UMTS: Protocolli e Architetture - Università Politecnica delle Marche

Evoluzione delle reti radiomobili:
dal 3G (UMTS, HSPA/HSPA+) al 4G (LTE)
Università Politecnica delle Marche, Dip. Ingegneria dell‟Informazione – Maggio 2014
1
Obiettivo
Offrire una panoramica sull‟evoluzione delle
reti radiomobili cellulari:
dai sistemi di 3° generazione (UMTS)
a quelli di 4° generazione (LTE)
2
Riferimenti principali
I documenti dello Standard Internazionale dei Sistemi Radiomobili
http://www.3gpp.org
„EASY LTE‟ e-book by Telecom Italia
(Giugno 2013)
www.telecomitalia.com/tit/it/innovation/books/easy-lte.html ‎
3
La Normativa internazionale per i sistemi radiomobili
 Third Generation Partnership Project (3GPP): accordo di
collaborazione siglato nel 1998 fra Enti che si occupano di
standardizzare dei sistemi di telecomunicazione in diverse
parti del mondo: ARIB (JP), CCSA (CN), ATIS (North A), TTA
(US) e TTC (JP) ed il nostro ETSI (European
Telecomunication Standards Institute).
 Nasce con l‟obiettivo: “The production of Technical
Specifications for a 3rd Generation Mobile System based
on the evolved GSM core networks (UTRAN)”.
 Successivamente ha inglobato ed integrato le specifiche
GSM, al fine di ottenere una normativa unica per
dispositivi multi mode e multi band (2G/3G).
 Nella seconda metà degli anni 2000 il 3GPP si fa carico
anche della Normativa LTE ed LTE Advanced (standard for
wireless communication of high-speed data).
4
Come è organizzato lo standard 3GPP
5
GSM
Global System for Mobile communication
inizialmente Groupe Special Mobile
God Sent Mobiles!
6
Prima dell‟UMTS: GSM/GPRS/EDGE
Dal 1995 in Italia
 Il GSM (2G): servizio vocale in mobilità
 Accesso multiplo TDMA/FDMA – duplexing FDD
Le portanti: 200 Khz
La trama: 8 timeslot
 Le procedure: paging, location update, handover…
Dal 2001 in Italia
 Il GPRS (2.5G): servizio dati in mobilità (~50 kbps)
 Nuova architettura di rete per la commutazione a pacchetto
 La condivisione dei timeslot e la trasmissione multislot
Dal 2003 in Italia
 L‟EDGE (2.9G) (~100 kbps)
 Nuove codifiche e modulazione 8PSK oltre alla GMSK
 L‟adattabilità alle condizioni del canale
7
UMTS
Universal Mobile Telecommunication System
Unlimited Money To Spend
8
Le origini del CDMA: segnale e interferenza
“The goal of any communication system is to deliver desired
(signal) energy to a designated receiver and to minimize the
undesidered (interference) energy that it receives.”
“With spread spectrum [...], since the allocated resource of
each user’s channel, in both directions, is energy rather than
time or frequency, intereference control and channel
allocations merge into a single approach”
Andrew j. Viterbi, “Principles of Spread Spectrum Communication”
Andrew James Viterbi (nato Andrea Viterbi, nome sostituito al momento della
naturalizzazione; Bergamo, 9 marzo 1935) è un ingegnere e imprenditore italiano
naturalizzato statunitense. È l'inventore dell'algoritmo di Viterbi, usato per codificare
