Capitolo 1 Sistemi 4G

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Capitolo 1

Sistemi 4G

1.1 Introduzione

Quando parliamo di rete mobile tradizionale spesso pensiamo ad una rivoluzione degli anni Novanta. Per certi aspetti questo é vero: l’ esplosione della tele-fonia mobile é avvenuta proprio in questo decennio, ma é altrettanto vero che dietro le comoditá odierne offerte dal nostro cellulare si cela un lavoro che non dura solo da qualche anno, ma addirittura da quasi un secolo. La possibilitá di essere raggiunti ovunque si é concretizzata prima di tutto con l’ invenzione del cercapersone: un piccolo apparecchio che, con un segnale acustico e un piccolo display, segnalava che qualcuno ci stava chiamando. Tale dispositivo, commercializzato dal 1955, permetteva soltanto un tipo di comunicazione a senso unico: chi riceveva la segnalazione doveva recarsi ad un telefono fisso per poter richiamare il numero indicato sul display. In realtá gli esperimenti nel campo della telefonia mobile risalgono all’ inizio degli an-ni Venti, quando la forze militari statuan-nitensi si ingegnarono per trovare un sistema di comunicazione a distanza. Purtroppo, dati i tempi e le tecnologie allora disponibili, i collegamenti potevano essere solo unidirezionali,

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men-tre comunicazioni vere e proprie si ebbero solo a partire dal 1935, quando fu introdotta la tecnica basata sulla Modulazione di Frequenza. La diffu-sione di questo sistema fu immediata: in pratica si assegnava una frequenza a chiunque ne facesse richiesta, col risultato che ben presto i canali radio disponibili si esaurirono di fronte all’ enorme domanda. In quegli stessi anni in via sperimentale le auto della polizia di Detroit furono dotate di disposi-tivi radiomobili che possono essere considerati i primi antenati degli odierni apparati di telefonia mobilie. Tali apparecchi comunicavano attraverso un’ antenna installata su un grattacielo che poteva trasmettere fino a circa cento chilometri di distanza. Anche tenendo presente le successive modifiche , si trattava pur sempre di apparecchi ad esclusivo uso veicolare, visti il peso e le dimensioni decisamente eccessivi, e ancora non accessibili a tutti a causa dei costi proibitivi e dell’ installazione che doveva essere fatta su misura per l’ automobile: ricevitore e trasmettitore potevano occupare l’intero bagagli-aio, mentre il disco selettore e la cornetta venivano solitamente installati all’ interno dell’ abitacolo. L’ alimentazione veniva fornita dalla batteria della macchina, ma il consumo era piuttosto elevato. Il numero di canali a dispo-sizione per le chiamate era comunque molto inferiore rispetto alla richieste di abbonamento e, nonostante le tariffe elevate, non era semplice trovare la linea libera , soprattutto nelle ore di punta. In Italia il servizio radiomobile venne introdotto dalla Sip nel 1973, ma l’ installazione era costosa e la diffusione fu scarsa. L’ intuizione che rivoluzionó il modo di concepire la telefonia mobile l’ ebbe, nel 1947, un ricercatore della societá Bell Laboratories (AT&T) che avanzó per primo l’ idea di cella. Il concetto di base era quello di dividere il territorio in tante celle, ognuna dotata di una stazione ricetrasmittente operante con una determinata frequenza in modo tale che fosse diversa da quella utilizzata nelle celle adiacenti. In questa rete, ciascuna stazione é

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col-legata attraverso normali linee telefoniche ad un centro di commutazione per le telecomunicazioni mobili, che ha il compito di dirigere il traffico. Quando l’ utente fa una chiamata utilizza uno dei canali disponibili. Spostandosi in una zona servita da un’ altra cella, il sistema trasferisce automaticamente la comunicazione su un canale della nuova cella, lasciando libero il precedente per altre telefonate. Inoltre le stazioni dovevano operare a bassa frequenza per non interferire con quelle vicine. Tutto ció permetteva di supportare un numero maggiore di utenti e di risolvere i problemi di sovraffollamento delle linee riscontrati negli esperimenti precedenti. Se lo sviluppo della rete cellu-lare si deve ai ricercatori della Bell Labs, fu la sua principale concorrente, la societá elettrica Motorola, a realizzare il primo telefono cellulare. Il 3 aprile 1973 l’ ingegnere americano Martin Cooper effettua per la prima volta una chiamata da un telefono cellulare; da una strada di Manhattan telefona al suo diretto concorrente il direttore della Bell Laboratories. L’ apparecchio pesa circa 1130 grammi, non ha display, né altre funzioni se non quelle di par-lare, ascoltare e comporre un numero. La batteria di tale dispositivo aveva trentacinque minuti di autonomia, ma impiegava piú di dieci ore a ricaricarsi. Eppure rispetto ai telefoni da automobile il peso, le dimensioni, e il consumo energetico si sono notevolmente ridotti.

1.2 Quadro Storico

1.2.1 Anni 80

Gli anni ’80 videro la messa sul mercato dei dispositivi cellulari della cos´ı detta Prima Generazione (1G), con l’ introduzione dei primi servizi com-merciali di telefonia cellulare. Nel 1983 viene lanciato sul mercato il primo telefono cellulare: si trattava di un Motorola DynaTac 8000X, il cui prezzo

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peró, intorno ai 4000$, lo portava ad avere un ristretto mercato. La Motorola aveva previsto peró che entro la fine del secolo ci sarebbero stati un milione di utenti nel mondo; in realtá, nel 2000, c’ erano, invece, piú di cento mil-ioni di abbonati alla telefonia cellulare solo negli Stati Uniti. I primi sistemi cellulari analogici introdotti risalgono agli inizi degli anni 80. Dapprima gli Stati Uniti (Chicago 1979), con l’ introduzione del sistema AMPS (Advanced Mobile Phone Service) e poi l’Europa (paesi scandinavi 1981), con l’ intro-duzione del sistema NMT(Nordic Mobile Telephone) furono i promotori a collaudare questa innovazione per le telecomunicazioni. Nel 1985 in Regno Unito vengano introdotti i sistemi cellulari analogici conosciuti come TACS (Total Access Communications System). Per quello che riguarda la situ-azione in Italia invece nel 1990 abbiamo l’ introduzione del sistema ETACS (Extended Total Access Communications System), funzionante a 900 MHz .

Fig. 1.1: example caption

1.2.2 Anni 90

Negli anni ’90 ci fu la comparsa dei primi dispositivi di seconda generazione (2G) di tipo digitale. Nel 1991 viene lanciato in tutta Europa il sistema

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di telefonia mobile digitale denominato GSM (Groupe Spécial Mobile), che gradualmente sostituirá i vari sistemi analogici presenti in ogni Paese (in Italia part´ı in via sperimentale solo nel 1992 e fu commercializzato nel 1995). Il sistema digitale rispetto a quello analogico presentava una serie di van-taggi, tra cui la possibilitá di spostarsi da un Paese all’ altro del continente Europeo senza dover cambiare telefonino ad ogni frontiera e la capacitá di in-viare/ricevere dati in formato testuale(fax, e-mail, SMS), per questo motivo il GSM puó essere considerato il primo standard di comunicazione ’globale’. Il successo del GSM é stato tale che questo sistema é ormai di fatto assunto a standard mondiale, in piú di centosessanta nazioni. Il successo di questo standard si basa su motivazioni di carattere tecnico e commerciale. Fra le motivazioni tecniche dobbiamo ricordare:

• Standard digitale integrato con ISDN. Accesso a tutti i nuovi servizi: identificatore di chiamata, chiamata a tre, avviso di chiamata ecc.

• Chiamate sono crittate: garanzia della privacy

• Equalizzatore digitale e codici a protezione di errore: buone prestazioni anche in caso di canale multipath

• Compressione della voce: limita la banda per una comunicazione vocale

• Possibilit´a trasmissione dati: modem e sms (short messaging service) Mentre fra le motivazioni Commerciali dobbiamo ricordare:

• Per essere globale a livello Europeo GSM nasce come Open Standard Architecture (OSA), seguendo il modello di Internet. Non ´e uno stan-dard proprietario ma viene definito da un istituto (ETSI) a cui chiunque sia interessato pu´o partecipare

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• La competizione tra le aziende manifatturiere ha determinato una riduzione sia dei costi dell’infrastruttura che dei terminali mobili

• Per legge in ogni paese UE le risorse radio sono condivise tra pi´u operatori. La competizione ha abbassato i costi dei servizi

Ed é proprio in questo decennio che il ’telefonino’ inizia a diffondersi a mac-chia d’ olio: l’ idea di poter raggiungere una persona e non piú soltanto un luogo appariva come un qualcosa di innovativo e assolutamente allettante. Inoltre i telefoni di questa generazione diventano piú leggeri, rispetto ai loro predecessori molto piú scomodi e pesanti da trasportare, e aumentano d’ autonomia grazie alle nuove batterie. Anche i costi si riducono progressiva-mente: oramai il cellulare non é piú un bene di lusso, ma diventa accessibile alla maggior parte degli utenti. Il GSM garantisce una compatibilitá tra gli apparecchi di trasmissione dati e utilizza la commutazione di circuito, con-sentendo un bit rate massimo di 9,6 Kbps. Sistema GSM é composto da tre sottosistemi principali interconnessi tra loro:

• Base station subsystem (BSS) + mobile station (MS)

• Network and switching subsystem (NSS)

• Operation maintenance center (OMC)

Di seguito viene riportata una schematizzazione di tali sottoinsiemi. In dettaglio si ha:

• Base station subsystem (BSS): é il sottosistema che gestisce l’accesso radio: comprende le unitá (stazioni base) che consentono di fornire la copertura radio di un’area costituita da una o piú celle. Una BSS comprende un certo numero di BSC che si connettono ad un singolo

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MSC. La stazione base ´e composta di due unit´a: una Base Transceiver Station (BTS) e una Base Station Controller (BSC). La mobile station fa funzionalmente parte del BSS.

