High Speed Downlink Packet Access

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1 UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI MILANO Dipartimento di Tecnologie dell Informazione High Speed Downlink Packet Access Genovese Angelo Protocolli Avanzati di Rete - Prof. Ernesto Damiani Anno Accademico 2007/08

2 Indice Introduzione IV I UMTS XIII 1 Servizi UMTS 2 2 La rete UMTS Interfacce UMTS Interfaccia Iu Interfaccia Iur Interfaccia Iub Il WCDMA Architettura dell UTRAN Canali UMTS Canali logici Canali logici di controllo Canali logici di traffico Canali di trasporto Canali dedicati Canali condivisi Canali comuni Canali fisici Dedicated Physical Channel Livello fisico Livello MAC Architettura del livello MAC Livello RLC I

3 INDICE INDICE 3.5 Radio Resource Control (RRC) ARQ, Power Control e Handover Automatic Repeat Request (ARQ) Protocol Stop-and-Wait Sliding Window Power Control Controllo ad anello aperto Controllo ad anello chiuso Handover Hard Handover Soft e Softer Handover II HSDPA 28 5 Dall UMTS all HSDPA 30 6 Innovazioni nell architettura Canali HSDPA HS-DSCH HS-SCCH HS-DPCCH Il MAC-hs Architettura del livello MAC nell UTRAN Architettura del livello MAC nell User Equipment AMC, HARQ e Packet Scheduling Adaptive Modulation and Coding (AMC) HARQ Chase Combining Incremental Redundancy Self-Decodable IR Il protocollo HARQ Packet Scheduling Round Robin Fair Throughput Max C/I II

4 INDICE INDICE Proportional Fair Bibliografia 46 Elenco delle figure 47 Elenco delle tabelle 48 III

5 Introduzione L argomento di questo progetto è la recente tecnologia HSDPA, il cui scopo principale è aumentare la velocità nella ricezione di dati (downlink) nelle reti di terza generazione e rappresenta un miglioramento delle reti UMTS come il GPRS e l EDGE lo furono per le reti GSM. Dopo una breve introduzione con la breve storia del passaggio dalla telefonia analogica di prima generazione (la cosiddetta 1G) fino a quella di terza generazione (3G), vedremo nella Parte I le caratteristiche fondamentali della rete UMTS, per poi approfondire nella Parte II i miglioramenti apportati dall HSDPA. Tre generazioni di telefonia mobile In questo capitolo tratteremo principalmente delle ultime due maggiori tecnologie di telefonia cellulare, GSM e UMTS, evidenziando il passaggio dai sistemi precedenti alle più recenti tecnologie a diffusione mondiale. GSM Il passaggio dalla prima alla seconda generazione di telefonia mobile vide la trasformazione della tecnica di trasmissione da quella analogica a quella digitale, il che permise un notevole miglioramento dei servizi, tra cui crittazione delle telefonate, scambio di messaggi (SMS), scambio di dati ed una migliore allocazione dello spettro del segnale. La principale tecnologia di seconda generazione, il GSM 1, è usato da circa l 80% degli utenti nel mondo. Laddove le precedenti tecnologie non erano standard, il GSM introdusse delle specifiche per l interfacciamento dei componenti della rete, in modo che apparecchi di produttori diversi potessero essere usati in modo combinato. Le interfacce standard permisero così di non preoccuparsi della realizzazione interna dei vari componenti. 1 Global System for Mobile communications IV

6 INDICE INDICE Un altra importante novità fu l introduzione del carico di lavoro distribuito su tutta la rete. La rete GSM era quindi composta delle seguenti parti (Figura 1): Figura 1: Struttura della rete GSM Network Subystem (NSS); Base Station Subystem (BSS); Network Management Subystem (NMS); Mobile Station Subystem (MS); Il BSS è la parte di rete che si occupa di controllare il canale radio, mentre il NSS (anche definito Core Network) ha le funzioni di controllo della chiamata, si occupa cioè di connettere gli utenti. Il NMS è infine il sottosistema per la gestione e la manutenzione della rete stessa. Le interfacce standard sono due: Um e A. L interfaccia Um è molto simile all intefaccia U dei terminali ISDN (la m sta appunto, per Modified ). Il MS è la combinazione di due elementi: il Mobile Equipment (ME) ed il Subscriver Identity Module (SIM). Il Base Station Controller (BSC) è l elemento centrale del Base Station Subsystem e si occupa di instaurare connessioni radio verso il MS e connessioni fisiche verso il NSS, V

