Introduzione al sistema UMTS (Universal Mobile Telecommunications Service)

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1 Introduzione al sistema UMTS (Universal Mobile Telecommunications Service)

2 Allocazione di banda per l UMTS UNPAIRED PAIRED UP SAT UNPAIRED PAIRED DOWN SAT TDD FDD

3 Richiami sui sistemi cdma Disturbo Banda = W Mezzo trasmissivo Segnale Dati Banda = R Codice Filtro Banda = R Codice La forma di CDMA più diffusa è quella basata su segnali Spread Spectrum La separazione tra gli utenti è ottenuta assegnando a ciascuno, con una operazione di moltiplicazione, un codice (operazione di Spreading) In ricezione l operazione duale (Despreading) annulla (completamente o parzialmente) l effetto delle interferenze mutue e consente di estrarre il segnale desiderato

4 Richiami sui sistemi cdma Flusso dati di sorgente a bit rate Br Chip Codice di spreading a chip rate Cr = Segnale a banda larga (chip rate Cr) SISTEMA UMTS: Lo standard fissa la chip rate Cr = 3.84 Mchip/sec

5 Richiami sui sistemi cdma Codici ortogonali p i NT c % 1 & # 1 per i = j j i j dt = " NTc! 0 per i $ j ( t) p ( t) = p ( t) % p ( t) 0 p NT c 1 " # j NT ( t) p ( t +!) = p ( t) " p ( t +!) dt?? i i j = c 0 Se il valore di cross-correlazione è rilevante (dipende da τ) si può avere elevata interferenza In presenza di sincronismo Codici ORTOGONALI: hanno cross-correlazione nulla e quindi consentono di estrarre il segnale utile annullando completamente l effetto delle interferenze mutue. In assenza di sincronismo i codici ortogonali non garantiscono buone proprietà di crosscorrelazione Codici QUASI-ORTOGONALI (Sequenze PN) A seguito dell operazione di despreading rimane un livello di interferenza residua dipendente dai valori di cross-correlazione tra i codici utilizzati

6 UMTS: terminologia Utilizzando un accesso multiplo CDMA la trasmissione è tempo-continua ma viene suddivisa in frames and slots SISTEMA UMTS: Radio frame: 10 ms, 15 time slots Cr = 3.84 Mchip/sec => 2560 chip per slot La potenza trasmessa deve essere costante su ogni slot La bit rate di sorgente deve essere costante su ogni frame

7 Scelta dei codici Per essere utilizzata in sistemi CDMA una famiglia di codici deve soddisfare certe caratteristiche che possono essere espresse in termini di: Cross-correlazione, per limitare l interferenza reciproca. Due codici qualsiasi della famiglia devono presentare bassi valori dei picchi massimi di crosscorrelazione Auto-correlazione, ogni codice deve avere funzione di autocorrelazione con bassi picchi secondari - per questioni di aggancio del sincronismo - per garantire buona auto-immunità all interferenza da multipath 1 -T c T c -1/N NT c

8 Spreading factor Flessibilità nella fornitura di servizi. Con questo sistema è possibile supportare sorgenti a differente bit rate. SISTEMA UMTS: esempi di possibili bit rate Servizio voce 12.2 kbit/sec Servizi dati 64 kbit/sec, 144 kbit/sec Servizio di web browsing 64 kbit/sec Più in generale: - UL: data-rate da 15 a 960 kbit/sec - DL: data-rate da 7.5 a 960 kbit/sec In ogni caso la chip rate del segnale in aria è fissata dallo standard a 3.84 Mchip/sec Definiamo SPREADING FACTOR il numero di chip con cui viene rappresentato ogni bit di informazione Al fine di ottenere la stessa chip rate del segnale in aria indipendentemente dalla bit rate di sorgente occorre utilizzare una famiglia di codici a spreading factor variabile

9 Spreading factor: esempio Spreading factor FISSO (chip-rate variabile): B r1 Slot B r2 Slot Spreading factor VARIABILE (chip-rate fissa): B r1 SF = 2 => 4 chips per slot Slot SF = 2 => 2 chips per slot B r2 Slot SF = 2 => 4 chips per slot SF = 4 => 4 chips per slot

