B” si attivano sul canale di conversazione yyy (Fig.
12.1-30).
(16) (14)
Messaggio al MSC Conferma dell’avvenuta
per informare che il commutazione. La
canale xxx è libero Disattivazione conversazione continua
del canale xxx sul canale yyy
BS A
MSC
VC
VC libero
(15)
Invio del messaggio
di conferma al MSC
VC = yyy Conferma del Hand-Over BS B
Fig. 12.1-30: continuazione della conversazione sul canale yyy
La richiesta di handover può essere avanzata sia dalla BS (in questo caso si parla di NETWORK
CONTROLLER) oppure dal terminale stesso (MOBILE ASSISTENT).
Esistono 3 diversi tipi di handover:
25A. HARD HANDOVER: Fig. 12.1-31 - inizialmente il terminale è connesso alla BS di
sinistra. Se l’utente si sposta durante la conversazione, si ricerca
la BS migliore (BS di destra) su cui commutare: c’è quindi un
“passamano” tra le due BS e per qualche millisecondo la linea
cade.
Before During After
Fig. 12.1-31: HARD HANDOVER
B. SEAMLESS HANDOVER: Fig. 12.1-32 - in questo caso, durante la conversazione, si
viene a formare un canale tra il terminale e la BS di destra:
su questo canale il terminale conversa anche dopo
l’handover, per cui l’utente (MS) non si accorgerà del
cambiamento della BS.
Before During After
Fig. 12.1-32: SEAMLESS HANDOVER
C. SOFT HANDOVER: Fig. 12.1-33 - questo tipo di handover prevede che la
conversazione avvenga tra il terminale ed entrambe le BS,
contemporaneamente in entrambe le direzioni (dalla MS alla BS
e viceversa).
Before During After
Fig. 12.1-33: SOFT HANDOVER
26Facendo un parallelismo tra il SEAMLESS HANDOVER e il SOFT HANDOVER, si evince che
sono molto simili: l’unica differenza è che nel caso B. il terminale parla con la rete, mentre nel
caso C. la comunicazione avviene in entrambe le direzioni.
Se il terminale passa da una cella ad un’altra che appartiene allo stesso MSC, i messaggi che si
scambiano durante la procedura di handover sono pochi e i tempi con cui si svolge tale
procedura sono molto brevi. In caso contrario, i tempi si allungano con il rischio di avere la
perdita della comunicazione.
Quando un utente passa da una cella ad un’altra, può accadere che quest’ultima abbia tutti i
canali occupati: nascono allora problemi di CALL ADMISSION CONTROL (controllo di
ammissione di chiamata).
Consideriamo, ad esempio, una rete ATM che si impegna a fornire ai suoi utenti una certa
qualità di servizio. Se tale rete è fissa, bisogna solamente controllare, nel momento in cui un
utente deve accedere, che , in caso di ammissione, gli venga fornito insieme a tutti gli altri utenti
sotto servizio, la qualità del servizio richiesta.
Nel caso di rete mobile, bisognerà anche controllare ciò che accade nelle celle confinanti.
Infatti, quando la BS di una determinata cella accetta di servire un nuovo utente, avendo a
disposizione un numero limitato di canali, aumenta la probabilità che non si riesca ad offrire
l’handover ad utenti provenienti dalle celle viciniori. Questa probabilità è chiamata CALL
DROPPING PROBABILITY.
Ricordiamo che quando si effettua il handover, la BS offre un canale disponibile ad un utente in
conversazione attiva; è, quindi, certamente preferibile rifiutare una nuova richiesta di chiamata,
piuttosto che interrompere una conversazione in corso (attiva). Per garantire questa condizione
si stabilisce una soglia secondo questo criterio: se una BS può gestire 100 chiamate
contemporaneamente, si può decidere di rifiutare nuove richieste di chiamate se vi sono in corso
80 chiamate, al fine di riservarne 20 per eventuali handover. Questa tecnica è chiamata Guard
Channel.
Un’ulteriore strategia usata è quella del cosiddetto prestito (borrowing) del canale. E’il MSC
che effettua la gestione dinamica delle risorse fra le varie stazioni radio base (BS) ad esso
collegate: in particolare, una cella, che si trova in saturazione, può temporaneamente chiedere in
prestito dei canali disponibili dalle celle contigue che al momento sono abbastanza scariche.
12.2 Reti Wireless in Ambito Locale
Analizziamo quali sono le caratteristiche delle Reti Wireless in Ambito Locale, costituite da tante
stazioni vicine che si contendono l’etere come unico mezzo di comunicazione.
Le RETI LOCALI WIRELESS presentano diversi vantaggi rispetto alle reti cablate, in quanto oltre a
permettere la mobilità terminale in ambito locale (e quindi consentono all’utente di spostarsi senza
rinunciare ai servizi di rete), sono notevolmente convenienti dal punto di vista economico
specialmente nei vecchi edifici, dove è difficile installare nuove reti cablate.
Trattandosi di reti con accesso a canale comune è necessario un protocollo di tipo MAC (Medium
Access Control).
L’IEEE, avendo affrontato queste problematiche, nella realizzazione del protocollo 802.3, si è presa
carico della standardizzazione dei protocolli per le Reti Wireless in Ambito Locale.
In realtà, inizialmente, ci sono state diverse proposte di protocolli per le LAN Wireless.
Per esempio, in ambito europeo, è sembrato che si potesse affermare una proposta chiamata
HITERLAN; oggi, quando si fa riferimento alle Reti Locali Wireless, si pensa esclusivamente allo
standard IEEE 802.11 dell’IEEE, realizzato negli Stati Uniti nel 1995.