• Base transceiver station (BTS): una BTS é composta da antenna (il cui numero dipende se si implementa diversitá spaziale o no), trasmettitore, ricevitore e poco piú. Comunica con BSC attraverso l’Interfaccia Abis (poco standardizzata). Le connessioni tra BSC e BTS possono essere su cavo o collegamento radio, dipende da dove sono localizzate le BTS. Tra BTS e BSC ci sono canali a 13 kbit/s,banda occupata da comunicazioni vocali GSM, o a 64 kbit/s, banda ISDN.

• Network and switching subsystem (NSS): ´e il sottosistema che gestisce lo switching delle chiamate da e verso l’esterno e fra diverse BSC ap-partenenti alla stessa rete. NSS ´e composto dai seguenti elementi princi-pali: mobile switching center (MSC), home location register (HLR), vis-itor location register (VLR), authentication center (AUC) e equipment identity register (EIR).

Il sistema GSM ´e frequency division duplexed (FDD): uplink e downlink sono trasmessi su bande di frequenza disgiunte. Le frequenze del GSM sono allo-cate in due regioni dello spettro: inizialmente sono state assegnate due bande

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da 25 MHz ciascuna per uplink e dowlink intorno a 900 MHz e successiva-mente 2 bande da 75 MHz intorno a 1800 MHz (DCS 1800). Lo schema di

accesso multiplo ´e una combinazione di FDMA, la banda complessiva viene suddivisa in canali da 200 kHz, e TDMA, ciascuno di questi canali viene condiviso nel tempo tra 8 utenti.sono sempre separata da 45 MHz. Per com-battere interferenza da acceso multiplo e fading, ad ogni trama la frequenza portante viene cambiata con un algoritmo di ’frequency hopping’. Tale sis-tema opera su tre bande di frequenza (900MHz, 1800 MHz, 1900 MHz). Inizialmente questo ha comportato non poche difficolt´a, dato che i terminali erano in grado di lavorare soltanto su una determinata banda per volta. L’

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avvento dei telefoni mobili dual-band e tri-band ha rimosso l’ ostacolo e ha contribuito ad avvicinarsi alla creazione di un sistema di accesso di tipo wire-less, cioé senza fili (cellulari, satellitari, cordless) che possa essere integrato alle reti fisse ad alta velocitá e quindi permettere a chiunque di comunicare con chiunque altro indipendentemente dal luogo in cui si trovi. Tra le tante novitá determinate dalla diffusione del GSM bisogna segnalare la possibilitá di spedire messaggi di testo, immagini e di collegare il telefono al computer. Nel dicembre del 1992 nascono infatti gli SMS (Short Message Service), pen-sati inizialmente come sistema di comunicazione di servizio per gli operatori delle telefonia mobile e diventati poi un fenomeno di costume (nel 2003 ne sono stati inviati circa ventitre miliardi!).

1.2.3 2000

Nel 2000 ci una rapida evoluzione della seconda generazione che port´o alla nascita della cos´ı detta seconda generazione e mezzo (2.5G), individuata dal GPRS(General Packet Radio Service), e della terza generazione (3G),

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individ-uata dall’ UMTS (Universal Mobile Telecommunication System), standard universale su cui molte aziende puntavano che aveva ed ha tuttora lo scopo di rendere il dispositivo di telefonia mobile uno strumento multimediale. La caratteristica, assolutamente innovativa, che accomuna tali sistemi ´e la possi-bilit´a di accedere ai servizi e alle informazioni disponibili sul Web attraverso il telefonino. Analizzando nel dettaglio possiamo notare che le caratteristiche principali che contraddistinguono il Gprs sono :

• velocitá di trasmissione dati (bit rate): il network GPRS é progettato per supportare una velocitá massima teorica di 171.2 kbps. Ad oggi questo valore rappresenta una velocitá di circa tre volte la velocitá disponibile sulle linee si comunicazione fisse, e circa 10 volte le velocitá disponibili sui network GSM. E’ chiaro come questa caratteristica tipica del GPRS consentendo maggior velocitá, rappresenti una soluzione piú economica nella trasmissione dati rispetto ai servizi SMS e CSD.

• trasmissione basata sulla commutazione a pacchetto: La commutazione a pacchetti significa che le risorse radiofoniche del GPRS sono usate soltanto quando gli utenti sono realmente in fase di trasmissione o di ricezione dati. Ed é un sistema piú efficiente del GSM che dedica un canale radiofonico ad ogni un utente per un periodo di tempo fisso, e fa si che le risorse radiofoniche disponibili possano essere ripartita simultaneamente fra molti utenti. Ció significa che la stessa cella puó servire una moltitudine di utenti e consente di impiegare in modo piú economico le risorse disponibili.Il GPRS aumenta la capacitá di picco di un network GSM perché consente simultaneamente di:

– allocare pi´u efficientemente le risorse radiofoniche dal momento che sostiene la connettivit´a virtuale

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– allocare traffico che ´e stato precedentemente inviato utilizzando il CSD (Circuit Switched Data) ad un GPRS, e ottimizza i centri di smistamento SMS.

• connettivitá always on (sempre aperta): La tecnologia GPRS consente connessioni veloci grazie alle quali é possibile inviare e ricevere infor-mazioni nel momento in cui si rendono necessarie, senza dover aspettare che un modem stabilisca una connessione dial-up. Ecco perché talvol-ta si dice che i telefoni cellulari GPRS rappresentalvol-tano una tecnologia ’always online’ (sempre in linea). Le risorse radio vengono impegnate solo quando vi é la necessitá di inviare o ricevere i dati, ed é possibile avere piú connessioni su un unico canale trasmissivo (multiplexing).

• possibilitá di accesso ai servizi internet: Per la prima volta il GPRS ha permesso completamente le funzionalitá dell’ Internet mobile: tutto ció che oggi é internet-fisso come il File Transfer (ftp), la navigazione su internet, le chat, l’ email, il telnet sará disponibile tramite terminale GPRS. Ed é importante notare che molti operatori hanno considera-to l’opportunitá di utilizzare i network GPRS anche per gli Internet Service Provider (ISP). Il World Wide Web (WWW) si sta sempre piú trasformando nella interfaccia di comunicazione primaria tramite la quale le persone scambiano informazioni. La navigazione su inter-net, le LAN aziendali, lo scambio di informazioni tra colleghi, sono tutti servizi tipici del WWW, il quale fa si che determinate comunitá di persone condividano i loro interessi. Ed é per questi motivi che la navigazione su internet é divenuta una delle applicazioni primarie del GPRS. Poiché utilizzano il medesimo protocollo, il netwprk GPRS puó essere visto come un sotto-network di internet, in cui i terminali mobili

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rappresentano i client mobili.Questo significa che ogni terminale GPRS pu´o avere il suo indirizzo IP, ed essere quindi considerato come server web.

Da un punto di vista dell’ architettura di rete ´e necessario sottolineare le novit´a introdotte dal GPRS che possono essere di seguito riassunte in:

• novit´a in NSS: GPRS support node (GSN), responsabili della gestione a commutazione di pacchetto delle trasmissioni e aggiornamento HLR per gestire le nuove funzionalit´a della rete (info di routing).

• novit´a in MS+BSS: si definiscono tre classi di terminali

– Classe A: pu´o gestire simultaneamente chiamate GSM e GPRS.

– Classe B: pu´o registrarsi su entrambe le reti ma usare uno dei due servizi alla volta

– Classe C: si pu´o registrare su una delle reti alla volta

L’ architettura logica del sistema GPRS é indicata in figura XXX. Tale ar-chitettura é stata sviluppata dallo schema definito per il sistema GSM, intro-ducendo gli elementi necessari alla gestione dei nuovi servizi di tipo GPRS. L’introduzione di questi nuovi elementi é, inoltre, un primo passo per la mi-grazione verso il sistema UMTS di cui il GPRS puó essere considerato un precursore. Molte delle caratteristiche del sistema GPRS verranno, infat-ti, ereditate dal sistema UMTS lasciando trasparire come i due sistemi non operino in concorrenza l’uno rispetto all’altro ma, piuttosto, come siano due fasi distinte dello stesso percorso evolutivo. Di seguito vengono descritte le caratteristiche e le funzionalitá principali dei singoli blocchi.