10 Spreading e scrambling Ogni comunicazione è distinta dalle altre tramite l assegnazione di un codice. Oltre a produrre l allargamento di banda i codici devono permettere di distinguere tra loro: - Le differenti sorgenti trasmissive: Stazioni base nella tratta di downlink Terminali mobili nella tratta di uplink -Le differenti trasmissioni di una singola sorgente: Differenti canali di una stessa stazione base nella tratta di downlink Differenti canali di uno stesso terminale mobile nella tratta di uplink. SISTEMA UMTS: Differenti trasmissioni di una stessa sorgente sono SINCRONE => cod. ortogonali Differenti trasmissioni di differenti sorgenti NON sono sincrone

11 Tutto questo è ottenibile tramite la moltiplicazione del segnale di sorgente non con un solo codice (come visto fino ad ora) ma con 2 codici: Codice di SCRAMBLING: Codici di SPREADING o CANALIZZAZIONE: Separano i segnali di una singola sorgente Allargano lo spettro del segnale Spreading e scrambling Distinguono tra loro le differenti sorgenti A causa dei differenti ritardi di propagazione, fra i segnali ricevuti da differenti sorgenti non ci può essere sincronismo codici PN I segnali ricevuti dalla stessa sorgente subiscono ovviamente lo stesso ritardo sincronismo codici ortogonali Bit rate Chip rate Chip rate DATA Channelisation code Scrambling code

12 Codici di spreading SISTEMA UMTS: Codici OVSF (Orthogonal Variable Spreading Factor), sia in uplink che in downlink Sono rappresentabili tramite un diagramma ad albero in cui ogni parola è associata ad un ramo c (c,c) c 1,1 = (1) c 2,1 = (1,1) c 4,1 = (1,1,1,1) c 4,2 = (1,1,-1,-1) c 4,3 = (1,-1,1,-1) (c,-c) c 2,2 = (1,-1) c 4,4 = (1,-1,-1,1) SF = 1 SF = 2 SF = 4 I chip di ogni parola di codice sono di volta in volta tutti contenuti nel tempo di bit della sorgente Il numero di chip di ogni parola è lo spreading factor. Ad ogni livello nell albero corrisponde un fissato valore di spreading factor. Il numero di chip di ogni parola è lo spreading factor: più esso è basso e più alta è la bit rate (pari a 3,84/SF [Mbit/s])

13 Codici di spreading Se si vuole conservare l ortogonalità i codici OVSF NON possono essere utilizzati tutti contemporaneamente. Esempio: c 4,1 = (1,1,1,1) c 2,1 = (1,1) c 4,2 = (1,1,-1,-1) c 1,1 = (1) c 4,3 = (1,-1,1,-1) c 2,2 = (1,-1) c 4,4 = (1,-1,-1,1) SF = 1 SF = 2 SF = 4 L utilizzo di un codice impedisce l impiego: - di tutti i codici appartenenti a " percorso che ha la parola scelta come "radice" - di tutti i codici appartenenti al percorso che dalla radice dell'albero ha il codice scelto come foglia Le condizioni di propagazione reali (cammini multipli, distorsioni, ) degradano l ortogonalità => anche in condizioni di sincronismo si ha un residuo di crosscorrelazione NON nullo (fattore di NON ortogonalità)

14 Non cambiano la banda del segnale Codici di scrambling Servono a distinguere sorgenti tra loro NON sincrone (Es. trasmissioni di differenti stazioni base) => NON si usa una famiglia di codici ortogonali SISTEMA UMTS: Con ricevitori RAKE si usano codici di scrambling lunghi: Sono codici di Gold Pseudo noise Codici lunghi (10ms = chip) => minore residuo di cross-correlazione, poiché è proporzionale a 1/L dove L è la lunghezza della parola di codice In down link sono 512 L applicazione del codice di scrambling rende possibile l utilizzo dello stesso insieme di codici OVSF per ogni stazione base e ogni terminale mobile

