Prelaz na IP u GSM i WCDMA mobilnim mrežama Aleksandra Denda, dipl. ing.

Mobilne Telekomunikacije “Srbija” BK-PTT

1. UVOD Brzi razvoj Interneta diktira i usmerava razvoj

mobilnih komunikacija. Razvoj postojećih tehnologija mobilnih komunikacija kreće se u pravcu povećanja kapaciteta, pokrivanja i prenosu podataka. Paralelno sa porastom broja mobilnih pretplatnika, neverovatnom brzinom raste i broj fiksnih korisnika Interneta kao i broj servisa koji on omogućava. Ovaj broj korisnika u budućnosti će se povećati novim korisnicima preko GPRS i WCDMA mobilnih mreža. Dominacija IP protokola u mrežama za prenos podataka kao i tekući napori za ugradnju mehanizma koji će obezbediti zadovoljavajući QoS u IP-u dali su podsticaj brojnim studijama da eksperimentišu sa IP-jem kao sistemom prenosa u 3G mobilnim mrežama.

Postoje dva glavna razloga za integraciju IP tehnologije u jezgro mobilne mreže:

��Podrška za IP aplikacije koje će doneti novi profit ��Zajednička transportna tehnologija će smanjiti cenu Da bi obezbedili dalji rast i razvoj mobilne telefonije

neophodno je dalje razvijati nove servise i aplikacije. IP je postepeno postala dominantna transportna tehnologija, najviše zahvaljujući optici i tehnologiji rutera koji imaju najbolji odnos cena/kvalitet. 2. IPv4/IPv6

U bliskoj budućnosti veliki broj mobilnih terminala će biti povezan na Internet. Aktuelna verzija internet protokola, IPv4, ne može da obezbedi dovoljan broj jedinstvenih IP adresa za sve buduće elemente koji će biti povezane na Iternet. Limitirana struktura adresnog prostora aktuelne verzije internet protokola IPv4 predstavlja problem za stalni porast Internet korisnika. IPv6 predstavlja novo unapredjeno i praktičnije rešenje. Adresno polje kod IPv6 dugačko je 128 bita tako da je moguće dobiti 3.4 x 1038 različitih adresa. Podrška mobilnosti predstavlja standardizovani deo nove verzije internet protokola IPv6. Efikasan rad izmedju IPv4 i IPv6 predstavlja veoma važan zahtev u realizaciji novih mreža jer će IPv4 mreže i servisi nastaviti da postoje i u budućnosti. Postoje tri glavna prelazna metoda:

��Dual IPv4/IPv6 stack implementiran kako u elementima mreže tako i u terminalima

��Tunelovanje ( Tunneling ) ��Postojanje prevodilaca u mreži

3. MEHANIZMI PREVODJENJA Dual IPv4/IPv6 stack – Predstavlja vrlo važan metod u prelaznoj fazi prilikom tranzicije sa jedne na drugu verziju internet protokola. Implementacija dual stack-a u mobilnim terminalima je neophodna da bi im bilo omogućeno pristupanje i IPv4 i IPv6 servisima bez uvodjenja dodatnih translatora protokola u mrezi. Na strani mreže, glavni deo za implementaciju dvostrukog steka je GGSN (Gateway GPRS Support Node). Tunelovanje podataka predstavlja upakivanje IPv6 paketa u IPv4 pakete i njihovo raspakivanje na drugom kraju. Zahteva

funkcionalnost Dual IPv4/IPv6 Stack-a u čvorovima gde se vrši upakivanje i raspakivanje paketa. U konfigurisanom tunelu, završna tačka tunela se ručno postavlja na neku predefinisanu IPv4 adresu. U dinamički odnosno automacki konfigurisanom tunelu, upakivanje paketa se vrši automatcki u ruterima/hostovima, a IPv4 adresa završne tačke u tunelu je sadržana u IPv6 odredišnoj adresi paketa. Ovakav način tunelovanja podataka naziva se 6-to-4 (6to4) tunelovanje, slika1.

Slika 1. – Mehanizam 6to4 tunelovanja

Prevodioci (NAT-PT Network Address/Protocol Translator) mogu biti definisani kao medju komponente izmedju IPv4 i IPv6 hostova koji će omogućiti direktnu komunikaciju izmedju njih bez dodatnih zahteva za njihovu modifikaciju. Konverzija headera predstavlja naznačajniji mehanizam prevodjenja IP adresa kod translatora. Prilikom ovog metoda, IPv6 header paketa se konvertuje u IPv4 header ili obrnuto dok se check-sume prilagodjavaju ili ponovo proračunavaju ako je potrebno. Kod ovakvog tipa address/protocol translatora, postoji verovatnoća pojavljivanja breaking-end-to-end services problema. Takodje u njihovom slučaju mogu se javiti i nove single point tačke prekida u mreži. Na slici 2. dat je prikaz mehanizma Network Address/Protocol Translator-a.

