Architettura e protocolli nelle reti LTE

Scuola Politecnica e delle Scienze di Base
Corso di Laurea in Ingegneria Informatica
Elaborato finale in Protocolli per reti mobili
Architettura e protocolli nelle reti LTE
Anno Accademico 2014/2015
Candidato:
Niccolò Quintavalle
matr. N46001816
1
Architettura e protocolli nelle reti LTE
Ai miei genitori
2
Architettura e protocolli nelle reti LTE
Ringraziamenti
A conclusione di questo breve lavoro di tesi , mi sento in obbligo di porre i miei più sentiti
ringraziamenti alle persone che mi hanno sostenuto durante tutto questo periodo e che
soprattutto mi hanno aiutato a crescere.
Un ringraziamento speciale va ai miei genitori che mi sono stati sempre accanto, che mi hanno
invogliato ad andare sempre avanti e a non fermarmi mai, che hanno creduto e credono ancora
in me.
Un grazie sincero va ai miei amici Biagio Marco,Nicola e Carlo con cui ho studiato la maggior
parte degli esami e con cui ho trascorso i momenti più belli di questo percorso Universitario.
Un sentito ringraziamento ai miei nonni, per avermi sostenuto sempre e per aver messo a
disposizione la loro casa per ospitarmi , rendendo il “viaggio” verso l‟università meno faticoso
e soprattutto più breve.
Voglio ringraziare tutte le persone che ho conosciuto in questi anni che, anche se in minima
parte, hanno contribuito alla mia formazione.
Infine desidero ringraziare il prof. Stefano Avallone , relatore di questa tesi, per la grande
disponibilità e cortesia dimostratemi durante la stesura di quest‟elaborato .
3
Architettura e protocolli nelle reti LTE
Sommario
Le tecnologie di comunicazione mobili sono in continua evoluzione.
Sono stati fatti enormi progressi in questo campo negli ultimi 10 anni ma l‟apice è
stato raggiunto con la nascita delle reti LTE.
LTE rappresenta il futuro delle tecniche di trasmissione grazie alle sue elevate
prestazioni dovute all‟utilizzo di nuove tecnologie (OFDM,MIMO,SAE) che gli
permettono di avere una maggiore efficienza spettrale.
Lo scopo di questa tesi è quello di analizzare queste reti e la loro architettura partendo
da una introduzione su EPS e poi andando ad analizzarne i punti principali mettendo
in evidenza l‟interoperabilità tra LTE e le altre tecnologie di rete . Successivamente si
descrivono le caratteristiche che compongono lo strato fisico e i vari servizi(per
esempio il supporto per i servizi di voce) . Infine si vuole lasciare al lettore una
panoramica sui vari scenari di distribuzione EPS.
4
Architettura e protocolli nelle reti LTE
Indice
Sommario
4
Indice
5
1 Introduzione
6
2 Panoramica di EPS
8
2.1
2.2
2.3
2.4
2.5
2.6
2.7
Architettura EPS. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .8
Connettività IP base per l‟accesso LTE. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
Funzionalità aggiuntive per l‟accesso LTE. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
Interoperabilità tra LTE e GSM/GPRS o WCDMA/HSPA. . . . . . . . .12
Interoperabilità tra reti LTE e CDMA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .15
Supporto per i Servizi Vocali. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .16
Caratteristiche varie. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
3 Dispositivi Mobili
3.1
3.2
Dispositivi General Purpose. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
Tecnologie supportate dai dispositivi. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
4 Radio Networks
4.1
4.2
18
20
Panoramica delle reti radio per i servizi mobili. . . . . . . . . . . . . . . . . .20
Radio Networks : LTE. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .21
4.2.1 Modulazione OFDM. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .22
5
Scenari di distribuzione EPS e casi operatore
24
6
Servizi EPS
27
6.1
6.2
Data Services. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .27
Voice Services. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .28
6.2.1 Servizi di voce basati su tecnologie a commutazione di circuito. . . .28
6.2.2 Servizi vocali con tecnologia IMS. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .29
6.2.3 Realizzazione dei servizi vocali su LTE. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
6.3 Messaging Services. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .31
5
Architettura e protocolli nelle reti LTE
Capitolo 1
Introduzione
L‟industria delle telecomunicazioni è in un periodo di cambiamento radicale con l‟avvento
dell‟accesso radio mobile a banda larga.
Ciò è dovuto principalmente al fatto che la telefonia mobile si sta muovendo verso una rete
packet-oriented, all-IP dopo diversi decenni di tecnologia a commutazione di circuito.
Alcuni anni fa , lo standard di telefonia mobile cellulare digitale più diffuso nel mondo era il
GSM (Global System for Mobile Communications) ovvero lo standard 2G (2ª generazione)
sviluppato completamente in Europa.
Tuttavia vi erano delle limitazioni dovute al trattamento della capacità dei terminali e
soprattutto a una larghezza di banda molto limitata sull‟interfaccia radio.
Fortunatamente, questo problema è stato superato con l‟evoluzione delle reti di accesso
radio (RANs) con velocità di trasmissione dati elevate fornite da HSPA (High Speed Packet
Access) e LTE (Long Term Evolution).
La „Core Network’ è la parte che collega questi mondi insieme, combinando la potenza delle
tecnologie di accesso radio ad alta velocità e l‟utilizzo di nuove architetture di rete.
L‟evoluzione di tale rete, o Evolved Packet Core (EPC), è un cardine fondamentale della
rivoluzione della banda larga mobile ; senza di essa né le reti di accesso radio né i servizi di
“Internet mobile” potrebbero sfruttare a pieno il proprio potenziale.
Nasce da qui la necessità di uno standard globale per la telecomunicazione.
System Architecture Evolution (SAE) è il nome dell‟ elemento di lavoro 3GPP ( Third
Generation Partnership Project) responsabile dell‟evoluzione del EPC.
Gli obiettivi generali dell‟elemento di lavoro SAE sono quelli di evolvere le “packet core
networks” definite dal 3GPP al fine di creare un‟architettura all-IP semplificata fornendo
supporto per più accessi radio.
La necessità di uno standard globale è guidata da molti fattori ma ci sono due punti
principali.
Prima di tutto , la creazione di uno standard , è necessaria per l‟interoperabilità.
Gli operatori desiderano garantire la possibilità di acquistare apparecchiature di rete da
diversi fornitori e che queste comunichino tra loro senza problemi.
In secondo piano vi è l‟obiettivo di ridurre la frammentazione del mercato, per tutti quelli
coinvolti nella fornitura di servizi di rete, agli utenti finali.
L‟elemento di lavoro SAE, inoltre, è strettamente legato alla voce “LTE”.
Evolved Packet System (EPS) copre l‟accesso radio, la rete centrale e I terminali che
compongono il sistema mobile complessivo.
6
Architettura e protocolli nelle reti LTE
Il progetto LTE, promosso da 3rd Generation Partnership Project (3GPP) , è nato nel
Novembre del 2004 e si è concentrato sul rafforzamento della Universal Terrestrial Radio
Access (UTRA) e sull‟ottimizzazione dell‟architettura dell‟accesso radio di Universal
Mobile Telecommunications System (UMTS).La standardizzazione del LTE inizia con
l‟ambizione di essere il servizio di quarta generazione del 3GPP. Inizialmente le prestazioni
raggiunte non corrispondevano ai requisiti definiti dall‟ International Telecom-munication
Union, Radio Communication Sector ( ITU-R) cioè :
- Supporto alla grande varietà di servizi presenti sul mercato (VoIP,VPN,etc…)
- Differenti QoS
- Velocità
Per questo motivo il 3GPP divise il lavoro in due fasi .
