4-gestione della mobilità - intranet...

Prof. Antonio CaponeProf. Antonio Capone

Politecnico di MilanoFacoltà di Ingegneria dell’Informazione

Reti RadiomobiliReti Radiomobili

44 –– Gestione della mobilitGestione della mobilitàà

2A. Capone: Reti Radiomobili

Gestione della mobilitGestione della mobilitààNelle reti cellulari gli utenti possono muoversi nell’area del sistema e quindi passare da una cella ad un’altraQuesto ovviamente pone problemi di routingdell’informazione (o più semplicemente delle chiamate nel caso di servizio voce)Tutte le procedure che la rete mette in atto per consentire agli utenti mobili di essere in comunicazione vanno sotto il nome di gestione della mobilità


Gestione della mobilitGestione della mobilitàà

Gli utenti di sistemi cellulari MENTRE SI SPOSTANO possono:

chiamareessere chiamati conversare

E’ necessaria una qualche “intelligenza” che supporti tutto questo (funzionalità di ROAMING).


Gestione della mobilitGestione della mobilitààNel caso di servizio a circuito le procedure di gestione della mobilità si differenziano a secondo che l’utente che si sposta sia in stato IDLE (nessun circuito attivo) o in stato ACTIVE (in conversazione)

ACTIVE: c’è un circuito attivo che deve essere reinstradato dopo ogni cambio di cella (Handover)IDLE: l’utente deve poter essere localizzato per indirizzargli una chiamata (Location Update, Cell Selection, Cell Reselection)


Gestione della mobilitGestione della mobilitàà: : CellCell selectionselectionUn terminale mobile in idle si “aggancia” ad una cella sulla base del segnale ricevuto dalla stazione baseSu un opportuno canale di controllo comune la stazione radio base trasmette dell’informazione di sistema che, tra l’altro, specifica il suo identificativoIl terminale mobile scandisce le frequenze radio per decodificare il canale di controllo delle stazioni base della zonaIl terminale seleziona la stazione base da cui riceve il segnale più potenteIl terminale non smette mai di scandire periodicamente anche le altre frequenze e se trova un segnale più forte da un’altra stazione base cambia la selezione


4.1 Handover4.1 Handover


Gestione della mobilitGestione della mobilitàà: : HandoverHandoverProcedura con cui un terminale mobile in conversazione cambia la stazione base su cui èattestatoLa procedura è sempre iniziata lato rete, sulla base di misurazioni (potenza del segnale ricevuto, qualità, ecc.) effettuate sia lato rete che lato utenteSi richiedono procedure di Handover efficienti e velociVedremo nel caso del GSM come le procedure di handover vengono gestite dal punto di vista della segnalazione di rete e del routing del circuito


Gestione della mobilitGestione della mobilitàà: : HandoverHandover

La scelta delle soglie di attivazione della procedura di handover è fattore critico

Se h è troppo piccolo Δt è troppo piccolo e si rischia di perdere la connessioneSe h è grande aumenta il numero di richieste di handover e quindi il traffico di segnalazione in rete

Quando scatenare un Handover?Quando scatenare un Quando scatenare un HandoverHandover??

Δt t

Handover TH

Receiver THh



Esistono diversi metodi1 - metodo del segnale più forte

– l’handover avviene nel punto A


a causa delle fluttuazioni del segnale sono possibili molti rimbalzi (effetto ping-pong)



Esistono diversi metodi2 - metodo del segnale più forte con soglia

– se il segnale dalla precedente BS è inferiore a una soglia (as. es. T2) e la potenza di un’altra BS è più forte; l’handover avviene nel punto B




Esistono diversi metodi3 - metodo del segnale più forte con isteresi

– se la potenza dell’altra BS è più forte di un valore ≥ h; l’handover avviene nel punto C



Gestione della mobilitGestione della mobilitàà: Tipologie di : Tipologie di HandoverHandover

Hard Handover (GSM-2G)

Soft Handover (UMTS-3G)

Presuppone l’abbattimento e l’instaurazione di un nuovo link radio

Sfruttando la macrodiversitàl’utente ècontemporaneamente collegato con più stazioni base


