P i r nc n ipi base I codici n e n l WC W D C M D A S re r ading n e Sc S ra r mb m ling

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1 UMTS 1 Alessio Ricci CORSO UMTS STANDARDIZZAZIONE IL WCDMA Principi base I codici nel WCDMA Spreading e Scrambling QUALITY OF SERVICE PROTOCOLLI DI RETE E CANALI RADIO IL POWER CONTROL Architettura protocollare dell interfaccia radio Canali Fisici, di Trasporto e Logici Schema logico dell Up-Link e del Down-Link Open Loop PC, Closed Loop PC, Outer Loop PC 2 1

2 CORSO UMTS ADMISSION CONTROL CONGESTION CONTROL STATI DELL UE HANDOVER IL RAKE RECEIVER CODIFICA VOCALE AMR Hard HO, HO Inter System, Soft HO e Softer HO CAPACITA DI SISTEMA Capacità del sistema GSM/GPRS Capacità del sistema UMTS Cell Breathing PROCEDURE Esempi di procedure nell interfaccia radio HSDPA ESEMPIO PRATICO 3 Standardizzazione 4 2

3 1st gen (1980 s): analogue RTT voice service AMPS, NMT, TACS etc 2nd gen (1990 s): digital RTT, capacity voice service GSM, DAMPS, PDC, IS-95 (cdmaone) 3rd gen (2000 s): adds non-voice, higher bit rates, capacity Sistemi di terza generazione IMT-2000 Vision anywhere, anytime servizi multimediali Roaming globale ITU: IMT-2000 IMT-2000 Concept Accesso mediante rete terrestre e satellitare Frequenze standardizzate in tutto il mondo Bit rate fino a 2 Mbits/s ANSI TIA T1 2G: GSM G: UTRA FDD ETSI 2G: GSM 3G: UMTS Mode 1 UTRA FDD Mode 2 UTRA TDD Core Network: GSM NSS Release 99: UMTS phase 1 specs Giugno 01 TTA 2G: cdmaone 3G: UTRA FDD CWTS 2G: GSM & cdmaone 3G: WCDMA ARIB & TTC 2G: PDC & cdmaone 3G: UTRA FDD (NTTDoCoMo) 3GPP2 (TIA, ARIB, TTC, TTA) cdma2000-based 5 3GPP UMTS-based Rete Accesso: UTRA FDD e UTRA TDD Core Network: GSM based Fonte: APIS Struttura delle specifiche 3GPP UE switch-on UE Idle 3GPP TS UE connected 3GPP TS GSM connected GSM TS GPRS Packet Transfer GSM TS GSMidle GSM TS UE idle 3GPP TS GPP TS CELL_DCH 3GPP TS CELL_FACH 3GPP TS GPP TS CELL_PCH 3GPP TS GPP TS URA_PCH 3GPP TS GPP TS

4 Il WCDMA 7 CDMA COCKTAIL PARTY W-WIDEBAND C-CODE D-DIVISION M-MULTIPLE A-ACCESS Cosa si riesce a comprendere se. Si conosce solo il Giapponese? Si conosce solo lo Spagnolo? Si conosce solo l Italiano? Si conosce solo il Giapponese e la persona che lo sta parlando si trova dall altra parte di una stanza? Se si conosce solo il Giapponese, ma la persona che parla lo Spagnolo lo fa con voce più alta degli altri presenti? 8 4

5 PRINCIPI BASE DEL CDMA Sequenza di Informazione (bits) +1-1 t +1-1 Codice SF chip t Sequenza di Informazione Codice Sequenza Trasmessa +1-1 t Sequenza Trasmessa Ogni simbolo di informazione (bit ±1) è moltiplicato per tutti i chip della parola di codice, costituita da SF chip (ognuno uguale a ±1) Chip rate = SF x Bit rate 9 PRINCIPI BASE DEL CDMA Sequenza Trasmessa Codice SF chip Sequenza di Informazione (bits) t t t Sequenza Trasmessa Codice Sequenza di Informazione 10 Se la sequenza codice viene moltiplicata per se stessa, ottengo 1 --> moltiplicando la Sequenza trasmessa per il codice, ottengo nuovamente la Sequenza di Informazione Al contrario, se venisse moltiplicata per un codice diverso, otterrei una sequenza pseudocasuale con lo stesso chip rate e stessa banda occupata 5

6 SPREAD SPECTRUM MULTIPLE ACCESS Si ipotizzino due trasmittenti alla stessa frequenza: Potenza Segnale1 Frequenza Code 1 Potenza Segnale 2 I due segnali si combinano nell interfaccia aria Frequenza Code 2 AL RICEVITORE.. Potenza I due segnali sono ricevuti insieme Frequenza Code 1 SPREAD SPECTRUM PROCESSING GAIN PNCodeRate = DataRate IL Segnale 1 è ricostruito Il segnale 2 è riconosciuto come rumore di fondo 11 WCDMA: PRINCIPI DI BASE GUADAGNO DI PROCESSO Segnale desiderato SPREAD SPECTRUM PROCESSING GAIN Segnali Interferenti + rumore S I R out = S I B B R in B In ricezione filtrerò il segnale sulla banda R, che è quella del segnale desiderato. R Frequenza Rapporto Segnale/Interferenza dopo filtraggio PNCodeRate DataRate Il Segnale Interferente + Rumore (IB ) subisce una riduzione di potenza pari a B/R. Quindi il rapporto Segnale/Rumore migliora di 12 B/R 6

7 ACCESSO RADIO WCDMA La trasmissione avviene su tutta la banda di frequenza per tutto il tempo. Il risultato è che tutti gli utenti interferiscono, ma il codice assegnato a ciascuno consente il recupero dell informazione al ricevitore. I dati dell utente (ad esempio l output del codificatore vocale) sono generati ad una certo bit rate; ogni bit è moltiplicato per il codice unicamente assegnato ad ogni utente della rete. Se si utilizzasse una parola di codice di 64 bit, il trasmettitore invierebbe questa sequenza ogni volta che il bit del codificatore vocale vale 1, mentre verrebbe trasmessa la sequenza invertita se dal codificatore uscisse 0. Ciò significa che devono essere trasmessi 64 bit per ogni bit generato dal codificatore vocale, cioè il trasmettitore usa 64 volte più spettro del caso FDMA. Questa velocità di bit è nota come CHIP RATE. Il processo di moltiplicazione per una parola di codice è il cosiddetto SPREADING, mentre il processo eseguito dal ricevitore per recuperare l informazione è il DESPREADING. 13 I codici Ortogonali 14 7

8 PROPRIETA DEI CODICI ORTOGONALI Correlazione tra Codici Ortogonali (a) TX ed RX con stesso codice Ortogonale; (b) TX ed RX con differenti Codici Ortogonali;;(c) TX ed RX con stesso codice ortogonale e time offset non nullo Dati in ingresso Moltiplicazione Moltiplicazione Moltiplicazione Codice Ortogonale Usata dal trasmettitore Sequenza Trasmessa = = = Transmettitore Moltiplicazione Moltiplicazione Moltiplicazione Codice Ortogonale Usata dal ricevitore Sequenza Ricevuta Risultato dell integrazione Dividendo per la lunghezza del codice = = = Integrazione Integrazione Integrazione Ricevitore 15 Perfetta proprietà di autocorrelazione Perfetta proprietà di crosscorrelazione Lo shift (dovuto ad es. al multipath) causa perdite in termini di correlazione INVIO DI DATI PER MEZZO DI CODICI ORTOGONALI Codice Ortogonale (Chip) Data (Bit) chip trasmessi Dati utente: XOR con codice diwalsh 1010 Dati utente su banda larga:

9 CODICI ORTOGONALI Downlink: i Codici Ortogonali sono utilizzati per distinguere i data channel trasmessi da ogni Base Station OC1, OC2 OC3, OC4 OC5, OC6, OC7 Uplink: i Codici Ortogonali sono utilizzati per distinguere i data channels trasmessi da ogni Mobile Station OC1, OC2, OC3 OC1, OC2 OC1, OC2, OC3, OC4 17 GENERAZIONE DI CODICI ORTOGONALI GENERAZIONE DEI CODICI ORTOGONALI DI WALSH-HADAMARD 1 SF= SF= SF= DL: SF da 4 a 256 UL: SF da 4 a 512 SF=

10 I codici Pseudo Noise 19 PROPRIETA DEI CODICI PN Caso I: Autocorrelazione tra PN Code Recevitore e trasmettitore utilizzano lo stesso codice e lo stesso time offset Dati in ingresso Moltiplicazione Moltiplicazione Moltiplicazione PN Code Usata dal trasmettitore Sequenza Trasmessa = = = Transmettitore PN Code Usata dal ricevitore Sequenza Ricevuta Risultato dell integrazione Moltiplicazione Moltiplicazione Moltiplicazione = = = Integrazione Integrazione Integrazione Ricevitore Dividendo per la lunghezza del codice