7 INDICE INDICE mentre la Base Transceiver Station (BTS) controlla l interfaccia radio Um occupandosi del signaling, della cifratura e dell elaborazione della voce. Il Transcoding and Rate Adaption Unit (TRAU) infine, si occupa della codifica della voce. Il Mobile Switching Centre (MSC) ha il compito di controllare le chiamate, di interfacciarsi con il BSS e le altre reti, di addebitare dei costi e di gestire le statistiche. Nell HLR (Home Location Register) sono mantenute le informazioni degli utenti e di routing. il VLR (Visitor Location Register) contiene invece le variabili e le funzioni necessarie per la gestione delle chiamate. L Autentication Centre (AuC) e l Equipment Identity Register (EIR) si occupano di funzioni legate alla sicurezza. La velocità base del GSM (9.6 kb/s) diventò presto insufficiente per le richieste di trasferimento dati (per esempio per la navigazione in Internet). Furono quindi introdotti alcuni miglioramenti per aumentarne la velocità, primo fra tutti l ottimizzazione della codifica del canale, che portò la velocità a 14 kb/s. Secondariamente furono ideati diversi canali per il trasferimento di dati (al posto di uno solo). Questa tecnica, chiamata High Speed Circuit Switched Data (HSCSD) era buona in teoria permettendo velocità fino a 50 kb/s ma consumava molte risorse e dipendeva il larga misura dalla politica dei prezzi dell operatore che la metteva in pratica. Inoltre, la banda era allocata molto in favore del downlink a scapito dell uplink. L interfaccia Um a commutazione di circuito non era il miglior modo possibile per le connessioni dati, se consideriamo che il traffico dati è quasi sempre a commutazione di pacchetto. Il miglioramento in questo senso fu dato dall introduzione del General Packet Radio Service (GPRS), che richiedeva due ulteriori nodi: il Service GPRS Support Node (SGSN) ed il Gateway GPRS Support Node (GGSN). Usando questi nodi il MS era in grado di formare connessioni Packet-Switched attraverso la rete GSM per raggiungere reti esterne, come Internet (Figura 2). Per migliorare la velocità di trasferimento dati fu anche introdotta una nuova tecnica di modulazione nell interfaccia radio, chiamata 8-PSK: questa tecnica usa un simbolo per portare tre bit di informazione (mentre con il GSM un simbolo corrispondeva ad un bit). Questa innovazione, unita ad una migliorata codifica del canale, fu nota come Enhanced Data Rates for GSM Evolution (EDGE). In questo modo la velocità massima ottenibile raggiunse i 384 kb/s, usando tutti e 8 gli slot temporali a disposizione. Il nuovo BSS che implementa la tecnologia EDGE prende il nome di GERAN (GSM/EDGE Radio Access Network). VI