trasmissioni digitali, che è alla base della trasmissione dati del GSM, dei sistemi
telemetrici che hanno permesso il lancio dei primi satelliti Explorer e il CDMA, lo
standard di trasmissione dell'UMTS. Nel 1985 ha fondato insieme a Jacobs
l'azienda Qualcomm,
9
Le bande operative dei sistemi IMT-2000
UTRA FDD frequency bands (rif. TS25.101 – Tab 5.0)
DL frequencies
UL Frequencies
Operating Band
UE receive, Node B
UE transmit, Node B receive
transmit
Existing mobile
services
UMTS2100
PCS1900
I
1920 - 1980 MHz
2110 -2170 MHz
II
1850 -1910 MHz
1930 -1990 MHz
III
…
1710-1785 MHz
…
824 - 849 MHz
DCS1800
1805-1880 MHz
…
869-894 MHz GSM850 /UMTS850
V
(Canada, Messico)
(South America)
…
…
…
LTE2600
VII
2500-2570 MHz
2620-2690 MHz
VIII
880 - 915 MHz
925 - 960 MHz GSM900/UMTS900
…
…
…
LTE800
XX
832 – 862 MHz
791 – 821 MHz
…
…
…
E-UTRA bands: sono le stesse UTRA FDD bands cui se ne aggiungono altre
11 da #33 a #43. La numerazione è in numeri arabi: da band 1 a band 43.
10
5MHz
UMTS: W-CDMA, spettro assegnato in Europa
Assegnati 215 MHz
componente terrestre:
60 + 60 MHz
• TDD
35 MHz
FDD
SAT
TDD
SAT
FDD
(UL)
componente satellitare
TDD
• 60 MHz
T D D (uso privato)
SAT
• FDD
TDD
FDD
(DL)
• 155 MHz
f
1900
1920
1980 2010 2025
2110
2170
2200
U come Universal…: in Nord America non sono disponibili tali porzioni di spettro, già allocate ad altri sistemi;
pertanto i sistemi 3G sono stati realizzati su bande esistenti rimpiazzando alcune porzioni di spettro ( Attenzione alla banda sui 2.3GHz)
11
UMTS: Spettro assegnato in Italia
Nel 2000 sono state aggiudicate le seguenti porzioni di spettro (5
MHz) relative alla componente terrestre (fino al 2022):
H3G
15 + 15 MHz FDD 5 MHz TDD
IPSE
15 + 15 MHz FDD 5 MHz TDD(*)
VODAFONE
10 + 10 MHz FDD 5 MHz TDD
TIM
10 + 10 MHz FDD 5 MHz TDD
WIND
10 + 10 MHz FDD 5 MHz TDD
(*) Nel 2009 le frequenze ex IPSE sono state assegnate a TIM, VF, Wind  Situazione attuale FDD:
1920-1925 1925-1930 1930-1935
Wind
TIM
VF
2110-2115 2115-2120 2120-2125
1935-1945
TIM
2125-2135
1945-1955
Wind
2135-2145
1955-1970
H3G
2145-2160
1970-1980
VF
2160-2170
12
Agcom: razionalizzazione dello spettro
Provvedimento Agcom del 2008 che disciplina i piani di assegnazione delle
frequenze a 900, 1800 e 2100 MHz, con l‟obiettivo “di promuovere la
razionalizzazione della banda e il suo uso efficiente e consentire l’accesso
alle frequenze disponibili o che si renderanno disponibili nelle dette bande
da parte dei soggetti interessati”.
Banda 900 MHz: eliminazione della frammentazione territoriale in termini di
allocazione dello spettro e compattazione in bande contigue delle
assegnazioni ai diversi gestori
Refarming GSM: liberazione, su base territoriale, di un blocco di frequenze da
5 MHz destinato a UMTS @900MHz (25+2 canali 200Hz)
Banda 2100 MHz: compattazione in bande contigue
delle assegnazioni ai diversi gestori
13
L‟accesso multiplo (W)-CDMA
14
CDMA e W-CDMA del sistema UMTS
CDMA in generale:
 Basato su una tecnologia sviluppata inizialmente in ambito militare per proteggere le
