Università degli Studi di Roma La Sapienza Dipartimento INFOCOM. Aldo Roveri Lezioni dell a.a

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1 Università degli Studi di Roma La Sapienza Dipartimento INFOCOM RETI MOBILI E MULTIMEDIALI Aldo Roveri Lezioni dell a.a

2 XVII. LTE ADVANCED

3 LTE Advanced XVII.1 I sistemi di quarta generazione 151

4 IMT Advanced (1/4) Nel 2008 l ITU-R (International Telecommunication Union Radiocommunication Sector) con un documento dal titolo International Mobile Telecommunication Advanced, abbreviato in IMT-Advanced, ha fissato le tecnologie di telecomunicazioni mobili a larga banda di quarta generazione (4G). IMT-Advanced è l evoluzione del precedente documento IMT 2000, che a suo tempo ha definito i requisiti per i sistemi mobili di terza generazione (3G). 152

5 IMT Advanced (2/4) L IMT-Advanced, comel IMT 2000, definisce solo requisiti minimi che le tecnologie candidate a implementarli debbono rispettare, non essendo però limiti cogenti. Tra le tecnologie candidate in corso di sviluppo vanno citate: l LTE Advanced (lo standard a cura del 3GPP successivo a LTE); il Mobile WiMax m (lo standard a cura dell IEEE successivo all e). 153

6 IMT Advanced (3/4) Le note che seguono sono dedicate all LTE Advanced, che ha aderito alle linee guida dell IMT- Advanced al fine di permettere una completa interoperabilità tra i sistemi cellulari che vi hanno aderito. Le principali caratteristiche dei sistemi IMT Advanced sono: funzionalità interoperanti a livello mondiale e possibilità di roaming senza limiti; 154

7 IMT Advanced (4/4) compatibilità dei servizi all interno dell IMT e di quelli offerti dalle reti fisse; interoperabilità con altri sistemi di accesso radio; aumento del ritmo binario di picco per consentire la fruizione di nuovi servizi, che richiedono per cella 100 Mbit/s in condizioni di alta mobilità, fino a 1 Gbit/s per bassa mobilità; applicazioni e servizi user-friendly; terminali idonei a un uso planetario. 155

8 Attività del 3GPP verso il 4G (1/3) Una solida ragione che ha indotto il 3GPP a orientarsi verso l IMT-Advanced è che i sistemi a questo conformi sono candidati a utilizzare per la radiocomunicazione cellulare le nuove gamme di frequenza collocate nello spettro UHF superiore e destinate finora alla diffusione della televisione terrestre. 156

9 Attività del 3GPP verso il 4G (2/3) Secondo la WARC (World Administrative Radio Conference) tenutasi a Ginevra a fine 2007, all Europa e a parte dell Asia è stata attribuita la banda MHz, mentre al continente americanoea9paesi asiatici la banda assegnata è stata quella MHz. Il 3GPP ha concentrato i propri sforzi verso l LTE- Advanced (in sigla LTE-A) a partire dalla Release 10 (marzo 2011) e tuttora sta proseguendo con le releases successive. 157

10 Attività del 3GPP verso il 4G (3/3) Nelle precedenti releases 8 e 9 (dicembre 2008 e dicembre 2009) era stato sviluppato il sistema LTE, a cui è stato dedicato il capitolo precedente; per sottolineare che in LTE non si ha una completa osservanza dei parametri prestazionali richiesti per sistemi di quarta generazione, il sistema LTE è considerato di generazione intermedia tra 3G e 4G. 158

11 Confronto tra LTE Rel.8, LTE-A e IMT- Advanced (1/6) Per chiarire la differenza tra gli obiettivi prestazionali di LTE-A e quelli di LTE Release 8, e per mettere a confronto entrambi questi sistemi con i parametri posti dall IMT-Advanced, nella Tab. XVII.1 sono riportati i valori assunti come riferimento per: il ritmo dei dati di picco in downlink e in uplink; l efficienza spettrale di picco in downlink e in uplink; 159

12 Confronto tra LTE Rel.8, LTE-A e IMT- Advanced (2/6) la capacità di trasferimento per unità di banda e per cella con diverse configurazioni di antenne; Il throughput a bordo cella per unità di banda, per cella e per utente con diverse configurazioni di antenne; i tempi di latenza» da UE IDLE a UE ACTIVE» RTT (Round Trip Time). 160