8 INDICE INDICE Figura 2: La rete GPRS VII

9 INDICE INDICE UMTS A causa delle richieste crescenti di servizi wireless dovuti alla sempre maggiore diffusione dei contenuti multimediali, di Internet e della telefonia mobile, il 3GPP 2 ha iniziato a sviluppare la rete cellulare di terza generazione, secondo lo standard ITU-2000 definito dall ITU 3. Tra i requisiti dell ITU-2000 annoveriamo: una maggiore velocità, una migliore efficienza spettrale 4, il supporto alle connessioni Packet-Switched e Circuit-Switched, un maggior numero di servizi e diverse richieste di Quality of Service. La più importante tecnologia a rispettare questi requisiti è l UMTS 5, pensato come il successore del GSM. L UMTS supporta infatti un gran numero di servizi e permette l accesso alle reti tradizionali PSTN e ISDN, così come l accesso a Internet ed a numerosi contenuti multimediali. L evoluzione della tecnologia UMTS è stata organizzata in fasi, a partire dalla prima, chiamata Release 99, fino alla Release 8 introdotta nel Noi ci concentremo sulle Release 99, 4 e 5, nella quale fu introdotto l HSDPA. Nei capitoli seguenti sono elencate le principali innovazioni di ogni nuova fase. Release 99 La terza generazione di telefonia cellulare introduce una nuova tecnica di accesso radio, il Wideband Code Division Multiple Access (WCDMA). Questa tecnica è universale, è cioè possibile per ogni dispositivo 3G accedere ad una qualsiasi rete 3G. Inoltre, è dimostrato che ha un efficienza spettrale migliore rispetto al TDMA ed è più adatto al trasferimento di pacchetti. Poichè la tecnologia UMTS non è compatibile con il GSM, bisogna introdurre due nuove apparecchiature: il Radio Network Controller (RNC) e la Base Station (BS), che insieme all interfaccia che controlla l accesso WCDMA formano la UMTS Terrestrial Radio Access Network (UTRAN) (vedi Figura 3). Dovendo però garantire l interoperabilità tra reti UMTS e GSM, è stata modificata l interfaccia radio GSM in modo da trasmettere informazioni riguardo la rete radio WCDMA e in modo inverso si è fatto con l interfaccia WCDMA. Secondariamente, sono state introdotte le nuove funzionalità 3G nell MSC e nel VLR per quanto riguarda la rete Circuit-Switched. La rete Packet-Switched, invece, è una versione evoluta di quella del 2 3G Partnership Project, una collaborazione tra gruppi di telecomunicazioni 3 International Telecommunication Union, organizzazione nate per regolare e standardizzare le telecomunicazioni 4 Quantità di informazione trasportata in una certa larghezza di banda 5 Universal Mobile Telecommunications System VIII

10 INDICE INDICE Figura 3: Rete 3G, Release 99 IX

11 INDICE INDICE sistema GPRS. La differenza più importante è relativa al SGSN: mentre nelle reti 2G il SGSN è il principale responsabile del Mobility Management (vedi Capitolo 2), nelle reti 3G questa funzionalità è divisa tra il RNC e il SGSN. In questo modo i cambiamenti di cella non sono necessariamente visibili alla rete PS, ma sono gestiti a livello di UTRAN. Release 4 La Release 4 del 3GPP prevede alcuni miglioramenti, tra cui annoveriamo: funzionalità repeater per l UTRA Frequency Division Duplex; stack IP per i protocolli del CN; il Core Network Circuit-Switched diventa bearer 6 -independent. Nella Release 99 il MSC aveva le funzioni di connessione e di controllo della connessione; nella Release 4, invece, sono stati introdotti il Circuit-Switched Media Gateway (CS-MGW), che si occupa di stabilire la connessione, e il MSC Server, che ha le funzioni di controllo della connessione. Per ogni MSC Server possono esserci più CS-MGW (Figura 4). Release 5 La Release 5 del 3GPP si concentra prevalentemente sui seguenti punti: usare il protocollo IP su tutto il sistema. Questo permette di semplificare la struttura della rete stessa; introdurre l IP Multimedia System (IMS) per permettere l uso di servizi multimediali avanzati; unificare l interfaccia tra le varie Access Network e Core Network. In questo modo l utente finale può anche non essere a conoscenza della rete a cui accede. Per fare questo è stata adottata l interfaccia Iu anche tra GERAN e CN (Figura 5); aumentare la velocità in downlink dell interfaccia radio dell UTRAN. Poichè molti dei servizi richiedono velocità di trasferimento asimmetriche tra uplink e downlink, è stata introdotta una serie di cambiamenti nota con il nome di High Speed Downlink Packet Access (HSDPA). 6 Insieme di servizi necessari alla connessione tra UE e CN X

