EDGE ed EGPRS. Sviluppo Applicazioni Radiomobili. Tecnologie 2.5 Generation

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1 Scenario Economico EDGE ed EGPRS L accesso mobile ai servizi dati, e in special modo a Internet, costituisce uno degli obiettivi principali per gli operatori e porterà, in una prospettiva di medio periodo, alla convergenza completa della rete radiomobile verso reti di trasporto a pacchetto basate sul protocollo IP. Tecnologie 2.5 Generation La connessione logica tra rete e terminale (funzione always on) consente di trasferire informazioni senza instaurare una connessione fisica dedicata che impegnerebbe risorse in trasmissione per tutta la durata della chiamata. 1 2 Sviluppo Applicazioni Radiomobili Crescita della richiesta di banda in Italia Development Communications & Messaging simple messaging call forwarding/ waiting voice mail roaming Informational information services call number display remote LAN access Integrated into basic package Solutions Transactional video on e-commerce demand transactions mobile internet data/fax mobile intranet mobile e-commerce solutions banking unified messaging mobile office fixed mobile integration Becoming integrated into basic package primarily used for increasing airtime Gigabit/sec Mobile GPRS/ UMTS xdsl/fttx PSTN Aziende Analog Cellular SMS Applications SIM 2 Application Toolkit Digital Cellular Circuit switched Data HSCSD WAP EDGE GPRS 3G Source: PeC Forum

2 Meccanismi di Network: l affermazione degli standard Effetti di Lock-in Gli investimenti che si realizzano in telecomunicazioni, ed in particolare nella telefonia mobile hanno determinate proprietà e definiscono effetti di rete che, si possono sintetizzare in due grandi ambiti: I fenomeni di lock-in, cioè le progressive resistenze al cambiamento. Gli effetti di feedback, cioè il legame fra i percorsi di adozione dell innovazione e il valore generato dagli investimenti realizzati. La presenza di vincoli al cambiamento in una traiettoria tecnologica rappresenta: da un lato, il livello di protezione di cui può usufruire chi ha innovato verso chi intende proporre una nuova tecnologia dall altro la lentezza e il rischio che chi ha innovato puo dover fronteggiare nel momento in cui una nuova traiettoria tecnologica si va affermando. I meccanismi di lock-in raggiungono livelli sostenuti quando la tecnologia si afferma come standard = come opzione riconosciuta da una larghissima parte di utenti e produttori. 5 6 Effetti di Lock-in Effetti di Lock-in Al tempo del lancio e dell affermazione dello standard GSM, i fenomeni di lock-in erano presenti in misura diversa fra produzione e consumo. All epoca solo l incumbent ha dovuto fronteggiare il problema della migrazione fra TACS e GSM. I followers hanno potuto in questo caso godere di una situazione nella quale lo standard era affermato e gran parte del mercato potenziale era da conquistare. La tendenza a sviluppare ed implementare nuove applicazioni di terza generazione comunque compatibili con le tecnologie di seconda generazione differenzia i competitors, nell introduzione di nuovi servizi UMTS ed esalta gli effetti del lock-in. I newcomers tendono ad accelerare i nuovi servizi, in quanto non sono legati alla precedente base installata di clienti. Gli incumbents, denotano invece un comportamento più prudente rispetto ai nuovi standard, tentando di imporre una migrazione più controllata e graduale della propria base, per esempioversol UMTS

3 Effetti di Feedback L evoluzione del GSM Si hanno effetti di feedback quando il valore di una rete si modifica in modo esponenziale rispetto al numero di coloro che vi partecipano. Al raggiungimento di una certa soglia di adozione, infatti, l incremento marginale di valore della rete (legato al numero di contatti incrementali che un nuovo utente è in grado di consentire) tende a crescere. Facendo un contro-esempio, sino a quando un certo numero di utenti non adotta per esempio i servizi UMTS, l incentivo a partecipare a questo network sarà basso, in quanto tale servizio consentirà bassi livelli di ricettività. Dalla trattazione precedente si capisce che il fenomeno di lock-in spinge le aziende maggiormente consolidate sul mercato, ad uno sviluppo tecnologico che tenda a mantenere una continuità con lo standard già affermato Questa è la linea guida sotto la quale sono nati prima il GPRS e successivamente l EDGE Tali tecnologie si caratterizzano infatti per la compatibilità con la standard GSM di cui riutilizzano le frequenze e l infrastruttura La compatibilità verso il basso introduce dei colli di bottiglia che di fatto limitano le possibilità di sviluppo 9 10 Evoluzione del GSM Introduzione ECSD: (Enhance Circuit Switched Data) EGPRS: (Enhance GPRS) L EDGE (Enhanced Data Rates for GSM Evolution) è una tecnologia che rappresenta un evoluzione: del HSCSD per quanto riguarda la commutazione di circuito. del GPRS per quanto riguarda la commutazione di pacchetto. Dal GPRS, l EGPRS eredità l impronta volta a fornire un accesso ad Internet di tipo wireless L innovazione introdotta non riguarda il core network o i canali logici adoperati del GPRS, ma piuttosto la sua interfaccia radio