15 Codici: riepilogo Codici di canalizzazione Codici di scrambling Uso Famiglia utilizzata Spreading Lunghezza Uplink: separazione di comunicazioni di uno stesso terminale mobile Downlink: separazione di comunicazioni di una stessa stazione base OVSF (Orthogonal Variable Spreading Factor) Sì, allargano la banda del segnale Uplink: chips Downlinklink: chips Uplink: separazione di differenti terminali mobili Downlink: separazione di differenti stazioni base Gold (codici pseudo-noise) No, non alterano la banda del segnale chips

16 Soft handover e macrodiversità Sistema CDMA: tutte le celle operano sulla stessa portante (riuso frequenziale = 1) => il terminale mobile può essere connesso in parallelo a più stazioni base contemporaneamente Active set = 2 Conseguenze: SOFT HANDOVER: minimo rischio di interruzione della chiamata nel passaggio da una cella ad un altra MACRODIVERSITA : qualità della chiamata migliora la SISTEMA UMTS: Si definisce ACTIVE SET l insieme di stazioni base a cui il terminale mobile è contemporaneamente connesso

17 Soft handover Il terminale mobile può coinvolgere nella chiamata tutte le stazioni base da cui riceve un segnale di riferimento (pilota) sufficientemente buono. Si individuano quindi zone differenti: Active set = 1 Active set = 2 Active set = 3 Se il terminale è connesso a 2 settori della stessa stazione base (copertura settoriale) di parla di softer handover

18 Soft vs. hard handover measurement connection measurement connection BTS 1 BTS 2 Soft Handover BTS 1 BTS 2 Hard Handover

19 Macrodiversità Active set > 1 => il terminale mobile opera in MACRODIVERSITA DOWNLINK: il terminale mobile riceve la stessa informazione utile da più di una stazione base contemporaneamente Ogni link verso una delle stazioni base dell active set utilizza una differente coppia di codici (spreading + scrambling) Il terminale può migliorare la qualità della comunicazione combinando i segnali che riceve dalle stazioni base a cui è contemporaneamente connesso (Rake Receiver)

20 Macrodiversità UPNLINK: Il segnale trasmesso dal mobile viene decodificato da tutte le stazioni base appartenenti all active set I segnali decodificati dalle differenti stazioni base dell active set vengono ricombinati dalla rete a livello superiore (combining) Si ottiene un miglioramento della qualità della comunicazione RICOMBINAZIONE Link dell active set Cella 1 Cella 2 Segnalazione verso il livello superiore della rete

21 Power Control Il guadagno di processo protegge la comunicazione utile, poiché solo una frazione 1/G p della potenza trasmessa da un utente interferente risulta effettivamente tale Tuttavia può accadere l utente utile si trovi in condizioni di propagazione molto più penalizzanti rispetto all utente interferente nonostante il process gain la potenza interferente può risultare eccessivamente alta rispetto a quella utile, a scapito della buona qualità del collegamento (problema del near-far) Interferente Tale problematica (tipica dei sistemi CDMA e per la tratta di up-link in particolare) deve essere opportunamente controllata per mezzo di opportune politiche di Controllo di Potenza (i trasmettitori aggiustano la potenza irradiata al variare delle condizioni di propagazione) Utile

22 Esempio Il principio generale cui si deve ispirare qualunque algoritmo di Power Control è alquanto semplice: chi si trova più vicino alla stazione radio base deve trasmettere con potenze inferiori rispetto a chi si trova più lontano ; Il criterio più semplice (tratta di up-link) corrisponde ad ipotizzare che tutti i terminali trasmettano potenze tali da essere tutti ricevuti con la stessa potenza ( controllo della potenza ricevuta ) In tal caso, è semplice valutare la capacità del sistema, definibile come il numero massimo di utenti contemporaneamente attivi in un settore isolato e nel caso di singolo servizio. Infatti ( ) ( ) target 0 b p s s target 0 b p target 0 b p target s N E G 1 N 1 N 1 N E G 1 N E G 1 I C I C C 1 N C I C!! " # $ $ % & + = ' ( =!! " # $ $ % & ) * * + * *, -!! " # $ $ % & ) =! " # $ % & = ) ( =