11 PROPRIETA DEI CODICI PN Case II: Cross-Correlazione tra PN Codes Recevitore e Transmettitore utilizzano codici differenti Dati in ingresso PN Code Usata dal trasmettitore Sequenza Trasmessa Moltiplicazione Moltiplicazione Moltiplicazione = = = Transmettitore PN Code Usata dal ricevitore Sequenza Ricevuta Risultato dell integrazione Moltiplicazione Moltiplicazione Moltiplicazione = = = Integrazione Integrazione Integrazione Ricevitore Dividendo per la lunghezza del codice Si nota l immunità rispetto al ritardo e quindi allo shift di qualche bit SISTEMA CELLULARE (OC + SSMA) Conversazione Voce 2 data channels (voice, control) PN1 + OC1 + OC2 2 data channels (voice, control) PN3 + OC1 + OC2 Pilot, Broadcast PN1 + OC P + OC B 1 data channels (control) PN1 + OC3 2 data channels (14 kbps data, control) PN4 + OC1 + OC2 Uplink Packet Data Pilot, Broadcast PN2 + OC P + OC B Videoconferenza 3 data channels (voice, video, control) PN2 + OC1 + OC2 + OC3 4 data channels (384 kbps data, voice, video, control) PN2 + OC4 + OC5 + OC6 + OC7 Videoconferenza e Dati 3 data channels (voice, video, control) PN5 + OC1 + OC2 4 data channels (384 kbps data, voice, video, control) PN6 + OC1 + OC2 + OC3 + OC4 22 CONFIDENTIAL 11

12 I CODICI PN (SCRAMBLING) NELL UMTS 23 MOBILE STATION 2 25 sono i codici di scrambling a disposizione di ogni mobile in UL Essi sono assegnati dal Node-B in modo casuale NODE-B 2 18 sono i codici di scrambling a disposizione dei Node-B in DL. Sono in numero inferiore rispetto a quelli in UL perché rispetto a questi devono garantire proprietà di correlazione ancora migliori Dei 2 18 codici disponibili soltanto 8192 sono effettivamente utilizzati (il mobile deve riuscire a riconoscerli confrontandoli uno a uno ed è quindi opportuno limitarne il numero) Questi 8192 codici sono suddivisi in 512 gruppi da 16 codici ciascuno Secondo la specifica 3GPP un Node-B deve essere in grado di avere anche più di un codice di scarmbling per aumentare la capacità del sistema (le prime release saranno implementate impiegano solo il primo dei 16 codici di ogni gruppo) Ogni Node-B ha quindi a disposizione solo 512 possibili codici (o set di codici) di scrambling Il riuso dei codici è pertanto di 1:512 PROCESSING GAIN E SPREADING FACTOR Specificatamente: Il Processing Gain è l incremento complessivo di banda, dal segnale d informazione, alla codifica (codici per la rilevazione e correzione di errori), al segnale trasmesso, e può variare da alcune unità al centinaio di volte. E legato alla capacità della tecnica CDMA di ridurre l interferenza. Lo Spreading Factor: è il numero di CHIP con cui si rappresenta ogni bit all ingresso del blocco che effettua lo spreading. E legato al numero di sequenze disponibili e quindi regola il numero di utenti che possono essere serviti

13 Quality of Service 25 QoS nell UMTS I servizi e le classi di Quality of Service Dovendo ospitare un ampia gamma di servizi con caratteristiche molto diverse, è indispensabile che la rete Umts associ ad ognuno di essi una certa qualità di servizio (QoS) che permetta di identificare in modo univoco i requisiti del servizio di trasporto (Radio Bearer) da utilizzare. Nel definire le diversità di QoS è necessario tenere in considerazione le limitazioni dell interfaccia radio, le quali richiedono l introduzione di meccanismi appropriati per garantire la QoS necessaria. Sono state definite 4 classi di QoS in base alla sensibilità ai ritardi di trasferimento

14 QoS nell UMTS 27 CONFIDENTIAL Protocolli di rete e Canali Radio 28 14

15 Architettura protocollare dell interfaccia radio Control Plane - Segnalazione controllo RRC controllo User Plane - Informazione controllo PDCP PDCP BMC Livello3: network Livello2: trasporto RLC RLC RLC RLC RLC RLC RLC RLC controllo Canali Logici Medium Access Control Canali di trasporto Physical Layer Livello1: fisico 29 Canali Fisici Architettura protocollare dell interfaccia radio Control Plane - Segnalazione Radio Resource Control Qos Manager delle risorse radio Assegnazione dei RAB Controllo dei livelli inferiori controllo controllo User Plane - Informazione controllo Packet Data Control Protocol Compressione dell header dei pacchetti IP Broadcast Multicast Center Gestisce gli SMS in broadcast su una cella Livello3: network Livello2: trasporto Radio Link Control Ritrasmissione ( in Ack Mode ) Indicazione degli errori ( in Unack Mode ) Trasporto trasparente dei dai ( in Trasparent Mode ) 30 controllo Medium Access Control Gestione delle priorità in base alle Qos richieste Switching tra i vari tipi di canale Physical Layer Codifica di canale, Radio Frames, Modulazione QPSK, Spreading e scrambling, CRC, etc. Livello1: fisico 15

16 Architettura protocollare dell interfaccia radio I protocolli di comunicazione riguardanti l interfaccia Uu possono essere divisi in due gruppi: Protocolli del piano utente: sono i protocolli che supportano i servizi RAB (Radio Access Bearer). Essi trasportano i dati d utente attraverso l Access Stratum. Di questa categoria fanno parte il Packet Data Convergence Protocol (PDCP), il Broadcast/Multicast Control (BMC) ed il Radio Link Control (RLC); tutti appartenenti al livello 2. Protocolli del piano di controllo: sono i protocolli utilizzati per il controllo dei vari RAB e delle connessioni tra il terminale mobile e la rete. Di questa categoria fanno parte il Radio Link Control (RLC) di livello 2 ed il Radio Resource Control (RRC) di livello Il livello fisico Il livello fisico si interfaccia con MAC e RRC ed offre servizi di trasferimento informazioni al MAC ed ai livelli superiori. Le primitive di comunicazione con il MAC (PHY-primitives) forniscono il trasferimento delle "informazioni" (transport-block) sull'interfaccia radio e l'indicazione dello stato del livello fisico al MAC; le primitive di comunicazione con l'rrc (CPHY-primitives) forniscono il controllo della configurazione dello stesso livello fisico. Il trasferimento dati tra livello fisico e MAC avviene tramite i canali di trasporto. Il flusso dati ottenuto in seguito alle operazioni di multiplexing e codifica dei canali di trasporto è definito Coded Composite Transport Channel (CCTrCH), tale flusso viene mappato su uno o più canali fisici. 32 FUNZIONI Gestione della macrodiversità ed esecuzione degli handover (soft-handover). Rilevamento degli errori sui canali di trasporto e indicazione ai livelli superiori. Codifica e decodifica FEC (Forward Error Correction), interleaving e deinterleaving dei canali di trasporto. Multiplexing dei canali di trasporto e demultiplexing dei CCTrCH. Adattamento della velocità di trasmissione. Mappatura dei CCTrCH sui canali fisici. Modulazione e demodulazione, spreading e despreading dei canali fisici. Sincronizzazione di tempo e frequenza (chip, bit, slot, frame). Misurazioni ed indicazione ai livelli superiori. Controllo di potenza ad anello chiuso. Processing a radio frequenza. 16