4 Introduzione Introduzione Rispetto al GSM si ha un utilizzo efficiente delle risorse radio, realizzato attraverso una condivisione multipla del canale che consente: Una condivisione dello stesso time slot in condizioni di bassa velocità di trasmissione. L aggregazione di più time slot per ciascun utente in condizioni di elevata velocità media di trasmissione Modifiche nella topologia delle rete L introduzione del GPRS richiese modifiche hardware marginali nella rete di accesso radio: Il GPRS infatti necessita principalmente di aggiornamenti software per inserire i nuovi protocolli richiesti a livello logico Per la parte radio il servizio GPRS può riutilizzare i siti, le antenne, le BTS (Base Transceiver Station) eibsc (Base Station Controller) già operativi per il sistema GSM. L EGPRS richiede invece adeguamenti hardware necessari per via dell introduzione di un nuovo tipo di modulazione. L unità di ricetrasmissione EGPRS deve essere aggiunta in ogni cella. MS GPRS Modifiche nella topologia delle rete GPRS Protocol EDGE TRU BTS PCU SGSN GGSN Internet EGPRS Protocol 15 MS EGPRS PCU: PACKET CONTROL UNIT TRU: TRANSCEVIER UNIT 16 4

5 Modifiche nella topologia delle rete Modifiche nella topologia delle rete Le modifiche a livello di BSC si limitano al solo aspetto software (uguali a quelle del GPRS) e all implementazione dei protocolli della tratta radio. La BSC deve essere dotata di un unità funzionale, detta PCU, in grado di supportare l assegnazione dei canali e la configurazione delle risorse radio con allocazione dinamica tra GSM CS e (E)GPRS, Il PCU inoltre deve far da tramite tra le MS e l SGSN che controlla lo scambio di pacchetti dati. L unico impatto HW riguarda la Base Station (BTS) che è dotata di una nuova unità transceiver in grado di supportare un nuovo tipo di modulazione: la 8-PSK La nuova unità inoltre è compatibile con le unità transceiver standard in modo da permettere il passaggio graduale ad EDGE Modifiche nella topologia delle rete Modifiche nella topologia delle rete L utilizzo della 8-PSK avviene lasciando inalterate la struttura del canale e la spaziatura tra le portanti permettendo cosi una completa compatibilità con le funzionalità del GPRS basato su GSM classico (GMSK su FDMA/TDMA). La sua adozione permette notevoli vantaggi in termini di prestazioni e quindi di servizi disponibili senza di fatto avere un notevole impatto sulla preesistente rete GSM/GPRS. Per usufruire della funzionalità EGPRS è necessario tuttavia l uso di un terminale mobile che supporti la modulazione 8-PSK Shifted. EGPRS non modica il formato del burst, che risulta però costituito da simboli invece che da bit. Un normal burst comprende perciò un campo informativo di 2x57=114 simboli. La capacità informativa di un normal burst risulta cosi pari a 114x3=342 bit. E importante sottolineare che l utilizzo della 8-PSK è limitato al solo traffico dati