23 Considerando che l interferenza è in realtà diminuita dal fatto che gli interferenti trasmettono in maniera discontinua (Activity Factor AF 1) e che l interferenza dovuta alle celle adiacenti riduce di un fattore F 1 il numero di utenti servibili, il numero N di utenti per cella può essere stimato come: t arget 0 b p 1 G t arget 0 b p s N E G AF F 3 N E G 1 AF F 3 AF F N 3 N p!! " # $ $ % & ' ' (!!!!! " # $ $ $ $ $ % &!! " # $ $ % & + ' ' = ' ' = >> I sistemi CDMA reali implementano di solito algoritmi di Power Control diversi da quello sulla potenza ricevuta (più complicati ma anche più efficienti).. Esempio

24 Controllo di potenza: up-link Aumenta la capacità del sistema Evita che qualcuno urli Elimina l effetto near-far (in DL invece tutti i segnali arrivano al mobile percorrendo lo stesso cammino ) SISTEMA UMTS: Controllo di potenza basato sulla qualità: occorre che il mobile trasmetta la minore potenza possibile che garantisce le specifiche di qualità fissate per il servizio considerato Il terminale mobile deve modificare la potenza trasmessa in modo da mantenere il rapporto segnale/rumore ricevuto dalla stazione base pari ad una soglia assegnata SISTEMA UMTS: Controllo di potenza ad anello aperto Controllo di potenza ad anello chiuso

25 Controllo di potenza ad anello aperto Utilizzato in uplink in fase di messa in piedi della chiamata La stazione base trasmette un segnale predefinito tramite cui il mobile effettua una stima dell attenuazione in downlink In base a questa stima il mobile determina il valore della potenza con cui trasmettere Questo significa che Si suppone l attenuazione in uplink uguale a quella in downlink: in realtà non è vero perché la distanza in frequenza tra le bande usate per le 2 tratte è tale da rendere poco correlati i fenomeni di propagazione in uplink e in downlink Questo metodo non è molto preciso

26 Controllo di potenza ad anello chiuso: inner loop 1. Collegamento in UL. La comunicazione viene ricevuta dalla BS con un certo SIR = (E b /N o ) c 2. Confronto. Il valore di (E b /N o ) c viene confrontato con (E b /N o ) target per produrre un comando di power control: (E b /N o ) c > (Eb/No) target => il mobile deve diminuire la sua potenza (E b /N o ) c < (Eb/No) target => il mobile deve aumentare la sua potenza (E b /N o ) c =(Eb/No) target => il mobile non deve modificare la sua potenza (può essere opportuno prevedere una finestra di power control ) 3. Invio del comando di PC. Il comando di power control ricavato al punto 2 viene inviato al mobile 4. Esecuzione del comando di PC. Il mobile modifica la sua potenza in trasmissione in base al comando ricevuto SISTEMA UMTS: l inner loop è una delle 2 fasi che costituiscono il controllo di potenza ad anello chiuso e viene eseguita ogni time slot BS Mobile

27 Controllo di potenza ad anello chiuso: outer loop I requisiti di qualità di ogni servizio vengono definiti in termini di BER o di FER Occorre determinare un valore del SIR target con cui effettuare il confronto che garantisca la qualità fissata (BER o FER) per il servizio considerato L OUTER LOOP verifica periodicamente che il valore di SIR target che si sta utilizzando per il confronto garantisca la qualità del servizio fissata in termini di BER o di FER. Se questo non è vero determina un nuovo valore appropriato del SIR target con cui fare il confronto. SISTEMA UMTS: la seconda delle fasi che costituiscono il controllo di potenza ad anello chiuso è detta outer loop e viene eseguita ogni N frames

28 UMTS vs. GSM

29 UMTS vs. IS-95

30 Principi di Pianificazione di Rete 2G vs. 3G Sistemi cellulari di 2 a generazione (GSM) : (C/I) target, α (filtraggio spaziale) m (cluster-size) necessario per allontanare a sufficienza l interferente co-canale; n tot (numero totale di risorse), m n c (numero di risorse canali per cella) n c, P b (probabilità di blocco) massimo traffico smaltibile per cella Massimo traffico sostenibile, distribuzione utenti sul territorio dimensione della cella R c R c altezza h BS / potenza P BS della stazione radio base