• TE-MT: Il binomio TE (Terminal Equipment) e MT (Mobile Termi-nal) rappresenta quella che viene in generale indicata come MS (Mobile

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Station) ovvero l’entitá tramite la quale un utente puó usufruire dei sis-temi offerti dal sistema GSM (fra cui, naturalmente, il servizio GPRS). I terminali standard di tipo GSM evolvono, nell’architettura GPRS, fi-no a differenziarsi in base al tipo di servizio che sofi-no in grado di offrire all’utente finale; la distinzione delle MS avverrá per classi che tender-anno a soddisfare le diverse esigenze dei vari segmenti di mercato. Nel sistema GPRS sono state definite tre classi di MS (ETSI GSM 02.60 [5]):

– Classe A: in questa modalitá é permesso l’utilizzo contemporaneo delle risorse GSM e GPRS del sistema. Un utente é quindi in gra-do di richiedere simultaneamente i servizi dei due sistemi come ad esempio l’inoltro di una chiamata voce ed un invio di dati a pac-chetto allo stesso tempo, sempre che siano mantenute e verificate le esigenze di qualitá del servizio definite per entrambi i servizi.

– Classe B: una MS di classe B pu´o 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 ´e 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 contesto necessario al passaggio fra i due sistemi. E’ prevista una pro-cedura di attivazione (attach) simultanea sia alle rete GSM che GPRS con il vincolo di non poter attivare i servizi delle due reti in contemporanea

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L’utilizzo contemporaneo di entrambi i servizi non é previsto dagli standard e lo stato del servizio che non é stato selezionato risulta essere disattivato, rendendo l’utente non raggiungibile. Un utente che é, ad esempio, impegnato in una comunicazione GSM risul-terá pertanto irraggiungibile nell’inoltro di un messaggio di posta elettronica nel caso in cui questo venga trasportato attraverso il servizio GPRS.

• BSS: Il BSS (Base Station Subsystem) é l’entitá funzionale delegata al-la comunicazione con una MS in una particoal-lare area geografica; l’area controllata da un BSS puó essere costituita da una o piú celle ciascuna servita da un elemento di rete definito come Base Transceiver Station (BTS). L’entitá che sovrintende l’insieme delle BTS é identificata come Base Station Controller (BSC). Nel sistema GSM, e dunque nell’ar-chitettura GPRS, vi é una separazione netta fra gli elementi della rete che si occupano della gestione della strato di accesso radio rispetto a quelli che si devono occupare delle problematiche di rete fissa. Questa separazione verrá seguita anche nel sistema UMTS dove verrá identi-ficata una struttura di rete che presenta una divisione fra l’ACCESS STRATUM (AS, responsabile della comunicazione attraverso l’inter-faccia radio) ed il NON ACCESS STRATUM (NAS). Il BSS (come insieme dei componenti BTS-BSC) comprende le unitá funzionali che consentono di fornire la copertura radio di un’ area costituita da una o piú celle e dunque deve fornire i seguenti servizi:

– Ricezione e trasmissione delle informazioni: si occupa della co-municazione con una MS sulla tratta radio e dell’esecuzione delle misure necessarie a garantire una buona qualit´a dei collegamenti

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con le MS

– Controllo delle risorse radio: il BSS mantiene la responsabilitá della gestione delle risorse radio e dei dati di configurazione di cella di una certa area. Il BSS é l’elemento funzionale che permette il passaggio dal mondo radio del sistema GSM a quello di rete. Nel caso del sistema GSM, il BSS si interfaccia con il Mobile Switching Center per il trasferimento del traffico voce a circuito; nel sistema GPRS, invece, il BSS si interfaccia con il Serving GPRS Support Node per permettere i servizi di trasferimento dati a pacchetto. Il BSS é dunque il punto di fusione delle due strutture di rete e viene sfruttato contemporaneamente dai servizi di tipo GSM e GPRS.

• MSC-VLR: Il MSC-VLR (Mobile Switching Center - Visitor Location Register) é in sostanza una centrale di commutazione numerica in gra-do di servire gli utenti di una rete radiomobile GSM che si trovano nell’area di copertura radio da esso controllata. Il MSC é l’unitá ar-chitetturale che svolge le funzioni di commutazione necessarie per in-staurare, controllare, tassare le chiamate da e verso una MS presente nell’area geografica da esso servita (nota come area MSC) Presso il MSC é collocato il VLR ossia un database, normalmente integrato nel MSC, la cui funzione é quella di memorizzare e tenere aggiornate le in-formazioni relative alle MS che sono presenti all’interno dell’area MSC. Una MS mentre si sposta all’interno della rete GSM puó cambiare in continuazione BTS effettuando la procedura nota come handover. A questa struttura si sovrappone l’architettura degli MSC che manten-gono le informazioni degli utenti che in un dato periodo di tempo si trovano sotto l’area servita da un particolare MSC. Il MSC é delega-to alla commutazione delle chiamate verso un cerdelega-to numero di BSS in

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modo tale da mascherare agli altri elementi della rete la mobilit´a degli utenti all’interno dell’area da esso servita. Nel VLR sono mantenute le informazioni degli utenti che sono attualmente sotto il controllo del MSC a cui il VLR appartiene per gestire eventuali chiamate da e verso una MS nella propria area

• GMSC: Il GMSC (Gateway MSC) é un MSC che ha la particolare fun-zione di occuparsi delle chiamate provenienti da MSC di altri operatori o di chiamate che coinvolgono gli elementi della rete telefonica fissa. La funzione principale di un GMSC é quella di operare come gateway fra la rete telefonica esterna e il MSC presso cui é registrato il mobile. Per svolgere questo servizio il GMSC ha una connessione con il database centrale, denominato Home Location Register (HLR), per riuscire a ri-cavare il VLR (e quindi il MSC) in cui é attualmente memorizzato il mobile in modo tale da poter instradare direttamente la connessione verso il mobile stesso.

• HLR: l’Home Location Register costituisce il database centrale su cui un gestore di rete GSM/GPRS memorizza, in modo permanente, i dati relativi agli utenti che hanno sottoscritto un abbonamento. Questo tipo di dati vengono definiti come dati statici per contrapporli ad un’altra serie di dati (dinamici) che possono variare a seconda dello stato e della posizione del mobile. L’HLR, infatti, memorizza tutti i dati necessari a fornire le informazioni corrette per l’instradamento delle chiamate vero un MS. Il GMSC, ad esempio, mediante il numero di telefono di un mobile ricava l’HLR che gestisce il MS e richiede a questo l’i-dentificativo del VLR presso cui l’utente ´e temporaneamente registra-to per instradare la chiamata in modo corretregistra-to. L’HLR ha dunque

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una stretta correlazione con tutti gli altri elementi di rete del sistema GSM/GPRS in quanto memorizza le informazioni statiche e dinamiche utili alla gestione di un MS in modo centralizzato.

• SGSN: Il SGSN (Serving GPRS Support Node) é uno dei due elementi funzionali (insieme al GGSN) che sono stati introdotti per la gestione peculiare dei servizi di tipo GPRS. Uno degli scopi principali di questo elemento funzionale é sovraintendere la comunicazione a pacchetto al-l’interno dell’architettura di rete fissa del sistema GPRS interfacciando la parte di rete che gestisce l’accesso radio con quella che si occupa della commutazione a pacchetto. L’SGSN é il diretto responsabile dei servizi a pacchetto definiti per una MS includendo la gestione dell’aut-enticazione al servizio, di gestione della mobilitá e della connessione alla MS a livello di link logico. Volendo paragonare le architetture di rete GSM e GPRS si puó dire che il SGSN é, per il sistema GPRS, l’analogo del MSC per il sistema GSM. Il SGSN puó essere paragonato, in linea di principio, ad un router del mondo Internet a cui sono aggiunte le funzionalitá utili alla gestione di una connessione che puó essere richi-esta o essere diretta verso un utente mobile. L’SGSN si interfaccia con il VLR e con il HLR per ottenere informazioni dettagliate sui mobili che sta gestendo all’interno della sua area. La rete a pacchetto interna del sistema GPRS é quella ottenuta dalla connessione dei vari SGSN.

