Università degli Studi di Padova Facoltà di Ingegneria Dipartimento di Elettronica ed Informatica

TESI DI LAUREA
Sistemi GSM in ambito ferroviario secondo
il progetto europeo ERTMS/EURORADIO

Marcello Scatà

 

Cap.9 - PROSPETTIVE FUTURE: IL GPRS

 

9.1 Nuove esigenze per la trasmissione dati

I servizi di trasmissione dati attualmente offerti dal sistema GSM sono a commutazione di circuito e consentono data rate fino a 9600 bit/s. Nell'immediato futuro verrà introdotto il nuovo servizio di phase II+ High Speed Circuit-Switched Data (HSCSD) che permetterà di incrementare questo valore fino a circa 56 kbit/s. HSCSD, differentemente dal GSM normale che assegna un solo timeslot per connessione, riserva più timeslot (fino ad un massimo di 4) ad una singola connessione. Introduce inoltre i concetti di bandwidth on demand e configurazione uplink-downlink asimmetrica.

Si tratta però di servizi con modalità di trasferimento a commutazione di circuito. La rete, una volta stabilita la connessione fisica da capo a capo fra i due utenti, dedica le proprie risorse fino a quando non ne viene esplicitamente richiesto il rilascio, indipendentemente dal fatto che i due utenti si scambino dati durante tutto il periodo della connessione.

Questa modalità di trasferimento è ottimale solo nel caso in cui i due utenti debbano scambiarsi una quantità significativa di dati (trasferimento file); diventa invece inefficiente non appena i dati da scambiare sono di modesta entità oppure, ed è il caso più frequente, il traffico dati è di tipo interattivo o bursty, cioè il tempo di utilizzo effettivo delle risorse di rete è solo una parte rispetto al tempo complessivo di connessione (come ad esempio la navigazione su internet tramite World Wide Web). Trasmissioni con queste caratteristiche necessiterebbero di una connessione a commutazione di pacchetto, modalità che attualmente non è offerta dal sistema GSM.

Si pone cioè per il GSM lo stesso problema che si è posto già da qualche anno per la PSTN (Public Switched Telephone Network): prevedere una modalità di trasferimento a pacchetto, in cui i dati degli utenti, racchiusi in entità di protocollo autosufficienti con indicazione del mittente e del destinatario, possono essere trasportati dalla rete senza la necessità di una stretta associazione con un circuito fisico.

Il General Packet Radio Service (GPRS) [62] [63][65] [66] è stato pensato e specificato proprio per colmare questa mancanza e offrire un vero servizio di trasmissione a commutazione di pacchetto.

Il GPRS offre una infinità di vantaggi a tutte le applicazioni che intendano sfruttare il sistema GSM come mezzo per la trasmissione dati e tra queste vi è ovviamente anche EuroRadio. Dopo aver introdotto brevemente le caratteristiche principali del GPRS, ci cercherà di schematizzare vantaggi e svantaggi derivanti dall'adozione del servizio GPRS come bearer service per Euroradio, un passo questo che verrà sicuramente fatto non appena il GPRS sarà commercialmente disponibile e sufficientemente testato.

 

9.2 Cos'è il GPRS?

Ad oggi il GSM offre 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.

In Figura 29 è schematizzato il modello di trasmissione dati attuale a commutazione di circuito: ad ogni utente è riservato un canale (rappresentato in Figura 29 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 29 - 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. 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, 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.

• È 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).

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 30 - Modello semplificato di trasmissione dati GPRS a commutazione di pacchetto.

 

In Figura 30 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.

Il GPRS introduce inoltre una nuova codifica di canale che consente di raggiungere i 20 kbit/s su un singolo timeslot, riducendo ovviamente al minimo la ridondanza per i controllo degli errori.

In teoria, accorpando tutti gli 8 timeslot di una portante, il GPRS può offrire un data rate di 160 kbit/s, in realtà l'accorpamento non supererà i 5 timeslot per un data rate comunque notevole di 100 kbit/s.

Assieme con tutti gli aspetti positivi appena enunciati esistono anche alcuni aspetti negativi. I pacchetti, viaggiando indipendentemente gli uni dagli altri, possono seguire percorsi diversi ed arrivare al ricevente non nello stesso ordine in cui sono stati spediti. Ogni singolo pacchetto deve quindi contenere tutte le informazioni per poter arrivare a destinazione e fornire al ricevente la possibilità di ricostruire l'esatta sequenza di trasmissione.