trasmissioni dal jamming
 Gli utenti che condividono la stessa portante CDMA sono trasmessi nello stesso
istante di tempo, alla stessa frequenza di portante
 Gli utenti sono contraddistinti per mezzo di una differente codifica (chip sequence)
 Il tempo di chip è molto minore del tempo di bit (spreading)
 Maggiore la banda disponibile, maggiore l‟effetto dello spreading
 Le sequenze di chip sono tra loro ortogonali, cioè il prodotto chip a chip fra sequenze
diverse, mediato sul tempo di bit è nullo
 L‟interferenza reciproca è rimossa nel processo di decodifica sul ricevitore
W-CDMA usato nel caso UMTS:
 Ampiezza di banda W-CDMA: 5 MHz
 La bitrate della sequenza di chip usata per codificare i bit è fissa: 3.84 Mcps
 In UTRAN R99 per trasmettere su canali dedicati con bitrate diversa in funzione del
servizio, si usano sequenze di spreading di lunghezza diversa ( Spreading Factor)
15
Spreading e scrambling
(Spreading)
I codici di spreading separano canali fisici diversi associati
allo stesso trasmettitore
I codici di scrambling separano trasmettitori diversi
16
Spreading e scrambling (Uplink)
 I codici di scrambling permettono
la discriminazione dei segnali
associati ad utenti diversi
 I codici di spreading permettono la
discriminazione di flussi dati
diversi associati allo stesso utente
17
Spreading e scrambling (Downlink)
 I codici di scrambling permettono la discriminazione dei segnali
associati a celle diverse
 I codici di spreading permettono la discriminazione dei diversi canali
associati ad una cella
18
Uso dell‟albero dei codici in Downlink
PS 384
8
8
C8,0
C8,1
16
C16,0
32
64
128
128
32
64
128
…
…
128
256
128
16
16
C16,1
C16,2
C16,3
128
…
256
Assegnato ai canali comuni di segnalazione
Bloccato dall‟uso di codici sullo stesso ramo
Disponibile
16
64
256
256
PS 128
…
16
C16,15
PS 64
64
128
…
Voce
128
…
L‟assegnazione di un codice SF 8
per un servizio PS 384 DL blocca:
•2 codici SF 16 per PS 128
•4 codici SF 32 per PS 64
•8 codici SF 64 per PS 32
•16 codici SF 128 per voce
19
Interfaccia radio: le modulazioni
DL: QPSK
UL: Dual BPSK
Q-Branch
Q-Branch
DPDCH
I-Branch
I-Branch
Ogni simbolo nella costellazione è
dedicato al DPCCH o al DPDCH
 QPSK:
4 simboli nella costellazione,
DPDCH e DPCCH sono multiplati nel
tempo
DPCCH
 Dual
BPSK: 2 simboli per costellazione,
1 bit per simbolo per DPDCH e DPCCH
NB: BPSK= Binary Phase Shift Keying, QPSK= Quad Phase Shift Keying
20
Il Power Control e la copertura UMTS
21
Trasmissione e ricezione segnali CDMA
C/I
f0
0
DATA
DATA
f0
0
Eb/No
WIDEBAND
SPECTRUM
CORRELATOR
DIGITAL
FILTER
ENCODING &
INTERLEAVING
DEINTERLEAVING
& DECODING
DATA
PN SOURCE
PN SOURCE
CARRIER
f0
BACKGROUND
NOISE
CARRIER
f0
EXTERNAL
INTERFERENCE
f0
OTHER CELL
INTERFERENCE
f0
OTHER USER
INTERFERENCE
22
Trasmissione e ricezione segnali CDMA
C/I
0
DATA
DATA
f0
WIDEBAND
SPECTRUM
f0
0
Eb/No
CORRELATOR
DIGITAL
FILTER
ENCODING &
INTERLEAVING
DEINTERLEAVING
& DECODING
DATA
PN SOURCE
PN SOURCE
CARRIER
C Eb R
SNR  

