Gestion de la mobilité dans les réseaux radiomobiles Dr. Mohamed Tahar MISSAOUI SupCom 2015/2016 INDP2 12/17/2015
[email protected] 1 Gestion de la mobilité dans les réseaux radio mobiles 2G Architecture d’un réseau GSM VLR AuC RTCP HLR MSC BSC BSC BT S BT S BT S BT S Communication Fixe Mobile MSISDN GMSC HLR CAA •IMSI=MCC+MNC+H1H2+SN •MSISDN=CC+NDC+SN •MSRN=CC+NDC+@MSC SN= l’adresse de l’MSC VLR MSC/VLR MSRN: Mobile Station Roaming Number TMSI IMSI IMSI: International Mobile Subscriber Number MSISDN: MS ISDN Number TMSI: Temporary Mobile Subscriber Number Identification d’un Abonné GSM IMSI MS - ISDN ( International Mobile Subscriber Identity ) ( Mobile Station - Integrated Service Digital Networkn° ) International Identity Nature MCC MNC Format Mobile Country Code H1 H2 Mobile National Code Mobile Subscriber Identity Number including H1 H2 = N° of physical HLR NMSI Nbre de digites 3 2 MSIN x x x ........ x x x CC Country Code NDC M1 M2 (ZAB) (PQ) 1 to 3 Subscriber Number National Destination Code* including M1 M2 identifying the logical HLR 2 to 4 total up to 15 ( national identity ) max 10 SN xx xx xx xx ( national identity ) * instead of identifying a geographic area, the NDC identifies an OPERATOR: Examples 605 ? 9x 2x Tunisie 605 Tunisie 02 T. Télécom 01 xx xx xx xx (TT HL1) 02xx xx xx xx (TT HL2) 03 Tunisie Télécom Tunisiana 98/ 97 HLR 1 96 / 95 HLR2 Tunisiana Caratéristiques enregistré dans le SIM et l’AuC Associé à un IMSI dans le HLR Problématiques • La mobilité des terminaux dans les réseaux radio mobiles pose les problématiques suivantes: 1. Au sens réseau: • Problème de localisation et recherche des mobiles (ex. lors des communications entrantes) 2. Au sens radio : • • Procédures de handovers intercellulaires Mécanisme de séléction/réselection Gestion de la mobilité au sens Réseau • La gestion de la localisation est basée sur deux mécanismes fondamentaux: 1. Localisation et mise à jour de localisation: le système doit connaître à tout instant la «position ou bien la zone de holding» de chaque mobile. 2. Recherche d’abonné: lors d’une demande de connexion par le réseau (ex. appel entrant) le système doit retrouver le mobile rapidement On doit réaliser un compromis entre les deux procédures Gestion de la mobilité au sens Réseau • Réseau sans localisation (premiers systèmes): – Lors d’un appel entrant le réseau doit émettre un message de recherche «paging» dans tout le réseau Problèmes – Congestion des liens de signalisation (DL) de chaque cellule – temps d’établissement des connexions élevé Gestion de la mobilité au sens Réseau • Réseau avec localisation exacte (par cellule) de chaque mobile attaché au réseau – Lors d’un appel entrant le réseau connaît exactement la cellule de séjour du mobile Avantage: temps d’établissement des connexions réduit (pas de recherche) Inconvénient: besoin des mises à jour de localisation des mobiles à chaque changement de cellule (sélection/résection) • congestion des liens de signalisation des cellules • saturation des ressources des processeurs responsables de la gestion des bases de localisation Gestion de la mobilité au sens Réseau • Réseau avec zone de localisation – Cette méthode est un compromis entre les deux premières méthodes précitées. • Une zone de localisation comporte plusieurs cellules (la taille de la zone de localisation est déterminée en fonction du trafic offert, taux d’arrivée, taux de SMS,.. ) • Chaque mobile est localisé à chaque instant par zone de localisation • La procédure de mise à jour de localisation est déclenchée à chaque transition entre deux zones de localisation => moins de flux de signalisation Gestion de la mobilité au sens Réseau Mise à jour de localisation par zone • Les cellules relevant d’une même zone de localisation diffusent en permanence l’identité de la zone LAC: Location Area Code Les mobiles en état de veille écoutent les informations diffusées par le réseau et enregistrent le numéro de la zone de localisation Si ce numéro est changé le mobile déclanche une procédure de mise à jour de localisation Gestion de la mobilité au sens Réseau • Procédure de mise à jour location 1. 