Slika 2. - Prikaz mehanizma Network Address/Protocol

Translator-a. 4. ARHITEKTURA JEZGRA MOBILNE MREŽE Jezgro mobilne mreže obezbedjuje podršku i realizaciju svih mrežnih funkcija i telekomunikacionih servisa, uključujući tu i osnovne funkcije mreže kao što su: uspostavljanje i kontrola poziva, mobilnost, zaštita i tarifiranje. Zbog svoje centralne funkcije u arhitekturi mreže, jezgro mobilne mreže koordinira i komunicira sa svim ostalim delovima mobilne mreže kao sto su radio access network (radio deo), service networks (servisni deo) i korisnički terminali. Ericsson-ovo rešenje arhitekture jezgra mobilne mreže je bazirano na razdvajanju funkcionalnosti u tri nivoa:

��Kontrolni nivo - Call and session control, Mobility management

��Nivo za povezivanje - Switching and routing, Data operations

��Nivo aplikacija - IP and telephony applications

Kontrolni nivo odgovoran je za implementaciju kontrolnih servisa mreže kao što su uspostavljanje poziva, praćenje veze i raskidanje veze. On takodje može biti zadužen i za upravljanje mobilnosti, zaštitu, tarifiranje i za deo medjumrežnih funkcija koji se odnose na rad sa spoljašnjim mrežama, a koji pripada kontrolnom nivou.

Nivo za povezivanje odgovoran je za rutiranje, signalizaciju i ulazno-izlazne funkcije. Njegovi ruteri i mrežni čvorovi obezbedjuju transportne funkcije za saobraćaj generisan na kontrolnom i korisničkom nivou. Ulazno-izlazni čvorovi olakšavaju rad na korisničkom nivou. On takodje omogućava medjusobnu kompatibilnost izmedju različitih prenosnih tehnologija i formata prenošenih medija.

Interfejs izmedju kontrolnog nivoa i nivoa za povezivanje se uglavnom sastoji od realizacije ulazno-izlaznih protokola. Mrežni kontrolni serveri koriste ove interfejse za rad sa ulazno-izlaznim čvorovima u nivou za povezivanje.

Nivo za aplikacije koji je realizovan kao deo servisne mreže, odgovoran je za aplikacije i uslužne servise. Postoje dva interfejsa izmedju jezgra mobilne mreže i servisne mreže.

��Horizontalni interfejs ��Vertikalni interfejs Horizontalni interfejs odnosi se na peer-to-peer ili client-

server realizaciju za tipične end-user aplikacije kao što su pretraživanje Web-a, e-mail i audio-video servisi. Ove aplikacije se obično pozivaju od strane krajnjih korisnika ali mogu biti takodje pozivane i od strane aplikativnih servera.

Vertikalni interfejs omogućava aplikacijama koje se nalaze na specifičnim aplikativnim serverima da dopune ili modifikuju normalne procedure za uspostavljanje poziva. Ove aplikacije komuniciraju sa jezgrom mreže kroz set standardizovanih aplikativnih interfejs programa (API).

Arhitektura po nivoima dozvoljava da se svaki nivo uključuje nezavisno i po delovima, u skladu sa razvojem tržišta i tehnologije. Ona takodje podržava i prelaz na nove tehnologije prenosa realizovane u nivou za povezivanje. Slika 3. pokazuje kako su različite funkcije mreže organizovane u arhitekturi po nivoima.

Slika 3. – Arhitektura jezgra mobilne mreže U delu za komutaciju kola, MSC-Mobile Service

Center, GMSC-Gateway MSC, TSC-Transit Service switching Center su delovi kontrolnog nivoa. Odgovarajući MGW-Media Gateway pripada nivou za povezivanje.

U delu za komutaciju paketa, oba čvora, SGSN-Serving GPRS Support Node i GGSN-Gateway GPRS Support Node su deo nivoa za povezivanje. Oni sadrže neke

kontrolne funkcije ali dominantna uloga leži u obezbedjivanju IP povezivanja.