PrestazioniPrestazioni HandoverHandover

Quando avviene un handover viene rilasciato il canale nella vecchia cella e viene richiesto un canale nella nuova; il canale nella nuova può non essere disponibileDefiniamo la probabilità di rifiuto di handover (Pdrop) come la probabilità che una richiesta di handover non possa essere soddisfatta e la probabilità di blocco (Pblock) come la probabilità di rifiutare una nuova chiamataNei sistemi che trattano le richieste di handover come le nuove richieste entranti (call setup) Pdrop=Pblock

In realtà è meglio bloccare una chiamata entrante che perderne una attivaSi può tentare di trattare meglio le richieste di handover


TecnicaTecnica dei Canali di Guardiadei Canali di Guardia

Canali di guardia (Guard Channels)Un certo numero di canali viene riservato per le richieste di handoverPdrop diventa più bassa ma la capacità del sistema risulta inferioreE’ critico il dimensionamento del sistema che necessita stime accurate sull’andamento temporale del traffico (quanti canali riservo alle richieste di handover?)



Ipotesi:• Tutti i processi Poisson

indipendenti• m canali disponibili

Nuove chiamate

Richieste di handover

Chiamate terminate

hλ

iλ

cμ

Si può usare la B di Erlang B(A,m) con:

c

hiAμλλ +

=

SenzaSenza Canali di GuardiaCanali di Guardia



Definiamo:

c

hh

c

ii

μλρ

μλρ

=

=Ipotesi:• Tutti i processi Poisson

indipendenti• m = c + g canali disponibili• g solo per handover

ConCon Canali di GuardiaCanali di Guardia

Nuove chiamate

Richieste di handover

Chiamate terminate

hλ

iλ

cμ


Prestazioni HandoverPrestazioni Handover

0 1 2 c c+g

hλih λλ +

cμ cμ2 ccμ ( ) cc μ1+ ( ) cgc μ+

c+1

hλih λλ +ih λλ +

… …

( )

( )

( )

( )⎪⎩

⎪⎨

⎧

+≤<+=

≤≤+=

+=

+=+

=

− gckck

ckk

ckh

cihk

kihk

ih

ihc

ih

0

0

02

2

001

!1

1 !

1...

21

πρρρπ

πρρπ

πρρπ

πρρπμλλπ



( ) ( )

( )

( ) ( )

( )

( ) ( )∑ ∑

∑ ∑

∑∑

∑ ∑

=

+

+=

−+

=

+

+=

−

+

=

−

+

=

=

+

+=

−

+++

++

==

+++

+==

+++

=

c

k

gc

ck

ckhc

ih

kih

ghc

ih

gchf

c

k

gc

ck

ckhc

ih

kih

gc

ck

ckhc

ihgc

ckkb

c

k

gc

ck

ckhc

ih

kih

kk

gcP

kk

kP

kk

0 1

0 1

0 1

0

!!

)!(

!!

!

!!

1

ρρρρρ

ρρρπ

ρρρρρ

ρρρπ

ρρρρρπ

Probabilità di blocco nuovechiamate

Probabilità di fallimentohandover



Ovviamente il modello appena analizzato prende in ingresso i parametri: λh, λi, μc

Sfortunatamente tali parametri non sono indipendentitra loro e sono legati alla mobilità dell’utenteIl parametro τc=1/μc rappresenta il tempo medio di tenuta di una canale in una cella (channel holding time)Definiamo il parametro τh=1/η che rappresenta il tempo medio speso in una cella da parte di un utentemobile



Definiamo il parametro τ=1/μ che rappresenta il tempo medio di una chiamataRisulta:

Nell’ipotesi che τ e τ h siano variabili casualiesponenziali negative si può facilmente osservare che:

{ }hc τττ ,min=

ημμτ

+==

11

cc



La probabilità che una chiamata faccia un handover èdata da:

Definiamo ν il numero medio di handover per chiamata:

[ ]

ημηη

μηττ

ημ

μη

+=−=

==>=

∫

∫ ∫∞+

+−

+∞ +∞−−

0

)(

0

Pr

dxe

dyeedxP

y

x

yxhh

μη

ττν ==

h



Possiamo ora calcolare λh in funzione di λi:

Risolvendo per λh:

( ) ( )[ ]hhfibhh PPP λλλ −+−= 11

( )( )[ ] i

hfh

bhh PP

PP λλ−−−

=11

1

1/6 del traffico in uscita



Purtroppo la relazione dipende dalle probabilità Pb e Phf chesono proprio ciò che la catena ci consente di calcolare.