12 INDICE INDICE Figura 4: Rete 3G, Release 4 XI

13 INDICE INDICE Figura 5: Rete 3G, Release 5 XII

14 Parte I UMTS XIII

15 In questa parte dedicata all UMTS forniremo un introduzione sulla terza generazione di telefonia cellulare, evidenziandone gli aspetti commerciali come i servizi offerti ed i requisiti di QoS (Capitolo 1), l architettura delle varie componenti dal dispositivo mobile in mano all utente fino alla rete centrale (Capitoli 2 e 3) così come gli algoritmi e le funzionalià alla base del controllo della rete (Capitolo 4). Gli aspetti architetturali saranno esposti dal punto di vista della struttura a livelli e delle funzionalità offerte. 1

16 Capitolo 1 Servizi UMTS L UMTS supporta un gran numero di applicazioni, ognuna con diverse modalità di connessione e diverse richieste di Quality of Service. Lo standard 3GPP diversifica i servizi in quattro classi, ognuna delle quali definisce delle priorità e specifica l allocazione delle risorse radio, in modo che la rete centrale possa conoscere quante risorse sono necessarie per ogni servizio in modo da gestirlo oppure no, e l ordine in cui farlo: i servizi con priorità minore saranno gestiti dopo quelli a priorità più alta. Vediamo più in dettaglio le classi: Conversational Class Applications: questa classe comprende i servizi come chiamate voce, video-chiamate ed applicazioni come NetMeeting e giochi multiplayer. Questa classe è la più stringente per quanto riguarda i requisiti di QoS, soprattuto per il ritardo, che deve essere il minimo possibile. È dimostrato che fino a 150 ms il ritardo è accettabile e fino a 400 ms è tollerabile. Per questo motivo non si usa alcun protocollo di ritrasmissione dei dati ed il traffico sfrutta UDP al posto di TCP. Streaming Class Applications: lo scopo di questa classe è quello di mantenere il jitter 1 al di sotto di una certa soglia, la quale può variare a seconda del bitrate, dell applicazione e della dimensione del buffer nel dispositivo ricevente. Le specifiche 3GPP indicano un limite di 10 s di ritardo iniziale ed un jitter massimo di 2 s. Le suite di protocolli più usate sono RTP 2 e UDP, ma a volte è usato anche TCP. L uso di un meccanismo di ritrasmissione è accettabile finchè il numero di rinvii è limitato: per questo è possibile usare l HARQ (vedi Paragrafo 7.2) ma non l ARQ (vedi Paragrafo 4.1). Applicazioni tipiche di questa classe sono Windows Media Player e Real Player. 1 Brusca ed indesiderata variazione di una o più caratteristiche di un segnale 2 Real Time Protocol, protocollo del livello applicazioni per servizi in tempo reale 2

17 CAPITOLO 1. SERVIZI UMTS Interactive Class Applications: in questa classe ricadono servizi come Web e Wap, cioè di tipo server-to-person. Il ritardo può essere maggiore rispetto alle prime due classi in quanto l utente si aspetta una piccola attesa prima di ricevere l informazione. È concesso l uso di meccanismi come ARQ o TCP per aumentare l affidabilità. Infatti, anche se è tollerabile un ritardo maggiore, il BER 3 deve essere molto minore, nell ordine di Background Class Applications: in questa classe la soglia di ritardo è la meno stringente, in quanto la destinazione non aspetta il dato entro un certo tempo. Tipiche applicazioni sono FTP, SMS e MMS. Il BER deve essere però molto basso, minore di Bit Error Ratio 3

18 Capitolo 2 La rete UMTS Una visione semplificata della rete UMTS è riproposta in Figura 2.1. Tale rete può essere suddivisa in quattro aree: Figura 2.1: Struttura della rete UMTS 1. User Equipment (UE) Domain: è il dispositivo che permette l accesso alla rete. È costituito da due parti: la prima, chiamata Mobile Equipment Domain, è la componente che si occupa delle trasmissioni radio e delle funzionalità collegate; la seconda, la User Services Identity Module (USIM) è una Smart-Card che contiene le informazioni relative all identità dell utente e gli algoritmi di autenticazione ed è indipendente dal dispositivo usato. Le due parti sono collegate dall interfaccia Cu. 4