13 Confronto tra LTE Rel.8, LTE-A e IMT- Advanced (3/6) - Tab. XVII.1 Ritmo di dati di picco (Mbit/s) Efficienza spettrale di picco (bit/s/hz) Capacità di trasferimento (bit/s/hz/cella) Throughput di utente a bordo cella (bit/s/hz/cella) DL/UL Configurazioni di antenna LTE Release 8 LTE Advanced IMT Advanced DL UL DL UL - 3, ,75 DL UL DL UL 2x2 1,69 2,4-4x2 1,87 2,6 2,2 4x4 2,67 3,7-1x2 0,74 1,2-2x4-2,0 1,4 2x2 0,05 0,07-4x2 0,06 0,09 0,06 4x4 0,08 0,12-1x2 0,024 0,04-2x4-0,07 0,03 Da idle a active < 100 <50 < (ms) Round trip time < 10 <5 < 10 Tempi di latenza

14 Confronto tra LTE Rel.8, LTE-A e IMT- Advanced (4/6) Dall esame di questa tabella si vede che: le prestazioni di LTE Release 8 non soddisfano i requisiti di IMT Advanced; tali requisiti sono invece pienamente soddisfatti dalle prestazioni fissate per LTE Advanced; rilevante è il miglioramento di prestazioni da LTE prima maniera a LTE versione attuale. 162

15 Confronto tra LTE Rel.8, LTE-A e IMT- Advanced (5/6) Non incluso nella tabella è il numero minimo di utenti per cella; facendo riferimento al caso di utenti con allocazione massima di banda uguale a 5 MHz, questo numero minimo cresce di 100 unità nel passaggio dalla versione più datata a quella più recente; occorre aggiungere che in quest ultima versione si fa riferimento a utenti non in modalità discontinua. 163

16 Confronto tra LTE Rel.8, LTE-A e IMT- Advanced (6/6) Relativamente infine alle classi di mobilità, le due versioni di LTE non presentano differenze e sono entrambe rispondenti ai requisiti di IMT Advanced: fino a 15 km/h, le prestazioni sono insensibili alla mobilità; si comincia ad avere perdita di prestazioni quando la velocità del mobile cresce fino a 120 km/h; in ogni caso la continuità del servizio deve essere garantita quando la mobilità cresce ulteriormente fino a 350/500 km/h. 164

17 Novità di LTE-A (1/4) Come risulterà più chiaro dalle note che seguono, le novità introdotte da LTE Advanced hanno riguardato quasi esclusivamente la rete di accesso, mentre la rete dorsale non ha subito modifiche di rilievo. I cinque paragrafi che seguono sono dedicati alla presentazione dei provvedimenti attuati in LTE-A sulla E-UTRAN: 165

18 Novità di LTE-A (2/4) il conseguimento di throughput più elevati mediante l allocazione di portanti multiple aggregate a un singolo UE fino ad un massimo di 100 MHz contro un massimo di 20 MHz nella Release 8; il miglioramento della tecnica MIMO ottenuto con l impiego di 8 antenne in trasmissione e in ricezione (rispetto alle 4 previste nell LTE prima maniera) e con l utilizzazione di modalità di precoding più evolute; 166

19 Novità di LTE-A (3/4) l uso di una strategia di coordinamento tra più enb nel collegamento con una pluralità di UE, avendo l obiettivo di minimizzare l interferenza inter-cella; il superamento della iniziale omogeneità della rete di accesso (che risultava composta da enb tutti di uguale potenzialità) con l adozione di una rete eterogenea che, per l accesso, utilizza enb con caratteristiche diverse; ciò allo scopo di aumentare l efficienza spettrale di una cella e di ottenere celle con raggio di copertura molto diversificato e, in definitiva, meglio rispondente alla diversità di distribuzione dell utenza sul territorio; 167

20 Novità di LTE-A (4/4) l affiancamento ad un enb di una particolare SRB chiamata Relay Node (RN) e collocata al di fuori della E-UTRAN; mediante l azione di rilegamento svolta dal RN anche utenti che si trovano al di fuori o ai bordi di una cella LTE possono essere serviti con buone prestazioni. 168

