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GPRS: Il Servizio e la Qualita’
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Dopo una prima parte atta a introdurre in linea di massima il principio di
funzionamento del servizio e la sua implementazione in rete, vi e’ infatti un
resoconto dettagliato delle misure effettuate e dei risultati ottenuti.
Descrizione del servizio
La flessibilità introdotta con la commutazione a pacchetto consente alla rete di
erogare il servizio dati indipendentemente dalla banda complessiva ad esso
allocata. È quindi possibile variare tale banda in modo dinamico, ad esempio in
funzione delle risorse radio attualmente non impegnate in modo GSM. Il GPRS
diventa in questo modo anche uno strumento per aumentare l'efficienza di
utilizzo dell'interfaccia radio.
La velocità massima teorica è di 171,2 Kbps (velocita’ che permette di
raggiungere performance ben superiori a quelle ottenibili con il GSM e gli attuali
apparecchi telefonici cordless ma ben inferiori a quelli ottenibili con i futuri
apparecchi UMTS – vedi fig.1) usando tutti ed otto i timeslots
contemporaneamente, ciò consente una maggior efficienza nella trasmissione
delle informazioni attraverso la rete di telefonia mobile.
Figura 1: Velocita’ di trasmissione dati
Il GPRS facilita le connessioni istantanee perchè l'informazione può essere
mandata o ricevuta immediatamente appena se ne ha bisogno, i terminali GPRS
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vengono identificati come sempre on line. Le risorse radio vengono impegnate
solo quando vi è la necessità di inviare o ricevere i dati, ed è possibile avere più
connessioni su un unico canale trasmissivo (multiplexing).
Il GPRS offre quindi una infinità di vantaggi a tutte le applicazioni che intendano
sfruttare il sistema GSM come mezzo per la trasmissione dati.
Ad oggi il GSM offre infatti solo un servizio a commutazione di circuito per la
trasmissione dati, ciò significa che ad ogni utente viene assegnato in modo
esclusivo un canale di traffico che rimane a lui assegnato per tutta la durata della
sessione. Le risorse sono così gestite secondo la modalità resource reservation,
ossia sono impegnate fino al momento in cui non viene fatta esplicita richiesta di
rilascio.
Nello schema rappresentato in fig. 2 è schematizzato il modello di trasmissione
dati attuale a commutazione di circuito (CS): ad ogni utente è riservato un canale
(rappresentato nella figura seguente come sequenza di timeslot) che, se la
trasmissione non è continua, può impegnare solo parzialmente. Esiste poi una
entità nella rete GSM che provvede a riunire tutti i singoli canali dati convertendoli
in un unico flusso a commutazione di pacchetto da instradare verso le reti
esterne a pacchetto (X.25 o Internet).
Figura 2: Modello semplificato di trasmissione dati a commutazione di circuito.
Nel GPRS si adotta la tecnica del context reservation, le risorse radio sono
effettivamente impegnate solo quando c'è la necessità di inviare o ricevere dati.
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Le stesse risorse radio di una cella sono così condivise da tutte le stazioni mobili
(MS) presenti in quella cella, aumentando notevolmente l'efficienza del sistema.
Il servizio GPRS, pertanto, utilizzando una commutazione a pacchetto (PS), è
rivolto ad applicazioni con le seguenti caratteristiche:
• trasmissione poco frequente di piccoli o grossi volumi di dati (ad esempio
applicazioni interattive);
• trasmissione intermittente di traffico dati bursty (ad esempio applicazioni
in cui il tempo medio tra due transazioni consecutive è di gran lunga
superiore alla durata media di una singola transazione).
La commutazione di pacchetto offre diversi vantaggi:
• permette di multiplexare più connessioni su un unico canale trasmissivo,
ciò significa che il canale diventa un mezzo condiviso da più connessioni.
Non viene quindi assegnata nessuna risorsa di rete in modo esclusivo;
• non si richiede l'instaurazione di un circuito dedicato tra sorgente e
destinatario, quindi la fase di set-up della connessione risulta
notevolmente velocizzata;
• e’ possibile eliminare le costose apparecchiature che, nel GSM base,
fungevano da gateway per consentire l'interconnessione tra la rete GSM
e le reti a commutazione di pacchetto. Queste ultime oramai costituiscono
la maggior parte delle reti dati commerciali esistenti (si veda ad esempio
Internet).