19 CAPITOLO 2. LA RETE UMTS 2. UTRAN Domain: è la rete di accesso che fornisce agli utenti le risorse radio ed i meccanismi per accedere alla rete centrale, oltre ad allocare e rilasciare le connessioni (funzionalità di radio bearer). È costituita da vari RNS, ognuno comprendente un RNC e varie Base Station (node B). Il node B è il componente che si occupa di allocare i canali radio, di controllare la potenza di trasmissione in downlink e convertire il flusso di dati tra le interfacce Iu e Uu. Nella Release 99 la Base Station ha solo funzionalità legate al livello fisico, mentre nelle Release 5 e 6 sono state introdotte funzioni MAC di livello 2, come lo scheduling e l HARQ. Il RNC è il componente principale del RNS: controlla l uso e l affidabilità delle risorse radio, esegue le funzioni del livello MAC/RLC e di Radio Resource Control (RRC). Ci sono tre tipi di RNC: Serving RNC (SRNC), Drift RNC (DRNC) e Controlling RNC (CRNC); Il SRNC mantiene la connessione con l UE, si occupa del RRC e del Mobility Management. Quando l utente si muove in un altra cella associata ad un diverso RNS, il RNC della nuova cella (il DRNC) si occupa di inoltrare le informazioni tra l UE e il SRNC. Infine il CRNC controlla e configura il node B: ha le funzioni di controllo del carico, di controllo dell accesso e dell allocazione dei codici per i nuovi utenti. 3. Core Network (CN) Domain: la rete centrale è principalmente ereditata dalla rete GPRS e consiste di dispositivi fisici in grado di gestire connesioni CS e PS. Le funzioni di switching per le connessioni CS sono gestire dal Mobile Switching Centre e dal Gateway MSC. L Home Location Register e il Visitor Location Register sono i database che conservano le informazioni relative agli utenti ed ai terminali. Le connessioni PS, invece, sono gestire dai Serving GPRS Support Node e dai Gateway GPRS Support Node, rispettivamente con le funzioni di Router e Gateway. 4. Le reti esterne, sia CS come PSTN e ISDN, che PS come Internet. Inoltre, nella Figura 2.2, vediamo un esemplificazione delle funzioni della rete UMTS (la cosiddetta Resource Management Architecture) rispetto alle interfacce e alle macroaree della rete 3G: Communication Management (CM): insieme di funzioni e procedure legate alla connessione fra gli utenti; Mobility Management (MM): funzioni necessarie per la gestione della mobilità e della sicurezza; 5

20 CAPITOLO 2. LA RETE UMTS 2.1. INTERFACCE UMTS Radio Resource Management (RRM): algoritmi per la gestione delle risorse radio. Queste funzioni cooperano poi tramite i meccanismi di controllo Communication Control (CC), Mobility Control (MC) e Radio Resource Control (RRC). Figura 2.2: Organizzazione delle funzioni nella rete UMTS 2.1 Interfacce UMTS Le principali interfacce UMTS sono la Cu, Uu, Iu, Iur e Iub: in particolare l interfaccia Cu è l interfaccia elettrica presente nel terminale UMTS, mentre l Uu è l interfaccia WCDMA (vedi Paragrafo 2.1.4) Interfaccia Iu L interfaccia Iu è il punto di collegamento tra l UTRAN e il CN. Ha principalmente le funzioni di signaling delle chiamate, che comprendono l iniziazione, la gestione ed il rilascio 6