La prima relativa allo standard LTE : rete 3,5 G(Release 8) mentre la seconda fase avrebbe
adattato la tecnologia LTE ai requisiti 4G attraverso la standardizzazione di una nuova
tecnologia chiamata LTE-Advanced (Release 10).
FIGURA 1 : Evoluzione delle Release nel tempo
FIGURA 2 : Confronto tra i requisiti dell’IMT-Advanced con le prestazioni del LTE Advanced
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Architettura e protocolli nelle reti LTE
Capitolo 2
Panoramica di EPS
In questo capitolo esamineremo principalmente l‟architettura EPS, presentando in primo luogo
una prospettiva di alto livello del sistema completo come definito nel punto di lavoro SAE .
Successivamente verranno introdotti i nodi logici , le varie funzioni della rete e i flussi di
segnalazione applicabili ad essa.
2.1
Architettura EPS
Ci sono diversi domini in EPS , ovvero un gruppo di nodi logici che interagiscono tra loro
andando a fornire un insieme specifico di funzioni all‟interno della rete.
Forniamo subito un esempio specifico ,andando a considerare il diagramma riportato in
FIGURA 3 :
FIGURA 3
Esaminando questo diagramma notiamo che:
Sulla parte sinistra vi sono i domini RAN (Radio Acces Network) che possono connettersi a
EPC quali GSM e WCDMA. Infine c‟è il dominio denominato reti di accesso NON-3GPP
Per esempio WLAN, rete fissa . La rete principale (The Core Network) è suddivisa in più
domini (Circuit core , Packet core , IMS) . The User management domain supporta il roaming e
la mobilità tra e all‟interno dei diversi domini.
The circuit core domain è costituito da nodi e funzioni che forniscono il supporto per i servizi a
commutazione di circuito su GSM e WCDMA. Inoltre The packet core domain,anch‟esso
costituito da nodi e funzioni, fornisce supporto per i servizi a commutazione di pacchetto
principalmente per connessioni IP. Esso,inoltre , fornisce supporto per servizi a commutazione
di pacchetto su LTE e per accessi di rete NON-3GPP.Infine definisce funzioni per la gestione
e l‟applicazione di politiche QoS.
8
Architettura e protocolli nelle reti LTE
The IMS domain ,racchiude un insieme di nodi e funzioni che forniscono il supporto per le
sessioni multimediali basate su SIP (Session Initiation Protocol) e utilizza la connettività IP
fornita dalle funzioni nel dominio Packet core.
The User Management domain gestisce i dati relativi agli abbonati che utilizzano i servizi degli
altri domini.
Lo sviluppo di LTE come nuova tecnologia di accesso 3GPP è strettamente legato alla
progettazione di EPC.
Tutti i nodi e le interfacce descritte, possono risiedere sullo stesso pezzo fisico di
apparecchiature per l‟infrastruttura. Ciò sta a sottolineare che funzioni diverse possono essere
implementate e connesse tra di loro tramite un‟ interfaccia interna, piuttosto che con un cavo
reale. Inoltre l‟implementazione di un interfaccia può non essere fatta direttamente tra due nodi,
per esempio si può utilizzare un istradamento attraverso un altro sito fisico.
Ovviamente le interfacce possono condividere link di trasmissione.
2.2
Connettività IP di base per l‟accesso LTE
Al centro dell‟architettura EPC , vi è la funzione necessaria per supportare la connettività IP
base per l‟accesso LTE.
The plain vanilla EPC architecture ,che è fondamentale quando si parla di reti LTE , è mostrata
nella FIGURA 4.
FIGURA 4 : Architettura EPC base per LTE
9
Architettura e protocolli nelle reti LTE
Il design di tale architettura è dovuto a due motivi fondamentali. Prima di tutto vi è il forte
desiderio di ottimizzare la gestione del traffico di dati utente attraverso la progettazione di un‟
architettura „piatta‟.Con architettura „piatta‟ si intende che il minor numero possibile di nodi
sono coinvolti nell‟elaborazione del traffico di dati utente.
Il motivo di questa decisione è di permettere un ridimensionamento efficiente del costo
dell‟infrastruttura, andando ad operare sul traffico dati.
Infatti, quest‟ultimo, è un argomento sempre più importante, in quanto i volumi di traffico dati
mobili stanno crescendo rapidamente e si prevede una crescita ancora più veloce in futuro a
causa dell‟utilizzo di potenti tecnologie come LTE.
Il secondo principio guida è stato quello di separare la gestione della segnalazione di controllo
dal traffico dati utente. Questa decisione ha consentito una maggiore flessibilità .
Tutto ciò è stato fatto al fine di risparmiare risorse preziose di trasmissione ma soprattutto per
minimizzare i ritardi tra due parti connesse che utilizzano un servizio in tempo reale come i
servizi di Voce.
La decisione di separare funzioni di controllo e traffico dati utente , inoltre , consente di
ottimizzare i costi collocando tali funzioni in luoghi fisici separati all‟interno della rete.
Separando tali funzionalità, i nodi della rete si comportano in maniera efficiente , soprattutto
quando si tratta di sostenere traffico ad alta larghezza di banda .
Solo i nodi associati al traffico degli utenti finali devono essere modulati per un „throughput‟
elevato.
10
Architettura e protocolli nelle reti LTE
2.3
Funzionalità aggiuntive per l‟accesso LTE
FIGURA 5 : Aggiunta delle politiche di controllo e del supporto per il caricamento
all’architettura EPC
Come si può notare in figura, sono state aggiunti due ulteriori nodi e due ulteriori interfacce,
PCRF, OCS, OFCS.
Il PCRF (Policy and Charging Rules Function) è il nodo responsabile del controllo del QoS.
Gestisce l‟assegnazione dei flussi dati alle diverse classi e decide come il Policy Control
Enforcement Function (PCEF) che risiede nel P-GW, dovrà gestire i flussi dati rispettando gli
accordi sottoscritti con gli utenti .
Esso va a definire un elemento fondamentale nell‟architettura EPC, chiamato PCC (Policy and
Charging control).
Il PCC è progettato per consentire il cosiddetto caricamento flow-based(per esempio, il
controllo di credito on-line), la politica di controllo che include il supporto per l‟autorizzazione
al servizio e la gestione QoS,
Sia il caricamento che le politiche di controllo si basano su come i flussi IP sono classificati.
Tale classificazione ,è possibile, utilizzando filtri di pacchetti unici che operano in tempo reale
sui flussi di dati IP.
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Architettura e protocolli nelle reti LTE
Il PCRF , inoltre, è costituito da un‟interfaccia denominata Rx sul quale , un applicazione
esterna può inviare informazioni di servizio inclusi requisiti di risorse e parametri di flusso
relativi IP.
OFCS E OCS stanno rispettivamente per Offline charging System e Online charging System.
Sono entità logiche che supportano varie caratteristiche relative al caricamento di dati per utenti
finali basandosi su vari parametri quali : tempo,volume, eventi etc..
2.4
Interoperabilità tra LTE e GSM/GPRS o WCDMA/HSPA
Prima di parlare di interoperabilità diamo una breve spiegazione su cosa intendiamo per
GSM/GPRS e WCDMA/HSPA.