17 Il livello MAC Il livello MAC si occupa della gestione e del controllo del livello fisico. Come tutti i protocolli dell interfaccia radio anch esso è controllato dal livello RRC (Radio Resource Control). I SERVIZI che il MAC fornisce ai livelli superiori sono: Trasferimento dati (MAC SDU) in modalità unacknowledged tra entità MAC di pari livello, non fornendo però funzionalità di segmentazione e riassemblaggio che dovranno quindi essere svolte dai livelli superiori. Riallocazione delle risorse radio e dei parametri MAC su richiesta del RRC. Rapporto verso RRC delle misurazioni di volume, traffico e qualità della trasmissione effettuate. FUNZIONI 1. Redirezione dei canali logici sui canali di trasporto: i canali logici vengono diretti sui canali di trasporto appropriati. 2. Selezione del formato di trasporto: una volta assegnato il Transport Format Combination Set (TFCS) dal RRC, viene selezionato, per ogni canale di trasporto, il formato di trasporto più opportuno in base alla velocità della sorgente. Il controllo dei formati di trasporto e la possibilità di una loro rapida variazione permettono un utilizzo efficiente dei canali di trasporto Gestione delle priorità tra diversi flussi di dati appartenenti ad uno stesso UE: la selezione della particolare combinazione di formati di trasporto all interno di un TFCS può essere effettuata in base alla priorità del flusso dati che deve essere inviato sull opportuno canale di trasporto. In questo modo è possibile assegnare ad un flusso con alta priorità un bit rate più elevato. Il livello MAC 1. Gestione della priorità tra UE tramite la schedulazione dinamica: il MAC realizza la gestione della priorità su canali comuni e condivisi per sfruttare, per il traffico impulsivo, le risorse radio in modo efficiente. 2. Identificazione degli UE sui canali di trasporto comuni: quando un UE utilizza un canale comune, vi è la necessità di identificare in banda tale UE. Dato che il livello MAC gestisce l accesso ai canali di trasporto ed effettua il multiplexing su di essi, l identificazione degli UE è naturalmente svolta da questo livello. 3. Multiplexing e demultiplexing delle PDU dei livelli superiori: il MAC supporta il (de)multiplexing dei transport-block sui canali di trasporto in modo da concentrare in modo efficiente sullo stesso canale di trasporto i diversi servizi forniti. 4. Monitoraggio del volume di traffico: il MAC esegue misurazioni di volume di traffico sui canali logici e le comunica all RRC. In base a tali informazioni, il RRC stabilisce se vi sono modifiche da apportare alle proprietà di trasporto dei canali di traffico. 5. Cambiamento del tipo di canale di trasporto: il MAC esegue la commutazione tra canali di trasporto comuni e dedicati basandosi sulle decisioni effettuate dal RRC. 6. Cifratura: questa funzione previene acquisizioni di dati non autorizzate e viene effettuata soltanto per la modalità di trasmissione RLC trasparente

18 Il livello RLC I SERVIZI forniti sono i seguenti: 1. Instaurazione e rilascio di una connessione: RLC instaura una connessione per ogni radio bearer. 2. Trasferimento di dati in modalità trasparente: RLC trasmette le PDU dei livelli superiori senza aggiungere alcun overhead di protocollo, limitandosi solamente a segmentazione e riassemblaggio. 3. Trasferimento di dati in modalità unacknowledged: RLC trasmette le PDU dei livelli superiori senza garanzie sulla consegna all entità di pari livello. 4. Trasferimento di dati in modalità acknowledged: RLC trasmette le PDU dei livelli superiori garantendo la consegna all entità di pari livello. Nel caso in cui non fosse in grado di effettuare una consegna corretta viene inviata una notifica all entità in trasmissione. 5. Notifica degli errori irrecuperabili: RLC notifica al livello superiore la presenza di errori che non possono essere corretti all interno del livello. 35 FUNZIONI Il livello RLC 1. Segmentazione e riassemblaggio: questa funzione realizza la segmentazione ed il riassemblaggio delle PDU del livello superiore di dimensione variabile in/da RLC Payload Unit (PU) di dimensioni minori per essere adattate all insieme di formati di trasporto disponibili. 2. Concatenazione: se il contenuto di una SDU di livello RLC non rientra in un numero intero di RLC PU, RLC concatena l ultimo segmento della SDU con il primo segmento della prossima PDU. 3. Padding: quando non è possibile applicare la concatenazione ai dati rimanenti RLC inserisce bit di padding. 4. Trasferimento di dati utente: questa funzione è utilizzata per il trasporto dei dati degli utenti dei servizi RLC. Le modalità di trasferimento supportate sono di tipo acknowledged, unacknowledged e trasparente. 5. Correzione d errore: questa funzione fornisce la correzione degli errori tramite ritrasmissioni ( dei dati ricevuti non correttamente tramite la modalità di trasferimento acknowledged

19 Il livello RLC 1. Consegna in sequenza: questa funzione preserva l ordine con cui le PDU del livello superiore vengono trasferite utilizzando la modalità acknowledged. Se tale funzione non è utilizzata allora viene fornito il servizio di consegna fuori sequenza. 2. Rilevamento dei duplicati: questa funzione rileva la presenza di RLC PDU duplicate e assicura che la PDU del livello superiore venga consegnata solo una volta. 3. Controllo di flusso: tramite questa funzione il ricevitore può controllare il rate con cui la pari entità RLC in trasmissione invia le informazioni. 4. Controllo del numero di sequenza: per la modalità di trasferimento unacknowledged viene controllata l integrità delle PDU riassemblate e viene fornito un meccanismo per il rilevamento delle RLC SDU corrotte attraverso il controllo del numero di sequenza. 5. Rilevamento e recupero degli errori di protocollo: questa funzione permette di continuare le operazioni del protocollo anche in seguito alla presenza di errori. 6. Cifratura: previene acquisizioni di dati non autorizzate. 37 Canali dell interfaccia radio R R C Livello3: network Transparent Mode RLC RLC RLC RLC RLC Livello2: trasporto Canali Logici BCCH PCCH CCCH DCCH DTCH Dedicated Switching Broadcast MAC Common/Shared MAC MUX RNTI MAC Canali di Trasporto BCH PCH FACH RACH CPCH DSCH DCH DCH MUX Physical Layer MUX Livello1: fisico Canali Fisici P-CCPCH S-CCPCH PRACH PCPCH 38 SCH AICH CPICH PICH PDSCH DPDCH DPCCH Differenti in Uplink e in Downlink 19

20 Canali fisici I canali fisici sono le entità che trasportano l informazione sull interfaccia radio. Essi sono organizzati in una particolare struttura di trame e timeslot. Una trama corrisponde a 10 ms ed è costituita da 15 time slot; il numero di bit per timeslot non è fisso ma dipende dal tipo di canale fisico. I canali fisici si suddividono in canali comuni e canali dedicati. Canali fisici comuni: 39 Physical Random Access Channel (PRACH): è un canale comune in uplink utilizzato per trasportare il RACH. La trasmissione ad accesso casuale è di tipo slotted ALOHA con rapida indicazione di acquisizione. Physical Common Packet Channel (PCPCH): è un canale in uplink utilizzato per trasportare il CPCH. La trasmissione è di tipo DS-CDMA con rapida indicazione di acquisizione. Common Pilot Channel (CPICH): è un canale in downlink che trasporta una sequenza di bit predefinita ad una velocità di bit e di simbolo fissa (30kbps, SF = 256). Primary Common Control Physical Channel (P-CCPICH): è un canale in downlink a velocità fissa (30 kbps, SF = 256) utilizzato per trasportare il BCH. Secondary Common Control Physical Channel (S-CCPICH): è un canale in downlink utilizzato per trasportare il FACH e il PCH. Physical Downlink Shared Channel (PDSCH): è un canale in downlink utilizzato per trasportare il DSCH ed è condiviso da più utenti in base alla multiplazione di codice. Questo canale è sempre associato ad un DPCH. Synchronisation Channel (SCH): è un canale presente in downlink utilizzato per la ricerca della cella. Acquisition Indicator Channel (AICH): è un canale in downlink che trasporta gli indicatori di acquisizione (AI) come risposta ai tentativi di accesso effettuati dagli UE. Page Indicator Channel (PICH): è un canale a rate fisso (SF = 256) utilizzato per trasportare gli indicatori di page (PI). Il PICH è sempre associato ad un S-CCPCH sul quale viene mappato il canale di trasporto PCH. Canali fisici Canali fisici dedicati: Dedicated Physical Data Channel (DPDCH): è un canale utilizzato per trasportare i dati trasferiti dai livelli superiori attraverso il DCH. Possono esistere uno, nessuno o più DPDCH per ogni connessione di livello 1. Dedicated Physical Control Channel (DPCCH): viene utilizzato per il trasporto delle informazioni di controllo generate dal livello 1; tali informazioni consistono principalmente in sequenze di bit pilota (Pilot) per la stima del canale e in comandi per il controllo di potenza (TPC)

