Evoluzione delle reti radiomobili: dal 3G (UMTS, HSPA/HSPA+) al 4G (LTE)

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1 Evoluzione delle reti radiomobili: dal 3G (UMTS, HSPA/HSPA+) al 4G (LTE) Università Politecnica delle Marche, Dip. Ingegneria dell Informazione Maggio

2 Obiettivo Offrire una panoramica sull evoluzione delle reti radiomobili cellulari: dai sistemi di 3 generazione (UMTS) a quelli di 4 generazione (LTE) 2

3 Riferimenti principali I documenti dello Standard Internazionale dei Sistemi Radiomobili EASY LTE e-book by Telecom Italia (Giugno 2013) 3

4 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

5 Come è organizzato lo standard 3GPP 5

6 GSM Global System for Mobile communication inizialmente Groupe Special Mobile God Sent Mobiles! 6

7 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

8 UMTS Universal Mobile Telecommunication System Unlimited Money To Spend 8

9 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

10 Le bande operative dei sistemi IMT-2000 UTRA FDD frequency bands (rif. TS Tab 5.0) Operating Band UL Frequencies UE transmit, Node B receive DL frequencies UE receive, Node B transmit Existing mobile services I MHz MHz UMTS2100 II MHz MHz PCS1900 (Canada, Messico) III MHz MHz DCS V MHz MHz GSM850 /UMTS850 (South America) - VII MHz MHz LTE2600 VIII MHz MHz GSM900/UMTS900 - XX MHz MHz LTE800 - 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

11 T D D F D D (UL) SAT T D D F D D (DL) SAT 5MHz UMTS: W-CDMA, spettro assegnato in Europa Assegnati 215 MHz 155 MHz componente terrestre: FDD MHz TDD 35 MHz 60 MHz componente satellitare T D D T D D (uso privato) FDD SAT 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) f 11

12 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 IPSE VODAFONE TIM WIND MHz FDD 5 MHz TDD MHz FDD 5 MHz TDD(*) MHz FDD 5 MHz TDD MHz FDD 5 MHz TDD MHz FDD 5 MHz TDD (*) Nel 2009 le frequenze ex IPSE sono state assegnate a TIM, VF, Wind Situazione attuale FDD: Wind TIM VF TIM Wind H3G VF

13 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 (25+2 canali 200Hz) Banda 2100 MHz: compattazione in bande contigue delle assegnazioni ai diversi gestori 13

14 L accesso multiplo (W)-CDMA 14

15 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

16 Spreading e scrambling (Spreading) I codici di spreading separano canali fisici diversi associati allo stesso trasmettitore I codici di scrambling separano trasmettitori diversi 16

17 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

18 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

19 Uso dell albero dei codici in Downlink C 8,0 C 8,1 PS PS 128 C 16,0 C 16,1 C 16,2 C 16,3 C 16, PS Voce Assegnato ai canali comuni di segnalazione Bloccato dall uso di codici sullo stesso ramo Disponibile L assegnazione di un codice SF 8 per un servizio PS 384 DL blocca: 2 codici SF 16 per PS codici SF 32 per PS 64 8 codici SF 64 per PS codici SF 128 per voce 19

20 Interfaccia radio: le modulazioni DL: QPSK Q-Branch UL: Dual BPSK Q-Branch DPDCH I-Branch I-Branch Ogni simbolo nella costellazione è dedicato al DPCCH o al DPDCH DPCCH QPSK: 4 simboli nella costellazione, DPDCH e DPCCH sono multiplati nel tempo 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

21 Il Power Control e la copertura UMTS 21

22 Trasmissione e ricezione segnali CDMA C/I DATA f 0 0 f 0 0 WIDEBAND SPECTRUM CORRELATOR Eb/No DATA ENCODING & INTERLEAVING DIGITAL FILTER DEINTERLEAVING & DECODING DATA PN SOURCE PN SOURCE CARRIER CARRIER f 0 BACKGROUND NOISE f 0 EXTERNAL INTERFERENCE f 0 OTHER CELL INTERFERENCE f 0 OTHER USER INTERFERENCE 22