Figura 3: Schema connessione GPRS
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La rete può riservare uno o più timeslot di una portante per il servizio GPRS.
Ogni timeslot, così configurato, costituisce un canale di traffico GPRS, detto
Packet Data Traffic Channel (PDTCH). Su questo canale possono viaggiare, in
trame diverse, pacchetti di utenti diversi; l'allocazione della banda ai singoli utenti
è dinamica e dipende dal throughput istantaneo richiesto dall'utente e dalla
banda disponibile.
Figura 4: Modello semplificato di trasmissione dati GPRS a commutazione di pacchetto.
Nella fig. 4 è schematizzato il modello di trasmissione dati GPRS. Si osservi
come due utenti (rosso e azzurro), che richiedono un basso throughput,
condividano lo stesso canale di traffico GPRS, mentre il terzo (giallo), che invece
necessità di un'alta banda, ne utilizzi addirittura due. Ciò dimostra come si riesca
a sfruttare in modo ottimale la risorsa radio. Nel caso in esempio bastano due
canali per garantire il servizio a tre utenti; nel GSM attuale a commutazione di
circuito sarebbero stati necessari invece tre canali di traffico, uno per utente.
Nel GPRS un solo tipo di bearer service è supportato, ossia il Point-To-Point
(PTP). Questo servizio consente il trasferimento di dati a pacchetto end to end,
tipicamente tra una stazione mobile e una rete a pacchetto; la rete GPRS infatti è
vista come una sotto-rete IP e i terminali mobili come hosts (vedi fig. 5 - il nodo
indicato come GPRS router rappresenta il gateway tra il mondo PLMN e le reti
esterne).
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Network B
198.14.76.0
GPRS Network
155.222.23.0
Network A
191.200.44.0
GPRS
router
router
PTP GPRS bearer
155.222.23.55
191.200.44.21
155.222.23.11
191.200.44.56
198.14.76.45
PTP GPRS bearer
191.200.44.33
PLMN
Figura 5: PTP GPRS bearer
Un pacchetto IP generato dal terminale mobile/host 155.222.23.55 e destinato ad
esempio al server 191.200.44.33, viene instradato con il protocollo GPRS fino al
limite della PLMN; solo a questo punto il GPRS router analizza l’indirizzo IP di
destinazione contenuto nel pacchetto e prosegue l’instradamento di quest’ultimo
utilizzando il protocollo IP.
Bit rate disponibili
I bit rate disponibili sull’interfaccia radio sono quattro, 9.05, 13.4, 15.6 e
21.4kbit/s, rispettivamente associati agli schemi di codifica CS1, CS2, CS3, CS4.
Tali cifre sono riferite all’uso di un singolo timeslot. È possibile assegnare ad una
connessione dati fino a otto timeslot in funzione della capacità del mobile.
Gli schemi di codifica sopra elencati sono caratterizzati da robustezza via via
decrescente. Lo schema CS1 garantisce la maggiore protezione e viene
utilizzato sia per il trasporto dei canali di controllo che di traffico, mentre gli altri
vengono utilizzati unicamente per il traffico (attualmente risultano essere
implementati dai Network Europei solamente il CS1 e il CS2).
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Architettura di rete
Per supportare le funzionalita’ introdotte dal GPRS occorre modificare l’attuale
rete GSM come mostrato in fig. 6.
MSC
SGSN
BSCBTS
GGSN
HLR
GR
BG
SS7
GPRS
Backbone
Network
(IP based)
INTER-PLMN
network
MS
PCU
Public Internet
Corporate LANFirewall
Legal
Interception
GW ChargingFunction
Gb
Gs Gr
Gn
Gn
Gi
Gp
Gi
Gc
Ga
Figura 6: GSM/GPRS - Architettura di rete
Per quanto riguarda la Rete di Accesso si puo’ notare come essa sia pressoche’
la stessa con la differenza che occorre introdurre una unità funzionale chiamata
PCU la quale è responsabile per la gestione della interfaccia radio per la parte
PS.
Da evidenziare che, per quanto riguarda la Core Network, si ha una netta
separazione tra rete GSM e rete GPRS, ossia non si ha più condivisione di
risorse (bearer) tra i due servizi.