21 Canali di trasporto Sull interfaccia radio i dati sono trasmessi utilizzando i canali di trasporto. Essi sono mappati a livello 1 in diversi canali fisici. Quest operazione si rende necessaria per supportare canali a bit-rate variabile, condizione indispensabile per poter offrire differenti tipologie di servizi. le caratteristiche di tali canali sono definite da un formato di trasporto o da un insieme di formati di trasporto (transport-block). Un UE può avere contemporaneamente attivi uno o più canali di trasporto, ognuno con le proprie caratteristiche. I canali di trasporto possono essere suddivisi in due gruppi: Canali di trasporto comuni (Common Transport Channels): su di essi è necessaria l identificazione di ogni UE. Canali di trasporto dedicati (Dedicated Transport Channels): ogni UE è identificato dal particolare canale fisico (codice e frequenza per la modalità FDD e codice, timeslot e frequenza per la modalità TDD). 41 CONFIDENTIAL Canali di trasporto comuni: Canali di trasporto Random Access Channel (RACH): è un canale utilizzato in uplink per la trasmissione di una quantità di dati relativamente ridotta come nel caso di accesso iniziale alla rete o di trasferimento di informazioni di controllo dedicate NRT oppure dati d utente. Common Packet Channel (CPCH): è un canale comune utilizzato in uplink per trasportare dati utente a pacchetto. Il canale corrispettivo in downlink è il FACH. Forward Access Channel (FACH): è un canale comune utilizzato in downlink per la trasmissione di informazioni di controllo relative agli UE localizzati nella cella. E inoltre possibile trasportare dati utente a pacchetto. Downlink Shared Channel (DSCH): è un canale condiviso utilizzato in downlink per il trasporto di dati utente o di segnalazione dedicata. Questo canale, nella modalità FDD è sempre associato ad un DCH. Broadcast Channel (BCH): è il canale in downlink utilizzato per trasmettere le informazioni di sistema all interno dell intera cella. I dati che tipicamente sono trasmessi sono i codici e gli slot d accesso disponibili nella cella. Poiché per avere accesso alla rete ogni UE deve necessariamente aver ricevuto e decodificato il BCH, tale canale è trasmesso ad una potenza sufficientemente elevata per poter raggiungere tutti gli UE presenti nella cella. Paging Channel (PCH): è un canale utilizzato in downlink per trasmettere informazioni di controllo all interno della cella, in particolare i messaggi di paging e le notifiche di variazioni delle informazioni diffuse sul BCH. Canale di trasporto dedicato: Dedicated Channel (DCH): è un canale bidirezionale dedicato ad un particolare utente e caratterizzato dalla possibilità di cambiare la velocità di trasmissione ogni 10 ms. 42 CONFIDENTIAL 21

22 Canali logici Un canale logico identifica un particolare flusso di informazioni trasferito tra MAC e RLC (Radio Link Control). I canali logici sono divisi in due gruppi: Canali di controllo: per il trasferimento delle informazioni che dipendono dal piano di controllo. Canali di traffico: per il trasferimento delle informazioni che dipendono dal piano d utente. Canali di controllo: 43 Broadcast Control Channel (BCCH): è un canale utilizzato in downlink per la trasmissione broadcast delle informazioni di controllo del sistema nell intera cella. Paging Control Channel (PCCH): è un canale utilizzato in downlink per il trasferimento delle informazioni riguardanti i messaggi di paging diretti ai vari UE. Questo canale viene utilizzato quando la rete non conosce la cella in cui un particolare UE si trova. Common Control Channel (CCCH): è un canale bidirezionale utilizzato per la trasmissione delle informazioni di controllo tra la rete ed i vari utenti. Questo canale viene comunemente usato dagli UE che non hanno stabilito una connessione RRC con la rete e dagli UE che entrano in una nuova cella dopo la procedura di Cell Reselection. Dedicated Control Channel (DCCH): è un canale punto-punto bidirezionale che trasporta informazioni di controllo dedicate tra l RNC ed un particolare UE. L instaurazione avviene in seguito alla procedura RRC Connection-Setup. CONFIDENTIAL Canali logici Canali di traffico: Dedicated Traffic Channel (DTCH): è un canale puntopunto bidirezionale dedicato ad un UE per il trasferimento delle informazioni d utente. Common Traffic Channel (CTCH): è un canale puntomultipunto utilizzato in downlink per il trasferimento di informazioni d utente dedicate verso tutti gli UE o verso un gruppo di essi

23 Accensione Cell Search BCH PCH FACH RACH DCH DCH Physical layer MUX MUX AICH Canali Fisici PICH P-CCPCH S-CCPCH PRACH P-SCH S-SCH CPICH DPDCH DPCCH Primary SCH (passo 1): -Sincronizzazione a livello di slot -Codice universale (256 chip) in tutte le UE del mondo -Trasmesso in tutte le celle Secondary SCH (passo 2): -Sincronizzazione a livello trama (15 slot) -Identifica il codice di scrambling della cella tra 8 possibili CPICH (passo3): -Trasporta solo lo SC della cella -Tra gli 8 possibili SC trovati prima, cerco quello usato nella cella grazie al CPICH P-CCPCH (passo4): -Leggo il P-CCPCH che trasporta il BCCH 45 Location Update BCH PCH FACH RACH DCH DCH Physical layer MUX MUX AICH Canali Fisici PICH P-CCPCH S-CCPCH PRACH P-SCH S-SCH CPICH DPDCH DPCCH PRACH (passo5): -RRC Connection Request: Initial UE Id (p.es. IMSI), causa della richiesta (p.es. Registration) -FACH (passo6): -RRC Connection Setup: new U-RNTI, tipo di canale da usare (p.es. DCH), Scrambling Code, Spreading Code, Informazioni sulla potenza DPDCH (passo7): -RRC Connection Setup Complete 46 23

24 Location Update BCH PCH FACH RACH DCH DCH Physical layer MUX MUX AICH Canali Fisici PICH P-CCPCH S-CCPCH PRACH P-SCH S-SCH CPICH DPDCH DPCCH DPDCH (passo8): -RRC Initial Direct Transfer LOCATION UPDATE REQUEST (IMSI) DPDCH (passo9): -RRC Downlink Direct Transfer LOCATION UPDATE ACCEPT 47 Location Update BCH PCH FACH RACH DCH DCH Physical layer MUX MUX AICH Canali Fisici PICH P-CCPCH S-CCPCH PRACH P-SCH S-SCH CPICH DPDCH DPCCH DPDCH (passo 10): -RRC Connection Release DPDCH (passo 11): -RRC Connection Release Complete 48 24

25 .. Idle Mode BCH PCH FACH RACH DCH DCH Physical layer MUX MUX AICH Canali Fisici PICH P-CCPCH S-CCPCH PRACH P-SCH S-SCH CPICH DPDCH DPCCH PICH (passo 12): -Leggo il PICH per vedere se ci sono dei messaggi di paging per il mio paging group S-CCPCH (passo 12): -Quando indicato dal PICH, leggo il Paging Channel per vedere se ci sono dei messaggi di paging P-CCPCH (passo 12): -Leggo il P-CCPCH che trasporta il BCCH -Faccio le misure delle celle adiacenti 49 Struttura temporale dei canali radio Potenza Tempo 1 Trama = 10 ms 1 Trama = 15 Time Slot 1 Trama = Chip 1 Time Slot = 2560 Chip 1 Time Slot = 2/3 ms 1 bit Chip 1 Time Slot = 2/3 ms SF 2 SF 4 SF 8 SF 256 Chip Chip Chip Chip Chip Chip Chip Chip Chip Chip Chip Chip Chip. Chip Chip Chip Chip 1 Time Slot=2560 Chip SF 1 4 Chip = 1 bit 1 Time Slot = 640 bit 1 Trama = 9600 bit Bit rate = 960 Kbps 8 Chip = 1 bit 1 Time Slot = 320 bit 1 Trama = 4800 bit Bit rate = 480 Kbps 256 Chip = 1 bit 1 Time Slot = 10 bit 1 Trama = 150 bit Bit rate = 15 Kbps TS 0 TS 1 TS 2 TS 3 TS 4 TS 5 TS 6 TS 7 TS 8 TS 9 TS 10 TS 11 TS 12 TS 13 TS Trama = 10 ms 25

26 2560 Chip Procedura di sincronizzazione 256 Chip Cp Cp Cp Cp Cp Cs1 Cs2 Cs3 Cs.. Cs15 SCH 51 TS 0 TS 1 TS 3 TS... TS 14 Cp Primary Syncrhonization Code Sequenza identica in tutte le celle UMTS Serve al mobile per riconoscere che si tratta di un segnale UMTS Serve per la sicronizzazione di Time Slot Cs1Cs2Cs3Cs4Cs5 C P I C H P-CCPCH P-CCPCH P-CCPCH P-CCPCH P-CCPCH CPICH P-CCPCH Cs14Cs15 Secondary Syncrhonization Code Identificano uno tra 64 gruppi di Scrambling Code Primari In ogni gruppo ci sono 8 possibili Scrambling Code Primari Serve per la sicronizzazione di Trama SCH Common Pilot Channel Trasporta lo Scrambling Code identificativo della cella E uno degli 8 possibili per ogni gruppo ( in totale ci sono 8x64=512 Scrambling Code Primari ) E costituito da una sequenza di 1 moltiplicata per lo Scrambling Code Primario della cella Primary-Common Control Physical Channel E il canale che trasporta il BCCH E trasmesso alternativamente con il SCH Ha uno SF di 256 -> bitrate di 30-3 = 27 Kbps Procedura di sincronizzazione Codici di Sincronizzazione PSC Canali Logici Canali di trasporto Canali Fisici 3,84 Mcps SSC i G P Σ Sequenza di dati nulla: ad esempio tutti 1 BCCH BCH Data Broadcast Control Ch. Broadcast Ch. Encoding CPICH Common Pilot Channel P-CCPCH(*) Primary Common Control Physical Ch. S/P C ch 256,0 S/P C ch 256,1 Gain Gain Σ Codice di Scrambling della cella I + jq Σ G S SCH I Filter Filter Q Downlink RF Out RF Out I/Q Modulator L SCH è trasmesso solo durante i primi 256 chip di ogni Time Slott; Il P-CCPCH è trasmesso durante i rimanenti Chip