21 LTE Advanced XVII.2 Aggregazione delle portanti 169

22 Necessità dell aggregazione La flessibilità nell uso dello spettro di frequenze è una delle caratteristiche distintive di LTE, ma all attuazione di tale flessibilità si frappongono almeno due ostacoli: un primo ostacolo risiede nel fatto che lo spettro radio per reti cellulari nelle varie aree del mondo è composto da diverse bande di frequenza con differenti dimensioni; un secondo ostacolo è dovuto al fatto che diverse tecnologie radio devono operare contemporaneamente nello stesso spettro radio. 170

23 Uso dell aggregazione (1/2) Per supportare ritmi di dati più elevati rispetto all LTE Release 8, LTE-A ha necessità di disporre di larghezze di banda fino a 100 MHz. Per questo scopo si usano portanti multiple tra loro aggregate in modo che la somma delle bande supportate da queste portanti consenta di raggiungere la larghezza di banda desiderata; tali portanti possono supportare bande di diversa larghezza, trovarsi o meno nella stessa porzione di banda ed essere o meno contigue nella stessa banda. 171

24 Uso dell aggregazione (2/2) In definitiva l aggregazione delle portanti (carrier aggregation) è riferita a più portanti LTE, trattate in modo che: i dispositivi di LTE-A siano in grado di utilizzare una banda di larghezza fino a 100 MHz; Quelli di LTE prima maniera possano continuare a trattare separatamente queste bande. 172

25 Modalità di aggregazione Ci sono diverse modalità per aggregare le portanti: a) aggregazione di portanti con componenti contigue nella stessa porzione di banda (intraband); b) aggregazione di portanti con componenti non contigue nella stessa porzione di banda (intraband); c) aggregazione di portanti con componenti non contigue in bande multiple (interband). 173

26 Opportunità offerte dall aggregazione L aggregazione di portanti, oltre a consentire di aumentare il ritmo-dati di picco, contribuisce anche a conseguire una migliore copertura per ritmi-dati medi, dato che per questi possono essere utilizzati livelli di modulazione e tassi di codifica con valori minori; queste soluzioni riducono la potenza di trasmissione necessaria e quindi, a parità di potenza, migliorano la copertura. 174

27 Ricetrasmettitori per l aggregazione (1/3) La modalità a) è la più facile da implementare: il canale aggregato può essere considerato dal UE come un singolo canale allargato dal punto di vista RF. Di conseguenza nel UE è richiesto solo un ricetrasmettitore, ma, con l aumento della larghezza di banda, il dispositivo deve essere in grado di operare su questa banda passante senza riduzione di prestazioni. 175

28 Ricetrasmettitori per l aggregazione (2/3) Nelle altre due modalità, b) e c), sono richiesti ricetrasmettitori multipli, e quindi con l aggiunta di una significativa maggiore complessità al sistema; lo svantaggio è l impatto su costo e prestazioni. Si hanno due possibili modi per la realizzazione dei ricetrasmettitori in modo indipendente dalla attuazione della aggregazione: 176

29 Ricetrasmettitori per l aggregazione (3/3) un ricetrasmettitore multiplo a banda singola: per N bande sono utilizzati N ricetrasmettitori, uno per ogni banda in cui è suddiviso lo spettro (per LTE Advanced le bande possibili sono 6 e coprono lo spettro radio da 450 MHz a 4,99 GHz); un ricetrasmettitore singolo a larga banda: questo deve essere in grado di trattare tutte le 6 bande dello spettro utilizzato. 177

30 LTE Advanced XVII.3 Miglioramenti di MIMO 178

31 Modifiche apportate da LTE-A (1/2) Nel LTE Advanced si è ulteriormente migliorato (rispetto al LTE Release 8) il trasferimento multiantenna per aumentare il ritmo-dati di picco e la capacità complessiva della cella. Le modifiche apportate hanno riguardato: la possibilità di utilizzare 8 antenne sia in trasmissione che in ricezione (MIMO 8 x 8) invece delle 4 antenne previste nella Release 8; 179

32 Modifiche apportate da LTE-A (2/2) l introduzione di un MIMO collaborativo tra enb in luogo di MIMO a sito singolo che coinvolgono un solo enb alla volta; le possibili strategie di cooperazione sono accennate nel prossimo par. XVII.4. Con il MIMO collaborativo è possibile migliorare le prestazioni percepite/subite dagli utenti che si trovano ai confini tra due celle; ciò grazie alla collaborazione tra enb che riduce l interferenza intercella. 180