Troviamo inoltre due nuovi elementi di rete, il SGSN (Serving GSN) e il GGSN
(Gateway GSN): la Serving GSN sovrintende ad una certa area della PLMN e
mantiene le informazioni necessarie ad instradare pacchetti dati provenienti dal
GGSN verso le stazioni mobili accampate in tale area, il Gateway GSN funziona
come gateway verso reti a pacchetto esterne. Tali reti instradano i pacchetti
destinati alle stazioni mobili verso i GGSN, i quali, in funzione dell’indirizzo di
destinazione, individuano il SGSN di competenza.
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Per interconnettere SGSN e GGSN e’ stata introdotta una nuova rete a pacchetto
denominata intra-PLMN GPRS Backbone nella quale vengono trasportati,
tramite un protocollo di tunneling noto come GTP, pacchetti di dati e
segnalazione.
Le informazioni di sottoscrizione degli utenti GPRS vengono mantenute
nell’HLR/GSM, il quale è collegato con SGSN e GGSN.
Per completare il quadro, occorre menzionare la presenza di un nuovo elemento
di rete per la gestione della tariffazione del servizio GPRS.
Di seguito sono elencati piu’ dettagliatamente gli elementi di rete coinvolti nel
servizio GPRS.
Elementi di rete: MS
In generale viene indicato come MS (Mobile Station) l'entità tramite la quale un
utente può usufruire dei sistemi offerti dal sistema GSM (fra cui, naturalmente, il
servizio GPRS). I terminali standard di tipo GSM evolvono, nell'architettura
GPRS, fino a differenziarsi in base al tipo di servizio che sono in grado di offrire
all'utente finale; la distinzione delle MS viene quindi effettuata in classi a seconda
delle diverse esigenze dei vari segmenti di mercato. Nel sistema GPRS sono
state definite tre classi di MS:
• Classe A: in questa modalità è permesso l'utilizzo contemporaneo delle
risorse GSM e GPRS del sistema. Un utente è quindi in grado di
richiedere simultaneamente i servizi dei due sistemi come ad esempio
l'inoltro di una chiamata voce ed un invio di dati a pacchetto allo stesso
tempo (sempre che siano mantenute e verificate le esigenze di qualità del
servizio definite per entrambi i servizi).
• Classe B: una MS di classe B può usufruire dei servizi della rete GSM e di
quella GPRS se i servizi offerti dalle due reti non si sovrappongono nel
tempo. Questo tipo di mobile è dunque in grado di effettuare procedure di
connessione alla rete GSM per sfruttare i servizi tipici di tale sistema e di
richiedere risorse per il trasferimento di dati a pacchetto in modo
mutuamente esclusivo. La visione dei canali di controllo avviene in modo
simultaneo in modo tale da non fare percepire all'utente il cambio di
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contesto necessario al passaggio fra i due sistemi. E' prevista una
procedura di attivazione (attach) simultanea sia alle rete GSM che GPRS
con il vincolo di non poter attivare i servizi delle due reti in
contemporanea.
• Classe C: permette la connessione esclusiva ad un solo tipo di rete.
L'utilizzo contemporaneo di entrambi i servizi non è previsto dagli
standard e lo stato del servizio che non è stato selezionato risulta essere
disattivato, rendendo l'utente non raggiungibile. Un utente che è, ad
esempio, impegnato in una comunicazione GSM, risulterà pertanto
irraggiungibile nell'inoltro di un messaggio di posta elettronica nel caso in
cui questo venga trasportato attraverso il servizio GPRS.
Elementi di rete: PCU
Poiche’ nel GPRS l'interfaccia radio è l'unico punto della rete GSM/GPRS in cui i
due servizi condividono la stessa risorsa per il trasporto delle informazioni, il
primo ruolo della PCU è proprio quello di definire la quota di risorse radio da
destinare all'erogazione del servizio GPRS (in termini di numero di TS).
Nel GPRS le connessioni non sono necessariamente simmetriche. I canali uplink
(dal MS al BSS) e downlink (dal BSS al MS), vengono gestiti in modo
indipendente: la PCU associa le risorse alle connessioni in funzione della
richiesta complessiva e le richieste in eccesso vengono temporaneamente
accodate.
Ogni PCU presiede al controllo di una o più celle.