• GGSN: il GGSN (Gateway GSN) presenta funzioni analoghe a quelle definite per il GMSC dell’architettura GSM. Il compito principale di questo elemento ´e quello di operare come interfaccia tra la rete a chetto interna e le reti a pacchetto esterne. Il GGSN converte i pac-chetti GPRS provenienti dal SGSN in un formato appropriato alla rete

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a pacchetto esterna verso cui devono essere instradati. Nella direzione opposta, attraverso le informazioni contenute nel HLR, l’SGSN instra-da i pacchetti in arrivo instra-dalle reti esterne verso l’SGSN che gestisce il mobile in quel particolare momento. Tutti i GSN sono collegati at-traverso una rete a pacchetto basata sulla suite di protocolli TCP/IP ed effettuano l’incapsulamento dei pacchetti di livello rete degli utenti su questa pila protocollare. L’obiettivo di questa tesi é analizzare l’effi-cienza dell’accesso radio a pacchetto del MS e lo studio della qualitá del servizio che é possibile garantire nei servizi di tipo GPRS. L’interfaccia che si intende analizzare é, dunque, quella indicata con Um in fig XXX.

Il sistema GPRS permette ad un utente di trasmettere e ricevere dati in modalitá a pacchetto senza utilizzare risorse di rete in modalitá a cir-cuito. Questo si traduce, vista l’analisi logica dell’architettura, nell’utilizzare la trasmissione dati a pacchetto sia sull’interfaccia di accesso radio U sia su quella G all’interno della core network. I servizi e le modalitá di trasferimen-to che sono state standardizzate hanno lo scopo di adattarsi a traffici dati che esibiscono le seguenti caratteristiche.

• Traffici intermittenti o non periodici in cui il tempo fra due trasmissioni consecutive sia maggiore del ritardo di trasferimento medio end to end.

• Frequenti trasmissioni di piccoli volumi di dati; ricadono in questo caso trasmissioni di meno di 500 ottetti con una cardinalit´a di numerose trasmissioni al minuto.

• Trasmissioni non frequenti di grandi volumi di dati; esempio di questo tipo di traffico pu´o essere un trasferimento di alcuni kbyte di dati con una frequenza di alcune richieste per ora.

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All’interno del sistema GPRS sono state definite due tipologie di connessione (Radio-Bearer) per soddisfare le caratteristiche dei servizi che si volevano introdurre:

• Punto-punto.

• Punto-multipunto.

Basandosi su questi bearer sono stati definiti i servizi offerti agli utenti finali. Alcuni esempi di servizi punto-punto sono:

• Servizi di reperimento di informazioni su database remoti (es. WWW).

• Servizi di messaggistica per la comunicazione attraverso unit´a di mem-orizzazione (es. E-mail service).

• Servizi conversazionali che prevedono una comunicazione con trasferi-mento dati bi-direzionale in tempo reale (es. Telnet).

• Servizi transazionali caratterizzati dal trasferimento di piccole quantit´a di dati (es. validazione di carte di credito, monitoraggio di un sistema remoto).

Alcuni esempi di servizi che possono essere supportati in modalit´a punto-multipunto sono:

• Servizi di distribuzione da un punto centralizzato all’interno della rete verso destinatari sparsi sul terriorio (es. trasmissione di informazioni meteo o di traffico automobilistico).

• Servizi di conferenza che consentono il trasferimento in tempo reale ed in modalit´a multidirezionale di dati fra utenti sparsi sul territorio. Per utilizzare i servizi forniti dall’architettura GPRS ´e previsto che l’utente

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registri l’attivazione del servizio mediante sottoscrizione esplicita e che identifichi il tipo di servizio richiesto mediante un profilo che definisce la qualitá del servizio che deve essere garantita. I parametri neces-sari all’identificazione del profilo sono parte integrante del contratto e vengono successivamente mappati sulle connessioni fra gli elementi logici all’interno del sistema. Visto che lo scenario di mobilitá degli utenti cambia le condizioni radio su cui opera un servizio (copertura, interferenza, ecc.) i parametri si riferiscono a condizione di copertura accettabile (senza entrare nel merito di tale definizione) e di carico nor-male della rete. In caso di congestione, tali parametri sono indicativi e la rete é tenuta solo a garantire la prioritá fra i vari servizi.

Il sistema GPRS non pone dei vincoli sulle modalitá con cui i parametri di QoS delle varie applicazioni vengono messi in relazione ai parametri pro-pri definiti all’interno dell’architettura logica. L’architettura GPRS é sta-ta introdotsta-ta per risolvere il problema dell’inefficiente utilizzo delle risorse trasmissive, sia sull’interfaccia radio che nell’architettura interna, in presen-za di traffico con caratteristiche bursty. Per risolvere tale problema si é giunti all’introduzione di servizi basati su GPRS che possono essere attivati su richiesta dell’utente, disponendo delle risorse trasmissive giá allocate per il sistema GSM. Come si vedrá in seguito alla descrizione dettagliata dei vari livelli della pila protocollalre, il sistema GPRS sfrutta lo stesso livello fisico del sistema GSM condividendone con esso le risorse. Mediante questa soluzione sará possibile adattarsi in modo dinamico alle richieste di servizio, sfruttando le portanti assegnate al GSM, senza che sia necessario riservare staticamente dei canali a questo tipo di sistema. Questa é una delle motivazioni che por-tano a considerare il GPRS sia come un servizio che come un’architettura di sistema. Le caratteristiche dei servizi sono state definite dall’ETSI

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medi-ante parametri che mirano a creare una visione oggettiva delle richieste degli utenti. I vari parametri suddividono le richieste in classi di servizio anche se non obbligano gli operatori a supportare tutte le combinazioni possibili delle varie classi. Un terminale mobile GPRS pu´o, in linea di principio, essere utilizzato per operare secondo due mansioni principali:

• Modem: il cellulare ´e visto come un semplice apparato rice-trasmittente che deve sfruttare l’accesso radio per trasferire informazioni generate da applicativi esterni

• Stand-alone: in cui i programmi applicativi risiedono all’interno dello stesso apparato

In entrambi i casi il livello applicativo risiederá al di sopra di un livello rete che garantirá il trasferimento dei dati in modalitá a pacchetto. I principali livelli di rete per cui si é garantitá interoperabilitá sono l’IP per il mondo IETF e l’X25 per il mondo ITU. Il livello rete permette la comunicazione fra l’infrastruttura di GPRS e la rete a pacchetto che si trova all’esterno di questa. I pacchetti IP attraversano (secondo le modalitá affrontate nei prossimi paragrafi) la rete di accesso fino al SGSN. Mediante la funzional-itá di relay presente all’interno del SGSN i pacchetti IP vengono analizzati in modo tale da essere instradati verso il GSN opportuno (intendendo con GSN sia un SGSN che un GGSN). I SGSN, infatti, possono essere trattati a livello funzionale come dei router che hanno il compito di trasferire un flusso dati a pacchetto fra i vari SGSN. Il flusso informativo proveniente dal livello rete del mobile puó esser pensato in arrivo al livello GTP dell’SGSN dopo avere attraversato l’architettura di accesso; tale flusso viene trasferito tra gli SGSN mediante un’infrastruttura che poggia su un altro strato di rete basato sulla suite di protocolli TCP/IP. Il livello GTP (GPRS Tunneling Protocol)

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definito in GSM 09.60 ha il compito di incapsulare i pacchetti dei protocolli superiori nel trasferimento fra i vari GSN in modo tale da fornire un’inter-faccia standard verso il livello UDP/TCP inferiore. Per la connessione far i vari GSN, il livello GTP sfrutta i servizi dei livelli inferiori per essere in grado di trasferire informazioni basandosi sia su di una pila di tipo orientato alla connessione (TCP-IP) che non orientato (UDP/IP). L’intestazione GTP viene utilizzata per instaurare un canale logico che ha lo scopo di trasferire un flusso di informazione fra due GSN. Il livello IP previsto dagli standard é l’IPv4 e si rimanda agli standard IETF per la sua descrizione (RFC 794). A questo livello protocollare si arriva a realizzare il vero e proprio tunneling del livello Rete del mobile sopra il livello Rete interno all’infrastruttura dei GSN. L’ETSI ha deciso di utilizzare direttamente i protocolli di trasporto TCP e UDP ed il protocollo di rete IP per il trasferimento dati fra i vari SGSN; all’-header di livello IP proprio della pila del mobile (nel caso di trasmissione in uplink) vengono aggiunti, attraverso la mediazione del livello GTP, gli header di livello TCP/UDP e IP utili ad instradare il flusso dati attraverso gli SGSN. Per l’instradamento dei pacchetti all’interno della core network GPRS non si sfrutta, dunque, l’intestazione di livello IP inseritá dal mobile ma una nuova intestazione che permette il tunnelling all’interno degli SGSN. L’header IP in-serito dal mobile sará utilizzato una volta che il pacchetto avrá iniziato la sua risalita all’interno della pila protocollare nel GGSN. All’interno del GGSN il pacchetto verrá instradato verso la rete a pacchetto esterna opportuna senza preoccuparsi che sia un altra rete GPRS o la rete Internet vera e propria. L’ introduzione del sistema di comunicazione mobile UMTS é stata consid-erata un evento rivoluzionario, in grado di raggiungere importanti obiettivi come la convergenza tra reti fisse e reti mobili, l’offerta di un’ampia gamma di servizi, comprendendo tra essi tutto ció che attualmente viene definito

