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Global System for Mobile communications

GSM a pacchetto: il GPRS

a cura di Marcello Scatà e Daniele Pauletto

 

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 fase 2+ High Speed Circuit-Switched Data (HSCSD) che permetterà di incrementare questo valore fino a circa 56 kbps. 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) è stato pensato e specificato proprio per colmare questa mancanza e offrire un vero servizio di trasmissione a commutazione di pacchetto.

La velocità massima teorica (e probabilmente mai raggiungibile) è di 171,2 Kbps usando tutti ed otto i timeslots contemporaneamente, ciò consente una maggior efficienza nella trasmissione delle informazioni attraverso la rete di telefonia mobile.

Il GPRS facilita le connessioni istantanee perchè l'informazione può essere mandata o ricevuta immediatamente appena se ne ha bisogno, i terminali Gprs 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 una infinità di vantaggi a tutte le applicazioni che intendano sfruttare il sistema GSM come mezzo per la trasmissione dati.

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.

Nello schema sotto raffigurato è schematizzato il modello di trasmissione dati attuale a commutazione di circuito: 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).


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:

La commutazione di pacchetto offre diversi vantaggi:

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.


Modello semplificato di trasmissione dati GPRS a commutazione di pacchetto.

Nello schema sopra raffigurato 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.

Evoluzioni del GPRS

La realizzazione della rete, network, GPRS prevede le seguenti fasi di sviluppo, i code scheme:

FASI SVILUPPO GPRS BIT RATE per TIMESLOT
  • Code Scheme 1 CS1
  • Code Scheme 2  CS2
  • Code Scheme 3  CS3
  • Code Scheme 4  CS4
  • 9,6 Kbps point to point
  • 13,4 Kbps multipoint
  • 14,4 kbps multipoint
  • . . .
  massimo teorico 171,2 Kbps

Nella prima fase CS1 infatti è previsto solo la possibilità di connessione tra terminali in modalità point to point, e solo successivamente, fase CS2 in modalità multipoint. Ogni terminale inoltre sarà contraddistinto da una classe di servizio come da schema illustrativo.

Il GPRS quando opera sotto la copertura radio, facilita le connessioni istantanee poiché l'informazione può essere mandata o ricevuta immediatamente appena se ne avesse bisogno, senza la necessità di modem come nel caso del PSTN (Public Switched Telephone Network, telefonia fissa).Il traffico dati risulterà inoltre interattivo.Un'altro aspetto che caratterizza il Gprs è l'immediatezza , diversamente dai terminali che si basano sulla tecnologia commutazione a circuito , ciò consentirà ad esempio pagamenti tramite carte di credito, la navigazione in internet su siti wap o www, invio ricezione di e-mail, instant messaging ( evoluzione del SMS superando la limitazione dei 160 caratteri),MsM (Multimedia message Service) come l'invio e ricezione di immagini,clip audio o video, il download di files.Il GPRS faciliterà  e permetterà una serie di nuove applicazioni che prima non era possibile  implementate nel sistema GSM.

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.

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 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:


Architettura semplificata di una rete GSM/GPRS.

Caratteristiche del GPRS in breve

Le principali caratteristiche del GPRS sono:

Le maggiori novità introdotte dal Gprs per quanto riguarda le opportunità offerte ,si concentrano soprattutto nei servizi collegati alla trasmissione dei dati(Td) rispetto alla trasmissione della voce (Tv).Tra questi potremo distinguere le applicazioni connesse alla rete Internet e le applicazioni connesse ad altre servizi generali. I servizi GPRS potranno utilizzare diverse applicazioni Internet, le principali sono :

Applicazioni Internet Servizi Gprs
FTP trasferimento di files, immagini, foto, download di dati attraverso il network mobile
e-mail ricezione e invio di e-mail, che sostituiranno progressivamente  gli SMS
CHAT chat avanzate con i teminali mobili nella fase CS2
Videoconferenza comunicazione audio video, workgroup, condivisione documenti 
LAN connessione alla Lan in modalità remoto, condivisione applicazioni,interazione, telelavoro.

Tali applicazioni richiedono una discreta larghezza di banda che il network Gprs nelle sue fasi di evoluzione riuscirà a garantire.Nelle prime fasi è previsto una maggior diffusione del Gprs in ambito aziendale rispetto alla fascia consumer,saranno privilegiate le applicazioni come e-mail con strutture di wireless e-mail, accesso a Lan o intranet aziendale, trasferimento di files, workgroup, videoconferenza.La comunicazione mobile faciliterà la condivisione di documenti e la collaborazione tra utenti a distanza.Persone diverse e in luoghi diversi potranno accedere alle stesse applicazioni o documenti contemporaneamente.

Internet ha progressivamente portato l'informazione da testuale a visiva con le prime immagini, ampiandola con il WWW in forma multimediale ( filmati,animazioni) e in forma interattiva.Analoga evoluzione sta accadendo per la  comunicazione nella telefonia mobile TM,  che da testuale diventerà sempre più iconica ,visuale tanto che il terminale mobile sarà sempre più guardato più che ascoltato. Assisteremo ad una forte convergenza tra Internet e telefonia mobile anche con lo sviluppo e la diffusione di tecnologie Wireless. Il wireless si riferisce a una tipologia di comunicazione, a un monitoraggio e a sistemi di controllo in cui i segnali viaggiano nello spazio e non su fili o cavi di trasmissione.

Le altre applicazioni del Gprs, che potremo definire generiche sono:

Altre applicazioni più avanzate saranno disponibili con l'evoluzione 3G con terminali tipo UMTS o EDGE.

Nuovi e interessanti scenari si aprono nel campo delle comunicazioni mobili, un primo passo importante è sicuramente la tecnologia General Packet Radio System GPRS.