31 Principi di Pianificazione di Rete 2G vs. 3G Una volta dimensionata la rete 2G, la copertura non dipende dal traffico, cioè la dimensione delle celle non dipende dal traffico al suo interno: un utente che si trovi a distanza R R c può sempre attivare un servizio (chiamata) e quindi è coperto - qualunque sia il numero di utenti gia attivi (n u ) e qualunque sia la loro posizione all interno della cella; Fa ovviamente eccezione il caso n u = n c, che però si verifica per costruzione con probabilità P b opportunamente bassa, oppure in condizioni di straordinarie e temporanee concentrazioni di utenti (es: concerti, manifestazioni sportive, ecc.) Il blocco di un utente (rifiuto della Rete di attivare il servizio richiesto) è dovuto solo alla indisponibilità di risorse (che sono in numero finito). L ammissione al servizio non incide sulla QoS delle comunicazioni già attive né dipende da esse. La QoS di un utente è garantita in qualunque punto della cella (salvo eventuale fading che non è considerato nel valore di α)

32 Principi di Pianificazione di Rete 2G vs. 3G Sistemi cellulari di 3 a generazione (UMTS) : Non è necessaria alcuna suddivisione delle risorse fra le celle (cluster-size unitario) Codici PN cross-correlazione non nulla rigorosamente l ammissione di un nuovo utente aumenta il livello di interferenza per tutti gli utenti già attivi nella cella, e quindi ne degrada la QoS; il meccanismo di Power Control interviene quindi per ripristinare un SIR = SIR target per tutti i collegamenti, richiedendo ai terminali il necessario aumento di potenza trasmessa. Ogni incremento determina tuttavia un nuovo aumento del livello di interferenza nella cella, che deve quindi essere nuovamente compensato il rischio (da scongiurare) è che si inneschino incrementi di potenza a catena, che determinano un eccessivo consumo delle batterie e che inoltre possono portare alcuni utenti al livello massimo di potenza senza per altro garantire la necessaria QoS (congestione del sistema)

33 Principi di Pianificazione di Rete 2G vs. 3G L accesso di un utente al sistema non è quindi limitato dalla disponibilità di risorse (numero di codici molto elevato), ma piuttosto dall interferenza: se l ingresso dell utente rischia di compromettere eccessivamente i collegamenti gia attivi, allora deve essere impedito; tale valutazione non è sempre banale e richiede quindi lo sviluppo di particolari ed efficaci strategie di Call Admission ; se il livello di interferenza nella cella è già piuttosto elevato (traffico intenso), può accadere che il controllo di potenza ad anello aperto stimi una potenza necessaria per attivare il servizio richiesto superiore alla massima disponibile l accesso viene inevitabilmente impedito. Tale eventualità è tanto più probabile quanto maggiore è il livello di interferenza (numero di utenti gia attivi) e la distanza dell utente dalla stazione radio base la copertura (dimensione della cella) dipende dal traffico e varia con esso ( Cell Breathing )

34 Principi di Pianificazione di Rete 2G vs. 3G Non è quindi semplice individuare il numero massimo di utenti attivi per cella (capacità) in un sistema CDMA (a parità di numero, la richiesta di un nuovo utente può essere accolta o meno a seconda di come sono dislocati gli utenti gia attivi, del tipo di servizi attivi e della posizione dell utente richiedente). L ingresso di un nuovo utente aumenta il livello di interferenza e quindi può determinare (nonostante il Power Control) un degrado della QoS di tutti I collegamenti attivi. La capacità della cella dipende quindi anche dal livello di degrado che si ritiene di poter accettare (Soft Capacity)

35 Esempio Cell Breathing 11 MARZO 1999 ORE 0:00

59 Architettura di rete del sistema UMTS

60 Architettura del sistema UMTS UE: User Equipment USIM: UMTS Subscriber Identity Module ME: Mobile Equipment UE UTRAN CN USIM RNC Cu Node B Iur ME RNC Uu Node B Iub Iu UTRAN: UMTS Terrestrial Radio Access Network RNC: Radio Network Controller CN: Core Network