E’ possibile adottare un approccio risolutivo di tipo iterativo:1. Six ipotizzano dei valori di Pb e Phf e si calcola λh

2. Si risolve la catena e si confrontano i valori ottenuti con quelli ipotezzati

3. se la differenza è maggiore di una soglia di precisioneprefissata si torna allo step 1; altrimenti STOP.

( )( )[ ] i

hfh

bhh PP

PP λλ−−−

=11

1



Nella maggior parte dei casi, però, è ragionevoleassumere che Pb e Phf siano piccolie dunque:

In questo non serve alcuna iterazioneOvviamente l’assunzione va verificata a posteriori

( )( )[ ] ( ) iii

h

hi

hfh

bhh P

PPP

PP νλλμηλλλ ==

−≅

−−−

=111

1


Prestazioni HandoverPrestazioni HandoverLa probabilità di fallimento del handver Phf non èperò quella che interessa direttamente l’utenteOccorre derivare la probabilità di caduta di unachiamata per fallimento del handover:

( )( ) ( )

hfhfh

h

i hfh

hfhihf

ihhfh

hfhhfhhfd

PPP

P

PPPP

PPPP

PPPPPP

ν=−

≅

=−−

=−=

=+−+=

∑∞

=

1

111

...1

0

2

1≅


Prestazioni HandoverPrestazioni HandoverRimane da calcolare il parametro η in funzione dei parametri geometrici e della velocità dell’utenteConsideriamo prima il caso semplice di cellequadrate:

α

r

l

num. di handover γ= num. di linee oriz. e vert. attraversate


Prestazioni HandoverPrestazioni HandoverSi ha:

( )

lV

rV

lr

lr

dl

rl

r

πγη

παα

π

αααπ

γ

π

π

4

4cossin2

sincos2

2/

0

2/

0

==

=⎥⎦⎤

⎢⎣⎡ −

=+= ∫

dove V è la velocità



Prova: Infatti, consideriamo un segmento dl di bordo e la probabilità che l’utente attraversi tale segmento nel tempo dt.Sia fV(v) la densità di probabilità della velocità e α l’angolod’incidenta sul segmento dl.Il terminale attraverserà il segmento solo se si trovanell’area infinitesima:

In generale siha: S

LVπ

η =dove L è il perimetro e Sl’area

dl

α αcosvdt



La probabilità è dunque pari all’area infinitesima frattol’area totale:

Mediando su v e su α, si ha:

Integrando lungo il perimetro:

E dunque la frequenza di attraversamento:

Sdldtvp αcos

=

( ) ( ) dldtS

VdvdldtvvS

ddldtvvdvS ππ

ααπ

π

π

== ∫∫ ∫∞∞

− 0V

0

2/

2/V f2

21cosf

21

dtS

VLpπ

=

SLVπ

η =

c.v.d.



Ci occuperemo in seguito dell’handover in GMS

LETTURA CONSIGLIATA:Trends in handover designPollini, G.P.IEEE Communications Magazine , Volume: 34 Issue: 3 , March 1996 Page(s): 82 -90

LETTURA CONSIGLIATA:Trends in handover designPollini, G.P.IEEE Communications Magazine , Volume: 34 Issue: 3 , March 1996 Page(s): 82 -90


4.2 Location update4.2 Location update


Gestione della mobilitGestione della mobilitàà: Location : Location UpdateUpdateLocation Area: entità topologica gerarchicamente superiore alla cella (gruppo di più celle)Un utente IDLE è localizzato dal sistema su base Location Area (e non su base cella)L’ultima location area di ogni utente è memorizzata in opportuni database della rete