Con il termine GSM/GPRS intendiamo la rete 2G RAN (2° generazione) e la rete principale
GPRS per i dati a pacchetto.
Con il termine WCDMA/HSPA intendiamo la rete 3G RAN(3° generazione) e i miglioramenti
del 3G RAN per i servizi a pacchetto ad alta velocità.
Il termine è anche comunemente usato per riferirsi a una UTRAN aggiornata per supportare
HSPA.
In molti mercati, LTE viene schierato in bande di frequenza intorno ai 2GHz o superiori.
Mentre la capienza di dati aumenta passando a una banda di frequenza superiore,la capacità di
coprire una determinata area geografica con una stazione avente una determinata potenza,
diminuisce rapidamente con frequenze più alte.
Quindi in poche parole, il guadagno di una maggiore capacità di dati viene bilanciato con una
perdita di copertura.
Per la distribuzione LTE, lavorando con le reti di accesso esistenti che supportano la
connettività IP ,diventa quindi un problema cruciale.
EPS affronta questa problematica ponendo due diverse soluzioni.
La prima sta nel rivolgersi a operatori di rete GSM/GPRS e WCDMA/HSPA mentre l‟altra
nasce per permettere a LTE di interagire tranquillamente con le tecnologie di accesso CDMA.
Il modo più semplice di interagire sarebbe quello di concedere a un dispositivo mobile di
connettersi o a LTE o a HSPA a seconda delle preferenze e della copertura radio disponibile in
quella determinata area geografica.
Per esempio supponiamo che un determinato utente stia utilizzando un dispositivo portatile, per
esempio un Laptop o un telefono cellulare. Chiamiamo la rete utilizzata in questo momento rete
A. Se l‟utente si sposta in un‟altra area esso potrà connettersi a un „altra rete (B) se disponibile.
Il passaggio dalla rete A alla rete B avviene in maniera automatica e in maniera completamente
trasparente all‟utente.
Tutta via vi sono vari aspetti da gestire, per esempio è possibile che alcune applicazioni in
esecuzione sul dispositivo dell‟utente,potrebbero non essere più utilizzabili dopo lo
spostamento.
Ciò è dovuto al fatto che, quando l‟utente si sposta e vuole usare il nuovo punto d‟accesso (B) ,
quest‟ultimo legge la richiesta come completamente nuova.
Quindi al dispositivo viene assegnato un nuovo indirizzo IP che potrà o non potrà causare
problemi alle applicazioni del dispositivo.
12
Architettura e protocolli nelle reti LTE
Quanto detto è semplicemente illustrato dalla FIGURA 6 :
FIGURA 6:Inter-access mobility without session continuity
Questo modo di interagire richiede un singolo abbonamento che consente all‟utente finale di
connettersi alla rete A o alla rete B.
L‟architettura EPC permette anche , in alcuni casi , una continuità di sessione.
Ciò significa che , una sessione stabilita verso una qualsiasi rete (A o B) effettivamente
sopravvivrà al movimento tra le differenti reti dovuto alla perdita di copertura radio.
Tutto ciò è dovuto all‟utilizzo di un „IP anchor point’ nella rete che concede di non dover
modificare l‟indirizzo IP del dispositivo .
Quindi applicazioni e servizi non saranno dipendenti dalla rete in uso e neanche da eventuali
movimenti. Ovviamente questo discorso è vero solo in parte perché potrebbero esserci servizi e
applicazioni che richiedono una certa velocità di risposta.
FIGURA 7:Inter-access mobility with session continuity
13
Architettura e protocolli nelle reti LTE
3GPP ha definito due soluzioni per interconnettere LTE e GSM/GPRS o WCDMA/HSPA.
C‟è da dire che, quando un dispositivo è connesso a LTE esso è gestito dal MME (Mobility
Management Entity) quando invece è su una rete WCDMA/HSPA/GSM/GPRS è servito da un
SGSN.
SGSN fa parte dell‟architettura packet core sin dalla prima versione di GSM/GPRS.
Esso fu introdotto per sostenere il servizio GPRS che era ed è tutt‟ora il servizio di connessione
dati a pacchetto di GSM.
Un SGSN si connette a un GGSN, ovvero un nodo che funge da gateway per reti IP esterne
per tutte le sessioni dati a pacchetto su GSM/GPRS e WCDMA/HSPA.
Quando un utente si muove tra due reti, entrano in gioco due differenti SGSN, essi
interagiscono tra loro attraverso un interfaccia per sostenere la continuità della sessione IP.
Quindi per sostenere tale continuità , cioè per mantenere invariato l‟indirizzo IP, durante uno
spostamento il GGSN rimane invariato.
Il nodo MME è il principale elemento di controllo della „Core Network‟.
Esso di occupa delle procedure di instaurazione della connessione per un terminale che si
connette per la prima volta alla rete.
MME e PDN GW , sono necessari per la mobilità tra reti GSM/GPRS e WCDMA/HSPA con la
differenza che essi, rispetto a un SGSN, possono essere applicati a LTE.
Ritornando al SGSN , prima di tutto , è fondamentale che esso sia in grado di distinguere un
terminale che si attacca su GSM/GPRS o WCDMA/HSPA che non è in grado di connettersi a
LTE, da un terminale che è temporaneamente attaccato su GSM/GPRS o WCDMA/HSPA a
causa di una mancata copertura radio ma che potrebbe collegarsi a LTE.
Ciò viene fatto utilizzando un APN (Access Point Name) , ovvero un punto d‟accesso per le reti
che permettono il trasferimento dati.
La soluzione più semplice è quella di assicurarsi che solo i terminali che includono il supporto
di accesso radio LTE, vengano configurati con un APN a sua volta associato con un PDN GW.
Tipicamente un SGSN si interfaccia con un nodo logico chiamato HLR (Home Location
Register), esso è il database principale per i dati utente in GSM E WCDMA.
MME, a differenza del SGSN , si interfaccia con HSS (Home Subscriber Server).
Le funzionalità di un HSS sono esattamente quelle di un HLR.
Si tratta di un database contenente tutte le informazioni utili per gestire un utente mobile. In
particolare la corrispondenza tra le identità temporanee assegnata all‟UE e l‟identità dell‟utente
stesso, il profilo di QoS sottoscritto, le reti PDN a cui si può connettere e l‟identità della MME
presso cui è registrato.
Quando vi è uno spostamento tra GSM/WCDMA e LTE , non devono esserci informazioni
inconsistenti riguardanti , per esempio , a quale rete ( A , B o C ) uno specifico terminale è
attaccato.
Ciò significa che HLR e HSS hanno il compito di condividere un singolo insieme di dati e di
assicurarne la consistenza .
Tuttavia 3GPP non specifica alcuna soluzione dettagliata per questo problema.
14
Architettura e protocolli nelle reti LTE
2.5
Interoperabilità tra reti LTE e CDMA
Nel quadro SAE , gli sforzi maggiori , sono stati fatti al fine di progettare una soluzione per il
collegamento delle tecnologie LTE e CDMA , definite dal 3GPP2.
Tale collegamento consente un passaggio di dati e informazioni uniforme , così come richiesto
dalle differenze di copertura radio.
Ovviamente per consentire l‟interoperabilità tra LTE e CDMA , sono necessarie un certo
numero di interfacce aggiuntive all‟architettura EPS .
