U niversal M obile T elecommunication S ystem. Chiara Zaniboni 20 giugno 2006

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1 U niversal M obile T elecommunication S ystem Chiara Zaniboni 20 giugno 2006

2 3G: perché? Necessità di avere una modalità di accesso globale all intera rete indipendentemente da posizione e mobilità degli utenti Rapidissimo incremento del numero di utenti di telefonia mobile necessità di aumentare la capacità Forte aumento del traffico dati su reti wireless Introduzione di nuovi servizi con differenti requisiti di connettività e di qualità Il GSM e la sua diretta evoluzione (GPRS) non sono adatti a gestire il volume di traffico previsto

3 3G in Italia: lo standard UMTS L idea iniziale di avere un unico standard di livello mondiale per i sistemi 3G è stata abbandonata per ragioni geopolitiche L UMTS è stato standardizzato dal 3GPP ( ente nato nel 1998 e costituito da un ampio ventaglio di soggetti differenti (produttori, operatori del mercato IT, autorità regolatorie e istituzioni governative, consorzi e organizzazioni di standardizzazione) di varie nazioni/continenti 3GPP: membri fondatori Countries with UMTS Licensed Spectrum at 2.1 GHz

4 UMTS: generalita Interfaccia radio W-CDMA Supporta sorgenti con bit rate elevate e variabili Differenziazione della qualità di servizio (QoS): Conversational (es. servizi voce) Streaming (es. download di dati da un server) Interactive (es. web browsing) Background (es. , sms, mms) Possibilità di offrire nuovi servizi, sia a commutazione di circuito che di pacchetto Coesistenza con il sistema GSM e possibilità di riutilizzarene elementi di rete

5 Duplexing e allocazione delle frequenze Europa: FDD: MHz and MHz TDD: MHz and MHz In Italia MHz FDD, 5 MHz TDD: H3G MHz FDD, 5 MHz TDD: Vodafone, Tim, Wind SISTEMA UMTS: Attualmente utilizza unicamente l interfaccia di tipo FDD 2 bande separate e simmetriche per le 2 tratte (UL e DL)

6 Accesso multiplo CDMA f B1 B2 B3 B4 FDMA TX1 RX1 TX2 RX2 TX3 Canale Radio RX3 TDMA TXN RXN t t t CDMA

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

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

9 Richiami sui sistemi CDMA (III) A seguito dell operazione di despreading rimane un livello di interferenza residua dipendente dai valori di crosscorrelazione tra i codici utilizzati Codici ORTOGONALI: Devono essere sincroni Hanno crosscorrelazione nulla In condizioni di propagazione IDEALI consentono di estrarre il segnale utile annullando l effetto delle interferenze mutue. SISTEMA UMTS: Lo standard NON prevede la diffusione di un sincronismo di sistema

10 Scelta dei codici Per essere utilizzata in sistemi CDMA una famiglia di codici deve soddisfare certe caratteristiche che possono essere espresse in termini di: Autocorrelazione, per l aggancio del sincronismo: ogni codice deve avere funzione di autocorrelazione con bassi picchi secondari 1 -T c T c -1/N Crosscorrelazione, per limitare l interferenza reciproca: due codici qualsiasi della famiglia devono presentare bassi valori dei picchi massimi di crosscorrelazione NT c

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

12 Spreading factor: esempio Spreading factor FISSO: B r1 Slot B r2 Slot SF = 2 => 4 chips per slot Spreading factor VARIABILE: B r1 Slot SF = 2 => 2 chips per slot B r2 Slot SF = 2 => 4 chips per slot SF = 4 => 4 chips per slot

13 Spreading e scrambling (I) Ogni comunicazione è distinta dalle altre tramite l assegnamento di un codice. Oltre a produrre l allargamento di banda i codici devono permettere di distinguere tra loro: 1.Le differenti sorgenti trasmissive: Stazioni base nella tratta di downlink Terminali mobili nella tratta di uplink 2.Le differenti trasmissioni di una singola sorgente: Differenti canali di una stessa stazione base nella tratta di downlink Differenti canali di uno stesso terminale mobile nella tratta di uplink. SISTEMA UMTS: Differenti trasmissioni di una stessa sorgente sono SINCRONE => cod. ortogonali Differenti trasmissioni di differenti sorgenti NON sono sincrone

14 Spreading e scrambling (II) Tutto questo è ottenibile tramite la moltiplicazione del segnale di sorgente non con un solo codice (come visto fino ad ora) ma con 2 codici: Codice di SCRAMBLING: Distinguono tra loro le differenti sorgenti trasmissive Codici di SPREADING o CANALIZZAZIONE: Separano i segnali di una singola sorgente trasmissiva Allargano lo spettro del segnale Bit rate Chip rate Chip rate DATA Channelisation code Scrambling code

15 Codici di spreading (I) SISTEMA UMTS: Codici OVSF (Orthogonal Variable Spreading Factor), sia in uplink che in downlink Sono rappresentabili tramite un diagramma ad albero in cui ogni parola è associata ad un ramo c (c,c) c 1,1 = (1) c 2,1 = (1,1) c 4,1 = (1,1,1,1) c 4,2 = (1,1,-1,-1) c 4,3 = (1,-1,1,-1) (c,-c) c 2,2 = (1,-1) c 4,4 = (1,-1,-1,1) SF = 1 SF = 2 SF = 4 I chip di ogni parola di codice sono di volta in volta tutti contenuti nel tempo di bit della sorgente Il numero di chip di ogni parola è lo spreading factor. Ad ogni livello nell albero corrisponde un fissato valore di spreading factor.