27 Canali dedicati DPDCH e DPCCH Canali Logici Canali di Trasporto Canali Fisici DPCH (Dedicated Physical Channel) One per UE DCCH Dedicated Control Ch. DTCH Dedicated Traffic Ch. DCH Dedicated Ch. DCH Dedicated Ch. Data Encoding Data Encoding M U X DPDCH (one or more per UE) Dedicated Physical Data Ch. M U X Pilot, TPC, TFCI bits DPCCH (one per UE) Dedicated Physical Control Ch. Traffic data (122x2) Add CRC bits Add Tail bits Conv. Coding R=1/3 Rate matching 1st interleaving Radio Frame Segmentation 12.2 kbps 244 bit ogni 20 ms 96 bit ogni 40 ms 244 Layer 3 Control data 96 CRC Add CRC bits 96 Tail 8 # #2 344 Add Tail bits Conv. Coding R=1/3 Rate matching 1st interleaving Data from second 244-bit packet #1 344 # L3 2.4 kbps 2nd interleaving CRC 16 Tail 8 #1 76 #2 76 #3 76 # slot segmentation MUX: Pilot, TPC, TFCI kbps DPCH 600 bits 600 bits 600 bits 600 bits Radio frame FN=4N Radio frame FN=4N+1 Radio frame FN=4N+2 Radio frame FN=4N+3 Canali dedicati DPDCH e DPCCH: DL Canali Logici Canali di Trasporto Canali Fisici DPCH (Dedicated Physical Channel) One per UE DCCH DCH Data Dedicated Control Ch. Dedicated Ch. Encoding M DPDCH (one or more per UE) U Dedicated Physical Data Ch. M DTCH DCH Data X U Dedicated Traffic Ch. Dedicated Ch. Encoding X DPCCH (one per UE) Pilot, TPC, TFCI bits Dedicated Physical Control Ch. 60 Kbps 30 Ksps S/P Codice di 3,84 Mcps Scrambling della cella C ch Gain I+jQ SF 128 Σ Σ I Filter Filter Q Downlink RF Out I/Q Modulator 1 Trama = 10 ms DPDCH bits DPCCH bits TPC TFCI Pilot M U X DPDCH Dati 600 bit per trama TPC TFCI DPCCH DPDCH Dati 1 Time Slot Pilot DPCCH S/P 300 bit per trama 300 bit per trama 60 Kbps 30 Ksps I Q Transmit Power Control bit Pilot bits bit In Downlink è possibile la trasmissione discontinua Transport Format Combination Indicator bit 54 1 Trama = 10 ms 1 Trama = 10 ms 27

28 Schema logico del Downlink Canali Logici Canali di Trasporto Canali Fisici Sequenza di dati nulla: ad esempio tutti 1 CPICH Common Pilot Channel S/P C ch 256,0 Gain Sync Codes(*) BCCH Broadcast Control Ch. PCCH Paging Control Ch. BCH Broadcast Ch. PCH Paging Ch. Data Encoding Data Encoding P-CCPCH(*) Primary Common Control Physical Ch. S/P C ch 256,1 Gain PSC CCCH Common Control Ch. CTCH Common Traffic Ch. FACH Forward Access Ch. Data Encoding S-CCPCH Secondary Common Control Physical Ch. DPCH (Dedicated Physical Channel) One per UE S/P C ch Gain SSC i G P Σ G S SCH DCCH Dedicated Control Ch. DTCH Dedicated Traffic Ch. 1 DTCH Dedicated Traffic Ch. N DCH Dedicated Ch. DCH Dedicated Ch. DCH Dedicated Ch. Data Encoding Data Encoding M U X Data Encoding Pilot, TPC, TFCI bits DPDCH (one or more per UE) Dedicated Physical Data Ch. DPCCH (one per UE) Dedicated Physical Control Ch. M U X S/P C ch Gain Σ Codice di Scambling della cella I+jQ Σ I Q Filter Filter Downlink RF Out I/Q Modulator SHCCH DSCH Control Ch. DSCH Downlink Shared Ch. Data Encoding PDSCH Physical Downlink Shared Channel S/P * Nota riguardante il P-CCPCH ed il SCH Access Indication data AICH (Acquisition Indication Channel) C ch S/P Gain Il SCH è trasmesso solo durante i primi 256 chip di ogni Time Slott; Il P-CCPCH è trasmesso durante i rimanenti Chip Paging Indication bits PICH (Paging Indication Channel ) C ch S/P Gain Access Preamble Indication bits AP-AICH (Access Preamble Indication Channel ) C ch S/P Gain CPCH Status Indication bits CSICH (CPCH Status Indication Channel ) C ch S/P Gain CPCH Status Indication bits CD/CA-ICH (Collision Detection/Channel Assignment ) S/P C ch Gain 55 C ch Gain Canali dedicati DPDCH e DPCCH Canali Logici Canali di Trasporto Canali Fisici SF 64 DCCH Dedicated Control Ch. DTCH Dedicated Traffic Ch. DCH Dedicated Ch. DCH Dedicated Ch. Data Encoding Data Encoding M U X DPDCH #1 Dedicated Physical Data Ch. Ch d,1 G d Σ I 60 Kbps 3,84 Mcps 12.2 kbps L3 2.4 kbps Traffic data (122x2) Add CRC bits Add Tail bits Conv. Coding R=1/3 1st interleaving Frame Segmentation Rate Matching 244 bit ogni 20 ms 96 bit ogni 40 ms 244 Layer 3 Control data 96 CRC16 CRC Add CRC bits 96 Tail 8 Tail Add Tail bits Conv. Coding R=1/ st interleaving Frame Segmentation Data from second 244-bit packet #1a 490 #2a 490 #1b 490 #2b nd interleaving slot segmentation kbps DPDCH 600 bits 600 bits 600 bits 600 bits 56 Radio frame FN=4N Radio frame FN=4N+1 Radio frame FN=4N+2 Radio frame FN=4N+3 28

29 Canali dedicati DPDCH e DPCCH: UL Canali Logici Canali di Trasporto Canali Fisici 60 Kbps DCCH DCH Data Ch d,1 G d Dedicated Control Ch. Dedicated Ch. Encoding M DPDCH #1 U Dedicated Physical Data Ch. DTCH DCH Data X Dedicated Traffic Ch. Dedicated Ch. Encoding Ch c G d DPCCH Pilot, TPC, TFCI bits Dedicated Physical Control Ch. 3,84 Mcps Σ I Σ Q Σ Σ Codice di Scambling dell utente I Filter Filter Q I+jQ Uplink RF Out I/Q Mod. 15 Kbps j 1 Trama = 10 ms SF 64 Gd 3,84 Mcps DPDCH bits DPCCH bits I Q In Uplink i canali DPDCH e DPCCH sono rispettivamente sul ramo in fase (I) e sul ramo in quadratura (Q) 4 Pilot 2 2 TFCI FBI 2 TPC Sempre 10 bit per Time Slot SF 256 Gc J Se non ci sono informazioni di traffico viene trasmesso soltanto il ramo in quadratura, non si ha quindi trasmissione discontinua Pilot Bits bit Transport Format Combination Indicator bit 57 Feed back Information bit Transmit Power Control 1-2 bit I comandi di Power Control sono trasmessi ogni Time Slot cioè 15 volte ogni 10ms ovvero con una frequenza di 1,5 Khz (Fast Power Control) Schema logico dell Uplink Canali Logici Canali di Trasporto Canali Fisici Ch d G d CCCH Common Control Ch. RACH Random Access Ch. Data Coding PRACH Physical Random Access Ch. Σ RACH Control Part Ch c Ch d G c G d j DTCH (packet mode) Dedicated Traffic Ch. CPCH Common Packet Ch. Data Coding PCPCH Physical Common Packet Ch. Σ Codice di Scambling dell utente Uplink RF Out PCPCH Control Part DPDCH #1 Dedicated Physical Data Ch. Ch c G c Ch d,1 G d j Σ I+jQ I Q Filter Filter I/Q Mod. DCCH Dedicated Control Ch. DCH Dedicated Ch. Data Encoding DPDCH #3 (optional) Dedicated Physical Data Ch. Ch d,3 G d Σ I DTCH Dedicated Traffic Ch. 1 DCH Dedicated Ch. Data Encoding M U X DPDCH #5 (optional) Dedicated Physical Data Ch. DPDCH #2 (optional) Dedicated Physical Data Ch. Ch d,5 Ch d,2 G d G d Σ Ch d,4 G d DTCH Dedicated Traffic Ch. N DCH Dedicated Ch. Data Encoding DPDCH #4 (optional) Dedicated Physical Data Ch. Ch d,6 G d DPDCH #6 (optional) Dedicated Physical Data Ch. Σ Q Ch c G d j 58 Pilot, TPC,FBI, TFCI bits DPCCH Dedicated Physical Control Ch. 29