61 UMTS Domains UTRAN Core Network (CN) Node B Node B Node B Node B RNC RNC CS Domain Iu-CS PS Domain Iu-PS Iu Interface

62 Architettura di rete (Release 99) HLR NODE B NODE B NODE B NODE B NODE B RNC RNC Radio Access Network Iu ps Iu cs Iu cs Mobile services Switching Centre Iu ps 3G MSC/ VLR Gs 3G SGSN Serving GPRS Support Node MAP Gn MAP GGSN Gateway GPRS Support Node Core Network PSTN/ISDN Packet data networks

63 I canali del sistema UMTS ed il loro utilizzo per il trasporto dell informazione

64 Livello fisico del sistema - Uplink L accesso multiplo avviene in modo asincrono (i terminali sono sparsi in tutta l area di servizio) Codici di spreading Separano i diversi canali dello stesso utente Orthogonal Variable Spreading Factor Codici di scrambling Separano i diversi utenti Sono di tipo pseudo-noise (sequenze di Gold) Ogni utente sarà portatore di una quota di interferenze in uplink per gli altri utenti

65 Livello fisico del sistema - Downlink L accesso multiplo avviene in modo sincrono (la stessa BS trasmette a tutti i terminali nella sua cella) Codici di spreading Separano i diversi utenti della stessa cella Orthogonal Variable Spreading Factor Codici di scrambling Separano le diverse celle Sono di tipo pseudo-noise like (sequenze di Gold) nel caso ideale non c è interferenza intra-cella i cammini multipli introducono una non ortogonalità

66 I limiti della capacità in downlink Potenza trasmessa La potenza necessaria per ciascuna connessione cresce a causa di: Codici interferenza inter-cella interferenza intra-cella, dovuta a: Canale di sincronizzazione (che non ha una codifica OVSF) Fattore di non ortogonalità che si presenta in condizioni reali La bit rate massima effettivamente raggiungibile è minore dei teorici 3,84 Mbit/s a causa di: codici riservati per i Common Channels Soft Handover frammentazione dell albero dei codici

67 La frammentazione dell albero dei codici Quando si inizia una connessione, essa occupa un codice che poi rilascerà al termine Data la natura casuale degli istanti di inizio e fine delle connessioni, i codici utilizzati tenderanno ad assumere una distribuzione sparsa Una nuova richiesta a bit rate elevata potrà non trovare un codice adeguato anche se la bit rate totale in uso non supera il massimo

68 I canali logici dell UMTS Common Control Channels BCCH Broadcast Channel (DL) Trasmette informazioni relative al sistema ed alla cella FACH Forward Access Channel (DL) Utilizzato per inviare informazioni di controllo ad un terminale di cui si conosce la cella corrente NB Forward Link = Downlink; Reverse link = Uplink PCH Paging Channel (DL) Utilizzato per inviare informazioni di controllo ad un terminale di cui non si conosce la cella corrente RACH Random Access Channel (UL) Utilizzato per inviare informazioni di controllo dal terminale alla rete Può portare anche brevi pacchetti di utente

69 I canali logici dell UMTS Dedicated Channels DCCH Dedicated Control Channel (DL & UL) Canale utilizzato in entrambe le direzioni Il DCCH combina le funzioni dei canali logici Stand-Alone Dedicated Control Channel (SDCCH) ed Associated Control Channel (ACCH). L UMTS non distingue tra i canali dedicati che sono associati ad un canale di traffico e quelli che non lo sono. DTCH Dedicated Traffic Channel (DL & UL) Canale di traffico in entrambe le direzioni utilizzato per portare le informazioni di utente (dati a commutazione di circuito e/o di pacchetto)

70 Corrispondenza tra canali logici e fisici Logical Channels BCCH FACH PCH RACH DCCH DTCH Physical Channels Primary Common Control Physical Channel (Primary CCPCH) Secondary Common Control Physical Channel (Secondary CCPCH) Physical Random Access Channel (PRACH) Dedicated Physical Data Channel (DPDCH) Dedicated Physical Control Channel (DPCCH) Synchronization Channel (SCH) DPCCH e SCH sono utilizzati sono nel layer 1 (livello fisico) e non hanno alcun canale logico associato