Il tempo di viaggio dei pacchetti ed il conseguente ritardo con cui arrivano a destinazione è però aleatorio, costituendo quindi un problema per tutte quelle applicazioni che necessitano invece di un data rate costante. Un altro problema si verifica quando tutti gli utenti che utilizzano il medesimo canale GPRS vogliono comunicare nello stesso momento, si crea così una congestione con conseguente ritardo dovuto alle code di trasmissione. Quest'ultimo si somma a quello prima descritto.

Il GPRS prevede diverse soluzioni per minimizzare i problemi dovuti all'aleatorietà del tempo di trasmissione. Tra questi l'allocazione flessibile della risorsa radio che permette al GPRS di assegnare in modo esclusivo un canale ad una connessione che richieda una determinata Quality of Service (QOS), creando un circuito virtuale. Ad esempio per permettere una comunicazione vocale via GPRS, la rete può riservare un canale ad un solo utente, canale che quindi non è più una risorsa condivisa. Se è necessario un data rate maggiore (ad esempio per trasmissioni video), si può arrivare ad assegnare più canali (quindi più timeslot) in modo esclusivo ad uno stesso utente.

Per garantire una certa qualità del servizio (QOS) non solo nella tratta radio, ma anche durante la trasmissione attraverso il backbone GPRS di terra, sono stati previsti alcuni meccanismi di gestione intelligente delle code e di prenotazione delle risorse. Il GPRS prevede quattro tipi differenti di QOS predefiniti, ognuno con una differente priorità di trasmissione.

I meccanismi appena descritti permettono di ottimizzare l'uso della risorsa radio e ridurre i problemi intrinseci della commutazione a pacchetto.

 

9.3 Architettura di una rete GPRS

Per implementare il GPRS si possono seguire due diversi approcci: l'approccio di sistema separato oppure l'approccio di sistema integrato.

Il primo approccio prevede che tutta l'infrastruttura necessaria per il supporto del servizio sia separato rispetto a quella della rete GSM, mentre il secondo prevede l'aggiunta delle funzionalità necessarie per il supporto del GPRS alle entità che già compongono l'infrastruttura della rete GSM. In realtà anche l'approccio "integrato" richiede l'introduzione di nuove entità, garantendo comunque, dal punto di vista economico, un impatto meno vistoso sui costi necessari per l'implementazione del servizio. Ogni singolo produttore seguirà l'approccio che reputa migliore per le proprie esigenze, entrambi presentano vantaggi e svantaggi.

Possiamo pensare la rete GSM completa scomposta in due parti: una sottorete GSM a commutazione di circuito ed una sottorete GPRS a commutazione di pacchetto. Le sottoreti sono logicamente isolate, ma condividono il sottosistema BSS (Base Station SubSystem) e HLR (Home Location Register).

Il GPRS [66] introduce alcune nuove entità di rete: il Serving GPRS Support Node (SGSN), il Gateway GPRS Support Node (GGSN) e il Border Gateway (BG).

I nodi SGSN possono essere visti come le entità in cui sono localizzate gran parte delle funzioni necessarie per supportare il GPRS. Generalmente vi sono più nodi SGSN e l'infrastruttura che li connette, denominata backbone network, consente il routing dei pacchetti trasmessi dagli utenti della rete o a questi indirizzati.

Il gateway GGSN fornisce la connettività verso le altri reti dati, ad esempio X.25 o Internet, il border gateway BG invece verso le reti GPRS degli altri operatori. Le funzioni principali svolte da queste entità sono: la conversione dei protocolli ed il mapping degli indirizzi di rete degli utenti coinvolti nella comunicazione dei dati.

Le funzionalità di SGSN, GGSN e BG possono essere integrate in un unico elemento della rete, che può coincide con un MSC (Mobile Switching Center), oppure possono essere tutti elementi separati.

Un'altra nuova entità necessaria per il supporto del servizio è il GPRS register (GR), che non necessariamente va vista come una nuova entità fisica, in quanto si può pensare di estendere l'insieme di funzioni dei VLR/HLR della rete GSM. Le funzioni espletate da un GPRS register sono essenzialmente quelle di memorizzare informazioni riguardanti l'abbonato del servizio GPRS; in particolare ogni GPRS register contiene:

• Informazioni necessarie per il routing dei pacchetti indirizzati ad un mobile GPRS; ad esempio l'indirizzo di rete del mobile per un dato protocollo di rete ed il tipo di protocollo di rete cui l'indirizzo si riferisce.

• Informazioni relative al profilo di sottoscrizione dell'abbonato; ad esempio informazioni caratterizzanti a qualità del servizio richiesta dall'utente (Quality Of Service).

 

Figura 31 - Architettura semplificata di una rete GSM/GPRS.

 

9.4 Caratteristiche del GPRS in breve

Le principali caratteristiche del GPRS sono:

• Gestione flessibile ed efficiente della risorsa radio.