30 Power Control 59 Problematiche di ricezione nel sistema CDMA Le disuguaglianze nella potenza dei segnali ricevuti degradano le prestazioni del sistema SSMA (Spread Spectrum MultipleAccess) Near-Far, terreno, ostacoli alla propagazione RF, effetti di tipo Turnthe-Corner. Cancellazione del segnale per fenomeni di Multipath Fading Ritardi nei tempi di inter-arrivo delle ripetizioni del segnale 60 30

31 Power Control in WCDMA Sono previste tre procedure di controllo di potenza: Open Loop Power Control (UL) Closed ( Fast) Loop Power Control (UL & DL) Outer (Slow) Loop Power Control (UL & DL) 61 Open Loop Power Control L Open Loop Power Control ha la funzione di determinare, durante la fase di Set-up, la potenza di trasmissione del mobile Viene effettuata una stima grossolana dell attenuazione di tratta in Down Link, da cui viene calcolata la potenza in trasmissione Il mobile, a partire dal valore di potenza ottenuto, invia il primo preambolo. Se non riceve un Acknowledge ripete la trasmissione aumentando la potenza (1 db). La procedura ha termine quando il mobile riceve l Acknowledge

32 Closed Loop Power Control La procedura di Closed Loop Power Control regola la potenza trasmessa in modo da mantenere il SIR (Signal to Interference Ratio) pari ad un SIR Target. Tale procedura si ha sia in Up Link che in Down Link In Up Link il nodeb misura il SIR, lo confronta con il SIR target e decide se la potenza del mobile deve essere incrementata o decrementata. In Down Link il mobile con lo stesso criterio genera i comandi di power control per il nodob I comandi di power control vengono trasmessi con frequenza pari a 1.5 khz 63 Outer Loop Power Control L Outer Loop Power Control regola il SIR target necessario per il Closed Loop Power Control sulla base di una stima della qualità della connessione. Tale procedura si ha sia in Up Link che in Down Link La frequenza dell Outer Loop Power Control è tipicamente tra i 10 e 100 Hz 64 32

33 Power Control in WCDMA Measure received power from BS Read BS transmit power from Broadcast Channel Open-Loop Power Control Compute Initial Transmit Power Increase Transmit Power by 1 db Transmit Access Preamble No Access Acknowledged? Yes Outer-Loop (slow) Power Control Inner-Loop (fast) Power Control No Raise Rx Power Target No Increase MS Transmit Power by 1 db MS Begins Uplink TCH Transmission FER Acceptable? Received power > target? Yes Lower Rx Power Target Yes Decrease MS Transmit Power by 1 db 65 Le soglie dell Outer Loop Power Control sono impostate a livello di RNC (per il DL) e di mobile per (perl UL),valutate in base a misure di Q.o.s. (es. BER) ed effettuate dalle 10 alle 100 volte al secondo in relazione al tipo di servizio Closer Loop Power Control: lavora principalmente sul DCH e sul DSCH canali dove normalmente vengono trasportati i dati CDMA POWER CONTROL Il Node-B ha inviato l ACK: inizia la procedura di instaurazione della chiamata Inner-loop power Control (Initial Receive Power Target) Inner-loop power Control (Updated Receive Power Target) Open-loop Power Control Access Preambles BS Receive Power Target 800 updates/sec (IS-95, cdma2000) 1500 updates/sec (WCDMA) time 66 Procedura di Power Ramping: il mobile a partire dal valore di potenza che ha ottenuto dall Open Loop Power Control invia dei preamboli (contenenti la propria firma) aumentando la potenza a step di 1 db. La procedura ha termine quando il Node-B risponde con un Acknowledge. 33

34 Admission Control 67 Admission Control: 3GPP L Admission Control ha il compito di ammettere o rifiutare i nuovi utenti con i relativi servizi in termini di Radio Access Bearers. L algoritmo ha sede nel Serving RNC e sostanzialmente si basa su di una stima, nell ipotesi peggiore, delle risorse necessarie al determinato utente e sull interferenza che esso genererebbe. L algoritmo di Admission entra in gioco nella fase iniziale di accesso dell UE, nel RAB assignment-reconfiguration e in handover. Il comportamento può essere diverso in funzione della priorità assegnata alle varie situazioni e servizi

35 Admission Control: 3GPP Radio resource Admission Control Nel momento in cui l UTRAN riceve una richiesta di establish o modifica di un Radio Access Bearer, da parte della Core Network, l algoritmo di Admission analizza la situazione. Se la richiesta è messa in coda entrano in gioco altre procedure come: RAB queuing, pre-emption e priority function. Admission control è interpellato dal DRNC durante un radio link setup/modify. Le informazioni relative all interferenza in UL e DL e alla potenza delle celle gestite dal DRNC sono disponibili al Serving RNC attraverso la Iur. 69 Admission Control: 3GPP Risorse Utilizzate Non si accetta più nulla L algoritmo procede con la verifica: possibile accettare Soglia limite di ingresso Time 70 Nella realtà esistono più soglie differenziate a seconda della priorità del servizio richiesto: ad esempio una chiamata entrante per Handover ha priorità maggiore rispetto ad un setup. 35

36 Admission Control: 3GPP Risorse Utilizzate Stima del servizio entrante: viene accettato Stima del servizio entrante: viene rifiutato Soglia limite di ingresso Time 71 Le stime sono calcolate in funzione del servizio e nell ipotesi peggiore. Ciò equivale a dire, per esempio, che viene calcolota la potenza necessaria di bordo cella. In effetti solo dopo la connessione si può realmente conoscere il reale utilizzo di risorse del servizio. Congestion Control 72 36

37 Congestion Control: 3GPP Il Congestion Control ha il compito di monitorare il reale carico, in termini di potenza, interferenza e risorse elaborative, degli utenti intervenendo nel caso in cui ci siano delle situazioni di overlaod. Nei casi di intervento può avvenire, per esempio per il pacchetto, la diminuzione del RAB da 384 a 128 e se non ancora sufficente a 64 e così via. Il Congestion interviene fino a che non è ripristinata la condizione di normale funzionamento. Il Congestion Control non interviene in fase di seup, come l Admission, ma durante tutto il servizio. Il Congestion Control utilizza lo user plane della Iu con meccanismi di Buffer Management (senza tuttavia controllo di flusso) 73 Congestion Control: 3GPP Risorse Utilizzate L algoritmo decide di ridimensionare le risorse: per esempio il 384 Ps lo porta a 128 Soglia di Congestion Time Funzinamento simile all Admission Control, ma NON BASATO SU STIME ma sull effettivo utilizzo delle risorse 74 37

38 STATI DELL UE 75 Stati in cui si può trovare l UE URA PCH CELL PCH CONNECTED MODE CELL DCH CELL FACH IDLE MODE 76 38

39 Stati in cui si può trovare l UE CELL DCH Presenza del DCH (o DSCH). La rete conosce l UE a livello Cella. CELL FACH Non si ha la presenza di risorse radio dedicate. Si può utilizzare i canali comuni, RACH e FACH, per inviare piccole quantità di dati. La rete conosce l UE a livello cella. Il terminale informa la rete del eventuale cambio cella con il messaggio di Cell Update. CELL PCH Non si ha la presenza di risorse radio dedicate. Non si possono trasmettere dati. La rete conosce il terminale a livello cella. L eventuale cambio di cella è comunicato dal terminale alla rete effettuando un Cell Update in FACH. URA PCH Simile al Cell PCH, ma con la differenza che il terminale è conosciuto dalla rete a livello URA (UTRAN REGISTRATION AREA). Il cambio dell URA è comunicato dal terminale alla rete attraverso il messaggio di URA Update. 77 Handover 78 39

40 HANDOVER Nel WCDMA Inter-System Handover Handover tra diversi sistemi WCDMA o tra un sistema WCDMA e un sistema TDMA Intra-System Handover Handover tra diverse frequenze dello stesso sistema WCDMA Soft Handover Handover tra celle di diversi NodeB. Durante il soft Handover, il MS è connesso a due o più NodeB Softer Handover Handover tra diverse celle dello stesso NodeB. Il MS è connesso a due o più settori dello stesso NodeB 79 HANDOVER Core Network HO decisions Serving RNC RNC 1 RNC 2 Drift RNC RNC 3 RNC 4 BSC NodeB NodeB SC 1 SC 2 SC 3 SC 4 NodeB NodeB Node B BTS f 1 f 2 SRNS DRNS UMTS GS M 80 Soft Handover Softer Handov er Soft Handover Hard Handover Hard Handover 40