U 3GPP (Third-generation Partnership Project) Release 5, dodat je još jedan deo jezgru mobilne mreže. IMS-IP Multimedia Subsystem. Principski mrežni čvorovi ovog dela su: CSCF-Call Session Control Function, MGCF-Media Gateway Control Function, BGCF- Breakout Gateway Control Function, MRFC-Media Resource Function Control part, MRFP- Media Resource Function Processing part, MGW-Media Gateway, SGW-Signaling Gateway.

Glavna baza korisnika HSS-Home Subscriber Server je zajednička za sva tri dela jezgra mobilne mreže.

5. ULOGA IP U JEZGRU MOBILNE MREŽE

Dve osnovne uloge koje ima IP u jezgru mobilne mreže mogu se objasniti preko protokol steka jezgra mobilne mreže. Na Slici 4. prikazan je end-to-end protokol stek za neku IP aplikaciju u WCDMA/GSM mreži sa komutacijom paketa. Na protokol steku, mogu se primetiti dva odvojena IP nivoa. Viši nivo (na slici obojen u plavo), označava IP aplikativni nivo koji se izvršava izmedju korisničkih terminala i nekog čvora spoljne mreže sa kojim komunicira korisnički terminal. To tipično mogu biti neki drugi IP serveri aplikacija ili drugi korisnički terminali.

Niži nivo (na slici obojen u crveno), označava IP transportni nivo koji ima samo lokalni značaj za mobilnu mrežu. Ovaj nivo je potreban da bi preneo paketski saobraćaj unutar mobilne mreže.

Slika 4. - Protokol stack

Generalno gledano IP aplikacije su transparentne jezgru mreže. Većina IP aplikacija zasniva se na client-server modelu. FTP- File Transfer Protocol omogućava klijentu da download-uje fajlove sa servera, HTTP-Hypertext transfer protocol i WAP-Wireless Application Protocol omogućavaju klijentu da download-uje elektronske stranice odgovarajućeg sadržajem sa servera, a RTSP-Real Time Streaming Protocol omogućavaju klijentu da direktno prati sadržaj servera. Za razliku od njih SIP- Session Initiation Protocol se primarno zasniva na client-to-client modelu. Glavni deo jezgra mobilne mreže u kome je podržan SIP se naziva IMS - IP Multimedia Subsystem. Zajedno sa delom za komutaciju kola i delom za komutaciju paketa, IMS gradi 3GPP jezgro mobilne mreže. 6. QoS KLASE SERVISA U GSM/WSDMA MREŽAMA Masovna upotreba Interneta je popularizovala upotrebu multimedijalnih i informacionih servisa. Izazov treće generacije je da ostvari pokrivanje jednako pokrivanju druge generacije ali za Internet i druge multimedijalne aplikacije. Na slici 5. dat je grafički prikaz klasa servisa u GSM-

EDGE/UMTS mrežama i njihova zavisnost u odnosu na osetljivost na kašnjenje.

Slika 5. - Klase servisa u GSM/WCDMA mrežama

Klasifikacijom saobraćaja se može postići bolji kapacitet i QoS. U okviru GSM/EDGE i WCDMA su definisane četiri QoS klase:

•ο Klasa konverzacijskih servisa se koristi za real-time servise, kao što je običan telefonski govorni signal i video-konferencija. Osnovna karakteristika ove klase je malo kašnjenje i očuvana vremenska zavisnost korisnika i mala varijacija kašnjenja u protoku saobraćaja. •ο Klasa protočnih servisa obuhvata aplikacije real-time audio i video. Za razliku od konverzacijskih servisa ova klasa podrazumeva jednosmerni protok. •ο Klasa interaktivnih servisa je povezana sa WWW pretraživanjem i telnetom. Osnovna karakteristika ove klase je zahtev-odgovor komunikacija, odnosno kašnjenje odgovora je važan faktor ove klase. •ο Klasa pozadinskih servisa obuhvata SMS, e-mail i prenos fajlova. U ovoj klasi servisa zahtevi za kašnjenje prenosa su manje strogi.