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con il termine ’comunicazione multimediale’, e una vasta disponibilitá di ap-plicazioni accessibili sia in modo wired che wireless. Il raggiungimento di tali obiettivi é possibile principalmente tramite lo sviluppo di un’interfaccia radio innovativa, senza tuttavia trascurare la core network che supporta il sistema di accesso alla rete. Le attuali core network dei sistemi di teleco-municazione mobile sono principalmente ottimizzate per il trasporto vocale tramite connessioni a circuito mentre, al contrario, per UMTS vi é la neces-sitá di supportare anche il trasferimento di dati nella modalitá a pacchetto. L’integrazione tra reti mobili e fisse ha come conseguenza la realizzazione di un sistema in grado di fornire una singola piattaforma di servizi di teleco-municazione. Le principali funzionalitá richieste ad UMTS sono, quindi, la capacitá di supportare servizi dati a larga banda, comunicazioni di tipo sim-metrico e asimsim-metrico, traffico a commutazione di circuito con garanzia di QoS, traffico a commutazione di pacchetto con diversi livelli di QoS, servizi real time e non real time e l’introduzione di nuovi servizi basati su tariffazioni flessibili. La nascita delle nuove reti UMTS é un’evoluzione delle attuali reti di telefonia mobile numeriche (di seconda generazione), le quali presentano il grande vantaggio di essersi diffuse ampiamente e velocemente in tutto il mondo, divenendo uno standard ’de facto’. Il passaggio da GSM a UMTS risulta quindi un percorso costituito da un insieme di passi successivi stret-tamente correlati tra di loro. L’infrastruttura delle attuali reti mobili si é evoluta a partire da quella delle reti di telecomunicazione pubbliche fisse, caratterizzate da ritardi di trasferimento limitati, ereditando peró da esse la bassa flessibilitá dell’architettura di rete e la difficoltá di sviluppare nuove caratteristiche. Infatti l’infrastruttura delle reti mobili é strettamente lega-ta alla scellega-ta delle tecniche di comunicazione sull’interfaccia radio, rendendo difficoltose le modifiche su di essa senza ripercussioni sulla parte di rete

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fis-sa. Inoltre, l’interfaccia radio, essendo ottimizzata per il traffico vocale, puó dare luogo ad alcuni problemi quando si intendono aggiungere nuovi servizi dati; infine la tariffazione, basata sulla durata della connessione e sulla dis-tanza, risulta essere scarsamente flessibile. Molte di queste limitazioni sono state affrontate dai comitati di standardizzazione internazionali e hanno por-tato a soluzioni che attualmente stanno per essere introdotte. Una di queste soluzioni é l’evoluzione dalle reti GSM verso il sistema General Packet Radio Service (GPRS) che fornisce agli operatori la possibilitá di offrire servizi dati notevolmente migliorati rispetto a quelli supportati dal GSM, le cui velocitá sono limitate a 9.6 kbit/s. Tali miglioramenti sono dovuti all’utilizzo della commutazione di pacchetto che permette di supportare le comunicazioni IP direttamente sull’interfaccia radio, senza il bisogno di instaurare una connes-sione a circuito. Quindi, il sistema GPRS rappresenta il primo passo verso l’introduzione della tecnica a commutazione di pacchetto sull’interfaccia ra-dio. La tecnica di trasporto a commutazione di pacchetto, rispetto a quella a commutazione di circuito, permette di trasferire contemporaneamente in mo-do efficiente dati che richiemo-dono bit rate variabili, ma anche informazioni di segnalazione; questa tecnica é stata scelta per essere utilizzata all’interno dei sistemi che rappresentano l’evoluzione delle reti GSM proprio perché perme-tte un migliore sfruttamento delle risorse della rete. Entrambi i sistemi GPRS e UMTS sono accomunati da un’evidente separazione tra gli elementi della rete che si occupano delle gestione delle risorse radio e che rendono possibile la comunicazione con i terminali mobili, da quelli che invece regolano il flusso dei dati all’interno della rete fissa e che realizzano l’interconnessione con altre reti. Ció che rende diversi questi due sistemi é principalmente il tipo di ac-cesso radio utilizzato (radio subsystem); il core network, invece, é mantenuto senza grandi variazioni. Il passaggio da GPRS a UMTS é quindi un esempio

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di come la separazione tra i diversi elementi della rete permetta di riutilizzare il network subsystem con diverse tecnologie di accesso sull’interfaccia radio Infatti é proprio quest’ultima che influisce maggiormente sulla qualitá dei servizi offerti delle reti radiomobili, poiché la trasmissione sul canale radio é molto critica e necessita di particolari accorgimenti per poter soddisfare, con adeguati livelli qualitativi, la crescente richiesta di servizi ad alto bit rate. La parte della rete denominata core network é basata su un sistema di trasporto di tipo ATM/IP. Si é scelto di adottare una soluzione mista in quanto ATM é in grado di fornire un’elevata velocitá di commutazione e diversi parametri di QoS, mentre IP, a causa della sua grande diffusione, permette un facile inter-working con una moltitudine di altri sistemi. In questo modo, i diversi livelli di qualitá di servizio permettono un efficiente trasferimento sia di traffico real-time (trasferimento voce o video) che di quello non real-real-time (trasferimento di dati intermittenti e a burst, occasionali trasmissioni di grandi quantitá di dati), ma anche di applicazioni basate su protocolli standard e di servizi di messaggistica come gli SMS (short messages). Un’altra caratteristica impor-tante é determinata dall’introduzione di una tariffazione flessibile che puó

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dipendere dalla durata della connessione, ma anche dalla quantitá di dati trasferiti o dalla qualitá di servizio richiesta. Dal punto di vista dell’utente, ció che rende diverso il sistema UMTS da GPRS é una maggiore disponi-bilitá di servizi ed una maggiore velocitá di trasferimento dati; essa é resa possibile da un’allocazione delle risorse radio molto flessibile ed efficiente, in quanto per la trasmissione di dati a pacchetto, a seconda del livello di attiv-itá di un terminale mobile, possono essere allocati dalla rete canali comuni a contesa o canali dedicati. Dovendo ospitare un’ampia gamma di servizi con caratteristiche molto diverse, é indispensabile che la rete UMTS associ ad ognuno di essi una certa qualitá di servizio (QoS) che permetta di identifi-care in modo univoco i requisiti del servizio di trasporto (Radio Bearer) da utilizzare. Nel definire le diverse classi di QoS in UMTS, é necessario tenere in considerazione le limitazioni e le restrizioni proprie dell’interfaccia radio, le quali richiedono l’introduzione di meccanismi appropriati per garantire la QoS necessaria. Sono definite quattro diverse classi di qualitá di servizio in base alla sensibilitá ai ritardi di trasferimento:

• Conversational class: é la classe piú sensibile ai tempi di trasferimento e viene utilizzata per il trasporto di traffico real time. Uno degli utilizzi piú conosciuto di questa classe é la telefonia, ma con gli sviluppi di In-ternet e dei servizi multimediali, un’ampia gamma di nuove applicazioni rientrerá in questa categoria, come il trasporto della voce tramite il pro-tocollo IP e il trasferimento di immagini e audio (videoconferenza). I servizi principali della Conversational class, quindi, sono costituiti dalle comunicazioni tra due o piú persone; proprio per il fatto che i requisiti qualitativi sono strettamente determinati dalle percezioni umane, essi devono sottostare a vincoli piú severi rispetto a tutte le altre classi di qualitá del servizio. Infatti, le caratteristiche principali della

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Conversa-tional class sono il basso ritardo di trasferimento, la limitata variazione di esso ed il mantenimento delle relazioni temporali tra le varie entit´a che compongono il flusso dati.

• Streaming class: viene utilizzata per il trasporto di un flusso dati re-al time e unidirezionre-ale sia di tipo video che audio. Questa classe, come la Conversational class, é caratterizzata dal mantenimento delle relazioni temporali tra le varie entitá che compongono il flusso dati e da una limitata variazione dei ritardi del flusso end-to-end. La variazione ammessa per i ritardi di trasferimento, peró, risulta essere molto piú grande di quella data dai limiti della percezione umana e quindi da quella richiesta al punto precedente.

• Interactive class: viene applicata al caso in cui l’utente finale richieda dati ad un apparato remoto. Alcuni esempi possono essere il Web Browsing, la ricerca su data base e l’accesso ad un determinato server. Questa classe ´e caratterizzata dal fatto che l’utente finale attende un messaggio in risposta all’interrogazione effettuata all’apparato remoto. Risulta quindi di primaria importanza il round trip delay che deve essere contenuto in tempi ragionevoli; inoltre ´e necessario che il trasferimento dei dati avvenga in modo trasparente, con basso tasso d’errore.

• Background class: viene utilizzata nel caso in cui l’utente finale, in genere un computer, stia effettuando un trasferimento di file in back-ground. Alcuni esempi possono essere l’utilizzo della E-mail, oppure la spedizione di SMS

ed il download di file da data base. Per questa classe é importante sottolineare il fatto che l’utente non ha la necessitá di ricevere i dati in tempo reale, e quindi é quella meno sensibile ai tempi di consegna.