Tre di queste interfacce (chiamate S101 , S102 e S103) sono utilizzate esclusivamente per le reti
CDMA e vengono utilizzate per garantire prestazioni ottimali durate la consegna di dati .
Vi sono tre ulteriori interfacce (S2a , Gxa e STa) .
Esse sono generiche e possono essere usate per qualsiasi accesso NON-3GPP e non solamente
con le reti CDMA .
FIGURA 8 : Interoperabilità tra reti LTE e eHRPD
15
Architettura e protocolli nelle reti LTE
In generale,una funzione fondamentale per permettere un efficiente interazione tra due
differenti tecnologie di acceso ,consiste nell‟utilizzare un set di dati e regole comuni, necessarie
all‟autenticazione e soprattutto alla conoscenza della rete a cui l‟utente è attualmente
collegato.
La soluzione , risiede nel consentire all‟ HSS di agire come una base di dati comune per tutti i
dati.
L‟autenticazione e l‟accesso per un utente che si collega a una rete eHRPD (High Rate Packet
Data) vengono gestiti utilizzando meccanismi 3GPP2 che si basano sulla funzionalità IETF
AAA . (AAA è l‟abbreviazione di Authentication, Authorization and Accounting) .
A tal fine la rete eHRPD è connessa all‟architettura EPC attraverso l‟interfaccia STa.
Infine abbiamo un nodo logico chiamato 3GPP AAA Server. Esso ,normalmente, non è altro
che una funzione software all‟interno dell‟HSS .
Il PDN GW interfaccia il server 3GPP AAA sull'interfaccia S6b.
Questa interfaccia è usata dal PDN GW per recuperare alcuni dati di sottoscrizione.
Viene usata anche per memorizzare le informazioni riguardanti il PDN GW a cui l'utente è
collegato. Questo per garantire che, quando l'utente si muove e si attacca su LTE, l'MME deve
essere in grado selezionare lo stesso PDN GW utilizzato per la rete eHRPD.
Questo è un requisito fondamentale per garantire una continuità di sessione IP.
Il PDN GW funge da punto di ancoraggio IP comune anche per gli utenti collegati sulla rete
eHRPD.
I dati utenti tra il „eHRPD Serving Gateway‟ (HSGW) e il PDN GW vengono trasportati
attraverso l'interfaccia S2a che implementa il protocollo PMIPv6, specificato da IETF per
sostenere la mobilità all'interno della rete.
L‟architettura EPC ammette anche una politica di controllo (PCRF) da applicare alla rete
eHSPA.
2.6
Supporto per i Servizi Vocali
Sin dalla nascita di LTE , si è convenuto , che questa rete sia esclusivamente ad accesso a
pacchetto , consentendo cosi un ottimizzazione per i servizi a pacchetto.
Tutta via i servizi vocali sono stati realizzati utilizzando tecnologie a commutazione di circuito
e non di pacchetto , per tale motivo sono stati introdotti dei meccanismi specifici per offrire
servizi di voce anche su reti LTE.
Sono previste due soluzioni.
La prima consiste nell‟utilizzare i cosiddetti meccanismi IMS andando a realizzare tali servizi
servendosi del MultiMedia Telephony (MMTel) framework che utilizza voice-over-IP oppure
aderire alle tecniche a commutazione di circuito.
La seconda consiste in un temporaneo abbandono della rete LTE per effettuare chiamate vocali
tramite 2G/3G e ritornare alla rete LTE quando la chiamata termina.
16
Architettura e protocolli nelle reti LTE
2.7
Caratteristiche Varie
Siamo quasi alla fine di questa „panoramica‟ sull‟architettura 3GPP EPS .
Abbiamo esaminato tutti i nodi di rete logici comprese le interfacce varie. Come parte finale
diamo un‟occhiata a tre caratteristiche distinte dell‟architettura che possono essere viste come
„esterne‟ all‟architettura stessa.
La prima di queste è l‟ETWS (Earthquake and Tsunami Warning System) .
Si tratta di un sistema di allarme per tsunami e terremoti ed è considerato un elemento
estremamente importante per la sicurezza , soprattutto per i paesi in via di sviluppo.
Si tratta di un messaggio di avviso che viene ricevuto dal CBC (Cell Broadcast Centre)
dall‟attività governativa di monitoraggio terremoti .
Il CBC comunica con l‟MME nella rete tramite l‟interfaccia SBc.
Dal momento che tutti i terminali della rete devono essere raggiungibili per ricevere questo
avviso, gli MME hanno il compito di comunicare con tutti i dispositivi inattivi e con tutti i
dispositivi la cui posizione non è specificata.
Un'altra caratteristica è il supporto per l'Identity Register Equipment ( EIR)
che viene opzionalmente usato dal MME quando un utente si collega. L'EIR è un database
che contiene le informazioni necessarie a capire se, il dispositivo utilizzato per collegarsi alla
rete sembra essere rubato o no. Se questo è il caso, la MME può rifiutare la connessione.
MME comunica con l‟EIR attraverso l‟interfaccia S13.
La funzione finale dell‟architettura è l‟entità ANDSF . Esso è un mezzo per dare all‟operatore
di rete la possibilità di controllare come gli utenti si connettono alla rete , sulla base di una serie
di criteri.
Tale entità logica si connette al dispositivo tramite l‟interfaccia S14.
FIGURA 9: Caratteristiche varie dell’architettura EPC
17
Architettura e protocolli nelle reti LTE
Capitolo 3
Dispositivi mobili
I termini „Terminal’, „End-User Terminal’, and „User Equipment (UE)‟ vengono utilizzati per
indicare il dispositivo mobile che sta attualmente comunicando con la rete.
A seconda del tipo di dispositivo , esso , può o non può essere utilizzato da un utente umano
così come può o non può muoversi all‟interno delle „celle‟ della rete.
La maggior parte delle persone, tuttavia, associa la parola „dispositivo mobile‟ ai telefoni
cellulari.
Ovviamente il telefono cellulare può essere visto come il „dispositivo mobile‟ per eccellenza ,
ma questo termine era già presente intorno agli anni „80.
Sono esempi di „mobile device‟ fotocamere,computer portatili,lettori mp3 etc…
Soffermiamo la nostra attenzione sui telefoni cellulari.
Fin dall‟inizio, questi dispositivi, sono stati progettati per servizi vocali, e solo dopo sono state
aggiunte nuove funzionalità di servizio come ad esempio supporto SMS ,e-mail e navigazione
web.
Siamo passati dai telefoni cellulari in bianco e nero a quelli a colori, dai tasti fisici ai tasti a
sfioramento , dal touch screen resistivo a quello capacitivo.
Insomma la tecnologia ha fatto passi da gigante.
3.1 Dispositivi General Purpose
Una tendenza generale è quella di aggiungere sempre più funzionalità a questi dispositivi
(Smartphones inclusi) trasformando quest‟ultimi in dispositivi „general purpose‟.
Si tratta di funzionalità che vanno ben oltre la capacità di effettuare chiamate o inviare SMS ad
esempio :
-Lettori multimediali (MP3 per la musica, MP4 per i video)
-Funzionalità della telecamera (foto e registrazione video)
-Ricevitori Radio FM
-Ricevitori GPS per servizi di localizzazione
-Giochi
Ciò elimina la necessita di acquistare apparecchiature separate .
Ma, tali dispositivi , si trovano a dover gestire un enorme quantità di dati, dati che possono
essere caricati o scaricati dal dispositivo attraverso la rete,un laptop , cavi USB, bluetooth.