7. IP-BAZIRAN RAN I QoS U GSM/EDGE I WCDMA MREŽAMA Da bi ralizovali podršku za različite klase servisa, u mobilnim mrežama moraju biti implementirani IP-bazirani QoS mehanizmi. U njima će podaci i govor biti prenošeni sa različitim prioritetima. Uvodjenje IP-baziranog transportnog nivoa u RAN (Radio Access Network) je rezultat IP fleksibilnosti i njegove masovne zastupljenosti u mrežama za prenos podataka. Ovakve mreže imaju bitno različite karakteristike u poredjenju sa tradicionalnim IP mrežama. Glavne karakteristike su podrška velikoj količini real-time saobraćaja i podrška mobilnosti. One ujedno predstavljaju i glavne razloge za implementaciju dynamic resource management mehanizma. Jedan od unapredjenih rešenja ovakvog mehanizma je Resource Management in Differentiated Services (RMD) šema. U osnovi to je edge-to-edge resource reservation šema.koja proširuje Differentiated Services arhitekturu sa novim funkcijama kontrole pristupa i rezervacije mrežnih resursa. 8. IP-BAZIRANA RAN ARHITEKTURA Jedan primer RAN-a (Radio Access Network) je prikazan na slici 6. Čvorovi mreže korišćeni u RAN arhitekturi su RBSs (Radio Base Station) i RNCs (Radio Nertwork Controllers. Granice RAN arhitekture predstavlja interfejs ka mobilnom terminalu sa jedne strane i interfejs ka SGSN/GGSN čvorovima sa druge strane. Bazna stanica predstavlja ulaz ka

RAN-u za sve mobilne terminale u njenoj zoni pokrivanja. Zadužena je za realizovanje funkcije prenosa saobraćaja ka i od mobilnih terminala. RNCs upravljaju radom više baznih stanica. Oni su takodje odgovorni i za alokaciju resursa za transport u okviru RAN-a. SGSN/GGSN čvorovi izmedju ostalog obezbedjuju podršku za paketski prenos i data servise uključujući tu i funkcije za upravljanje mobilnosti, kontrolu pristupa i kontrolu PDP konteksta. GGSN je zadužen i za obezbedjivanje interworking funkcija ka i od spoljnih mrežama za prenos podataka.

Slika 6. - RAN - Radio Access Network

U IP-baziranom RAN-u početni/krajnji čvor predstavlja prvi IP ruter na koji je povezana bazna stanica ili RNC. Ovi rueri funkcionalno mogu biti delovi same bazne stanice ili RNC-a. Svi IP ruteri locirani izmedju ova dva granična rutera nazivaju se unutrašnji čvorovi RAN-a. Korišćenje IP transportne tehnologije unutar RAN-a pored ostalog, operaterima omogućava implementaciju novih paketski orjentisanih servisa uz povećanu efikasnost u prenosa, a samim time i manju cenu. Radio blok je kratki segment podataka kodovan/dekodovan i poslat/primljen od strane bazne stanice. Ovaj radio blok mora biti isporučen od strane RNC-a ka baznoj stanici ili obrnuto u odredjenom trenutku i sa ograničenim kašnjenjem. U suprotnom, bazna stanica ili RNC će odbaciti taj blok podataka. U skladu sa vremenskim ograničenjima za isporuku radio paketa većina saobraćaja u RAN-u se može posmatrati kao real-time saobraćaj (saobraćaj u realnom vremenu). Ovo podrazumeva da je saobraćaj jako osetljiv na kašnjenje. Implementacija pravilne Resource Management funkcije u ovakvom okruženju je neophodna. Ona je prvenstveno odredjena radio delom, dok je manji deo deefinisan end-to-end zahtevima. U skladu sa tim, IP-baziran RAN je Intranet kontrolisan od strane jednog operatera, tako da resource management funkcija treba da podržava samo edge-to-edge raspodelu resursa. Pošto je ukupan broj radio veza i količina prenetih podataka u RAN-u promenljiva funkcija raspodele resursa mora biti skalabilna. 9. RESOURCE MANAGEMENT IN DIFFERENTIATED SERVICES - RMD Resource Management in Differentiated Services (RMD) šema se bazira na Differentiated Services principima za obezbedjivanje QoS. Differentated Services je metod kod koga se svaki paket markira u skladu sa sadržajem paketa, a u odnosu na osetljivost na kašnjenje i prioritet. Kod IPv4 implementacije, ove informacije se prenose preko ToS (Type of Service) bita koji su sadržani u hederu paketa. Ipv6 implementacija ima u svom hederu podržanu informaciju za sve tipove Differentiated Services klasa servisa u DS oktetu.

