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1 LTE Long Term Evolution Late To Evolve 0

2 Overview della tecnologia 1

3 Driver del 4G: la domanda di banda del mobile 2

4 LTE (3GPP Rel.8): ingredienti tecnologici del 4G Architettura Evoluta (E-UTRAN) di tipo "flat" (in cui tutti i protocolli radio vengono terminati sull'enb), che riduce la latenza introdotta nel sistema. Flessibilità di Utilizzo dello Spettro per mezzo di una banda di allocazione scalabile (1.4, 3, 5, 10, 15, 20 MHz) che garantisce il possibile dispiegamento in diverse bande di frequenza sia in DL che in UL, in modalità di duplex FDD o TDD. x 1 y 1 x 2 y 2 x 3 y 3 Schemi di Antenne Multiple (Multiple Input Multiple Output: MIMO) basati sull applicazione di tecniche di processing spaziale, che incrementano l efficienza spettrale del sistema. Nuove Tecniche di Accesso Radio (e.g. OFDM) che permettono di utilizzare le modulazioni multi-portante adatte a scenari di propagazione con cammini multipli e a processing efficace nel dominio della frequenza. 3

5 Spettro LTE: banda scalabile L UMTS non permette l utilizzo di una larghezza di banda maggiore di 5 MHz, che comunque consente al WCDMA/HSPA con ricevitori a equalizzatore di ragionevole complessità buone prestazioni Bit rate più alti richiedono larghezze di banda superiori (fino a 20 MHz) per i quali la trasmissione OFDM utilizzata in LTE è più adatta L LTE consente anche bande piccole per agevolare il posizionamento spettrale LTE è stato definito con banda scalabile: 1.4 MHz, 3 MHz, 5 MHz, 10 MHz e 20 MHz Il W-CDMA non è adatto per supportare una banda flessibile (è possibile, tuttavia, aggregare più bande da 5 MHz diverse con HSPA Dual Cell) 1.4 MHz 3.0 MHz 5.0 MHz 10 MHz 20 MHz High Data Rates 4

6 LTE: asta assegnazione frequenze in Italia (2011) 60 MHz su banda 800 MHz (dividendo digitale e ex-frequenze televisive): fino a 6 lotti di frequenze FDD da 5 MHz in spettro accoppiato, assegnabili su base nazionale, (nominati da 1 a 6); 30 MHz in banda 1800 MHz: fino a 3 lotti di frequenze FDD da 5 MHz in spettro accoppiato, assegnabili su base nazionale (nominati da 1 a 3); 150 MHz in banda 2600 MHz: fino a 12 lotti di frequenze FDD da 5 MHz, in spettro accoppiato, assegnabili su base nazionale (nominati da 3 a 14), e 2 lotti di frequenze TDD (nominati da 1 a 2) Circa 4 M (Sett. 2011) 5

7 Tecniche di accesso UL/DL LTE impiega, in downlink, una tecnica di accesso multiportante basata sulla modalità OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) In uplink viene utilizzata la SC-FDMA per ridurre il peak-to-average ratio e sfruttare la linearità degli amplificatori. L OFDM consente: Bassa complessità realizzativa dei ricevitori Buone performance in condizioni di canale affetto da fading selettivo Possibilità di inseguire i cambiamenti del canale tramite uno scheduling dinamico e veloce 6

8 Downlink: modulazione multiportante OFDM La tecnica OFDM può essere vista come una tecnica FDM ma con maggiore efficienza spettrale: in tal caso, infatti, è ammessa una parziale sovrapposizione degli spettri associati alle sottoportanti frequency L ortogonalità tra le sottoportanti è ottenuta facendo coincidere il valore di picco di ogni sottoportante con gli zeri delle altre L ortogonalità si ottiene scegliendo Δf= 1/NT, con T=tempo di simbolo emesso dalla sorgente (N= num. sotto-portanti) f frequency 7