Ovviamente in questi casi la posizione per il trasferimento è enormemente limitata.
Le soluzioni mobili a banda larga basate su HSPA o LTE sono ottimizzate per il supporto
efficiente del trasferimento di dati a dispositivi, indipendentemente dalla posizione fisica ( cioè
fin quando vi è copertura).
18
Architettura e protocolli nelle reti LTE
3.2 Tecnologie supportate dai dispositivi
La maggior parte dei dispositivi è dotata di supporto per più tecnologie radio
sostenendo,contemporaneamente , GSM/GPRS, WCDMA/HSPA, LTE, Bluetooth e WLAN.
Per sostenere reti ad alta velocità come LTE e HSPA vengono ,spesso, utilizzate antenne
multiple.
Alcune di queste tecnologie possono essere utilizzate insieme , permettendo, ad esempio , il
passaggio di una sessione IP tra LTE e WLAN .Questo è possibile perché vengono utilizzate
bande di frequenza e livelli di potenza molto diversi tra loro in modo tale da non creare
interferenze (ad esempio WLAN e HSPA o LTE).
Il diverso utilizzo delle bande di frequenza in diversi paesi è però , un problema da non
sottovalutare. Per far si che il dispositivo possa essere utilizzato in tutti i Paesi è necessario che
esso supporti più bande di frequenza.
Per esempio, un dispositivo può supportare GSM / GPRS / EDGE in bande di frequenza a 850
MHz , 900 MHz , 1800 MHz e 1900 MHz.
Inoltre essa può supportare bande WCDMA / HSPA a 900 MHz , 1900 MHz e 2100 MHz .
Il problema si aggrava quando si aggiunge il supporto alle reti LTE, perché esso è specificato
per un gran numero di bande di frequenza come possiamo notare nella FIGURA 10 :
FIGURA 10
Il fatto che c‟è solo un parziale, e non un globale accordo tra i diversi Paesi su quale debba
essere lo spettro da usare per le comunicazioni mobili crea una vera e propria frammentazione .
19
Architettura e protocolli nelle reti LTE
Capitolo 4
Radio Networks
4.1 Panoramica delle reti radio per i servizi mobili
Prima di esaminare nello specifico le reti LTE, diamo una breve introduzione di come sono fatte
le cosiddette „Mobile Networks‟.
Questo tipo di reti (chiamate anche Cellular networks) sono costituite da un certo numero di
stazioni base .
Ognuna di esse è impegnata nella trasmissione e nella ricezione senza fili di più informazioni
digitali all‟interno di una o più celle.
Con il termine „cella‟, si fa riferimento a una porzione dell‟area geografica servita dalla rete.
FIGURA 11 :Celle e stazioni base
Le dimensioni e i confini della cella sono determinate in base ad alcuni fattori tra cui la stazione
di base ,la potenza dei terminali e le bande di frequenza. Una capacità fondamentale di una
„Cellular Network‟ è quella di permettere l‟utilizzo della stessa frequenza in più celle (Come si
nota nella FIGURA 11).Per evitare interferenza celle adiacenti non possono utilizzare la stessa
frequenza.
GSM,WCDMA e LTE invece, hanno funzionalità che permettono anche a celle adiacenti di
utilizzare lo stesso set di frequenza. Le stazioni base, comunicano con altri nodi di rete tramite
dei link di trasmissione. GSM e WCDMA utilizzano un nodo di rete centralizzato
(rispettivamente BSCe RNC) che implementa alcune funzionalità della rete.
LTE si basa esclusivamente sulle stazioni base per fornire tutte le funzionalità.
Le funzioni più importanti di una „Cellular Radio Network‟ includono :
-Trasmissione e ricezione dati su supporti di radio
-Modulazione e de-modulazione dei supporti di radio
-Schedulazione dei dati provenienti da più utenti
-Schemi di correzione al fine di garantire che il numero di bit errore sia minimo
-Gestione dell‟interferenza al fine di minimizzare il disturbo tra celle adiacenti che condividono
le stesse bande di frequenza
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Architettura e protocolli nelle reti LTE
4.2 Radio Networks : LTE
LTE (noto anche come E-UTRAN) è l‟ultima aggiunta alle tecnologie di accesso radio
specificate dal 3GPP.
Il lavoro su LTE ,iniziò alla fine del 2004 , con la definizione di un set di obiettivi .
I più importanti sono :
 Una velocità di trasferimento di picco in Downlink e Uplink di almeno 100 e 50 Mbit/s
rispettivamente, supponendo che venga utilizzato uno spettro di 20 Mhz
 Il tempo necessario per cambiare lo stato utente da attivo a passivo non deve essere
superiore a 100 ms.
 La latenza (ritardo) di dati utente, non deve essere superiore a 5ms nella rete ad accesso
radio
 Il tempo di interruzione , durante un passaggio da LTE a GSM o WCDMA , deve essere
massimo 300 ms per i servizi real-time , e 500 ms per i servizi non real-time
 Supporto per gli schemi di multiplexing con la stessa tecnologia di accesso , cioè FDD E
TDD. FDD sta ad indicare trasmissione e ricezione su diverse frequenze, TDD utilizza la
stessa frequenza ma con trasmissione e ricezione separati nel dominio del tempo.
 Supporto per una vasta gamma di larghezze di banda del canale che vanno da 1,4 Mhz a
20 Mhz.
 Configurazione multi antenna sia in trasmissione che in ricezione
 Elevato supporto alla mobilità (funzionale fino ai 350 km/h)
Implementazioni di LTE come definite nella Release 8 dal 3GPP , riescono , per molti aspetti , a
superare questi requisiti.
Ciò è reso possibile attraverso un‟attenta selezione di tecnologie, tra cui l‟utilizzo di
meccanismi avanzati di elaborazione segnali.
La rete LTE è collegata all‟EPC attraverso l‟interfaccia S1, un‟interfaccia chiave
nell‟architettura EPS.
FIGURA 12 : Connessione tra LTE e EPC
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Architettura e protocolli nelle reti LTE
Le stazioni LTE base , sono eventualmente collegate tra loro attraverso l‟interfaccia X2 .
Questa interfaccia è utilizzata principalmente per ottimizzare le prestazioni , per esempio per il
trasferimento tra stazioni base o celle.
Focalizziamo la nostra attenzione sull‟interfaccia S1 .
Questa interfaccia è divisa in due parti :
1. S1-MME che trasporta messaggi di segnalazione tra la stazione base e l‟MME.
2. S1-U che ha il compito di trasmettere dati utenti tra la stazione base e il Gateway di
servizio.
Una tecnologia chiave per LTE è la tecnica di trasmissione OFDM (Orthogonal Frequency
division Multiplexing ) , utilizzata per le trasmissioni in downlink , cioè dalle stazioni base ai
dispositivi utente. OFDM è la chiave per soddisfare le esigenze di flessibilità dello spettro.
Inoltre la tecnica di accesso al mezzo implementata in LTE è OFDMA , essa rappresenta ,
essenzialmente , un evoluzione multi-utente di OFDM.
4.2.1 Modulazione OFDM
FIGURA 13 : Schema modulazione OFDM
Come è possibile notare nello schema OFDM riportato in FIGURA 13, il flusso di dati da
trasmettere , viene suddiviso in N sotto-flussi, ciascuno dei quali viene prima modulato
singolarmente (QPSK,16QAM.64QAM).