Altre funzioni demandate alla PCU sono il controllo della potenza emessa dalle
MS e la gestione degli schemi di codifica; questi ultimi devono essere adattati,
per ciascuna stazione mobile, alle condizioni locali di propagazione ed
interferenza.
Elementi di rete: GGSN
Il GGSN sovrintende a funzioni di sicurezza (firewall) e instradamento
(sostanzialmente è un router). Altre funzioni riguardano tra l’altro l'interworking
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con le reti esterne, l'assegnazione dinamica degli indirizzi, e lo svolgimento di
procedure di autenticazione durante il setup di una connessione.
Il GGSN, oltre ad essere in grado di raccogliere informazioni per quanto riguarda
la tariffazione e misure statistiche, è inoltre responsabile per l’instradamento dei
pacchetti verso il SGSN. Per il GGSN, infatti, e’ possibile instradare pacchetti
destinati a indirizzi di rete (ad esempio IP) per i quali non esiste alcun PDP
context attivo (per PDP context si intende l’insieme di informazioni relative a
ciascun indirizzo IP e comprende oltre alle informazioni per instradamento anche
tutti i dati di connessione come ad esempio il QoS).
Elementi di rete: BG
Il Border Gateway è sostanzialmente router con funzioni aggiuntive di
instradamento e sicurezza. La sua funzione é quella di garantire l'instradamento
dei pacchetti IP tra GSN appartenenti a PLMN diverse. La funzione di sicurezza é
duplice:
• protezione della PLMN nei confronti di accessi indesiderati provenienti da
altre PLMN;
• protezione della PLMN e del traffico GPRS (dati e segnalazione) nel caso
in cui l'Inter GPRS Backbone venga implementato su rete Internet. In tal
caso occorre cifrare i dati.
Elementi di rete: SGSN
Per quanto riguarda il GPRS, la regione compresa in una PLMN viene
organizzata in Routing Area (RA), una o più delle quali sono sottese ad un
SGSN. Il SGSN è il nodo di servizio per tutte le stazioni mobili accampate nelle
RA di competenza.
Le funzioni della SGSN si possono riassumere in:
• Gestione della mobilità. Ossia Attach, Controllo di Accesso
(Autenticazione, Autorizzazione, Admission Control), memorizzazione dei
dati di sottoscrizione per tutti le MS visitatrici, trekking della stazione
mobile, Detach. Il dettaglio con cui la posizione della stazione mobile
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viene registrata è l'identificativo di cella durante la trasmissione dati o
l'identificativo di RA (Routing Area) in caso di inattività.
• Gestione delle sessioni, coordinazione delle procedure di attivazione e
disattivazione delle connessioni dati (le informazioni necessarie
all'instradamento dei pacchetti dati tra stazione mobile e rete a pacchetto
vengono organizzate nei PDP context).
• Compressione e cifratura. Al fine di ottenere efficienza nella trasmissione
sulla tratta radio, è possibile effettuare la compressione delle PDU
provenienti dalla PDN. La cifratura viene applicata per motivi di
riservatezza.
• Interazioni con GSM CS. Questa funzione consente di supportare il
funzionamento di stazioni mobili operanti contemporaneamente in
modalità PS e CS.
• Gestione delle code nella BSS. In caso di problemi o congestione nelle
PCU garantisce grazie a dei buffer di non perdere i pacchetti gia’ spediti.
• Tariffazione e statistiche. Come il GGSN, il SGSN genera informazioni
dettagliate necessarie alla tariffazione, come la durata della connessione,
il volume di traffico scambiato, l’APN, ossia il punto di connessione con la
PDN, etc.
Elementi di rete: DNS
Gli Elementi di Rete connessi al GPRS Backbone sono associati in modo
univoco ad un indirizzo IP. E’ pratica corrente associare ad ogni indirizzo IP
un'etichetta che lo sostituisca completamente nella funzione di indirizzamento.
Ciascun elemento di rete fa riferimento agli altri facendo uso di questa etichetta e
nel momento in cui deve trasferire ad uno di essi un pacchetto, ricorre al servizio
del DNS per conoscere l'esatta corrispondenza tra etichetta e indirizzo IP. I
vantaggi di questo meccanismo sono molteplici, principalmente:
• E’ possibile modificare l'indirizzo IP di un elemento di rete senza notifica
dell'operazione se non al DNS.
• E’ possibile mappare un APN su più GGSN.
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