2. 3. • Mise à jour de localisation intra_VLR • • Sur changement de LAC Périodique Suite dettach/attach dans deux zones différentes Mise à jour de localisation sous le même MSC/VLR Mise à jour de localisation inter_VLR • Transition entre deux zones de localisation couvertes par deux MSC/VLR différents. Gestion de la mobilité au sens Réseau Procédure de recherche dans le réseau GSM • Base de Données Nominale : HLR (Home location Register) • En plus des informations relatives à l’abonnement d’un usager (abonné) cette base contient l’adresse du VLR ou ledit abonné est localisé • La recherche d’un abonné commence par l’interrogation de la base HLR Gestion de la mobilité au sens Réseau Procédure de recherche dans le réseau GSM • Base de Données des visiteurs : VLR (Visitor Location Register) • Typiquement dans le réseau GSM avec chaque MSC il y a un VLR • La base VLR stocke pour chaque mobile : • L’identité IMSI • L’identité TMSI • LAC: code de la zone de localisation où il est enregistré,… • Suite à l’interrogation du VLR, l’MSC envoie un message de recherche dans toutes les cellules relevant de la zone de localisation identidiée dans le VL Gestion de la mobilité au sens Radio • De point de vue radio, il y a deux mécanismes: 1. Mobilité en état de veille (Idle mode) : mécanisme de sélection/réselection 2. Mobilité en étant dédié (Dedicated Mode): Handover Gestion de la mobilité au sens Radio Procédure de sélection/réselection en GSM (Rec GSM 05.08) 1. En état de veille le mobile mesure le niveau de la puissance reçue (Rxlev) de sa cellule d’écoute (courante) et des cellules avoisinantes 2. Si C1(k) > C1(0)+CellReslectHysteresis 3. Le mobile se met à l’écoute de la nouvelle cellule (k) – Si le LAC de la cellule (k) est différent du LAC de la cellule (0) le mobile déclanche une mise à jour de localisation Gestion de la mobilité au sens Radio Procédure de sélection/réselection en GSM (Rec GSM 05.08) • Sélection : – Un mobile sélectionne que les cellules où : C1=A-Max(B,0)>0 Avec: – A= RxLev - RxLev_access_Min – B=MS_TxPwrMaxCCH - P • RxLev: puissance reçue mesurée par le MS • RxLev_access_Min: puissance minimale nécessaire pour accéder à la cellule (diffusé sur le canal BCCH) • MS_TxPwrMaxCCH: puissance maximale que peut utiliser un MS pour accéder au canal RACH (diffusé sur le canal BCCH) – Valeurs par défaut: » 33 dBm (900) » 30 dBm (1800) • P: puissance du mobile selon son classe » MS classe 4 : 33 dBm » MS classe 5 : 29 dBm Ajustement de RxLev_access_Min pour Load Balancing (hot sopt) Gestion de la mobilité au sens Radio Procédure de sélection/réselection en GSM (Rec GSM 05.08) •Critères de sélection/ré-sélection phase 1: C1(Cell_1)>0 Cellule Cell_1 C1(Cell_1)<0 C1(Cell_1)> C1(Cell_2) C1(Cell_2)>0 Cellule Cell_2 C1(Cell_1) < C1(Cell_2) C1(Cell_2)<0 Sélection/ré-sélection de la cellule qui offre le max (C1) Gestion de la mobilité au sens Radio Procédure de sélection/réselection en GSM (Rec GSM 05.08) • Critères de ré-sélection phase 2: • Soit T le temps durant lequel le MS reçoit correctement une cellule avoisinante (neighboring cell among the 6 best cells) Si T<PenaltyTime alors C2=C1+cellReselecoffset-temporaryOffset Sinon C2=C1+cellReselecoffset Avec : cellReselecoffset : [0-126] (2 dBm) valeur par défaut 0, temporaryOffset : [0-70] (10 dBm) valeur par défaut 0, PenaltyTime : [20-620] (20s) valeur par défaut 20s Le critère C2 est utilisé uniquement lorsque le paramètre système CellReslInd est activé Gestion de la mobilité au sens Radio Procédure de sélection/réselection en GSM (Rec GSM 05.08) • Utilité de : TemporaryOffset Pour un MS ayant une grande vitesse, il passerait par la microcellule avec une grande probabilité d’avoir T< penaltyTime il resterait connecter à la cellule macro Pour un MS ayant une lente vitesse, il resterait dans la microcellule un temps suffisant pour avoir T> penaltyTime il aura beaucoup plus de