I simboli modulati sono trasmessi in parallelo mediante un insieme di sotto-portanti ortogonali,
attraverso un blocco di Inverse Discrete Fourier Trasform (IDFT), realizzato mediante
algoritmi veloci di Fast Fourier Trasform (FFT) .
L‟ortogonalità delle sotto-portanti permette, non solo la separazione dei singoli flussi in
ricezione, ma garantisce anche una maggior robustezza ai fenomeni di muta interferenza tra i
flussi stessi.
Successivamente i blocchi di dati sono nuovamente convertiti in un flusso seriale a cui viene
aggiunto un prefisso ciclico (CP). Lo scopo del prefisso ciclico è quello di mitigare gli effetti
della interferenza inter-simbolica.
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Architettura e protocolli nelle reti LTE
Il segnale OFDM è espresso come :
dove gli {X k} sono i simboli da trasmettere sulle N sotto-portanti ,T è la lunghezza del simbolo
OFDM. Le sotto-portanti sono spaziate di 1/T ed è proprio questa proprietà che le rende
ortogonali tra loro.
OFDM presenta il grande vantaggio di essere molto robusto contro il „multipath fading’, ovvero
la perdita di potenza del segnale , fenomeno tipico delle comunicazioni mobili.
Per quanto riguarda la trasmissione in uplink ,abbiamo uno schema leggermente diverso.
Infatti la trasmissione si basa su una sola portante .
Il vantaggio principale è che , la potenza utilizzata nella trasmissione , non è variabile come nel
caso di OFDM .
Ciò significa che si avrà un operazione di amplificazione del terminale più efficiente nel
dispositivo dell‟utente finale, consentendo un minore consumo energetico complessivo e quindi
maggiore durata della batteria.
In uplink, LTE, mette a disposizione, per ogni utente ,solo un sottoinsieme ben definito del
canale di uplink disponibile.
In questo caso vengono utilizzati altri schemi di modulazione diversi da OFDM .
64QAM è uno di questi schemi . Esso concede la trasmissione di 6 bit per ogni cambiamento di
simbolo sul portante.
Un'altra tecnica sarebbe quella di utilizzare MIMO (Multiple input multiple output) che
consente di utilizzare più antenne sia in downlink che in uplink migliorando la trasmissione.
La Release-8 non include MIMO , e il picco può arrivare a un massimo di 75 Mbit/s .
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Architettura e protocolli nelle reti LTE
Capitolo 5
Scenari di distribuzione EPS e casi operatore
Esaminiamo brevemente quali possono essere i motivi che spingono un determinato operatore
ad evolvere la propria rete verso LTE e EPS.
Due , sono i fattori più importanti che influenzano tale decisione.
In primo luogo la „National Regulatory Authority’, può decidere di rendere disponibile lo
spettro per LTE .
In questo caso,un operatore già esistente potrebbe agire per proteggere i propri interessi
commerciali , facendo un‟offerta per quest‟ultimo al fine di garantire che , la concorrenza o
potenziali nuovi operatori , non ottengano tale accesso e quindi forniscano anch‟essi un servizio
a banda larga.
Un altro fattore molto importante è l‟influenza del mercato.
Infatti un operatore può decidere di fornire , ai proprio utenti , servizi a banda larga al fine di
differenziare la propria offerta di servizi da quella di altri operatori del settore.
EPS offre opportunità per i nuovi operatori di iniziare con una nuova rete mobile a banda larga.
Con l‟aggiornamento della rete a LTE e EPS sono stati aggiunti diversi percorsi che un
operatore può seguire a seconda della propria rete preesistente.
In particolare consideriamo cinque distinti scenari di distribuzione :
1.
2.
3.
4.
5.
LTE e EPC per operatori con istallazioni 3GPP
LTE e EPC per nuovi operatori
LTE e EPC per operatori con installazioni 3GPP2
Operatori WiMAX e WLAN
EPC (senza distribuzione LTE) per operatori che utilizzano reti „packet core‟ e
tecnologie di accesso 3GPP come WCDMA e HSPA
Andiamo ora ad esaminare , nello specifico , questi scenari.
SCENARIO 1 : LTE e EPC per operatori con istallazioni 3GPP
Questo scenario riguarda il caso in cui un operatore ha già una rete GSM o WCDMA e un
installazione „Core Network’.
L‟operatore potrebbe già utilizzare servizi a banda larga attraverso l‟utilizzo della tecnologia
HSPA.
I servizi , in questo caso , potrebbero essere servizi puramente IP , o basati su IMS.
24
Architettura e protocolli nelle reti LTE
L‟obiettivo chiave di tali operatori è quindi quello di garantire , agli utenti finali, un accesso a
una larghezza di banda maggiore ma soprattutto quello di garantire che i servizi già esistenti su
GSM e WCDMA vengano mantenuti , se possibile , nel passaggio a LTE.
La soluzione risiede nell‟utilizzare ,ad esempio , LTE in parallelo con HSPA .
Tale utilizzo garantisce all‟utente finale di godere di una velocità relativamente alta garantita
da HSPA di circa 40 Mbit/s ,più una velocità massima di 100 Mbit/s garantita da LTE.
Ovviamente, un operatore , prima di utilizzare il meccanismo di LTE e EPC in parallelo con le
proprie tecnologie di rete 2G/3G,valuterà dove è necessaria una larghezza di banda maggiore.
Essi, inoltre, avranno necessità di un numero adeguato di eNodeBs e MME per la gestione della
mobilità all‟interno della rete e di un numero maggiore di gateway di servizio e gateway PDN.
E‟ necessaria comunque una revisione dei protocolli di rete.
Un operatore ha la possibilità di sostituire gli esistenti GGSN con i gateway PDN. Soluzione
ammissibile perché , i gateway PDN , supporteranno le funzionalità GGSN tramite le interfacce
Gn –Gp del SGSN.
Per quanto riguarda il gateway di servizio , esso può o non può essere integrato con il gateway
PDN.
Anche nel caso in cui essi siano integrati, ci saranno situazioni in cui un abbonato utilizzerà il
gateway di servizio su un nodo e il gateway PDN su un altro nodo.
Quindi, è possibile, che l‟operatore aggiunga l‟accesso LTE come rete separata , inserendo
alcuni terminali LTE che offriranno l‟accesso agli abbonati.
SCENARIO 2 : LTE e EPC per nuovi operatori
In questo scenario , l‟operatore inizierà direttamente con la rete d‟accesso LTE ,completamente
basata su IP, collegata a un EPC.
Siccome non ci sono requisiti di rete preesistenti non vi saranno problematiche gravi.
Infatti , una rete basata completamente su IP include : un infrastruttura DNS correttamente
configurata per le reti 3GPP , MME , gateway di servizio, gateway PDN, HSS etc..
Naturalmente , queste sono solo le funzionalità base di EPS ,ma si presume che gli operatori
distribuiscano entità per supportare anche ulteriori servizi tra cui : caricamento, sicurezza ,
intercettazioni legali,firewall ecc..
Gli utenti avranno la UICC ( schede SIM ) e telefoni adeguati che consentano il più alto livello
di sicurezza che è stato progettato per EPS.
SCENARIO 3:LTE e EPC per operatori con istallazioni 3GPP2
Questi operatori appartengono alla categoria di operatori 2G/3G che hanno ben stabilito reti
CDMA attraverso sostanziali investimenti e una buona base di clientela.