Na osnovu ovih informacija, ruter može da obezbedi fer servis za različite klase servisa. U skaldu sa ovakvom definicijom Differentiated Services metoda predstavlja relativno jednostavnu tehnologiju koju je moguće lako implementirati u mrežama za prenos padataka. U slučaju mobilnih mreža ovaj metod je nadogradjeni sa novim funkcijama dinamičke preraspodele resursa i kontrole pristupa. Postoje dva definisana tipa protokola u okviru RMD-a:

��PHR – Per Hop Reservation ��PDR – Per Domain Reservation

PHR protokol se koristi za odluke na nivou jednog čvora u mreži. Ovaj protokol je optimizovan da smanji zahteve u pogledu funkcionalnosti unutrašnjih čvorova mreže. PDR protokol se koristi za preraspodelu resursa na nivou celog differentiated services domena. Ovaj protokol opslužuje dinamičke zahteve za rezervisanje resursa, odnosno njihovo dodeljivalje ili ne. Ova dva protokola prikazana su na slici 7.

Slika 7. – PDR i PHR protokol

10. RESOURCE MANAGEMENT IN DIFFERENTIATED SERVICES – RMD MODEL U cilju predstavljanja funkcionalnosti RMD-a napravljen je njegov model. On uključuje RODA – RMD On DemAnd funkciju, a implementiran je na Linox-u. Od 5 Linox stanica, 2 su konfigurisana kao hostovi, a 3 kao ruteri. Na dva rutera simulirana je funkcionalnost edge rutera dok je na trećem simulirana funkcionalnost internog čvora. Pristupni čvor bio je povezan sa hostom konfigurisanim za slanje i internim čvorom, dok je izlazni čvor bio povezan sa internim čvorom i hostom konfigurisanim za prijem. Generisano je 10 eksternih QoS zahteva, svakih 10s, u trajanju od 150s. Svi zahtevaju isti servis sa 9 jedinica resursa. Period osvežavanja je 10s. U primeru je pokazano da nezavisno od broja generisanih QoS zahteva postoji samo jedno stanje za PHR u internom čvoru. Ovaj eksperiment je pokazao da RMD radi u skladu sa svojom specifikacijom. Na slici 8. prikazan je broj rezervisanih resursa u internom čvoru u toku vremena.

Slika 8. - Broj rezervisanih jedinica resursa u internom čvoru u toku vremena

11. ARHITEKTIRA IP INFRASTRUKTURE IP infrastruktura sastoji se od dva glavna dela. IP

backbone mreže koja služi za prenos saobraćaja izmedju sajtova i infrastrukture sajta koja služi za povezivanje IP backbone mreže i sajtova. Svaki sajt IP strukture povezan je sa IP backbone mrežom preko jednog ili više edge rutera koji se nalaze na granici izmedju lokalne mreže i IP backbone mreže. IP infrastruktura sajta je napravljena tako da omogućava veliki kapacitet saobraćaja u okviru sajta i nisku cenu. Tipično je realizovana kao Fast Ethernet ili Gigabit Ethernet. Na slici 9. prikazano je povezivanje različitih tipova sajtova u IP backbone mreži.

Slika 9. – Principska šema povezivanja različitih tipova

sajtova u IP backbone mreži 12. ZAKLJČAK

��Podrška za nove IP multimedijalne servise biće implementirana u skladu sa zahtevima 3GPP standardizacije.

��Nova rešenja multiservisnih mreža zasnovana na IP tehnologiji biće postepeno integrisana u mobilne mreže što će omogućiti najbolji odnos cene prema kvalitetu.

��Na ovaj način IP povezivanje ujedno predstavlja i najjednostavnije rešenje za povezivanje mobilnih mreža sa lokalnim mrežama.

13. LITERATURA [1] Juha Wiljakka, Transition to IPv6 in GPRS and WCDMA Mobile, IEEE Communication Magazine, April 2002. [2] Heino Hameleers and Christer Johansson, IP Technology in WCDMA/GSM core networks, Ericsson review No. 2, April 2002 [3] Aleksandra Denda, IP i mobilne mreže , JISA 2002. Abstract: The mobile communication and Internet meet today in the design and implementation of the mobile core network. Support for new end-user services and a common transport technology are the main drivers of integration of IP technology into mobile systems. The IP multimedia application plays a special role in providing these new end-user services. IP transport technology addresses the vision of multiservice backbone networks, based on a single network layer technology. The next revolution in this development will take place when Ipv6, the new Internet Protokol comes onto the scene, creating much-needed new addresses for the World Wide Web. This article describe main requirements how IP technology can be supported in GSM and WCDMA mobile networks. Transition to IP in GSM and WCDMA mobile networks, Aleksandra Denda