chance de se connecter à la cellule micro Gestion de la mobilité au sens Radio Procédure de sélection/réselection en GSM (Rec GSM 05.08) • Utilité de : CellReslectOffset – Permet par exemple de favoriser la bande 1800 sur la bande 900 • Utilité de : CellReslectHysteresis • Une cellule X est sélectionnée et la cellule Y est abandonnée ssi: – C1(X)>C1(Y)+CellReslectHysteresis (phase 1) – C2(X)>C2(Y)+CellReslectHysteresis (phase 2) – Permet d’éviter le phénomène de Ping-pong (surtout entre deux zones de localisation) Gestion de la mobilité au sens Radio Procédure de Handover en GSM Handover: changement de canal au cours d’une communication: • I. Handover intracellulaire : Au sien de la même cellule (ex. Pb de RXQUAL) II. Handover intercellulaire : Entre deux cellules 1. HO IntraBSC: entre deux cellules pilotées par un même BSC 2. HO InterBSC: entre deux cellules pilotées par deux BSC différents 3. HO InterMSC : entre deux cellules pilotées par deux BSCs chacun connecté à un MSC différent Gestion de la mobilité au sens Radio Procédure de Handover en GSM Etape 1: Décision de déclanchement d’un HO: Un Ho est déclanché sur plusieurs événements dont principalement: 1. Ho sur niveau : lorsque le niveau de la station serveuse devient < seuil: • RXLEV_XX<L_RXLEV_XX_H (XX=DL ou UL) 2. Ho sur qualité : lorsque le taux d’erreur binaire > seuil (RxQual>3) • RXQUAL_XX>L_RXQUAL_XX_H (XX=DL ou UL) Gestion de la mobilité au sens Radio Procédure de Handover en GSM • Décision de déclanchement d’un HO (suite) 3. Ho sur distance : lorsque le mobile s’éloigne d’une certaine distance de la cellule • 4. MS_BTS> MAX_MS_RANGE Ho sur bilan de liaison • PBGT(n)> HO_MARGIN(n) et PBGT(n)>0 Avec : • – PBGT(n)= [Min(MS_TX_PWR_MAX, P)-RXLEV_DL- PWR_C_D][Min(MS_TX_PWR_MAX, P)-RXLEV_NCELL(n)] – PWR_C_D=Puissance maximale permise sur DL - Puissance utilisée Dans la norme il y a d’autres types de Ho : Ho sur trafic, HO sur SDCCH (Directed Retry),… Gestion de la mobilité au sens Radio Procédure de Handover en GSM Etape 2: Sélection d’une cellule d’accueil (par le BSC) • Suite à la décision de déclanchement d’un HO, le BSC sélectionne une cellule d’accueil en se basant sur : 1. les mesures de puissance effectuées par le mobile sur les cellules avoisinantes 2. La charge des meilleures cellules sélectionnées Gestion de la mobilité au sens Radio Procédure de Handover en GSM Etape 3: Exécution de Ho: 1. Le BSC réserve et active un canal dans la cellule d’accueil, 2. Le BSC envoie un ordre au mobile, qui est encore connecté à la cellule (0), de basculer sa communication sur le nouveau canal de la deuxième cellule, 3. Dès que le mobile réussit à se connecter à la cellule d’accueil, le BSC libère le canal qui a été utilisé par le mobile dans la première cellule. Gestion de la mobilité au sens Radio • Mobilité et Qos radio – Réduction de la congestion coté radio • Equilibre et répartition de charge entre : – Les différentes bandes du réseau (900/1800) – Des cellules chargées vers les cellules moins chargées Ajustement de paramètres de sélection / ré-sélection et de Ho – Réduction du taux de coupure des communications et du taux d’échec de Ho • Minimiser les Handovers Inter_BSC, réaffectation des BTS aux BSC, BSS uniforme dans la même zone, • Vérifier la liste de voisinage • Ajuster les paramètres de déclanchement de HO Gestion de la mobility dans un resaeu GPRS/EDGE 12/17/2015
[email protected] 28 Architecture d’un réseau GSM/GPRS ISDN/ PSTN Um GMSC MSC/VLR BTS Notebook & GPRS mobile Gb EIR AUC Gr Gs BSC Gf HLR External IP Network SGSN Gn IP-Backbone Traffic & Signaling Network Signaling BTS - Base Transceiver Station BSC - Base Station Controller MSC - Mobile Switching Centre HLR - Home Location Register SGSN - Serving GPRS Support Node PTM-SC GGSN - Gateway GPRS Support Node PTM-SC - Point-to-Multipoint Service Centre GGSN Gi External IP Network External X.25 Network GPRS: Echange et Procédures GPRS Attach (même SGSN) MS BSS SGSN HLR Attach Request Security functions Security functions