6 Per quanto riguarda la rete di transito fissa, l (E)GPRS ha bisogno rispetto alla rete GSM di tre nuove entità: Nuovi dispositivi Rete EGPRS SGSN (Serving GPRS Support Node) è il nodo di riferimento per il terminale mobile. costituisce l elemento lelemento di interfaccia tra la rete di transito GPRS (Core Network) e la rete di accesso radio è deputato a trasferire i pacchetti verso il BSC di destinazione e ad eseguire le procedure per la registrazione in rete, di gestione della mobilità, di allocazione delle chiavi di cifratura e di autenticazione dell utente GPRS. Nuovi dispositivi Rete EGPRS GGSN (Gateway GPRS Support Node) è il nodo a cui si accede da una rete a pacchetto esterna oppure dal sistema GPRS di un altra rete mobile a pacchetto; permette di validare l indirizzo di rete corrispondente al terminale GPRS che si intende contattare (nel caso di chiamata terminata); contiene le informazioni di instradamento (tra cui quelle riguardanti il nodo SGSN di riferimento) per ogni utente che sta effettuando una sessione dati in rete; le reti IP esterne vedono il GGSN come un normale router, per cui esso deve implementare funzioni quali il supporto dei protocolli di routing (OSPF, RIP, BGP, IGRP,EIGRP, ecc) Nuovi dispositivi Rete EGPRS Classi di Terminali PCU (Packet Control Unit), le principali funzioni svolte sono: Segmentazione/riassemblaggio di frame LLC in blocchi RLC/MAC. Scheduling dei canali fisici (PDCH, Packet Data Channel). Gestione della rivelazione e correzione degli errori (ARQ), con invio di riscontri (ACK/NACK), bufferizzazione e ritrasmissioni. Controllo dell accesso ai canali (richieste e assegnazioni) e funzioni di gestione dei canali stessi. è di solito posta nel BSC (integrata in esso o come apparato aggiuntivo ad esso collegato), anche se in linea di principio puo essere collocata anche nella BTS o in ingresso a un GSN. Sono previste due classi di terminali per la tecnologia EDGE: alla prima classe appartengono i terminali che supportano la modulazione 8-PSK solo in downlink; alla seconda classe quelli che la supportano sia in uplink che in downlink. Non bisogna inoltre trascurare il fatto che queste nuove classi di terminali dovranno disporre di un hardware capace di elaborare più velocemente le informazioni da codificare/de-codificare con l intoduzione della 8-PSK

7 MODULAZIONE 3π/8 Shifted PSK MODULAZIONE 3π/8 Shifted PSK Lo schema di modulazione utilizzato nel sistema GSM/GPRS è il GMSK, con questo metodo il simbolo trasmesso ha un contenuto informativo pari a un bit. La trasmissione di un bit sul piano I/Q può essere immaginata come una rotazione di 90 in senso orario o antiorario a seconda che si debba trasmettere uno 0 / 1 logico. La modulazione adottata nell EGPRS permette di triplicare il contenuto informativo associato al simbolo trasmesso grazie all utilizzo di una 8- PSK shifted. Questa modulazione si differenzia dalle standard PSK per la rotazione della costellazione ad ogni simbolo trasmesso. L 8-PSK shifted rimane comunque una modulazione di fase che ammette per il segnale modulato 8 possibili fasi (8 stati o simboli), a ciascuno dei quali sono associati 3 bit, rispetto alla modulazione GMSK, è cosi possibile aumentare l efficenza spettrale e triplicare il bit rate a parità di banda occupata. Nell implementazione pratica di una modulazione 8-PSK, sorge un problema durante la fase di trasmissione dovuto all alternanza di simboli in controfase MODULAZIONE 3π/8 Shifted PSK MODULAZIONE 3π/8 Shifted PSK Immaginiamog d avere la costellazione sul piano I/Q composta da 8 punti, corrispondenti alle diverse posizioni angolari del vettore che rappresenta il segnale portante. Quando si passa tra i 2 punti della costellazione distanti π,la traiettoria del vettore attraversa l origine, determinando così un annullamento della portante emessa. In questo caso un modulatore I-Q reale, nel passare da uno stato all altro, dovrebbe interdirsi per un istante e fornire subito dopo un segnale avente fase differente dalla precedente di π. Ciò comporta dei transitori che generano frequenze spurie, le quali causano un allargamento dello spettro. Poiché i vincoli spettrali sono molto stringenti, non è possibile accettare tutto questo, per cui è necessario utilizzare una modulazione che non preveda traiettorie passanti per l origine. Ciò può essere ottenuto impiegando alternativamente due costellazioni 8-PSK, una ruotata di 3π/8 (67.5 ) rispetto all altra, in modo da ovviare a questo inconveniente

8 MODULAZIONE 3π/8 Shifted PSK MODULAZIONE 3π/8 Shifted PSK Vector Diagram Modulazione 3π/8 Shifted 8-PSK Misurazioni 3π/8 shifted 8-PSK