• Possibilità per l'utente di inviare e riceve dati nella modalità di trasferimento end-to-end a commutazione di pacchetto senza utilizzare nessuna risorsa di rete in modalità a commutazione di circuito.

• Riunisce tutti i positivi vantaggi della commutazione di pacchetto:

• • più connessioni possono condividere la medesima risorsa di rete (il canale trasmissivo);

  • possibilità di un servizio connectionless;

  • maggior velocità di set-up della connessione;

  • possibilità di inviare messaggi in Multicast o Broadcast;

• Le caratteristiche negative sono invece minimizzate mediante l'uso di meccanismi di priorità e QOS;

• Possibilità per l'utente di trasmettere contemporaneamente anche su più timeslot;

• Velocità di trasmissione fino a 100 kbit/s utilizzando 5 timeslot, con un data rate di 20 kbit/s per timeslot.

 

9.5 Euroradio basato su GPRS: vantaggi e svantaggi

Si cercherà ora di riassumere i principali vantaggi derivanti dall'adozione del servizio GPRS con trasporto a pacchetto come bearer service per Euroradio, in luogo del vecchio servizio dati a commutazione di circuito.

Solo 4 MHz (20 portanti) della banda GSM estesa sono attualmente riservati per gli usi ferroviari. Ogni treno necessita di un canale di traffico permanentemente allocato per comunicare con terra (ed in certe circostanze addirittura due); si capisce facilmente che nelle zone ad alto traffico e nelle principali stazioni potrebbero verificarsi facilmente delle congestioni della rete. Ciò comporta una pianificazione delle frequenze rivolta verso il loro massimo riutilizzo, che si paga però in un consistente aumento dell'interferenza di co-canale con conseguente scadimento delle prestazioni generali del sistema.

Il GPRS scongiura ogni problema di congestione grazie alla sua politica di assegnazione dinamica e flessibile della risorsa radio. Uno stesso canale potrà trasportare i dati provenienti da più treni, adattando la banda allocata a ciascuno in base al throughput istantaneo da questo richiesto.

La trasmissione a commutazione di circuito richiede l'uso esclusivo di una MS per connessione così, per garantire la possibilità di un collegamento contemporaneo treno-terra con due RBC distinti, era necessario utilizzare due MS distinte. Il GPRS rende possibile avere più connessioni treno-terra contemporanee utilizzando solo una MS.

Per finire il GPRS offre un sistema di priorità, tempo di set-up ridotto e possibilità per connessioni in multicast o broadcast; funzionalità che attualmente gravano in parte sui protocolli Euroradio, ma che in futuro potrebbero essere gestite direttamente dalla rete. Non va poi dimenticato che il data rate massimo offerto dal GPRS è di ben 100 kbit/s che, rispetto agli attuali 9.6 kbit/s, apre nuove prospettive di sviluppo.

Il maggior svantaggio del GPRS è invece la sua non disponibilità; sembra infatti certo il passaggio dal GSM-R l GPRS non appena questo sarà possibile.

 

9.6 Stato del GPRS oggi

La prima versione del GPRS, secondo Kelvin Holley responsabile del gruppo di lavoro GSM SMG4 che sviluppa lo standard GPRS, sarà probabilmente disponibile per le reti commerciali durante il 1999. Tutti i maggiori produttori offriranno le apparecchiature GPRS di prima generazione già nel corso del 1999. La completa validazione della tecnologia dovrebbe essere completata verso la metà del 2000.

I servizi phase 2 del GPRS sono ancora in fase di definizione, gli standard saranno ratificati da ETSI entro la fine del 1999.

 

9.7 Dal GSM-R al UMTS-R?

Il GSM è considerato un sistema di seconda generazione. Un sistema di cosiddetta terza generazione è oggi in fase di studio; si chiamerà Universal Mobile Telecommunication System (UMTS). UMTS favorirà le nuove applicazioni multimediali (video e audio), permettendo comunicazioni tra terminali mobili e rete con throughput fino a 2 Mbit/s in tempo reale.

Oggi non è chiaro se UMTS-R sarà di qualche interesse, nel medio termine, per gli usi ferroviari visto quasi tutte le applicazioni ferroviarie saranno fornite in tecnologia GSM-R. Il campo di applicazione che potrebbe essere di maggior interesse è il potenziamento dei servizi avanzati verso i passeggeri (ad esempio nuovi servizi multimediali).

I produttori proporranno UMTS come una estensione delle reti GSM, sarà così possibile per gli operatori commerciali continuare a mantenere gli elementi core della rete GSM. Con la stessa filosofia, UMTS-R potrebbe essere disponibile per le ferrovie come estensione delle reti GSM-R.

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