16 Codici di spreading (II) Se si vuole conservare l ortogonalità i codici OVSF NON possono essere utilizzati tutti contemporaneamente. Esempio: c 1,1 = (1) c 2,1 = (1,1) c 2,2 = (1,-1) c 4,1 = (1,1,1,1) c 4,2 = (1,1,-1,-1) c 4,3 = (1,-1,1,-1) c 4,4 = (1,-1,-1,1) SF = 1 SF = 2 SF = 4 Le condizioni di propagazione reali (cammini multipli, distorsioni, ) degradano l ortogonalità => anche in condizioni di sincronismo si ha un residuo di crosscorrelazione NON nullo

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

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

19 Capacità in uplink Rapporto segnale/interferente a RF (in aria) C/I C = potenza segnale utile I = potenza interferente (altri utenti del sistema, rumore termico, ) Rapporto Eb/No al demodulatore (dopo il despreading): è pari al rapporto delle densità di potenza, quindi E b N 0 = C R I W = C R W I = W R C I SIR Guadagno di processo

20 Interferenza e capacità Gli utenti possono trasmettere tutti alla stessa frequenza e nello stesso istante La capacità è stabilita dal livello di interferenza tollerabile sull interfaccia radio => SOFT CAPACITY Effetto near-far E necessario il CONTROLLO DI POTENZA : in uplink tutti i segnali devono arrivare alla stazione base con lo stesso livello di potenza (controllo di potenza IDEALE)

21 Copertura e capacità Controllo di potenza Limite massimo alla potenza trasmissibile dal terminale mobile Le dimensioni della cella variano al variare del numero di utenti attivi in essa: CELL BREATHING 2 utenti attivi nella cella 3 utenti attivi nella cella 3 1, P MAX 2 R C1 1, R C2 < R C1 P MAX R C 2 2

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

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

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

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

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

27 Soft handover Il terminale mobile può coinvolgere nella chiamata tutte le stazioni base da cui riceve un segnale di riferimento (pilota) sufficientemente buono (SIR pilot >SIR pilot_target ). Si individuano quindi zone differenti: Active set = 1 Active set = 2 Active set = 3

28 Soft vs. hard handover measurement connection measurement connection BTS 1 BTS 2 Hard Handover GSM BTS 1 BTS 2 Soft Handover UMTS

29 Macrodiversità (I) Active set > 1 => il terminale mobile opera in MACRODIVERSITA DOWNLINK: il terminale mobile riceve la stessa informazione utile da più di una stazione base contemporaneamente Ogni link verso una delle stazioni base dell active set utilizza una differente coppia di codici (spreading + scrambling) Il terminale può migliorare la qualità della comunicazione combinando i segnali che riceve dalle stazioni base a cui è contemporaneamente connesso Active set size = 2

30 Macrodiversità (II) UPLINK: Il segnale trasmesso dal terminale mobile viene decodificato da tutte le stazioni base appartenenti all active set I segnali decodificati dalle differenti stazioni base dell active set vengono ricombinati dalla rete in un nodo di livello superiore (RNC) Si ottiene un miglioramento della qualità della comunicazione RICOMBINAZIONE Link dell active set Cella 1 Cella 2 Segnalazione verso il livello superiore della rete

31 Architettura di rete (1) Gli elementi della rete possono essere suddivisi in 2 gruppi, individuando 2 sottoreti: 1. UMTS Terrestrial Radio Access Network (UTRAN) la quale si occupa di tutte le funzionalità relative alla parte radio. E composta da elementi detti RNS (Radio Network Subsystem), composti a loro volta da RNC (Radio Network Controller), punto di accesso per tutti i servizi forniti dalla UTRAN alla Core Network (rete fissa). Controllo del carico e delle congestioni, admission control, allocazione dei codici per i nuovi link, Uno o più Node B (Stazioni Base), ciascuno dei quali gestisce un gruppo di celle. Codifica, rate adaptation, power control, 2. Core network (CN) responsabile di switching e routing delle chiamate e delle connessioni dati verso le reti esterne: Reti a commutazione di circuito (con tecnologia ISDN-derived) Reti a commutazione di pacchetto (con tecnologia IP-derived)

32 Architettura di rete (2) Switch Switchverso reti reti wired wiredper per servizi servizi a commutazione commutazione di di circuito circuito Radio Radio resources resources management management Switch Switchverso rete rete dati dati wired wired per per servizi servizi a commutazione commutazione di di pacchetto pacchetto Terminale Terminale mobile mobile Stazione Stazione base base

33 Servizi 3G kbit/s Live sport News Video rate Video musicali Gaming 8 High quality music Cartoline elettroniche Audio rate Radio 256 kbit/s

34 Servizi e QoS 1. CONVERSATIONAL Voce Ritardo tollerato 2. STREAMING Dati real time (video-on-demand, ) 3. INTERACTIVE Web browsing Reperimento dati in archivi elettronici Error rate tollerata 4. BACKGROUND SMS