33 Spaziatura delle antenne (1/5) Per poter sfruttare contemporaneamente le tecniche di multiplazione spaziale, di diversità spaziale e di beamforming, occorre considerare che: da un lato è necessario utilizzare più antenne in trasmissione/ricezione; dall altro le tre tecniche presentano requisiti di spaziatura tra antenne decisamente contrastanti. 181

34 Spaziatura delle antenne (2/5) Il beamforming permette di ottenere alti valori di guadagno in particolari direzioni nelle quali il fascio viene concentrato, permettendo di ridurre decisamente l interferenza agli altri utenti non illuminati. Se ne deduce che, per questa tecnica, le antenne dovrebbero essere le più vicine possibile. Una scelta frequente è quella di una distanza uguale a λ/2. 182

35 Spaziatura delle antenne (3/5) La multiplazione spaziale e la diversità spaziale possono essere meglio sfruttate solo se i segnali ricevuti dalle antenne sono scorrelati o scarsamente correlati; se le antenne vengono poste troppo vicine, i segnali ricevuti sono fortemente correlati e i guadagni che ne derivano sono troppo limitati. E quindi necessario distanziare il più possibile le antenne. 183

36 Spaziatura delle antenne (4/5) Una soluzione di compromesso, scelta tra le molte proposte e in grado di soddisfare almeno parzialmente le esigenze di tutte le tre tecniche, è l uso di antenne cross-polarizzate (che emettono onde e.m. con modi di polarizzazione ortogonali). Tali antenne possono essere spaziate di λ/2 fornendo la possibilità di applicare anche il beamforming, oltre alla multiplazione spaziale e alla diversità spaziale. 184

37 Spaziatura delle antenne (5/5) Con un MIMO evoluto, non si può trascurare di citare il problema posto dalla spaziatura delle antenne in relazione alle dimensioni molto ridotte dell apparato mobile. Al riguardo esistono più proposte di soluzione, che non vengono qui presentate per i limiti delle presenti note. 185

38 MIMO collaborativo Come conseguenza dell uso di più antenne, la tecnologia MIMO di tipo collaborativo è in grado di aumentare notevolmente la capacità trasmissiva pur obbedendo ai limiti della formula di Shannon. Se si aumenta il numero di antenne in trasmissione e in ricezione, è possibile aumentare linearmente la capacità del canale con ogni coppia di antenne aggiunte al sistema. 186

39 LTE Advanced XVII.4 Multipunto cooperativo 187

40 Contro l interferenza intercella LTE prevede l ortogonalità delle trasmissioni dei vari utenti all interno della stessa cella, garantendo, almeno in teoria, un assenza di interferenza intra-cella. Diversa situazione riguarda invece l interferenza intercella, che limita le prestazioni degli UE a bordo cella. Per ovviare a questo disturbo non si avrebbe alcun giovamento da un aumento della potenza trasmessa dalle SRB, dato che un tale provvedimento aumenterebbe l interferenza causata agli UE collegati con altri enb. 188

41 La tecnica CoMP (2/2) Si è invece seguita una soluzione diversa per limitare l interferenza inter-cella: questa soluzione prevede la trasmissione in downlink (quindi multipunto) da parte di enb cooperanti tra loro; da qui l acronimo CoMP (Cooperative Multi Point) attribuito a questa soluzione. 189

42 La tecnica CoMP (2/2) Entrando in qualche maggior chiarimento, la tecnica CoMP prevede che le SRB, distribuite geograficamente su un area del territorio, cooperino per migliorare le prestazioni (in particolare quelle legate all interferenza inter-cella) fornite agli utenti che si trovano in quest area di cooperazione. Perché la cooperazione possa aver luogo è necessario che le SRB candidate a cooperare siano connesse tra loro e che tra loro avvenga uno scambio di elevate moli di dati su canali dedicati ad alta velocità e a bassa latenza. 190

43 CoMP in downlink (1/4) La tecnica CoMP essendo basata su un coordinamento delle SRB, si applica in downlink; le SRB tra loro coordinate provvedono a scadenzare l assegnazione di banda agli UE che si trovano a bordo cella, in modo da non creare interferenza reciproca. 191