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Al contrario, la Background class richiede la massima affidabilitá e in-tegritá sulla trasmissione dei dati e necessita quindi di un basso tasso d’er-rore. Mentre le prime due classi sono adatte al trasporto dei flussi di traffico real time, le ultime due sono quelle piú adatte per le tradizionali applicazioni Internet come WWW, E-mail, FTP, Telnet, ecc. A causa dei bassi requisiti di ritardo rispetto alla classe conversazionale e quella streaming, la background class e la interactive class offrono un minor error rate tramite opportuni schemi di codifica e di ritrasmissione. Il traffico della interactive class ha una prioritá piú alta rispetto al traffico background e quindi quest’ultimo puó utilizzare soltanto le risorse lasciate libere dal traffico interactive. Tale caratteristica é importante nelle reti wireless, poiché la larghezza di banda a disposizione é di gran lunga inferiore a quella utilizzata nelle reti fisse. La tabella 4.1 mostra le caratteristiche delle classi di QoS, mentre la tabella 4.2 mette in evidenza per ogni classe i parametri del radio access bearer. Se si osserva la figura 4.3, si puó notare come la struttura della rete UMTS possa essere essenzialmente suddivisa in 3 elementi principali:

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• UE (User Equipment): é il terminale mobile di cui si serve l’utente per usufruire di tutti i servizi offerti dalla rete. Come per GPRS, sono previsti diversi tipi di user equipment, in base alla modalitá operativa supportata. E’ infatti prevista la possibilitá di utilizzare solo i servizi a commutazione di circuito, solo quelli a commutazione di pacchetto o entrambi. Un UE comunica con l’UTRAN tramite l’interfaccia radio Uu.

• UTRAN (UMTS Terrestrial Radio Access Network): é l’entitá dedi-cata al controllo dell’accesso alla rete tramite la gestione delle risorse radio disponibili. L’UTRAN é l’unitá che maggiormente differenzia il sistema UMTS rispetto a GPRS, principalmente a causa dell’intro-duzione della tecnica di multiplazione a divisione di codice al posto di quella a divisione di tempo utilizzata nei sistemi cellulari GSM/GPRS. La connessione con la core network avviene tramite l’interfaccia Iu.

• CN (Core Network): é l’entitá che si occupa di fornire agli utenti i vari servizi richiesti: puó essere connessa con reti di tipo diverso che sup-portano svariati protocolli di comunicazione. Sará compito dei diversi operatori di rete definire e negoziare le interconnessioni con quelle es-terne (PDN o altro). La figura 4.4 mette in evidenza le stratificazioni all’interno dell’architettura di UMTS, ovvero la suddivisione della rete in Access Stratum (AS) e Non Access Stratum (NAS). L’Access Stra-tum comprende un insieme di elementi funzionali di cui fanno parte tutti i livelli appartenenti all’URAN (UMTS Radio Access Network) e parte dei livelli all’interno dello User Equipment.

Il confine tra AS e NAS ´e determinato dalla separazione tra livelli dipen-denti dalla particolare tecnica di accesso radio utilizzata e quelli totalmente

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indipendenti da essa. Questo confine si trova all’interno dell’UE (mobile boundary) e in particolari nodi della rete (fixed boundary). Questa sud-divisione é necessaria affinché la riconfigurazione della rete di accesso o le modifiche apportate ad essa abbiano il minimo impatto sulle funzionalitá della core network (e viceversa). Inoltre una particolare Access Network, attraverso l’interfaccia Iu, puó offrire l’accesso a diversi tipi di core network e deve risultare trasparente ai diversi servizi supportati. L’ Access Stratum offre i servizi attraverso i seguenti Services Access Points (SAP), che saranno meglio descritti nel paragrafo 4.5.1, al Non Access Stratum:

• General Control (GC) SAP

• Notification (Nt) SAP

• Dedicated Control (DC) SAP

Questa stratificazione puó essere ridefinita per distinguere le entitá finali dell’Access Stratum, che forniscono i servizi ai livelli superiori, dalle entitá locali, che forniscono servizi rispettivamente sull’interfaccia Uu e Iu. La figura 4.5 mostra tali caratteristiche. Il blocco Uu Stratum comprende le entitá descritte in figura 4.6, in cui si nota come il livello RRC svolga un ruolo di supervisione sui livelli protocollari RLC/MAC e fisico dell’interfaccia radio. I protocolli di comunicazione riguardanti le interfacce di rete Uu e Iu, a cui si é fatto riferimento precedentemente, possono essere divisi in due gruppi:

• Protocolli del piano utente: sono i protocolli che supportano i servizi RAB, ovvero Radio Access Bearer, trasportando i dati d’utente at-traverso l’Access Stratum

• Protocolli del piano di controllo: sono i protocolli utilizzati per il con-trollo dei vari RAB e delle connessioni tra il terminale mobile UE e la

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rete. Tra i vari compiti vi sono anche la richiesta dei vari servizi, la ges-tione delle risorse per le trasmissioni e l’organizzazione degli handover. E’ anche presente un particolare meccanismo per il trasferimento in modalit´a trasparente dei messaggi riguardanti il Non Access Stratum. L’UTRAN ´e

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net-work attraverso l’interfaccia Iu. Un Radio Netnet-work Subsystem, come mostra-to in figura 4.7, comprende due elementi fondamentali: un Radio Network Controller ed uno o piú Node B. Un Node B é connesso al RNC attraverso l’interfaccia Iub e puó supportare entrambe le modalitá di trasmissione FDD (Frequency Division Duplex) e TDD (Time Division Duplex). Un RNC é l’entitá responsabile della gestione delle risorse all’interno delle celle di cui esso é a capo, ma anche degli handover che richiedono lo scambio di messaggi di segnalazione verso l’UE; all’interno dell’UTRAN i diversi RNC del Radio Network Subsystem possono essere connessi tra di loro attraverso l’interfac-cia Iur. Quest’ultima puó essere realizzata tramite una connessione diretta tra i diversi RNC oppure tramite reti virtuali utilizzando opportuni sistemi di trasporto. Se esiste una connessione tra UE e UTRAN, allora esiste un particolare RNS definito Serving RNS, il cui compito é quello di instaurare e gestire la connessione tra il mobile e la rete; inoltre, come mostra la figura 4.8, se viene richiesto é anche possibile che il Serving RNS sia supportato da un altro RNS, il quale prende il nome di Drift RNS. Quest’ultimo puó ad esempio fornire un certo numero di risorse radio al primo, permettendogli di sopperire alla temporanea carenza di risorse.

le principali funzioni svolte dall’UTRAN.

Le principali funzioni relative al controllo dell’accesso al sistema svolte dall’ UTRAN sono:

• permettono all’utente di connettersi alla rete UMTS per poter usufruire dei servizi offerti. L’accesso al sistema pu´o essere effettuato sia dal terminale mobile (in seguito ad una chiamata originata dal mobile) che dalla rete (chiamata verso il mobile)

• Controllo dell’accesso: svolge il compito di accettare o rifiutare nuovi utenti, cercando di evitare situazioni di sovraccarico sulla base di

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mis-urazioni di interferenza e valutazione delle risorse utilizzate. Questa funzione ´e svolta dal Serving RNC attraverso l’interfaccia Iu e viene utilizzata ogni volta che un utente effettua un accesso alla rete, op-pure durante gli handover e durante l’assegnazione o riconfigurazione dei Radio Bearer.

• Controllo della congestione: svolge il compito di monitorare, rilevare e gestire situazioni in cui il sistema ´e prossimo alla congestione. Per questo motivo dovranno essere decise in breve tempo contromisure in grado di riportare il sistema ad uno stato di stabilit´a.

• Trasmissione delle informazioni di sistema: questa funzione fornisce ai vari terminali mobili tutte le informazioni riguardanti l’Access Stra-tum ed il Non Access StraStra-tum di cui ogni UE si serve per svolgere le operazioni all’interno della rete.

• Cifratura e decifratura dei canali radio: svolge il compito di proteggere i dati trasmessi sull’interfaccia radio da intercettazioni non autorizzate.

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• Funzioni relative alla mobilit´a:

• Handover: é la funzione che gestisce la mobilitá degli utenti sull’inter-faccia radio: si basa sulle misurazioni dei livelli di potenza ricevuti e serve a garantire il mantenimento della qualitá di servizio richiesta dal-la core network. L’handover puó essere controldal-lato daldal-la rete ma anche dal mobile.

• Rimpiazzo del SRNS: coordina le attivit´a della rete quando il ruolo di un SRNS sta per essere preso da un altro RNS e gestisce la connessione sull’interfaccia Iu nel passaggio da un RNS ad un altro (fig. 4.9).

• Funzioni relative alla gestione e al controllo delle risorse radio:

• Configurazione delle risorse radio: gestisce le risorse radio della rete all’interno delle singole celle.