9 Considerazioni sulla Modulazione Layers In condizioni di valori elevati di interferenza risultà più conveniente l utilizzo della modulazione e codifica adottati nell GMSK l EGPRS usa una perciò combinazione dei due schemi di codifica e modulazione adattativa al canale usando il primo o il secondo in funzione delle condizioni del canale radio di quel momento e cercando sempre di raggiungere il più alto bit rate possibile L EGPRS introduce dei miglioramenti rispetto al GPRS/GSM nei seguenti livelli della pila OSI: Il livello fisico. Il sotto-livello MAC. Introduce sia una codifica di sorgente che una codifica di canale per realizzare una trasmissione affidabile su un canale non affidabile Schemi di codifica La codifica di canale adopera degli schemi di codifica detti MCS (Modulation and Coding Scheme) nei quali si inseriscono dei bit di ridondanza in fase di trasmissione. Questi serviranno in ricezione per rilevare, e/o correggere, eventuali errori avvenuti durante la trasmissione. In funzione dello spazio riservato alla codifica di canale otterremo un certo grado di protezione del messaggio trasmesso; la correttezza del messaggio a destinazione dipenderà comunque dal canale radio su cui ci troviamo a trasmettere. MCS -1 Modulazione MCS -2 GMSK MCS -3 MCS -4 MCS -5 MCS -6 Modulazione MCS -7 8-PSK MCS -8 MCS -9 Schemi codifica EGPRS 8.8 Kb 11.2 Kb 14.8 Kb 17.6 Kb 22.4 Kb 29.6 Kb 44.8 Kb 54.4 Kb 58.2 Kb USER PAYLOAD HEADER & PROTECTION

10 Schemi codifica Schemi codifica Nei primi quattro MCS si utilizza una modulazione GMSK, e sono pertanto più adatti in caso di canale radio rumoroso. Nonostante l utilizzo dello stesso tipo di modulazione GMSK, i primi 4 schemi di codifica dell EGPRS si differenziano da quelli adoperati nel GPRS L utilizzol degli altri schemi di codifica (MCS-5,,MCS-9), caratterizzati dalla modulazione 8-PSK shifted: permettono di triplicare il bit rate sono più sensibili ai disturbi e quindi: Viene limitata la velocità di spostamento massima consentita al terminale mobile. Diminuisce la zona di copertura garantita dal BTS Tabella MCS Blind Detection Scheme Modulation Maximum Code Header Code Blocks rate [kb/s] Rate Rate per 20 ms Family MCS-9 8PSK A MCS A MCS B MCS /3 1 A MCS /3 1 B MCS-4 GMSK C MCS A MCS B MCS C L alternanza della 8-PSK (shifted) con la GMSK può determinare l incapacità, da parte del ricevitore, di capire che tipo di modulazione sia stata adoperata per trasmettere un pacchetto dati immediatamente successivo a quello appena ricevuto. Questo è un grave problema che non è possibile risolvere semplicemente guardando l header del MCS proprio perché la sua stessa lettura prevede prima la conoscenza del tipo di modulazione adoperata

11 Blind Detection Blind Detection Per ovviare a questo problema si ricorre ad una operazione detta: Blind Detection. Per poterla realizzare si inserisce all interno del burst una sequenza di bit ( training sequence ) che permette di identificare l invio di due simboli con una variazione di fase di 3π/8. Questi simboli passano poi attraverso un filtro gaussiano, in maniera tale che il segnale risultante sia simile ad un segnale GMSK. Il ricevitore può perciò analizzare il segnale sul canale valutandone le variazioni di fase. Se queste sono di π/2 viene rilevata la modulazione GMSK, altimenti risulterà evidente che la modulazione adoperata sia la 8-PSK. La training sequence è utilizzata anche per stime del canale e per realizzare operazioni di sincronizzazione Controllo di flusso Controllo di flusso Ognig volta che la trasmissione di un pacchetto non va a buon fine, il sistema lo ritrasmette con uno schema di codifica più robusto, riducendo in tal modo il rischio che anche la ri-trasmissione non abbia successo. Tutto questo è possibilè perché EGPRS possiede la funzione di risegmentazione dei dati, che non era disponibile per GPRS L operazionep di ri-trasmissione nell EGPRS non può avvenire adoperando un qualunque schema di codifica. Tali schemi risultano suddivisi in famiglie, caratterizzate ciascuna da un unità di payload di base (costituita da un certo numero di otteti). La ri-trasmissione viene effettuata quindi solo con un codifica della stessa famiglia