44 CoMP in downlink (2/4) In particolare le celle adiacenti si scambiano periodicamente informazioni sulla componente di spettro che hanno intenzione di assegnare agli UE che si trovano a bordo cella e sul livello di interferenza percepita nelle varie componenti dello spettro. Per attuare questo scambio di informazioni, lo Standard prende in considerazione soluzioni sia centralizzate che distribuite, tutte combinate con varii schemi di emissione coordinata. 192

45 CoMP in downlink (3/4) Qualunque sia la soluzione impiegata: gli UE, che sono ubicati nell area di copertura delle SRB cooperanti, effettuano una stima del canale verso i vari enb cooperanti; questi ultimi ricevono dagli UE i dati stimati (feedback) e provvedano direttamente a elaborarli, come avviene nella soluzione distribuita, che consente di suddividere equamente il relativo carico computazionale; 193

46 CoMP in downlink (4/4) i risultati di queste elaborazioni consentono alle SRB cooperanti di armonizzare le loro azioni e, in particolare, di definire uno scadenzamento nell assegnazione di banda agli UE collocati nell area di cooperazione senza creare mutua interferenza. 194

47 CoMP in uplink La tecnica CoMP può essere applicata anche in uplink: per questo scopo è necessario che più enb ricevano ed elaborino il segnale di un UE. Poiché però l UE non ha la necessità di conoscere quali enb abbiano ricevuto la propria informazione, il CoMP in uplink ha un impatto minimo sulle prestazioni desiderate e, in particolare, sull incremento della portata di trasferimento per gli utenti a bordo cella. 195

48 LTE Advanced XVII.5 Reti eterogenee 196

49 SRB macro e pico (1/2) In luogo di una E-UTRAN in cui gli enb componenti hanno potenzialità non dissimili (rete omogenea), l LTE Advanced introduce la possibilità di utilizzare una rete di accesso composta da enb con diverse potenzialità (rete eterogenea). Lo scopo è realizzare celle con raggio di copertura molto diversificato; in una rete di accesso eterogenea si distinguono quindi enb di potenzialità decrescenti passando da un enb macro ad uno pico e ad uno femto. 197

50 SRB macro e pico (2/2) Circa il ruolo di questi enb, una rete eterogenea si compone di aree, in ognuna delle quali si distinguono: un enb macro che trasmette con una potenza nettamente superiore (da 5 a 40 W) agli altri nodi della E-UTRAN; vari enb pico abassapotenza(da0,2a2w)che hanno un ruolo di supplemento dell enb macro e che possono essere impiegati per coprire zone non coperte all interno dell area di copertura dell enb macro. 198

51 Opportunità offerte dalla eterogeneità Il vantaggio di una rete eterogenea rispetto a una omogenea risiede nella possibilità offerta di distribuire il carico sulla cella nella maniera più conveniente, con UE uniformemente distribuiti nella cella o concentrati intorno agli enb pico. 199

52 La decisione di handover (1/2) Questo obiettivo è reso possibile basando la decisione di handover (e quindi di associazione di un UE a una SRB piuttosto che a un altra) sul combinato della potenza ricevuta dai vari enb (macro e pico) in uplink oltre che su quella ricevuta dagli UE in downlink. Questo provvedimento è giustificato dal fatto che una decisione di handover unicamente basata sulla potenza ricevuta dagli UE in downlink (come avviene in una rete omogenea) condurrebbe inevitabilmente a restringere l associazione degli UE alla SRB che emette con maggiore potenza e cioè a un enb macro. 200

53 La decisione di handover (2/2) Invece, se la decisione di handover tiene conto anche della potenza ricevuta in uplink da tutte le SRB nell area di copertura, l associazione a una SRB è effettuata anche sulla base della potenza emessa dagli UE (che è costante a prescindere dalla presenza di enb macro e pico) e quindi la scelta di associazione coinvolge anche gli enb pico, oltre agli enb macro. 201