71 Il canale fisico dedicato (PDCH) Consiste di due parti: DPDCH (Dedicated Physical Data Channel) Trasporta i dati generati in Layer 2 e strati superiori Ogni connessione può avere nessuno, uno o più DPDCH (in caso di trasmissione multi-code) DPCCH (Dedicated Physical Control Channel) Trasporta i dati generati in Layer 1: pilot bits (CPICH Common Pilot Channel) comandi di TPC Transmission Power Control informazioni opzionali sulla bit rate Ogni connessione ha sempre un unico DPCCH DPDCH/DPCCH multiplexing Uplink: Code/IQ multiplex Downlink: Time multiplex

72 Uplink Dedicated Physical Channel ms, 10 2 k bits DPDCH Data DPCCH Pilot TPC (RI) Slot 1 Slot 2 Slot i Slot ms Frame 1 Frame 2 Frame i Frame N One super frame = N*10 ms

73 Uplink Spreading and Modulation 16*2 K kbps Mcps c DPDCH cos(ωt) DPDCH c DPCCH I IQ Mux I+jQ c scramb c scramb Re { } p(t) sin(ωt) DPCCH Q Im { } p(t) Additional DPDCHs may be added to either I or Q (multi-code transmission) c DPDCH, c DPCCH : Channelization codes (OVSF codes, chips) c scramb : Primary scrambling code (VL Kasami code, 256 chips) c scramb : Secondary scrambling code (Gold code, optional, chips)

74 Downlink Dedicated Physical Channel DPCCH DPDCH ms, 20 2 k bits Pilot TPC (RI) Data Slot 1 Slot 2 Slot i Slot ms Frame 1 Frame 2 Frame i Frame N One super frame = N*10 ms

75 Downlink Spreading and Modulation 16*2 K kbps Mcps cos(ωt) p(t) DPDCH/DPCCH IQ Mux c ch c scramb sin(ωt) p(t) c ch : Channelization codes (OVSF code, chips) c scramb : Downlink scrambling code (Gold code, chips) OVSF codes ensure DL orthogonality even with different rates and spreading factors for different users

76 Downlink Common Control Physical Channels Similar to downlink Dedicated Physical Channels cos(ωt) Prim. CCPCH Sec. CCPCH IQ Mux c ch c scramb p(t) sin(ωt) p(t) Rate Power Physical channel Logical Channelization Possibility for channels code c ch control beamforming Primary CCPCH BCCH Systemspecific Constant No No Secondary CCPCH FACH/PCH Cellspecific Constant but No Yes (FACH) cell-specific DPCCH/DPDCH DCCH/DTCH Arbitrary Variable Yes Yes

77 Service Multiplexing Time multiplexing to one (or several) DPDCHs Parallel Services Time Mux Outer coding/interl. Time Mux Inner coding/interl. Time Mux DPDCH Service #1 Service #2 Service #3

78 Alternative Service Multiplexing Separate physical channels Coding/ interleaving DPDCH #1 Service #1 Parallel Services Coding/ interleaving DPDCH #2 Service #2 Coding/ interleaving DPDCH #N Service #N Independent quality control of each service Increased MS complexity Increased envelope variations Multiple RAKE receivers

79 Trasmissione dati a pacchetto su W-CDMA Tre differenti possibilità per la trasmissione dati a pacchetto: utilizzando Random Access Channel (RACH): brevi messaggi di testo (simile al servizio SMS per il GSM) utilizzando Dedicated Channel (DCH): ad ogni utente è dedicato un canale di trasmissione per la durata dell intera chiamata o del pacchetto ( l utilizzo è determinato dal valore assegnato al Time Out - To ) utilizzando Down-link Shared Channel (DSCH): più utenti sfruttano lo stesso canale a divisione di tempo per uno sfruttamento migliore delle risorse (codici ortogonali limitati).