Il protocollo 802.11 è stato pensato
¾sia per gestire il colloquio, in reti non cablate, fra tante stazioni che, in ambito locale,
comunicano tra di loro in modo paritetico,
27¾sia per l’accesso ad una rete più articolata, tipicamente di tipo cablato, detta “Distributed
System” (Sistema di Distribuzione dell’Informazione).
In pratica questo standard raggruppa insieme due modalità operative:
1) la modalità in cui diverse stazioni (indicate in Fig. 12.2-1 con AH1, AH2) costituiscono una
“Ad Hoc Network”, cioè una rete ad hoc wireless in ambito locale;
2) la modalità per cui alcune stazioni, appartenenti a singole Ad Hoc Network (stazioni Al, A2,
B1, B2 - Fig. 12.2-1), possono colloquiare con un Distributed System attraverso dei punti di
accesso detti appunto “Access Point”(AP A, AP B - Fig. 12.2-1).
In questo modo, ciascuna Ad Hoc Network che intende comunicare con la rete fissa, deve
avere al suo interno una stazione che operi da Access Point.
Distribution System
AP AP
Station A A
AH2 Station
A1 Station BSS-B Station
Ad-Hoc Network A2 B2
BSS-C Station BSS-A Station
AH1 B1
Infrastructure Network
Fig. 12.2-1: Rete Ad Hoc e infrastructure
Esaminiamo il comportamento di una Rete Ad Hoc, ossia di una rete locale costituita da tante
stazioni paritetiche.
Le tecnologie più usate per realizzare reti senza filo, sono:
INFRAROSSI
ONDE RADIO
La tecnologia a raggi infrarossi è sicuramente la più matura tra quelle usate nell’ambito delle RETI
WIRELESS (è da circa venti anni che viene utilizzata questa tecnologia). L’infrarosso è molto
semplice per alcuni versi, ma presenta il grosso svantaggio di essere estremamente sensibile agli
ostacoli, per cui anche una piccola parete rappresenta un impedimento considerevole dal punto di
vista elettromagnetico. Ne consegue che la soluzione dell’infrarosso va bene o in uno spazio aperto
o in una zona racchiusa da mura, mentre in una rete locale, che si estende all’interno di edifici, nei
quali sono presenti molte pareti divisorie, l’unica soluzione possibile è chiaramente quella che fa
uso delle onde radio.
Infatti, nell’ambito delle RETI WIRELESS LAN, il protocollo 802.11 prevede che la propagazione dei
segnali avvenga utilizzando le onde radio.
Senza dilungarci troppo sul PHYSICAL LAYER, accenniamo solamente ad alcuni metodi che si usano
per la trasmissione:
• frequency hopping spread spectrum - la banda è suddivisa in tanti canali di frequenza fra
loro separati. In virtù dello spettro espanso, tali canali possono essere riutilizzati
dinamicamente da comunicazioni differenti, attraverso un passaggio automatico da un
canale all’altro. Per ogni canale, possono trasmettere tutte le stazioni in possesso di un
28codice assegnato, mentre tutte le altre stazioni sono impossibilitate a farlo (è come se
vedessero un background noise).
• direct sequence spread spectrum - in questo schema, la sequenza con cui vengono assegnati
i canali è preordinata.
In ogni caso, comunque, si parla di Banda a Spettro Espanso.
Nell’ambito dello standard 802.11, il protocollo usato a livello MAC è il così detto CSMA/CA
(Carrier Sensing Multiple Access with Collision Avoidance).
Mentre, come visto nel Capitolo 10, il CSMA/CD non esclude che possano verificarsi delle
collisioni, nel CSMA/CA l’obiettivo è quello di evitare la collisione, e quindi le eventuali
ritrasmissioni. Il CSMA/CD è decisamente molto semplice e si basa, in linea generale, sul
protocollo , specialmente per quanto riguarda le regole di trasmissione.
La Fig. 12.2-2 mostra l’evoluzione tipica del protocollo nel momento in cui ci sono 5 stazioni che
hanno da trasmettere una trama.
DIFS DIFS DIFS DIFS
CWindow
Stazione A FRAME
Attesa Backoff
FRAME
Stazione B
Attesa CWindow
Stazione C FRAME
Attesa CWindow
Stazione D FRAME
Stazione E Attesa
FRAME
CWindow = Finestra di contesa = Backoff = Backoff rimanente
Fig. 12.2-2: Procedura di backoff
Ogni stazione, prima di trasmettere la trama, fa il carrier sensing, cioè “ascolta” il canale per
verificare se qualcun altro sta trasmettendo.
Dopo aver verificato che il canale non è più occupato, tutte le stazioni, pur avendo il mezzo a
disposizione, non trasmettono immediatamente, ma fanno trascorrere un piccolo intervallo di tempo
di lunghezza fissa, detto DIFS (Distributed Inte Fraine Slot).
Trascorso il DIFS, la stazione che ha trasmesso per ultima avvia una sorta di finestra di contesa
(Contention Window), durante la quale essa si inibisce, mentre ognuna delle altre stazioni che
intende trasmettere, adotta l’algoritmo di backoff. Essendo i tempi di backoff variabili in modo
casuale, una stazione in attesa vedrà scadere per prima il proprio tempo di backoff, per cui
comincerà a trasmettere la propria trama; le altre stazioni, invece, fin quando non scade il proprio
tempo di backoff, permangono nello stato di sensing, rilevano che il canale è nuovamente
impegnato, e sospendono il loro periodo di backoff, senza azzerarlo, per farlo ripartire dopo il
successivo DIFS.
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