21 CAPITOLO 2. LA RETE UMTS 2.1. INTERFACCE UMTS dei radio bearer. Si occupa di interfacciare l UTRAN sia con la rete CS che con la rete PS, di trasferire i messaggi di signaling tra gli utenti e la rete centrale ed effettuare il broadcast della cella. Infine supporta servizi di localizzazione controllando le informazioni riportate dal RNC e inoltrandole alla rete centrale. L interfaccia Iu è anche coinvolta nella rilocalizzazione del Serving Radio Network Subsystem e nell intra e intersystem handover Interfaccia Iur L interfaccia Iur è usata tra i vari RNC e ha quattro compiti principali: 1. inter RNC Mobility: comprende le funzioni di rilocazione degli SRNS, di informazione sugli errori e di aggiornamento tra RNC. Non c è flusso di dati utente in queste funzioni; 2. Radio Resource Management: fornisce il trasferimento di informazioni di signaling tra i RNC, tra cui il timing dei node B, i parametri di posizione e le informazioni sulle celle; 3. Dedicated Channel Traffic Mobility and Management: è un insieme di funzionalità che permette il trasferimento del canale di traffico dedicato. In caso di handover, l interfaccia si occupa di stabilire e rilasciare il canale nel DRNC della nuova cella, inoltre supporta lo scambio di misurazioni sul controllo di potenza e si occupa di trasferire il canale tra SRNC e DRNC. 4. Common Channel Traffic Mobility and Management: analogamente a quanto avviene con il canale dedicato, l interfaccia supporta il Mobility Management del Common Channel, che comprende il flow-control tra RNC e il set-up e il rilascio della connessione. Questa funzione comporta la divisione del MAC in MAC-d e MAC-c, rispettivamente nel SRNC e nel DRNC Interfaccia Iub L interfaccia Iub, situata tra RNC e node B, supporta il servizio di gestione della locazione e il Mobility Management. Ha le funzioni di controllo dell accesso, allocazione delle risorse (tra cui gestione della potenza), iniziazione e chiusura delle connessioni e gestione degli handover. L interfaccia supporta infine il controllo dell allocazione della frequenza radio. 7

22 CAPITOLO 2. LA RETE UMTS 2.1. INTERFACCE UMTS Il WCDMA Il Wideband Code Division Multiple Access è la tecnologia di accesso radio sviluppata per la terza generazione di telefonia cellulare. Si basa sulla tecnica di Spread Spectrum, che migliora l efficienza nell utilizzo della banda ed è resistente alle interferenze. Inoltre, con il WCDMA la capacità della rete degrada lentamente al crescere del numero di utenti, a differenza di altre modalità di accesso come FDMA e TDMA. Il WCDMA permette anche di offrire maggiori bit-rate, maggiore copertura ed una Quality of Service migliorata. A differenza del FDMA e del TDMA, dove le risorse frequenza e tempo sono divise fra gli utenti, nel CDMA tutte le risorse sono disponibili contemporaneamente per tutti gli utilizzatori e la potenza di trasmissione è mantenuta al livello minimo possibile per ottenere il SNR desiderato. Lo Spread Spectrum, alla base del WCDMA, è una tecnica che consiste nell utilizzare una larghezza di banda molto più ampia del necessario (Figura 2.3). Inoltre, dal momento che tutti usano le stesse frequenze contemporaneamente, si usano codici ortogonali 1 moltiplicati al segnale stesso per permetterne successivamente la separazione. Gli stessi codici effettuano anche lo spreading del segnale (Figura 2.4). In particolare, esistono due tipi di codici: i codici di scrambling e i codici di channelisation. Il codice di spreading è ottenuto dalla combinazione di un codice di scrambling e un codice di channelisation (vedi Tabella 2.1). Uplink Downlink Scrambling Separazione degli utenti Separazione delle celle Code Channelisation Distinzione dei canali di dati Distinzione degli utenti Code e di controllo di uno all interno di una stessa cella stesso terminale Spreading code Channelisation code x Channelisation code x Scrambling code Scrambling code Tabella 2.1: Tipi di codice nel WCDMA Infine, poichè tutti la rete usa la stessa frequenza, un utente può effettuare connessioni multiple con diverse celle contemporaneamente. Questo ulteriore vantaggio del WCDMA è chiamato soft-handover. 1 Codici con inter-correlazione nulla 8

23 CAPITOLO 2. LA RETE UMTS 2.1. INTERFACCE UMTS Figura 2.3: Larghezza di banda prima e dopo lo spreading Figura 2.4: Spreading di due segnali 9