80 Common Channel Packet Access Access request User packet Arbitrary time Access request User packet Common Channel (RACH/FACH) Non occorre mantenere un link attivo quando non ci sono pacchetti da trasmettere Durante la trasmissione si utilizza il controllo di potenza a catena aperta Limitato a pacchetti piccoli ed a bit rate medio-basse

81 Dedicated Channel Single Packet Transmission Access request Arbitrary time Common Channel (RACH/FACH) Access request User packet Dedicated Channel (DTCH) User packet Ogni pacchetto è preceduta da una richiesta di accesso La trasmissione avviene in maniera scheduled Durante la trasmissione si utilizza il controllo di potenza a catena chiusa

82 Dedicated Channel Multi-Packet Transmission Scheduled packets Non-scheduled packet Access request User packet User packet Access request User packet Dedicated Channel (DTCH) Link maintenance (pilot, TPC) La trasmissione avviene sia in maniera scheduled che non-scheduled Durante la trasmissione si utilizza il controllo di potenza a catena chiusa Il link è rilasciato allo scadere di un time-out

83 I servizi e la QoS

84 I servizi offerti da una rete GSM/GPRS/UMTS CN Uu Iub Iu MSC GMSC TE TE MT Node B RNC SGSN GGSN TE Teleservice GSM/GPRS/UMTS Bearer Service UMTS Radio Access Bearer Service (RAB)

85 Architettura della QoS nell UMTS Viene definita una gerarchia di bearer Occorre una negoziazione tra le varie entità di rete UMTS TE MT UTRAN CN Iu EDGE NODE End-to-End Service CN Gateway TE TE/MT Local Bearer Service UMTS Bearer Service External Bearer Service Radio Access Bearer Service CN Bearer Service Radio Bearer Service UTRA FDD/TDD Service Iu Bearer Service Physical Bearer Service Backbone Bearer Service

86 Radio Access Bearer (RAB) Service provided by UTRAN are realized with Radio Access Bearers A Radio Access Bearer consists of Radio Bearer Iu Bearer Flexibility in terms of CN Bit rate Delay Transmission characteristics UTRAN Service multiplexing Radio Access Bearer Radio Bearer Iu Bearer UE

87 Classi di servizio per l UMTS Traffic class Conversational class conversational RT Streaming class streaming RT Interactive class Interactive best effort Background Background best effort Fundamental characteristics Example of the application - Preserve time relation (variation) between information entities of the stream Conversational pattern (stringent and low delay ) - Preserve time relation (variation) between information entities of the stream - voice - streaming video Request response pattern Preserve payload content Destination is not expecting the data within a certain time Preserve payload content - Web browsing - background download of s

88 RAB Attributes Traffic class Conversational Streaming Interactive Background Maximum bit rate X X X X Guaranteed bit rate X X Delivery order X X X X Maximum SDU size X X X X SDU format info X X SDU error ratio X X X X Residual bit error ratio X X X X Delivery of erroneous SDUs X X X X Transfer delay X X Traffic handling priority X Allocation/ Retention priority X X X X Source statistics descriptor X X

89 QoS per l UMTS Classe Conversation al Classe Streaming Classe Interactive Classe Backgrou d M assima bitrate <2000 <2000 <2000 <2000 [kbps] Ordine di Si/No Si/No Si/No Si/No consegna Massima <1500 <1500 <1500 <1500 Dimensione S DU (Service Data Unit) [ottetti] Informazioni D a definire D a definire Formato SDU Consegna S DU Si/No Si/No Si/No Si/No errati BER residua 5*10-2, 10-2, 10-3, *10-2, 10-2, 10-3, 10-4, 10-5, *10-3, 10-5, 6*10-8 4*10-3, 10-5, 6*10-8 Percentuale 10-2, 10-3, 10-2, 10-3, 10-3, 10-4, , 10-4, 10-6 SDU persi 10-4, , 10-5 Ritardo di di trasmissione [ms] 100- valore massimo 500- valore massimo Bit rate <2000 <2000 garantita [kbps] Priorita' gestione 1,2,3 traffico Priorita' allocazione servizio portante 1,2,3 1,2,3 1,2,3 1,2,3