Anche se in un certo senso questo tipo di operatore può essere visto come un operatore
'Greenfield' per LTE e EPC, i loro requisiti non sono identici.
Uno degli aspetti chiave da considerare si basa sulle strategie adottate e sui piani per le loro reti
CDMA e su come la distribuzione LTE sarà strettamente accoppiata con l'evoluzione delle
reti HRPD.
25
Architettura e protocolli nelle reti LTE
Inoltre, la clientela esistente deve essere necessariamente supportata dalla nuova rete e ben
accetta alla completa migrazione verso LTE , che potrebbe essere più conveniente ma non
probabile all'inizio della distribuzione.
Quando si parla di distribuzione LTE/EPC, gli operatori 3GPP2 hanno esattamente gli stessi
requisiti dei 'Greenfield operators'.
Essi , sono necessari per la distribuzione di E - UTRAN , HSS , MME ,gateway di servizio e
PDN GW.
Stesso discorso per i servizi riguardanti la sicurezza , l'infrastruttura IP , le unità di caricamento
e DNS.
Oltre a queste considerazioni basilari, un operatore 3GPP2 deve anche tener conto del supporto
di interazione tra le loro preesistenti reti HRPD e assicurare terminali „dual-mode‟.
Esistono vari tipi di interoperabilità a seconda delle diverse esigenze della rete.
Nel caso di 'interazione stretta', gli operatori 3GPP2 hanno bisogno di aggiornare le reti ad
accesso HRPD , e la distribuzione HSGW.
Altri aggiornamenti riguardano l'infrastruttura AAA e le funzioni di supporto nel MME .
Quest‟ultimi vengono effettuati introducendo le interfacce S101 E S103 che garantiscono un
trasferimento ottimizzato tra le due reti.
Nel caso di 'scarsa interazione', la rete HRPD deve essere in grado di supportare la trasmissione
di alcuni parametri per la configurazione delle celle nelle reti LTE in modo tale da garantire un
efficiente trasferimento.
In questo caso non vi sono specifiche funzioni necessarie nel MME, ma il PDSN deve essere
aggiornato a un HSGW comprese le relative funzioni EPS.
Si prevede, quindi , che le reti basate su 3GPP e 3GPP2 degli operatori ,vengano eseguite in
parallelo per un determinato periodo di tempo che varia a seconda delle strategie che
l'operatore utilizza, come ad esempio l'accesso ad „hotspot‟ mobile in luoghi strategici come
centri urbani e centri abitati.
SCENARIO 4:Operatori WiMAX e WLAN
In questo scenario prendiamo in considerazione il caso in cui , un operatore LTE , instauri , per
esempio , una collaborazione con un fornitore di accesso WLAN collegato via rete EPC che
fornisca una copertura in alcuni ambienti di rete locale.
Siccome è supportata la continuità di sessione , gli utenti possono facilmente muoversi dentro e
fuori da tale copertura , mantenendo le loro sessioni via EPC.
A seconda dello scenario, tali fornitori di rete NON-3GPP possono creare una rete completa
EPC utilizzando l‟infrastruttura AAA,gateway d‟accesso , e gateway PDN.
In‟alternativa , l‟operatore , può scegliere di connettere l‟infrastruttura AAA e il gateway
d‟accesso a un operatore di rete EPS già esistente.
Ciò può portare degli enormi benefici al business degli operatori.
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Architettura e protocolli nelle reti LTE
SCENARIO 5: EPC (senza distribuzione LTE) per operatori che utilizzano reti „packet core‟ e
tecnologie di accesso 3GPP come WCDMA e HSPA
Operatori 2G/3G possono scegliere di effettuare un aggiornamento a EPC senza la necessità di
una distribuzione LTE.
Alcuni dei principali benefici sono , supporto per il trasferimento da e verso LTE e supporto per
trasferimenti con reti d‟accesso NON-3GGP .
Dato che ,i terminali esistenti che supportano le procedure 2G/3G saranno supportati senza
problemi dalla rete, gli operatori possono continuare a servire i loro abbonati.
Inoltre,la selezione del GW ,si basa principalmente sulla capacità di rete terminali (che indica
se il terminale è in grado di supportare LTE o meno). Tale selezione può essere utilizzata per
deviare l‟abbonato verso un Serving GW/PDN GW (quando LTE è supportato) o verso un
GGSN (quando LTE non è supportato).
Ovviamente, diventa sempre più costoso per i produttori e per gli operatori continuare a
mantenere più tipi di architettura perché , ovviamente ,ciò significherebbe mantenere una
grande varietà di prodotti.
Capitolo 6
Servizi EPS
EPC, permette all‟operatore di rete mobile , di offrire agli utenti un nuovo set di servizi
attraverso la sua architettura „piatta‟ma soprattutto abilita i prodotti e le varie distribuzioni di
rete a sostenere servizi a banda larga.
Inoltre, rilascia una serie di funzioni dedite alla gestione,al monitoraggio e al caricamento di tali
servizi.
Stiamo parlando di :
1. Servizi dati
2. Servizi di voce
3. Servizi di messaggistica
6.1 Data Services
LTE e EPC sono state progettate per servizi IP.
Ciò, sta a significare , che in teoria, tutte le applicazioni che si basano su una comunicazione IP
possono utilizzare i servizi offerti da LTE e EPC.
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Architettura e protocolli nelle reti LTE
Le ‘IP-based applications’, sono rese accessibili agli utenti attraverso il servizio di accesso
EPC IP che può essere :
 Fornito dall‟operatore mobile
 Residente in una rete IP
 Accessibile attraverso Internet
Ovviamente , ci può essere una combinazione di queste situazioni, ma l‟utente finale sarà
comunque in grado di accedere a qualunque applicazione che si basi su IP.
Per capire chiaramente , quali sono le funzionalità offerte da EPC , dobbiamo fare una
distinzione tra applicazioni e servizi .
Un‟applicazione ,si riferisce, alle funzioni realizzate attraverso software in cima al „IP host
stack‟ nel dispositivo mobile.
Indipendentemente dalla funzionalità che tale applicazione offre agli utenti,il servizio offerto
dalla rete è l‟accesso IP, che consente il routing dei pacchetti IP tra il dispositivo mobile e le reti
IP esterne.
Il servizio di accesso IP, include l‟autenticazione dell‟utente .
Viene autorizzato l‟uso di tale servizio assegnando un IP al dispositivo mobile e abilitando i
pacchetti IP ad essere inviati e ricevuti da tale dispositivo.
6.2 Voice Services
Ci sono due principali modi di realizzare questa tipologia di servizi per gli utenti LTE, o
utilizzando tecnologie a commutazione di circuito oppure utilizzando tecnologie basate su IMP
(IP Multimedia Subsystem) .
6.2.1 Servizi di voce basati su tecnologie a commutazione di circuito
La tecnica a commutazione di circuito è tradizionalmente usata nelle reti telefoniche.
Essa tende a stabilire, durante una telefonata, un collegamento „continuo‟ tra i due utenti.
Un ruolo fondamentale in questa particolare tecnologia , è svolto dal MSC (Mobile services
Switching Centre) , ovvero il nodo responsabile dell‟instradamento delle chiamate vocali e degli
SMS.
Implementazioni moderne di reti a commutazione di circuito , sono normalmente realizzate
separando le funzioni di segnalazione dalle funzioni di comunicazione gestite dal Media
Gateway. Ciò lo si può notare nella FIGURA 14.