LA 1LA 2

Data Base


Gestione della mobilitGestione della mobilitàà: Location : Location UpdateUpdateSe un utente in stato IDLE passa da una LA ad un’altra scatena una procedura di Location UpdateL’informazione sulla LA in cui si trova un utente serve per indirizzare le chiamate

LA 2

Data Base

LA 1


PagingPagingAll’arrivo di una chiamata per l’utente mobile viene consultato il registroUna volta nota la LA viene iniziata una procedura di pagingOgni stazione base della LA invia un messaggio di controllo in broadcast con l’identificativo dell’utente cercatoAlla risposta del teminale mobile la rete conosce la cella e instrada la chiamata

Data Base

pagingpaging

reply


PagingPaging vs. Location vs. Location UpdateUpdateQUESITO:

Quanto grandi conviene fare le Location Area?– piccole– grandi

Cosa spinge in un verso, cosa nell’altro?

LA 2

Data Base

LA 1


PagingPaging vs. Location vs. Location UpdateUpdate

Il dimensionamento delle location area dipende da due opposte esigenze:

All’aumentare delle dimensioni della location area (in numero di celle) aumenta il traffico di segnalazione dovuto al pagingAl diminuire delle dimensioni della location area (in numero di celle) aumenta il traffico di segnalazione dovuto alle procedure di location update

Esiste dunque una dimesione ottimale delle location area che dipende da numero parametri tra i quali la mobilità degli utenti e la frequenza di arrivo delle chiamate


Dimensionamento delle location areaDimensionamento delle location areaUn metodo semplice per il dimensionamento delle location area si basa sul calcolo del costo di segnalazione per utenteConsideriamo celle quadrate di lato l, e location area quadrate formate da k × k celleIndichiamo con

Cp il costo di segnalazione per utente per cella dovuto all’arrivo di una chiamata [bytes/paging/cell]Cu il costo di segnalazione per un location update [bytes/update]λ la frequenza di arrivo delle chiamate per utente [calls/hour/user]uk la frequenza di location update per utente [update/hour/user]


Dimensionamento delle location areaDimensionamento delle location areaIl costo di segnalazione per utente si può esprimere come:

Indichiamo con m il numero medio di utenti che escono dalla location area nell’unità di tempoρ la densità di utenti per unità di areav la velocità dell’utente (V=E[v])

( ) ukpk CuCkukC += λλ 2,,


Dimensionamento delle location areaDimensionamento delle location areaIn modo analogo a quanto fatto per la il calcolo del parametro η per gli handover si può mostrare che:

e dunque

[ ]π

ρ VklmE ⋅⋅=

4

[ ]ku

klV

klmEuk

12

4)(

===πρ


Dimensionamento delle location areaDimensionamento delle location areaNormalizzando Cu a 1 e definendo c(k,λ)= C(k,λ)/Cu possiamo esprimere la funzione di costo normalizzata come:

dove kukkc /),( 1

2 += λγλ

up CC /=γ

πlVu 4

1 =


Dimensionamento delle location areaDimensionamento delle location areaDefiniamo:

Il valore ottimo di k, kopt, si ottiene cercando il lavoro massimo di k per cui il Δ è negativo:

)1()1()12(

),,1(),,(),,(

1

111

−−−−

=

=−−=Δ

kkukkk

ukcukcukγλ

λλλ

[ ]⎩⎨⎧

≤Δ>Δ

=altrimenti0),,(|max

0),,2( se1),(

1

11 ukk

uukopt λ

λλ


Dimensionamento delle location areaDimensionamento delle location areaEsempio:

ser][calls/h/u 0.6

0.1/km/h 5

m 150

=

====

λ

γ up CCVl user][update/h/ 95.334

1 ==πlVu

29.0),,8(03.0),,7(46.0),,6(16.1),,5(41.2),,4(36.5),,3(

80.16),,2(

1

1

1

1

1

1

1

+=Δ−=Δ−=Δ−=Δ−=Δ−=Δ−=Δ

uuuuuuu

λλλλλλλ

Si ha:

7=optk

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