41 SOFT HANDOVER VANTAGGI Migliore gestione dell interferenza nelle zone di bordo cella Consente un migliore controllo di potenza Consente un guadagno in termini di potenza ai bordi delle celle SHG Macrodiversità Non si hanno microinterruzioni delle connessioni SVANTAGGI Comporta uno spreco di codici Appesantisce la segnalazione sulle interfacce Iub, Iur IN UP LINK Nel Softer Handover i segnali vengono combinati a livello Node-B mediante il rake receiver Nel Soft Handover i segnali vengono elaborati a livello RNC. Non è previsto un combining tra segnali, ma una selezione del migliore tra quelli ricevuti. IN DOWN LINK In entrambi casi i segnali ricevuti vengono combinati nel mobile mediante rake receiver 81 Gestione ACTIVE SET MONITORING SET: lista di celle comunicata all UE dall UTRAN (max 32) su cui il mobile effettua le misure. Siamo nello stato Cell DCH ACTIVE SET: celle verso cui l UE ha una connessione attiva (max 6 link in contempoanea). Tale lista è estremamente dinamica ed è aggiornata in base alle misure effettuate dal mobile sulle celle monitorate (Monitoring Set). La rete comanda al mobile l aggiunta, il rilascio o l aggiornamento dell Active set attraverso una procedura denominata Active Set Update. L Active Set Update si basa su Eventi. L evento presente nel messaggio inviato dal mobile all RNC (Measurement Report), comunica all UTRAN una certa condizione (necessità di aggiungere una cella, di toglierla o di aggironare l Active set). A sua volta L RNC effettuerà delle azioni in base a considerzioni non solo radio, ma anche di Admission e Congestion. Le azioni sono : -Radio Link Addition -Radio Link Deletion -Combined Radio Link Addition and Removal Per alcuni eventi segue al measurement report un messaggio di Active Set Update (UTRAN->UE) e poi Active Set Update Complete (UE->UTRAN). 82 P.S. Gli eventi non si riferiscono solo alla gestione dell Active Set! 41

42 EVENTI 3GPP Event 1a: A Primary CPICH enters the Reporting Range (FDD only). Event 1b: A Primary CPICH leaves the Reporting Range (FDD only). Event 1c: A Non-active Primary CPICH becomes better than an active Primary CPICH (FDD only). Event 1d: Change of best cell (FDD only). Event 1e: A Primary CPICH becomes better than an absolute threshold (FDD only). Event 1f: A Primary CPICH becomes worse than an absolute threshold (FDD only). Event 1g: Change of best cell in TDD. Event 1h: Timeslot ISCP below a certain threshold (TDD only). Event 1i: Timeslot ISCP above a certain threshold (TDD only). Event 4a: Transport Channel Traffic Volume exceeds an absolute threshold. Event 4b: Transport Channel Traffic Volume becomes smaller than an absolute threshold. Event 5a: Number of bad CRCs on a certain transport channel exceeds a threshold. Event 6a: The UE Transmitted Power becomes larger than an absolute threshold Event 6b: The UE Transmitted Power becomes less than an absolute threshold Event 6c: The UE Transmitted Power reaches its minimum value Event 6d: The UE Transmitted Power reaches its maximum value Event 6e: The UE RSSI reaches the UEs dynamic receiver range Event 6f: The UE Rx-Tx time difference for a RL included in the active set becomes larger than an absolute threshold Event 6g: The UE Rx-Tx time difference for a RL included in the active set becomes less than an absolute threshold 83 Messaggi Reporting event 1A: A Primary CPICH enters the reporting range (FDD only) 84 42

43 Messaggi Reporting event 1B: A Primary CPICH leaves the reporting range (FDD only) 85 Messaggi Reporting event 1C: A non-active primary CPICH becomes better than an active primary CPICH (FDD only) Measurement quantity P CPICH 1 P CPICH 2 P CPICH 3 P CPICH 4 Reporting event 1C Reporting event 1C Time Figure : A primary CPICH that is not included in the active set becomes better than a primary CPICH that is in the active set In this figure, the parameters hysteresis and time to trigger, as well as the cell individual offsets for all cells are equal to 0. In this example the cells belonging to primary CPICH 1 and 2 are in the active set, but the cells transmitting primary CPICH 3 and CPICH 4 are not (yet) in the active set. The first measurement report is sent when primary CPICH 4 becomes better than primary CPICH 2. The "cell measurement event result" of the measurement report contains the information of primary CPICH 4 and CPICH 2. Assuming that the active set has been updated after the first measurement report (active set is now primary CPICH 1 and primary CPICH 4), the second report is sent when primary CPICH 3 becomes better than primary CPICH 1. The "cell measurement event result" of the second measurement report contains the information of primary CPICH 3 and primary CPICH

44 Messaggi Reporting event 1D: Reporting event 1D: Change of best cell (FDD only) Measurement quantity P CPICH 1 P CPICH 2 P CPICH3 Reporting event 1D Time Figure: A primary CPICH becomes better than the previously best primary CPICH In this figure, the parameters hysteresis and time to trigger, as well as the cell individual offsets for all cells are equal to 0. CONFIDENTIAL 87 EVENTI: Eventi Intra-frequency per FDD Reporting event 1C: A primary CPICH that is not included in the active set becomes better than a primary CPICH that is in the active set Reporting event 1C: A primary CPICH becomes better than the previously best primary CPICH Measurement quantity Measurement quantity P CPICH 1 P CPICH 1 P CPICH 2 P CPICH 2 P CPICH 3 P CPICH3 P CPICH 4 Reporting event 1C Reporting event 1C Time Reporting event 1D Time Reporting event 1C: Event-triggered report when a Primary CPICH becomes better than an absolute threshold Measurement quantity P CPICH 1 Absolute threshold P CPICH 2 P CPICH 3 88 Reporting event 1E Time 44

45 EVENTO: 2d Q T Used Viene inviato un Meassurement Report quando la qualità della frequeza servente scende al di sotto di una certa soglia. Come conseguenza la rete comanda il Compress Mode all UE. Triggering condition: Equation 1: H /2 Usedd 2 2d The variables in the formula are defined as follows: QUsed is the quality estimate of the used frequency. TUsed 2d is the absolute threshold that applies for the used frequency and event 2d. H2d is the hysteresis parameter for the event 2d. Q > T + H /2 Used Leaving triggered state condition: Equation 2: Usedd 2 2d The variables in the formula are defined as follows: QUsed is the quality estimate of the used frequency. TUsed 2d is the absolute threshold that applies for the used frequency and event 2d. H2d is the hysteresis parameter for the event 2d. 89 EVENTO: 2e Viene inviato un Meassurement Report quando la qualità della frequeza non utilizzata scende al di sotto di una certa soglia. Triggering condition: Equation 1: Q Nonused T H /2 Nonusede 2 2e The variables in the formula are defined as follows: QNon used is the quality estimate of a non-used frequency that becomes worse than an absolute threshold. TNon used 2e is the absolute threshold that applies for that non-used frequency for that event. H2e is the hysteresis parameter for the event 2e. Leaving triggered state condition: Equation 2: Q > T + H /2 Nonused Nonused 2e 2e The variables in the formula are defined as follows: QNon used is the quality estimate of a non-used frequency stored in the variable TRIGGERED_2E_EVENT. TNon used 2e is the absolute threshold that applies for that non-used frequency for that event. H2e is the hysteresis parameter for the event 2e

46 EVENTO: 2f Viene inviato un Meassurement Report quando la qualità della frequeza utilizzata sale al di sopra di una certa soglia. Uscita dal Compress Mode Triggering condition: Equation 1: Q T + H /2 Used Used2 f 2f The variables in the formula are defined as follows: QUsed is the quality estimate of the used frequency. TUsed 2f is the absolute threshold that applies for the used frequency and event 2f. H2f is the hysteresis parameter for the event 2f. Q < T Used Leaving triggered state condition: Equation 2: H /2 Used2 f 2f The variables in the formula are defined as follows: QUsed is the quality estimate of the used frequency. TUsed 2f is the absolute threshold that applies for the used frequency and event 2f. H2f is the hysteresis parameter for the event 2f. 91 Rake Receiver 92 46

47 Effetti del canale di propagazione τ1 τ2 τ3 f τ2 t t Nel caso di segnale a banda stretta gli impulsi sono lunghi nel tempo. τ3 τ1 93 Gli echi si sovrappongono Effetti del canale di propagazione τ1 τ2 τ3 f t t τ3 τ2 τ1 Nel caso di segnale a banda larga gli impulsi sono corti nel tempo. 94 Gli echi si non sovrappongono 47