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Architettura e protocolli nelle reti LTE
Il Server MSC include funzioni per il controllo delle chiamate e per il controllo della mobilità,
mentre i dati che effettivamente compongono le chiamate scorrono attraverso un Media
Gateway .
Esso può invocare specifiche funzioni come , ad esempio ,l‟eliminazione dell‟eco.
6.2.2 Servizi vocali con tecnologia IMS
IMS , è stato originariamente progettato dal 3GPP ,per abilitare servizi multimediali „IP-based‟
solo su reti GSM e WCDMA.
Esso , in seguito , è stato ampliato per supportare altre tipologie di rete.
L‟IMS si basa sul SIP (Session Initiation Protocol) un protocollo di „segnalazione‟ progettato
da IETF , per stabilire e gestire le „media sessions‟ ad esempio chiamate multimediali e vocali
su reti IP.
IMS , consiste in una serie di entità logiche interconnesse tramite interfacce standardizzate.
Vediamo ora i nodi logici che fanno parte dell‟architettura IMS.
1) CSCF
Al centro del sottosistema IMS vi è la „Call Session Control Function‟ (CSCF).
Essa è logicamente divisa in tre diverse entità :
 Proxy-CSCF (P-CSCF)
 Serving-CSCF (S-CSCF)
 Interrogating-CSCF (I-CSCF)
Il ruolo primario del P-CSCF ,è come funzione di proxy SIP.
Esso, si trova nel percorso di segnalazione tra il terminale e il Serving-CSCF e può controllare
qualsiasi messaggio SIP che scorre tra questi due punti.
Il proxy-CSCF , inoltre, gestisce la qualità del servizio e autorizza l‟utilizzo di specifici
portatori, in relazione ai servizi basati su IMS.
S-CSCF , è il nodo centrale dell‟architettura IMS che ha il compito di gestire le sessioni SIP e
di interagire con l‟ HSS per la gestione dei dati degli abbonati.
I-CSCF svolge il ruolo di „punto di contatto‟ per le richieste SIP provenienti da reti esterne.
Inoltre, interagisce con l‟HSS per assegnare un S-CSCF che andrà a gestire le sessioni SIP.
2) MRFP (Media Resource Function Processor)
Esso, è un nodo logico che può essere invocato per elaborare flussi multimediali.
Esempi di casi d‟uso sono le „conference call‟ e la transcodifica tra differenti formati IP
multimediali.
3) MRFC (Media Resource Function Controller)
Questo nodo interagisce con il CSCF e controlla le azioni intraprese dal MRFP.
4) BGCF (Breakout Gateway Control Function)
Gestisce le decisioni di routing per le chiamate in uscita verso le reti a commutazione di
circuito.
Normalmente, esso indirizza le sessioni verso un MGCF.
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Architettura e protocolli nelle reti LTE
5) MGW (Media Gateway)
Tale nodo , fornisce l‟interazione ,la conversione e la transcodifica tra i diversi formati usati per
IMS/IP e per le reti a commutazione di circuito.
6) SBC (Session Border Controller)
Svolge il ruolo di gateway IP tra, il dominio IMS e una rete IP esterna. Fornisce, inoltre,
supporto per il controllo della sicurezza e della qualità della sessione.
6.2.3 Realizzazione dei servizi vocali su LTE
L' accesso radio LTE ,è stato progettato per essere ottimizzato per servizi basati su IP .
Ciò sta a sottolineare il fatto che esso ,a differenza di altre reti (come GSM), non ha il supporto
per i canali dedicati per le chiamate vocali.
In base alle strategie adottate dagli operatori e alle bande di frequenza utilizzate per LTE, la
copertura radio potrebbe essere considerata „fiacca‟ o non continua.
I servizi vocali, invece , necessitano di una copertura continua e soprattutto efficiente.
In una rete mobile, una copertura continua , viene realizzata attraverso i trasferimenti tra celle
radio e tra stazioni base .
Per EPC, due sono gli approcci utilizzati per definire il supporto al „voice service‟.
In poche parole, qualunque servizio di voce per gli utenti LTE ,viene realizzato utilizzando
l‟infrastruttura a commutazione di circuito che viene utilizzata per le chiamate vocali in GSM ,
WCDMA e CDMA.
Un‟alternativa sarebbe quella di servirsi della tecnologia IMS e dell‟applicazione MMTel.
MMTel è il servizio IMS-base standardizzato per le chiamate vocali.
Quest‟ultimo ,offre maggiori funzioni(ad esempio Video,testo) rispetto a una tradizionale
chiamata vocale a commutazione di circuito , migliorando così l‟esperienza di comunicazione.
Esso,diviene una scelta naturale per offrire servizi di voce agli utenti quando si parla di reti
LTE.
Tuttavia , non è possibile garantire che la copertura LTE sia presente in qualsiasi posto in cui
l‟utente decide di effettuare una chiamata vocale.
Per questo motivo vi sono tre casi da considerare :
1. Caso in cui ,una chiamata ,viene effettuata sotto copertura LTE e l‟utente non esce da
tale copertura per tutta la durata della chiamata. In questo caso MMTel viene utilizzato
per offrire il servizio di voce su LTE.
2. Caso in cui, una chiamata viene stabilita quando si è fuori dalla copertura LTE. In questo
caso la chiamata si otterrebbe usando un accesso a commutazione di circuito su , per
esempio, GSM.
3. Caso in cui, una chiamata, viene effettuata sotto copertura LTE ma l‟utente si sposta ,
uscendo da tale copertura. Sono quindi necessarie delle misure specifiche per garantire
la continuità del servizio quando la copertura viene persa.
La soluzione proposta dal 3GPP per questo problema è SRVCC (Single-Radio Voice
Call Continuity).
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Architettura e protocolli nelle reti LTE
6.3 Messaging Services
La possibilità di inviare messaggi agli utenti dei dispositivi mobili, è divenuta estremamente
popolare con l‟introduzione , in GSM ,degli SMS (Short Messaging Service) .
Inoltre, l‟introduzione di ulteriori servizi avanzati (come MMS) , ha reso possibile l‟invio di
contenuti multimediali come foto,video,musica ecc..
Tali servizi hanno raggiunto il massimo successo , con l‟avvento di funzionalità che
permettono una messaggistica istantanea (chat).
EPC prevede due modi per realizzare i servizi di messaggistica, o utilizzando una soluzione
basata su IP (come i messaggi basati su IMP o SMS over-IP) o utilizzando l‟infrastruttura a
commutazione di circuito che è normalmente utilizzata per recapitare gli SMS su rete GSM e
WCDMA.
E‟quindi , necessario l‟inserimento di alcuni meccanismi.
Per esempio, nel caso in cui venga utilizzata un‟infrastruttura a commutazione di circuito per la
consegna di messaggi ,l‟MME dovrà interagire con il server MSC.
Per esempio si potrebbe utilizzare lo stesso meccanismo utilizzato da GSM e WCDMA in cui il
server MSC , è connesso a un centro di controllo per l‟invio di messaggi SMS .
Tali messaggi , vengono poi inclusi in messaggi di segnalazione NAS scambiati tra l‟MME e il
dispositivo mobile.
Questa soluzione è possibile solo per i messaggi di testo.
Ciò sta a significare che per gli MMS è necessaria una tecnica completamente basata su IP.
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