• Monitoraggio dei canali radio: questa funzione effettua misurazioni sui canali radio della cella di interesse e su quelle adiacenti (livelli di poten-za ricevuti, stima del BER, livelli di interferenpoten-za, spostamento Doppler, ecc.) e le traduce in stime della qualit´a del canale.

• Controllo della divisione e della ricombinazione dei flussi informativi: permette la trasmissione e la ricezione dello stesso flusso di informazioni attraverso piú canali fisici da o verso un determinato terminale mobile, introducendo quindi nel sistema la macrodiversitá e la possibilitá di effettuare soft-handover. La macrodiversitá é supportata soltanto per il trasferimento voce, mentre non é prevista per il trasferimento dati. A seconda del contesto, questa funzione puó essere svolta da diverse entitá come i SRNS, i DRNS e i Node B.

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• Instaurazione e rilascio dei Radio Bearer: lo scopo di questa funzione ´e contribuire all’instaurazione ed al rilascio delle connessioni end-to-end.

• Allocazione e deallocazione dei Radio Bearer: permette di gestire i canali fisici in base alla QoS del Radio Access Bearer.

• Funzioni dei protocolli radio: forniscono la possibilit´a di trasferire dati d’utente e segnalazione attraverso l’interfaccia radio della rete UMTS adattando il servizio alla trasmissione radio. Questa funzione include la multiplazione dei diversi servizi e dei diversi utenti sui Radio Bearer, la segmentazione ed il riassemblaggio dei dati e la trasmissione in modalit´a acknowledged o unacknowledged a seconda della QoS richiesta.

• Controllo della potenza sui canali radio: realizza il controllo dei livelli di potenza sul canale per minimizzare i segnali interferenti e garantire un’adeguata qualit´a della trasmissione.

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• Codifica e decodifica di canale: la codifica introduce informazione ridon-dante nel flusso dei dati che devono essere trasmessi sul canale radio, in modo da permettere il rilevamento in ricezione degli errori introdotti dal mezzo di trasmissione non ideale. La decodifica utilizza le informazioni ridondanti per rilevare e correggere gli eventuali errori.

• Controllo della codifica di canale: questa funzione genera informazioni di controllo (schema di codifica, rate del codice, ecc.) richieste dalle funzioni di codifica e decodifica.

• Gestione dell’accesso random alla rete: si occupa di rilevare i vari ten-tativi di accesso alla rete di un particolare mobile e di rispondere a tali richieste in modo adeguato risolvendo eventuali contese verificatesi sul canale radio. Nel caso in cui l’accesso vada a buon fine, a tale risposta seguir´a, a seconda delle necessit´a di trasmissione del mobile, la richiesta di allocazione delle risorse.

1.2.4 Oggi

Oggi ci stiamo avvicinando alle propaggini della telefonia 4G, anche se molto probabilmente il termine Quarta Generazione non avrá lo stesso risalto del 3G e alcune premesse sono d’ obbligo: parliamo di qualcosa che é da tempo allo studio e nei test dei produttori e dei vari organismi normativi ma che per l’ utenza si concretizzerá solo tra tre-quattro anni, al meglio. Anche la clas-sificazione di ’telefonia’ é riduttiva, dato che il 4G é un insieme di tecnologie che mirano a creare un ambiente wireless IP in cui si muovono e comunicano non solo cellulari, ma anche palmari, pc, notebook, e cos´ı via. La chiave di volta del 4G é rappresentata dal Mobile IP: questo protocollo é un’ esten-sione del protocollo IP (Internet Protocol a cui rimandiamo in appendice A

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per ulteriori dettagli) studiata per la gestione del traffico Internet da parte dei dispositivi mobili, dato che IP prevede che un nodo abbia un punto fisso di connessione alla rete - gli indirizzi IP rappresentano infatti una topolo-gia - e tale condizione non é accettabile in un ambiente mobile. Mobile IP risolve il problema adottando due indirizzi: uno fisso (l’ home address) che vale nella rete di appartenenza e l’ altro (il care-of address) che vale al di fuori di essa e identifica la ’posizione’ del dispositivo mobile, cambiando ogni volta che questo passa da una rete a un’ altra. C’ é un continuo scambio di informazioni, basato sul protocollo ICMP (Internet Control Message Proto-col), tra il dispositivo mobile e la rete originale di appartenenza, in modo da mantenere sempre aggiornata un’ associazione fra l’ home address e il care-of address del momento. Chi invia dati a un dispositivo mobile usa il suo indi-rizzo IP classico (l’ home address): é la rete di appartenenza a convertirlo nel care-of address giusto e a reinviare i dati verso altre reti, utilizzando sistemi di tunneling. Questa procedura dovrebbe essere semplificata con l’ adozione di IPv6 (a cui rimandiamo in appendice A per ulteriori dettagli), che é oltre-tutto utile a gestire il numero potenzialmente esplosivo di dispositivi mobili, e di alcune sue estensioni ulteriori, come Mobile IPv6 e Hierarchical Mobile IPv6 (HMIPv6). Quest’ ultimo, in particolare, adotta due meccanismi diver-si: il classico Mobile IP se si passa da una rete a un’ altra, uno schema piú efficiente se si rimane nella copertura della medesima rete. La modulazione OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing), nata circa trenta anni fa, é la piú diffusa e promettente soluzione [articolo primo] per reti wireless a banda larga ad accesso multiplo e costituisce la una parte principale degli standard 802.11 e 802.16(a cui rimandiamo la lettura del capitolo successivo per maggiori dettagli). Molte sono le aziende che attualmente fanno della modulazione OFDM un perno per la progettazione di sistemi radiomobili

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in grado di poter soddisfare le sempre piú crescenti richieste del mercato, fra cui Jujitsu, Intel, Nokia, Proxim. Tali aziende hanno dato vita al con-sorzio WiMAX (WorldWide Interoperabilty Microwave Access), una sorta di WiFi Alliance per le reti metropolitane il cui scopo é quello di promuovere la diffusione delle soluzioni basate sullo standard IEEE 802.16, di cui nella ’Sezione 2’ verranno descritte le parti principali. WiMAX ha scelto OFDM (nello specifico la versione 256-OFDM a 256 canali) come schema di modu-lazione per le reti metropolitane senza fili, proprio per la sua resistenza alle interferenze e per la sua compatibilitá con le soluzioni fixed wireless definite dall’ European Telecommunications Standards Institute (ETSI) in Europa. Di maggiore interesse per gli utenti mobili saranno i frutti del lavoro che é recentemente iniziato sull’ emendamento 802.16e dello standard (definisce le estensioni mobili all’ 802.16, nativamente limitato ai dispositivi fissi, nella banda 2-6 GHz) e sulla nuova specifica 802.20, che promette una banda di circa 1 Mbps anche per dispositivi in movimento a 250 chilometri orari. Se immaginiamo un futuro, per ora ipotetico, in cui non ci siano barriere tra WLAN aziendali, hotspot, Wireless MAN e reti cellulari, vediamo ció a cui stanno pensando alcuni operatori orientali e statunitensi, proponendo per il 4G il vantaggio chiave di essere compatibile con le tecnologie di rete, wireless e non, che giá esistono. Si é sempre in cerca di una ’killer application’ per le tecnologie mobili: per il 4G potrebbe quindi trattarsi di un ’killer protocol’, ossia IP. Ció potrebbe peró portare a scenari futuri di mercato ben diversi da quelli sinora previsti dagli operatori celulari: anche un generico service provider potrebbe realizzare una copertura wireless metropolitana e offrire servizi VoIP e di trasmissione dati, in un modello di business differente da quello, classico, in cui un carrier fa da unico punto di contatto e di billing per chi vuole usufruire di servizi e contenuti via telefonino.