I
N0 W
CARRIER
PN SOURCE
Processing
Gain
PG=W/R
W=3.84 106
23
Processing Gain e SNR target
C Eb R
SNR  

I
N0 W
SNR [ dB]
Eb

N0
UPLINK
RAB
CS 12.2
CS 64
PS 64
PS 128
PS 384
Eb/No [dB]
5.5
3.2
3.9
3.6
1.7
Bit Rate [kbps]
12.2
64
64
128
384
Pg [dB]
25.0
17.8
17.8
14.8
10.0
C/I [dB]
-19.5
-14.6
-13.9
-11.2
-8.3
DOWNLINK
RAB
CS 12.2
CS 64
PS 64
PS 128
PS 384
Eb/No [dB]
7.5
5.7
5.2
5.6
5.1
Bit Rate [kbps]
12.2
64
64
128
384
Pg [dB]
25.0
17.8
17.8
14.8
10.0
C/I [dB]
-17.5
-12.1
-12.6
-9.2
-4.9
 Pg [ dB]
[ dB]
Requisiti di Eb/No
derivati da IST
MOMENTUM Deliverable
D5.2: Reference
Scenarios - pagg 180-182
(proposti a titolo
esemplificativo: da non
considerare come
riferimento operativo)
Canali di trasporto dedicati UTRAN R99: DCH
UL e DL
24
Copertura cellulare UMTS: fattore riuso W-CDMA
 Nella tecnica W-CDMA, l‟intera banda di 5 MHz viene riutilizzata
sull‟intera copertura cellulare: il fattore di riuso è pertanto unitario.
 Sono i codici di scrambling
e di spreading che permettono di
differenziare i segnali radio trasmessi dagli utenti (UL) e delle celle (in
DL)
In UMTS, tutta la banda è utilizzata
sulle 9 celle
Cluster GSM: 9 celle
con 9 bande distinte
3
4
2
9
5
1
8
6
7
3
4
2
9
5
1
8
6
7
25
Copertura cellulare UMTS e servizi offeti
 Ogni servizio richiede che la BER e/o BLER non superi un certo valore
massimo per rispettare i requisiti su RTT, time delay, jitter..;
 Ogni servizio richiede al ricevitore un valore minimo del rapporto Eb/N0
 Fissato il requisito di BER o di BLER del servizio considerato, il punto di
lavoro é ricavato mediante simulazioni di link.
 Per garantire il rapporto tra energia
per bit e rumore, è necessario che
per i servizi ad elevato bit rate (minor
Pg) sia ricevuta maggiore potenza
64
kbit/s
384
kbit/s
12
kbit/s
26
Copertura cellulare UMTS: “cell breathing”
 Nelle reali condizioni di potenza (in
trasmissione limitata), all‟aumentare
del bit rate è necessario avvicinare il
mobile alla stazione radio-base per
conseguire lato ricevitore l‟energia
per bit richiesta
 Qualora il dimensionamento e la
pianificazione della rete fossero
effettuate sulla base di un singolo
servizio, si otterrebbe un raggio di
copertura variabile, che diminuisce
al crescere della velocità di
trasmissione
12 kbps
64 kbps
384 kbps
27
Copertura cellulare UMTS: pianificazione copertura
 Si ipotizza che ogni utente sviluppi
mediamente determinati volumi di
traffico in fonia e in dati
(videotelefonia,
WEB,
e-mail,
transazioni, SMS) nell‟ora di punta;
viene così definito il profilo di
servizio
 La pianificazione cellulare in UMTS
considera pertanto un mix di servizi
identificato dall‟operatore, e il
raggio di cella è calcolato in base a
questo profilo
Mix di servizi
28
Copertura cellulare UMTS: link budget UL (1)
Sensibilità del ricevitore: livello di segnale necessario all‟ingresso del ricevitore per
garantire i requisiti del servizio considerato, in presenza del solo rumore termico.
SBTS = kT + NF +10 log (R) + ( Eb/N0 )target + Mimp
SBTS
MUL
L(dmax)
PUE

kT = densità spettrale del rumore termico,
misurata in dBm/Hz;

R
= bit rate del servizio considerato, in
bit/s;

NF
= cifra di rumore del ricevitore,
espressa in dB;

(Eb/N0 )target = valore target per il rapporto tra
energia di bit e densità spettrale del
disturbo, misurato in dB;