Update Location Insert Subscriber Data (IMSI, Subscriber data) Insert Subscriber Data Ack Update Location Ack Attach Accept Attach Complete Remarque: Le cryptage de data en GPRS est entre MSSGSN, contrairement au GSM (MSBTS) GGSN GPRS: Echange et Procédures Activation de PDP context • Suite à un GPRS attach, un mobile peut demander un ou plusieurs PDP adresses (Packet Data Protocole address). • Chaque PDP adresse est décrit par un PDP context: • • • • Type de PDP (ex. IP) PDP adresse of MS (IP adresse, peut être statique ou dynamique) Qos class (min, max throughput demandé) Adresse du GGSN de service • Le PDP context est enregistré dans le MS, SGSN et GGSN GPRS: Echange et Procédures Activation de PDP context PDP Context activé sur demande de MS MS MS request BSS SGSN HLR GGSN Activate PDP Context Request Security Functions Create PDP Context Request Create PDP Context Response Activate PDP context Accept PDP Context activé sur demande de réseau PDP PDU Send Routing Info for GPRS Send Routing Info for GPRS Ack PDU Notification Request PDU Notification Response Request PDP Context Activation PDP Context Activation Procedure GGSN request GPRS: Echange et Procédures Update Location MS BSS Routing Area Update Request ( Identity old RA) (New) (Old) SGSN SGSN GGSN SGSN Context Request SGSN Context Response Security functions SGSN Context Ack Update PDP Context Request Update PDP Context Response Update Location Cancel Location Cancel Location Ack Insert Subscriber Data Insert Subscriber Data Ack Update Location Ack Routing Area update Accept Routing Area update Complete HLR GPRS: Echange et Procédures Sélection/ré-sélection • • • En GPRS pas de Handover sélection/ résélection En GPRS la procédure de sélection ré-sélection est effectuée par le MS et non pas le BSS Procédure (sélection/réselection par MS): 1. Suite à une détection d’une dégradation de du lien radio (augmentation du taux de retransmission) 2. Le mobile cherche une autre cellule offrant un meilleur niveau du signal 3. Interruption du TBF 4. changement d’état « packet tranfert » à l’état « packet idle) 5. Sélection de la nouvelle cellule et lecture de son système d’information 6. Passe en état de « packet tranfert » sur la nouvelle cellule et établissement d’un nouveau TBF • • Problème: Sélection sur niveau de puissance problème de réparation de charge entre les cellules Solution: Network Controlled Cell Reselection NCO : Network Control Order •NCO= 0 : le MS contrôle la ré-sélection sans envoi de rapport de mesures •NCO=1 : le MS contrôle la ré-sélection avec envoi de rapport de mesures •NCO=2 : le réseau contrôle la ré-sélection avec envoi de rapport de mesures Gestion de la mobility 3G 12/17/2015
[email protected] 35 Architecture d’un Réseau UMTS (R99) HLR/VLR SCP GSM BSC MSC WCDMA RAN SGSN N-ISDN GGSN IP Network Server Deux sous systèmes radio séparés : BSS-GRAN (GSM) et UTRAN (UMTS) Même CN pour le GSM/GPRS/EDGE et UMTS WCDMA Handovers Soft handover : Intra-Node B Intra-RNC Inter RNC (Serving/Drift) Softer handover ： Same BTS, inter- sector Hard handover： handover： Inter-frequency hand-off Intra-frequency inter RNC (non Serving/Drift) Intra-system 3G selection/reselection • Mesure Q: – Détermine la qualité de la cellule – Utilisé dans le calcule des paramètres S et R • Le critère S: – Détermine si le cellule est “Suitable” pour “camping” du mobile • Critère R: – Détermine le Rang “Ranking” de la cellule par raport au cellule serveuse et les cellules avoisinantes 38 3G selection/reselection • Definition de critere “Suitable”: Srxlev>0 et Squal>0 Avec Srxlev=Qrexlevmeas –Qrexlevmin-Pcompensation Squal=Qqualmeas-Qqualmin Pcompensation= max(UE_TX_PWR_Max_RACH-P_Max, 0) P_Max=maximum de puissance TX du Mobile, UE_TX_PWR_Max_RACH: maximum de puissance on PRACH Qrxlevmin : Minimum CPICH RSCP de la cellule pour être “Suitable” Qqualmin: Minimum CPICH Ec/No pour que la cellule soit « Suitable » • Ranking: Rs=Qmeas,s + Qhysts (cellule serveuse) Rn=Qmeas,n – Qoffsets,n (cellules avoisinantes) 