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1.3 Sistemi WiMAX

1.3.1 introduzione

Il successo ottenuto [Intel Technology Journal, vol 8, issue 03, August,20 2004 ISSN 1535-864X] da reti cellulari negli ultimi dieci anni e l’ integrazione di soluzioni dati a banda stretta in queste tipologie di reti sono le prime indicazioni del fatto che soluzioni wireless possono essere in grado di risol-vere il problema del ’last mile’, l’ ultimo miglio, uno dei principali problemi degli utenti a banda larga. La comparsa di reti Wi-Fi ha dimostrato che reti radio a banda larga sono fattibili e opportune sia per utenti mobili che fissi. I recenti sviluppi nella tecnologia della radio-frequenza, negli algoritmi di codifica e nei protocolli di Medium Access Control (MAC) ha reso possi-bile ottenere reti Wi-Fi a banda larga su estese aree di copertura di reti di tipo cellulare. Questa fusione, realizzata nell’ architettura IEEE 802.16, non solo si concentra sul tradizionale problema del last mile, ma si pone anche come valido supporto per utenti nomadi o mobili. Tale architettura consente l’utilizzo di un modello ’hotzone’, in cui l’accesso internet ad alta velocitá é reso possibile su una grande porzione di aree urbane a attraverso le princi-pali vie di comunicazione. In questo modello, laptop e PDA operano come subscriber station (SS), permettendo agli utenti di connettersi alla rete in og-ni luogo. L’architettura wireless a banda larga é stata standardizzata dallo IEEE 802.16 Working Group (WG) e dal Worldwide Interoperability for Mi-crowave Access (WiMAX) Forum. L’ 802.16 WG sta sviluppando standard per il livello fisico (PHY) e MAC. La tecnologia basata sullo standard IEEE 802.16 e sull’ ETSI HiperMAN si sta rapidamente proponendo come una tecnologia capace di occupare un ruolo chiave nelle reti MAN (Metropolitan Area Network) a banda larga ad accesso wireless. Il primo laboratorio di

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certificazione, presso il Cetecom Labs di Malaga, ´e pienamente operativo ed oltre 150 centri di sperimentazione sono presenti in europa, asia, africa, nord e sud america. Senza dubbio, la applicazioni fisse di tipo WiMAX, basate sullo standard Air Interface IEEE 802.16-2004, si sono proposte come alter-nativa, molto concorrenziale in termini economici, a servizi cablati e DSL per applicazioni wireless di tipo fisso e nomadico.

Nel dicembre del 2005 IEEE ratific`o l’ emendamento 802.16e. Questo emen-damento aggiunge caratteristiche e attributi allo standard 802.16 necessari al supporto della mobilit´a, in modo da supportare applicazioni portatili e mo-bili. Il WiMAX Forum, organizzazione che promuove lo sviluppo di questo standard, vede la collaborazione di aziende leader nel settore delle telecomu-nicazioni a livello globale del calibro di Alvarion, Arraycomm, ATT, Beceem, Intel, Motorola e Nortel.

WiMAX Forum sta adesso definendo le prestazioni di sistema e i profili di certificazione basate sulllo 802.16e e l’ architettura di rete necessaria all’ im-plementazione di una rete mobile WiMAX end-to-end.

Il Mobile WiMAX si presenta come una soluzione wireless a banda larga in grado di far convergere reti a banda larga fisse e mobili attraverso una tec-nologia di accesso radio a banda larga estesa su un’ ampia area e attraverso una architettura di rete flessibile. Il Mobile WiMAX Air Interface adotta OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access) per migliorare le prestazioni in ambienti NLOS (Non Line of Sight). Nello standard 802.16e viene inoltre introdotta la tecnica SOFDMA (Scalable OFDMA) per sup-portare larghezze di banda di canale scalabili da 1.25 a 20 MHz. I profili attuali del Mobile WiMAX riguardano una canalizzazionedi 5, 7, 8.75 MHz per allocazioni dello spettro nelle bande frequenziali regolamentate da licenze in 2.3, 2.5, 3.3, 3.5 GHz. Il Wimax ´e in grado di supportare simultaneamente

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servizi multipli con una una vasta gamma di QoS, consentendo il trasporto di tutti i principali protocolli di rete in modo molto efficiente. Lo sviluppo di applicazioni di tipo Mobile WiMAX in Italia ´e per´o frenato, allo stato attuale, dal fatto che parte delle frequenze che a livello mondiale sono state assegnate a tali applicazioni (3.4 - 3.6 GHz) risultano parzialmente utilizzate dal Ministero della Difesa.

1.3.2 Livello MAC

Lo standard 802.16 fu sviluppato principalmente per la distribuzione di servizi a larga banda in grado di includere voce, data e video. Il livello MAC IEEE 802.16 esegue le funzioni dello standard MAC, basato sullo standard DOCSIS (Data Over Cable Service Interface Specification), fornendo al livello fisico 802.16 una interfaccia indipendente dal mezzo preso in considerazione. A causa del fatto che il PHY dello standard 802.16 é un PHY di tipo wire-less, l’aspetto principale del livello MAC consiste nel gestire le risorse del collegamento aereo in modo opportuno. Le risorse allocatead un utente dal-lo Scheduler MAC possono variare da un singodal-lo sdal-lot temporale a un intero frame, in modo da fornire un grande range dinamico di throughput per uno specifico utente. Il protocollo MAC 802.16 é stato progettato per supportare modelli di rete punto - multipunto (PMP). Tale protocollo é inoltre ’connec-tion oriented’. Prima di accedere ad una rete ogni subscriber sta’connec-tion (SS) crea una o piú connessioni tramite le quali il loro flusso dati da o verso la base station (BS) sará trasmesso. Il livello MAC gestisce l’uso delle risorse e fornisce una differenziazione alle QoS necessarie ai servizi richiesti; inoltre gestisce l’ ottimizzazione dei collegamenti, le funzioni di Automatic Repeat Request (ARQ) in base al Bit Error Rate (BER) richiesto, con particolare attenzione alla massimizzazione del throughput dati. Il livello MAC gestisce

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anche gli accessi alla rete per SS che accedono o lasciano la rete, e contribuisce alla creazione dei processi di standard Protocol Data Unit (PDU). Infine, il livello MAC fornisce un punto di convergenza fra reti Asynchronous Transfer Mode (ATM) e fra reti ’packet-based’.

1.3.3 Livello fisico OFDM - OFDM PHY

Il livello fisico WirelessMAN-OFDM si basa sulla modulazione OFDM e riguarda principalmente applicazioni fisse, dove i SS sono gateway tipica-mente residenziali all’ interno di case o aziende, allo stesso modo di soluzioni cablate di tipo DSL in grado di fornire servizi a banda larga. Il livello fisico OFDM (OFDM PHY) supporta una sottocanalizzazione in fase di Uplink (UL) in 16 sottocanali, oltre a funzioni Time Division Duplexing (TDD) e Frequency Division Duplexing (FDD), con supporto sia per SS di tipo FDD che per Half Duplex FDD (H-FDD) . Le specifiche attuali definiscono uno schema di codifica che risulta essere una combinazione a rate variabile fra una codifica di tipo Read-Solomon (RS) e una codifica di tipo Convoluzionale (CC), supportando un code rate generalmente pari a 1/2, 2/3, 3/4 e 5/6. Sono opzionalmente supportati Block Turbo Code (BTC) e Convolutional Turbo Code (CTC) a rate variabile. Lo standard supporta livelli di modu-lazione multipli, includendo modulazioni Binary Phase Shift Keying (BPSK), Quadrature Phase Shift Keying (QPSK), 16-Quadrature Amplitude Modu-lation (QAM) e 64-QAM. Infine, il PHY può supportare, opzionalmente, in fase di download (DL), una trasmissione in diversitá usando una codifica di tipo Space Time Coding (STC) e Adaptive Antenna Systems (AAS) con una tecnica di accesso di tpo Spatial Division Multiple Access (SDMA). Lo schema di trasmissione in diversitá usa due antenne alla BS per trasmettere un segnale con codifica STC. Ognuna delle due antenne trasmette un diverso

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simbolo, per un totale di due simboli nel primo tempo di simbolo [Alamouti]. Nel successivo tempo di simbolo le antenne trasmettono il complesso coniu-gato degli stessi due simboli. Il data rate complessivo risulta essere lo stesso del caso in cui non veniva sfruttata la diversitá. AAS viene utilizzata nelle specifiche 802.16 per descrivere le tecniche di beam forming, dove viene usato un array di antenne alla BS per incrementare il guadagno per SS voluto. La tecnica AAS può essere utilizzata per permettere SDMA, dove SS multipli separati in termini di spazio possono ricevere e trasmettere su uno stesso sottocanale nello stesso tempo. Usando la tecnica di beam forming, la BS é in grado di direzionare il segnale desiderato verso diversi SS ed inoltre é in grado di distinguere segnali di diversi SS anche se essi stanno operando su uno stesso sottocanale. La figura sopra riportata illustra la struttura di un frame per un sistema TDD. Tale frame é diviso in due sottoframe, uno per la fase di downlink ed uno per la fase di uplink. Il sottoframe che riguarda la fase di downlink é costituito da un preambolo, da un Frame Control Header (FCH) e da un certo numero di data burst. FCH specificail profilo di burst e la lunghezza di huno o piú burst DL che immediatamente seguono il FCH. Il DL-MAP, UL-MAP, il DL Channel Descriptor (DCD), il UL Channel De-scriptor (UCD), e altri messaggi di trasmissione che descrivono il contenuto nel frame sono inviati all’ inizio di questi primi burst. La parte restante del sottoframe DL é costituito dai data burst dei singoli SS. Ogni data burst consiste in un numero intero di simboli OFDM a cui é associato un profilo che specifica l’algoritmo di codifica, il code rate e il livello di modulazione che deve essere usato per la trasmissione. Il sottoframe che riguarda la fase di uplink contiene un intervallo di contesa per scopi di schieramento iniziale o di allocazione della banda e UL PHY PDU provenienti da diversi SS. Il DL-MAP e il UL-MAP descrivono completamentele contese dei sottoframe

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