Mimp = margine di implementazione (in dB).
dmax
29
Copertura cellulare UMTS: link budget UL (2)
Margini di progettazione (body-loss, interferenza, shadowing, ecc.)
Attenuazione di tratta
SBTS
PUE = SBTS+MUL+L(dmax)
MUL
L(dmax)
L(dmax) =PUE – SBTS - MUL
PUE
dmax
dmax
30
Copertura cellulare UMTS: link budget UL (3)
 Scelto il servizio, dati i vincoli tecnologici (potenza max. TX, sensibilità
ricevitore, …):
 il link-budget in UL è funzione dell‟interferenza
 Il link-budget in DL è funzione della potenza che la BTS ha disponibile per il
traffico destinato allo specifico utente (43 dbm totali per macro-BTS)
1.60
Outdoor
Raggio di cella (Km)
1.40
1.20
In-car
Indoor
1.00
0.80
0.60
0.40
0.20
0.00
384 kbit/s
256 kbit/s
128 kbit/s
64 kbit/s
32 kbit/s
31
Power Control: C/I target & near-far issue
Closed (Inner) loop power control in (UL and DL)
 Corregge la potenza trasmessa dal terminale mobile (dalla BTS) in modo da
mantenere la qualità della tratta in UL (DL) pari a un dato livello di C/I target.
Viene inviato un comando in ogni slot (Rate: 1500 Hz)
Outer loop power control (UL and DL)
 Sulla base di misure di qualità (e.g. BLER), determina la soglia di qualità del
canale da usare come C/I target per il closed loop power control.
 Il power control è necessario specialmente in UL per risolvere il problema del “nearfar”: senza power control un singolo utente vicino alla BTS che invii troppa potenza
potrebbe accecare l‟intera cella.
 Più in generale permette di compensare
eventuali buchi di fading, e in DL permette di
fornire più potenza ai terminali mobili a bordo
cella
che
soffrono
maggiormente
per
interferenza inter-cella.
BTS
32
Power Control: C/I target & near-far issue
SIR <> SIRtarget ?
BLER > BLERtarget ?
UE
Outer
loop PC
Fast PC
(1.5 kHz)
(10 –100 Hz)
RNC
SIRtarget
Node B
TPC command
33
UMTS (e GSM): l‟architettura di rete
34
La rete cellulare con Core Network multi-standard 2G+3G
Architettura rete radiomobile 2G e 3G
- trasporto a circuito -
Architettura rete radiomobile 2G e 3G
- trasporto a pacchetto -
35
La rete cellulare 2G+3G di Telecom Italia
Totale BTS: 1
̴ 5.000
Totale BSC: 5
̴ 00
La rete supporta EDGE (fino a 200 Kbps DL)
Totale Node B: ̴ 13000
Totale RNC: 9̴ 0
La rete supporta HSDPA (fino a 42 Mbps DL)
36
L‟Handover
37
Handover
La rete UMTS nasce come evoluzione di GSM/GPRS/EDGE e ne
eredita le procedure di segnalazione caratteristiche di una rete
cellualre (paging, LA Update, handover, …)
In UTRAN sono però possibili diversi tipi di Handover:
Handover intra-sistema intra-frequenza (Soft handover)
Handover intra-sistema inter-frequenza (Hard handover)
Handover Inter-sistema (es. GSM-UMTS)
GSM/GPRS
GSM/GPRS
UMTS
Macro F1
GSM/GPRS
UMTS
Macro F1
GSM/GPRS
UMTS
Macro F1
UMTS
Micro F2
Inter-System HO
Soft HO
Soft HO
Hard HO
38
Handover in different technologies
SIST.
G
S
M
U
M
T
S
TYPE
Hard
Handover
BEFORE
DURING
AFTER
MSC
MSC
MSC
BSS#1
BSS#2
BSS#1
RNC
BS#1
BSS#1
BSS#2
F1
F1
Soft
Handover
BSS#2
F2
RNC
BS#2
BS#1
F1
RNC
BS#2
F1
BS#1
BS#2
F1
macrodiversità
39
Macrodiversità e Soft handover
 Un terminale mobile opera in macrodiversità quando riceve la stessa
informazione da più stazioni radio base, le quali, sulla tratta in salita,
provvedono tutte alla demodulazione del segnale ricevuto dal terminale.
 L‟insieme di tali stazioni prende il nome di Active Set (AS).
 Grazie alla macrodiversità, la mobilità (e quindi la procedura di hand-over)
può essere gestita semplicemente aggiungendo o togliendo connessioni
all‟Active Set del terminale (Soft HandOver) sulla base delle misure
effettuate dal terminale e riportate alla rete.
40
Softer handover (Node-B ricombina)
La MS riceve la stessa
informazione da due o più
celle dello stesso nodo B
Cella 1
RNC
CS=X
CS=Y
Nodo B
La combinazione dei
due segnali è
effettuata dal nodo-B
a livello fisico
Cella 2
CS = Codice di Scrambling
41
Soft handover (RNC ricombina)
CS=X
La MS riceve la stessa
informazione da due o più nodi B
contemporaneamente (Macrodiversità)
CS=Y
Nodo B 1
RNC
Nodo B 2
La combinazione dei
CS = Codice di Scrambling,
due segnali è
che identifica la cella in DL
effettuata dall‟RNC a livello 3
42

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