23 Trasmissione e ricezione segnali CDMA C/I DATA f 0 0 f 0 0 WIDEBAND SPECTRUM CORRELATOR Eb/No DATA ENCODING & INTERLEAVING DIGITAL FILTER DEINTERLEAVING & DECODING DATA PN SOURCE PN SOURCE CARRIER CARRIER SNR C I E N b 0 R W Processing PN SOURCE Gain P G =W/R W=

24 Processing Gain e SNR target SNR C I E N b 0 R W SNR E Pg b [ db] [ db] N0 [ db] UPLINK RAB Eb/No [db] Bit Rate [kbps] Pg [db] C/I [db] CS CS PS PS PS DOWNLINK RAB Eb/No [db] Bit Rate [kbps] Pg [db] C/I [db] CS CS PS PS PS Canali di trasporto dedicati UTRAN R99: DCH UL e DL Requisiti di Eb/No derivati da IST MOMENTUM Deliverable D5.2: Reference Scenarios - pagg (proposti a titolo esemplificativo: da non considerare come riferimento operativo) 24

25 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) Cluster GSM: 9 celle con 9 bande distinte In UMTS, tutta la banda è utilizzata sulle 9 celle

26 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 12 kbit/s 384 kbit/s 26

27 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

28 Copertura cellulare UMTS: pianificazione copertura Si ipotizza che ogni utente sviluppi mediamente determinati volumi di traffico in fonia e in dati (videotelefonia, WEB, , 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

29 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. S BTS = kt + NF +10 log (R) + ( E b /N 0 ) target + M imp S BTS M UL d max L(d max ) P UE 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; (E b /N 0 ) target = valore target per il rapporto tra energia di bit e densità spettrale del disturbo, misurato in db; M imp = margine di implementazione (in db). 29

30 Copertura cellulare UMTS: link budget UL (2) Margini di progettazione (body-loss, interferenza, shadowing, ecc.) Attenuazione di tratta S BTS P UE = S BTS +M UL +L(d max ) M UL L(d max ) L(d max ) =P UE S BTS - M UL P UE d max d max 30

31 Raggio di cella (Km) 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) Outdoor In-car Indoor kbit/s 256 kbit/s 128 kbit/s 64 kbit/s 32 kbit/s 31

32 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

33 Power Control: C/I target & near-far issue SIR <> SIR target? BLER > BLER target? Outer loop PC ( Hz) Fast PC (1.5 khz) UE RNC SIR target Node B TPC command 33

34 UMTS (e GSM): l architettura di rete 34

35 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

36 La rete cellulare 2G+3G di Telecom Italia Totale BTS: Totale BSC: 500 La rete supporta EDGE (fino a 200 Kbps DL) Totale Node B: Totale RNC: 90 La rete supporta HSDPA (fino a 42 Mbps DL) 36

37 L Handover 37

38 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 GSM/GPRS GSM/GPRS UMTS Micro F2 Soft HO UMTS Macro F1 UMTS Macro F1 Hard HO UMTS Macro F1 Soft HO Inter-System HO 38

39 SIST. Handover in different technologies TYPE BEFORE DURING AFTER G S M Hard Handover BSS#1 BSS#2 F 1 MSC MSC BSS#1 BSS#2 F 1 MSC BSS#1 BSS#2 F 2 U M T S Soft Handover BS#1 F 1 RNC BS#2 BS#1 RNC F 1 BS#2 BS#1 RNC BS#2 F 1 macrodiversità 39

40 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

41 Softer handover (Node-B ricombina) La MS riceve la stessa informazione da due o più celle dello stesso nodo B RNC Cella 1 CS=X La combinazione dei due segnali è effettuata dal nodo-b a livello fisico Nodo B CS=Y Cella 2 CS = Codice di Scrambling 41

42 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 due segnali è effettuata dall RNC a livello 3 CS = Codice di Scrambling, che identifica la cella in DL 42