54 Range Extension Ciò aumenta in definitiva la copertura degli enb pico, consentendo di avvicinare gli UE agli enb, riducendo in tal modo l attenuazione tra trasmettitore e ricevitore (path loss); migliorare il riuso frequenziale, l efficienza spettrale e la capacità complessiva della cella; rendere, per quanto possibile, uniformi le prestazioni di QoS offerte a un UE, prescindendo da quale sia la sua posizione all interno di una cella. A questo aumento di copertura e alla modalità che lo realizza viene attribuito il nome di Range Extension. 202

55 Impiego delle SRB macro, pico e femto (1/2) Per concludere è opportuno precisare che: enb macro e pico trovano il loro impiego tipico nell ambito di reti cellulari pubbliche; un enb macro è collocato in esterni con posizione che è quella tipica di una SRB preposta a coprire elettromagneticamente una cella (come in una rete omogenea); 203

56 Impiego delle SRB macro, pico e femto (2/2) gli enb pico, collocati anche in interni e distribuiti in numero variabile intorno a un enb macro, hanno il compito di integrare la copertura di quest ultimo, offrendo le opportunità chiarite in precedenza. gli enb femto (detti anche enb home), normalmente collocati in interni, hanno una utilizzazione in reti per gruppi chiusi di utenti. 204

57 LTE Advanced XVII.6 Rilegamenti 205

58 Miglioramenti con l utilizzo di RN (1/2) I rilegamenti in una rete cellulare LTE-A e i nodi che li realizzano come particolari SRB consentono a un UE che non si trovi in area di copertura di una E- UTRAN di poter accedere ai servizi della rete. Lo standard precisa i miglioramenti ottenibili con l utilizzo di RN (Relay Nodes): l offerta di copertura più estesa in nuove aree al momento non ancora coperte; l aumento del throughput a bordo cella nelle cui vicinanze è collocato un RN; 206

59 Miglioramenti con l utilizzo di RN (2/2) il conseguimento di ritmi di dati maggiori; una riduzione dei costi nell ampliamento delle possibilità di accesso, ove si tenga conto che il costo di un RN è minore di quello di un enb e che il rilegamento tra RN e enb è via radio; una riduzione del consumo di potenza. 207

60 Composizione del rilegamento Per chiarire quest ultimo punto occorre considerare come avviene il rilegamento tra enb e UE; questo si compone di due tratte (hop): la prima traenbern (primo hop) e la seconda tra RN e UE (secondo hop); se la collocazione degli enb e degli RN è scelta in modo accorto, la potenza di trasmissione di enb, di RN e di UE può essere diminuita essendo minore l attenuazione di percorso elettromagnetico. 208

61 Tipi di RN Sono stati definiti due tipi di RN, chiamati RN di tipo 1 e RN di tipo 2: RN di tipo 1 crea una vera e propria cella provvista di un proprio identificativo fisico, di canali di sincronizzazione e di simboli di riferimento; RN di tipo 2 non crea una nuova cella e quindi non ha un identificativo fisico diverso da quello dell enb a cui è rilegato. 209

62 Schemi di rilegamento (1/3) Lo standard ha messo a punto varii schemi di rilegamentoaduehoptraunenbeunuetramite un RN; tra questi si citano: Amplify and Forward: in una prima fase il RN riceve il segnale dall enb (o dall UE); in una seconda fase provvede ad amplificarlo e ad inoltrarlo all UE (o all enb); è lo schema più semplice, ma con minori prestazioni nei confronti del rumore che si aggiunge al segnale nella seconda fase. 210

63 Schemi di rilegamento (2/3) Selective Decode and Forward: il RN riceve il segnale dall enb (o dall UE), lo decodifica estraendone il contenuto informativo; viene così verificata, tramite un CRC (Cyclic Redundancy Code), la presenza o meno di errori; se non ci sono errori i dati vengono codificati e inoltrati all UE (o all enb); è uno schema sicuramente meglio protetto nei confronti del rumore, ma penalizzato da un ritardo elevato, dovuto all elaborazione del segnale effettuata presso il RN. 211

64 Schemi di rilegamento (3/3) Demodulation and Forward: il RN, ricevuto il segnale dall enb (o dall UE), lo demodula con hard decision, senza però decodificarlo; provvede poi a rimodularlo e a inoltrarlo verso l UE (o l enb); lo schema è semplice e non penalizzato da un ritardo, in quanto non si ha elaborazione presso il RN; ha però lo svantaggio di non avere protezione nei confronti degli errori. 212

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