48 Effetti del canale di propagazione In presenza di multipath si ricevono repliche distorte e ritardate del segnale Se gli impulsi non si sovrappongono e si è in grado di stimare dinamicamente gli effetti del multipath, si può costruire un ricevitore che rifasi e ritardi i vari contributi e li combini (Rake Receiver) τ0 t τ0 -τ1 τ1 -τ2 + τ3 τ2 τ1 τ0 τ2 - τ3 t 95 IL RAKE RECEIVER Il rake receiver utilizza diversi correlatori in banda base per elaborare separatamente le diverse componenti di segnale generate dal multipath Le uscite dei correlatori vengono combinate. Esistono due metodi principali per combinare le uscite dei correlatori: 1. il metodo equal-gain combining, che assegna lo stesso peso a ciascun ramo (finger) del rake. 1. il metodo maximal-ratio combining, che usa le uscita dei finger per stimare i pesi che massimizzano il SNR dell uscita combinata Questo tipo di ricevitore sfrutta la propagazione dei cammini multipli (dovuti a riflessioni e diffrazioni delle onde elettromagnetiche); utilizzando le proprietà delle sequenze di spreading è possibile separare i vari echi e ricombinare la loro energia in modo costruttivo. 96 Rake vuol dire rastrello, e utilizzando i diversi ricevitori all interno, allinea i diversi contributi che vengono ricombinati effettuando una somma pesato, ottenendo un unico valore. 48

49 IL RAKE RECEIVER Architettura del RAKE Receiver nel mobile Ogni finger è sintonizzato su una singola replica del segnale dovuta al multipath In caso di soft handover alcuni finger sono utilizzati per i segnali provenienti dalle altre BS Finger #1 Finger #2 Combiner Somma delle componenti di multipath Finger #N Searcher Finger Misura di potenza delle Base Station adiacenti 97 N.B.: Il rake receiver dispone di 8 fingers. Si è però constatato tramite simulazioni che l ottima condizione di funzionamento si ottiene con 3 4 rami contemporaneamente utilizzati N.B.: Gli 8 fingers del rake sono giustificati dalla possibilità di ricombinare anche i segnali in condizioni di soft handover (con diversi codici di scrambling e diversi codici ortogonali) Codifica Vocale AMR 98 49

50 Codifica Vocale AMR La codifica vocale nel UMTS viene realizzata utilizzando una codifica AMR (Adaptive Multi Rate) 99 La codifica AMR permette di codificare la voce a bit rate variabile. Nell UMTS vengono utilizzati 8 bit rate diversi: 12.2 Kbps 10.2 Kbps 7.95 Kbps 7.40 Kbps 6.70 Kbps 5.90 Kbps 5.12 Kbps 4.75 Kbps Nelle prime release viene supportata solo la 12,2 Kbps Con tali bit rate viene garantita l interoperabilità con le altre reti cellulari esempio 12.2 kbps ( GSM) 7.4 kbps (US-TDMA) 6.7 kbps (Japanese) L utilizzo di differenti bit rate consente una migliore gestione dell albero dei codici e delle potenze trasmesse: quindi un conseguente miglioramento delle prestazione di sistema Il bit rate utilizzato viene controllato dalla rete e può essere variato ogni 20 ms Procedure

51 Classificazione tipologia malfunzionamenti Radio UTRAN / UE Condizioni radio non buone RRC connection release con causa unspecified : interferenza, risorese carenti, Admission Control, Congestion Control. Rete Siemens Measurement Report da parte dell UE con la richiesta di aggiungere una cella in active set (eventi 1a o 1c) Rilascio da parte della rete con rrc connection release unspecified La tecnologia Siemens di 2.0 rilascia sempre una chiamata in seguito ad un fallimento di un handover. Rete Ericsson Probabile rilascio per problemi su Iur in seguito all HO Inter RNC 101 Malfunzionamenti: Mobile agganciato non alla best server In alcune circostanze il mobile rimane in una cella che non è la best server. Esso invia pertanto dei Measurement Report per aggiungere una cella in Active Set senza tuttavia avere risposte dall RNC. Possibili cause: 1 Istante n: Ec/Io della cella in A.S. maggiore di 3 db rispetto alla best monitored Istante n+1: Ec/Io della best server in A.S. 3-4 db sotto la best monitored Mobile comincia ad inviare M.R. in continuazione, ma la BLER sale al 100% Anche se la rete riceve dei M.R. e risponde, da parte del mobile non si sente più nulla, la chiamata cade. 2 Se durante la chiamata, viene effettuata una procedura di ROUTING AREA UPDATE, e questa fallisce (ne è indice un messaggio di ROUTING AREA REJECT procedura di security), l RNC non considera più validi i messaggi inviatigli dal mobile e la chiamata cade

52 Malfunzionamenti: una cella in Active Set non in buone condizioni radio e NAS Disconnect In Active Set possono rimanere delle celle con qualità molto bassa (Ec/Io<-15 db), (mobile tarda ad eliminarle). La BLER sale al 100%, nonostante in A.S. ci sia almeno un altra cella in buoni/ ottime condizioni radio. In genere i messaggi NAS di disconnessione pesano maggiormente sui setup failure rispetto alle dropped. Le cause di dropped NAS possono essere di due cause: Normal: (se ci sono due telefoni 3 in chiamata (voce o video) e uno dei due droppa per qualsiasi causa, l altro riceve dalla CN un messaggio di DISCONNECT e29f (Location: Public Network, 9f: Normal unspecified) Abnormal: Qualunque causa di DISCONNECT in downlink diversa da e090 (Location: user; causa: Normal Call Clearing) come e29f, e39f, e190. E39f: Location: Transit Network; cause Normal Unspecified E190: Location: Private Network; cause Normal Call Clearing E2a2: Location: Public Network; cause No circuit/channel available 103 HSDPA High Speed Downlink Packet Access

53 Introduzione L HSDPA rappresenta l ultima evoluzione dei sistemi cellulari di terza generazione, WCDMA (UMTS), per quanto riguarda la gestione del traffico a pacchetto in Downlink ad elevata bit rate. Motivazioni tecniche Elevato throughput in Downlink mediante l utilizzo di un canale condiviso (HS-DSCH) Aumento della qualità di servizio QoS Utilizzo migliore dello spettro in termini di efficienza spettrale Aumento della capacità di rete Download di file ad alta velocità Supporto ottimale per Video streaming e servizi IMS quali:» Chat» Video Conference» Push to Talk» Real-time multiplayer games 105 Introduzione Motivazioni di Mercato L utilizzo di un canale condiviso(hs-dsch) consente di fornire servizi ad elevata bit rate con costi minori rispetto all utilizzo di canali dedicati Migrazione verso l HSDPA mediante riconfigurazioni software (a livello di RNC e NodeB) Investimenti limitati per i gestori minor costo per bit Standardizzazione L HSDPA è una tecnica di accesso incluso nelle specifiche WCDMA 3GPP Release 5. La sua implementazione si integra perfettamente con i servizi dell attuale Release 99 WCDMA

54 Additional channels The HSDPA concept introduced few additional transport and physical channels HS-DSCH (High Speed Downlink Shared CHannel) It is the transport channel that carries the user data in the downlink direction HS-SCCH (High Speed Shared Control CHannel). It carries the necessary control information to enable decoding of the data on HS-DSCH and to perform the possible physical layer combining HS-DPCCH (High Speed Dedicated Physical Control CHannel). It carries the necessary control information in UL (both ARQ ACK/NACK and downlink feedback) HS-PDSCH (High Speed Physical Downlink Shared CHannel). It is both time and code shared between users attached to a NodeB LOGICAL CHANNELS TRANSPORT CHANNELS PHYSICAL CHANNELS 107 Canale di trasporto HS-DSCH HS-DSCH category Max bit rate Category Mbps QPSK e 16QAM Category Mbps QPSK e 16QAM Category Mbps QPSK e 16QAM Category Mbps QPSK e 16QAM Category Mbps QPSK e 16QAM Category Mbps QPSK e 16QAM Category Mbps QPSK e 16QAM Category Mbps QPSK e 16QAM Category Mbps QPSK e 16QAM Category Mbps QPSK e 16QAM Category kbps QPSK Category Mbps QPSK

55 UTRAN Architecture and Stack changes The PDCP, RLC and MAC-d layers are unchanged from the Release '99 Release 4 architecture RLC can operate in either AM or UM mode (not TM) PDCP can be configured either to perform or not to perform header compression MAC-d is retained in the S-RNC 109 Instead: RRC is modified with new information elements introduced in procedures used to setup/delete/reconfigure the new HS-DSCH The new functionalities of Hybrid ARQ and HS-DSCH scheduling are included in the MAC layer. In the UTRAN these functions are included in a new entity called MAC-hs located in Node B Moduulazione Viene sfruttato il canale di trasporto, High Speed Downlink Shared Channel (HS-DSCH). Troughput nella prima fase dai 7MBps ai 14MBps. Le evoluzioni future prevedono l utilizzo di modulazioni e codifiche ancora più spinte con l obbiettivo di avere in downlink throughput intorno ai 30 Mbps. 110 Viene sfruttato il canale di trasporto, High Speed Downlink Shared Channel (HS-DSCH) Analogamente è prevista la duale funzionalità per l uplink HSUPA ancora in fase di standardizzazione 55