12 Famiglia A Famiglia A padding Famiglia B Famiglia C Famiglia dei coding scheme MCS-3 37 otteti 37 otteti 37 otteti 37 otteti MCS-6 MCS-3 MCS-9 37 otteti 37 otteti MCS-6 34 otteti 34 otteti 34 otteti 34 otteti MCS-8 MCS-2 28 otteti 28 otteti 28 otteti 28 otteti MCS-5 MCS-1 MCS-7 28 otteti 28 otteti MCS-4 Link Adaption La funzione di Link Adaptation elabora i dati raccolti tramite specifiche operazioni di misura e decide con quale schema di codica trasmettere la successiva sequenza di pacchetti. Le misure vengono raccolte in uplink direttamente dalla Base Station e in downlink dalla Mobile Station che le invia successivamente alla Base Station per l elaborazione. Il nuovo codice si adopera per la ri-trasmissione dei pacchetti non trasmessi correttamente sia per la trasmissione dei nuovi Link Adaption Incremental Redundancy Le operazioni di misura in un sistema GPRS sono effettuate solo durante i bursts idle. Nell EGPRS invece le misure sono effettuate su ogni singolo burst e portano ad una stima del BER (Bit Error Rate) dalla quale otteniamo indirettamente informazioni sullo stato attuale del link radio relativamente al valore di C/I (carrier to interference), di dispersione del segnale e di velocità della stazione mobile. Altra prerogativa esclusiva del sistema EGPRS rispetto al GPRS è l utilizzo di uno schema evoluto di ARQ detto: ARQ ibrido o Incremental Redundancy. Nel sistema GPRS i dati da trasmettere, vengono suddivisi in blocchi, e poi subiscono una codifica convoluzionale che permette l introduzione di bit di ridondanza. A questi si aggiunge anche un header, un trailer e un campo di controllo CRC che permette in ricezione di verificare l integrità dei dati decodificati

13 Incremental Redundancy Incremental Redundancy QuestoQ controllo consiste nell applicare in trasmissione un particolare algoritmo per calcolare un valore (Ckecksum) da inserire nel campo CRC. Una volta decodificati i dati il ricevitore calcola la Checksum adoperando il medesimo algoritmo usato in trasmissione. A questo punto si esegue il confronto tra il valore calcolato e quello ricevuto. Se i due valori non sono uguali i dati ricevuti sono considerati corrotti e quindi scartati. Dopodiché il ricevitore richiede la ritrasmissione del pacchetto precedentemente inviato. Il sistema EGPRS migliora questo meccanismo perché: p Il pacchetto dati che non è stato correttamente trasmesso non viene scartato, ma viene tenuto in memoria nel ricevitore. La ri-trasmissione avviene con dei bit di ridondanza diversi rispetto a quelli usati precedentemente. In questo modo si invia un informazione aggiuntiva che il ricevitore combina con quella precedentemente memorizzata aumentando in tal modo laprobabilità bilità di successo della trasmissione Diagramma a stati dell Incremental Redundancy Prestazioni Blocco dati Transmissione dati iniziale Decodifica FEC Rilevazione errori Blocco con errori Nessun errore Blocco con errori Consegna al livello superiore ARQ Decodifica FEC Rilevazione errori Accettazione blocco dati Aggiunta nuovi sotto blocchi Nessun errore Con il GPRS il massimo user throughput raggiungibile g è di 20 Kb/s per time slot (la massima capacità netta teoricamente raggiungibile con 8 TS è di 160 Kb/s). In EGPRS si possono raggiungere, con lo schema di codifica MCS-9, una capacità netta teorica di 59.2 Kb/s per TS (dunque con 8 TS si può arrivare teoricamente a Kb/s). Con questo bit rate (che può essere mantenuto al di sotto dei 100Km/h) sono possibili servizi come Web Browsing, , trasmissione video multicast ecc

14 Prestazioni QuestoQ fa si che l EGPRS possa essere usato come tecnologia complementare all UMTS in aree scarsamente abitate, dove l implementazione di UMTS non si presenta vantaggiosa. L EGPRS non richiedendo l allocazione di nuove frequenze, da la possibilità agli operatori, che sono stati tagliati fuori dalla mercato UMTS, di non perdere competitività di mercato, potendo fornire servizi 3G