9 Downlink: vantaggi dell OFDM Elevata resistenza alla distorsione causata dalla propagazione su cammini multipli. Ridotta complessità di implementazione (IFFT/FFT). Le tecniche di trasmissione/ricezione spazio-temporali (MIMO) sono applicate in modo indipendente su ciascuna sottoportante permettendo di ridurre la complessità del ricevitore rispetto ad un sistema a singola portante di uguale banda. L applicazione di tecniche di modulazione e codifica adattative (AMC) possono essere applicate singolarmente o a gruppi di sottoportanti adiacenti permettendo di sfruttare in modo efficace la selettività in frequenza del canale. Quando la tecnica OFDM è utilizzata anche come tecnica di accesso (OFDMA) permette di ripartire in modo flessibile le risorse tempofrequenza fra più utenti. 8

10 subcarriers subcarriers Downlink: accesso multiplo OFDMA Frazioni diverse delle subcarrier OFDM sono assegnate ad utenti differenti. Le portanti assegnate al singolo utente possono essere adiacenti o sparse su tutto lo spettro disponibile User #1 User #1 User #2 User #3 User #4 Considerando anche una multiplazione TDMA degli utenti User #2 User #3 User #4 User #5 User #6 slots slots 9

11 Uplink: accesso multiplo SC-FDMA Per la tratta in uplink il 3GPP ha selezionato una tecnica di accesso radio differente in quanto la tecnica OFDM presenta lo svantaggio di un elevato PAPR (Peak-to-Average Power Ratio) che pone vincoli più stringenti sulla linearità dell amplificatorein trasmissione Al fine di ottimizzare l utilizzo della potenza nei terminali e ridurne i costi, è stata selezionata la tecnica di accesso SC-FDMA (Single Carrier Frequency Division Multiple Access). Tale tecnica, come nel caso dell OFDM, divide il canale in più sottoportanti tra di loro ortogonali. Tuttavia al contrario del sistema OFDM, dove i simboli dati modulano in maniera indipendente ogni resource element, nel caso della SC-FDMA il segnale modulato nella singola sottoportante è una combinazione lineare di tutti i simboli trasmessi allo stesso istante di tempo. Questa caratteristica fornisce al segnale proprietà simili a quelle di un segnale singola portante, riducendone il PAPR significativamente. 10

12 Tecniche Multi Antenna Le tecniche di antenna Multiple Input Multiple Output (MIMO) consentono all LTE di raggiungere I bit rate più elevati Il MIMO è una tecnologia nativa per LTE mentre per HSPA è stata innestata su uno standard esistente. La tecnica OFDMA, inoltre, si presta meglio all applicazione del MIMO rispetto alla tecnica W-CDMA. Nello standard sono stati definiti schemi MIMO fino al 4x4 Il MIMO può essere utilizzato sia per lo Spatial Multiplexing: aumento capacità Space Time Coding: aumento copertura x 1 y 1 x 2 y 2 x 3 y 3 Spatial Multiplexing Space Time Coding 11

13 Architettura rete LTE L architettura di Rel8, è denominata EPS (Evolved Packet System) e comprende l E-UTRAN (Evolved UTRAN), rete di accesso radio, detta anche LTE (Long Term Evolution) e l EPC (Evolved Packet Core), ossia la Core Network; detta anche SAE (System Architecture Evolution) L enb è la combinazione, in termini funzionali, del NodeB e dell RNC L interfaccia S1-MME (controllo) è responsabile della segnalazione tra enb e MME (Mobility Management Entity), quest ultimo analogo alla funzione di Control Plane di un SGSN; Control Plane User Plane l interfaccia S1-U (dati) permette invece il transito dei dati tra enb e SGW (Serving GateWay), quest ultimo analogo alla funzione di User Plane di un SGSN. LTE SAE EPS 12

14 Architettura rete LTE L architettura di Rel8, è denominata EPS (Evolved Packet System) e comprende la rete di accesso radio E-UTRAN (Evolved UTRAN, detta anche Long Term Evolution - LTE) e la Core Network EPC (Evolved Packet Core), detta anche SAE (System Architecture Evolution) 13

15 Prestazioni di LTE: oltre i 100Mbit/s di picco (DL) Uplink: circa 50 Mbit/s 14

16 Copertura di LTE 15

17 GSM, GPRS, EDGE, UTRAN R99, HSPA, HSPA+, LTE Come uso tuttei questi sistemi cellualari tutti insieme??? Algoritmi di Common Radio Resource Management (CRRM) CRRM in idle-mode CRRM in connected-mode 16

18 La rete radiomobile eterogenea 17

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