39 3G selection/reselection Squal < Sintrasearch No No need to measure any cell Yes No Squal < Sintersearch measure intra-frequency cells Yes No Squal < Ssearch-RAT measure intra & inter-frequency cells Yes Search inter-RAT & intra & interfrequency cells 40 Cell Reselection Ranking Rank all measured cells by Qrxlevmeas GSM cell > Is cell reselection Ec/No? No No Rank all 3G cells by Qqualmeas Is Serving cell > ranked Yes Remain on Serving Cell Yes No Now cell > ranked for Treselection (s) Has UE been al least one second since camping on serving cell Yes No No Reselect New Cell No Meets all other suitablility criteria? Yes 41 WCDMA Soft/Softer Handover • Soft Handover : moins de coupure de communications SoftHo: établissement de lien avec la cellule cible avant la coupure avec la cellule courante WCDMA Soft/Softer Handover C1+C2 T-Drop C1 T-Add Eb/N0 C2 RNC1 CN RNC2 WCDMA Soft/Softer Handover • Gain apporté par le Soft Ho – Coté Mobile et Communication • Soft Ho= un Gain de Macro diversité • Au niveau de SRNC = [Rc1(t), RC2(t)] – Coté réseau • Réduction d’interférence (Hard Ho génère plus d’interférence) • Perte apportée par le Soft Ho • Allocation de double ressources physique pour un seul UE Paramètres et Procédures de Soft HO Messages et signalisation utilisés en Soft HO • Measurement Control: • envoyé par la BTS (NodeB); il indique aux UE qu’est ce qu’ils doivent mesurer et quand ils doivent remontrer au réseau les rapports de mesures • Measurement report: • rapport de mesures effectuées par le UE selon la demande du réseau et envoyer au NodeB (périodiquement ou bien selon événements spécifiés par le réseau), • Active set Update: • mise a jour de la liste de cellules incluse dans le mécanisme de SoftHo 45 3G Hard Handover • Inter-frequency HO: • Handover entre deux differentes porteuses 3G, • Un secteur 3G peut avoir jusqu’a 4 porteuses 3G (4 x 5MHz) • Inter-RAT HO: • Handover vers diffrent access radio ( GSM/ LTE/CDMA200) • RNC to RNC HO • Uniquement dans le case ou il n’y a pas d’interface Iur 46 Mesures HO: parametres d’evenements Intra-Frequency Events Inter-Frequency Events • Event 1a : A primary CPICH enters the Reporting Range, • Event 2a : Change of best frequency, • Event 1b : A primary CPICH leaves the Reporting Range, • • Event 1c : A non active Primary CPICH becomes better than an active Primary CPICH Event 2b : the estimated quality of the curently used frequency is < threshold and estimated quality of nonused frequency is > threshold, • Event 2c : the estimated quality of a nonused frequency is > threshold, • Event 2d : The estimated quality of the currently used frequency is < threshold, Event 2e: : the estimated quality of a nonused frequency is < threshold, Event 2f: : the estimated quality of a currently used frequency is > threshold, • • • Event 1d : Change of best cell, Event 1e : A Primary CPICH becomes better than an absolute threshold Event 1f : A Primary CPICH becomes worse than an absolute threshold • • Inter-RAT Events • Event 3a : The estimated Quality of the current used UTRAN frequency is < threshold, and the estimated quality of the others system > threshold • Event 3b : The estimated quality of the other system is below a certain threshold, • Event 3c : The estimated quality of the other system is above a certain threshold, • Event 3e : Change of best cell in the other system 47 WCDMA Soft/Softer Handover • Recommandations pratiques: 1. Définition « correcte » de la liste de voisinage de chaque cellule – 2. Vérification de la liste par « Drive test SCAN » Ajustement de paramètres de Soft_Ho (fenêtre de soft Ho , Hystérisis…) – Paramétrage système en fonction des KPI observés 3. Éviter une sur-couverture (Overlapping) importante entre les cellules (pas de HCS avec la même fréquence!!) 4. Eviter une faible surcouverture entre les cellules risque de coupure de lien radio avant établissement du deuxième lien. – Lors de la planification (choix de site, estimation de la répartition de trafic, paramètres radio…)