24 Capitolo 3 Architettura dell UTRAN La UTRAN, come visto precedentemente, comprende svariati nodi che gestiscono le informazioni a diversi livelli della suite di protocolli, siano esse dati oppure informazioni di controllo. Come si vede dalla Figura 3.1 ci sono tre principali livelli: 1. il Livello Fisico; 2. il Livello Data-Link, che comprende: Medium Access Control (MAC); Radio Link Control (RLC); Packet data convergence protocol (PDCP); Broadcast/multicast control (BMC); 3. il Radio Resource Control (RRC) nel livello di rete. Vi sono, inoltre, due distinti plane: lo user plane trasporta i dati mentre il control plane gestisce il signaling ed i messaggi di controllo. Diversi tipi di dati e di controllo sono trasmessi su diversi canali, che vedremo nella prossima sezione. Nelle successive sezioni, infine, ci concentreremo sui livelli fisico, MAC, RLC e RRC. 3.1 Canali UMTS I canali UMTS, visibili a vari livelli nella Figura 3.1, sono necessari per trasportare e gestire i numerosi tipi di traffico previsti dai protocolli. Si dividono in tre tipi: canali logici, canali di trasporto e canali fisici. 10

25 CAPITOLO 3. ARCHITETTURA DELL UTRAN 3.1. CANALI UMTS Figura 3.1: Suite di protocolli nell UTRAN 11

26 CAPITOLO 3. ARCHITETTURA DELL UTRAN 3.1. CANALI UMTS Canali logici L insieme di canali logici si divide in due sotto-categorie: i canali logici di controllo, e quelli usati per il traffico dati. Canali logici di controllo I canali logici di controllo sono usati per trasferire informazioni sul control plane; vediamone i principali: Broadcast control channel (BCCH): è usato in downlink per il broadcast nelle celle di informazioni sulla rete e sul sistema; Paging control channel (PCCH): usato in downlink per trasportare informazioni di paging per le chiamate a terminali mobili; Common control channel (CCCH): usato sia in uplink che downlink per trasportare informazioni di signaling a tutti gli utenti; Dedicated control channel (DCCH): usato in uplink e downlink per inviare informazioni tra le UTRAN; Shared control channel (SHCCH): usato solo in modalità TDD, in downlink e uplink, per trasmettere informazioni tra UTRAN e stazioni mobili; Multimedia broadcast/multicast service (MBMS): è un canale punto-multipunto in downlink per inviare informazioni di controllo dall UTRAN all UE; MBMS point-to-multipoint scheduling channel (MSCH): porta in downlink informazioni di controllo dello scheduling MBMS per uno o più canali MTCH (MBMS point-to-multipoint Traffic Channel). Canali logici di traffico I canali logici di traffico sono usati invece per trasportare informazioni sullo user plane: Dedicated traffic channel (DTCH): è sfruttato sia in uplink che in downlink per le trasmissioni dati tra UTRAN ed un particolare utente; Common traffic channel (CTCH): è usato per trasportare messaggi a tutti gli utenti di una cella; MBMS point-to-multipoint traffic channel (MTCH): si usa in downlink per trasportare traffico MBMS dalla rete all UE. 12

27 CAPITOLO 3. ARCHITETTURA DELL UTRAN 3.1. CANALI UMTS Canali di trasporto I canali di trasporto sono i servizi offerti dal Livello 1 ai livelli superiori. Sono unidirezionali (cioè funzionano solo in uplink oppure solo in downlink) e hanno le caratteristiche richieste per il trasferimento di dati attraverso l interfaccia radio. Il periodo di trasferimento di un transport block, noto come TTI (Trasmit Time Interval) può variare da 10 a 80 ms per i dati, mentre è fissato a 10 ms per la voce. Nella Release 5 il High-Speed Downlink Shared Channel (HS-DSCH) ha un TTI fissato a 2 ms. In Figura 3.2 vediamo il mapping dei canali logici sui canali di trasporto. Anche i canali di trasporto sono organizzati in diverse categorie: dedicati, condivisi e comuni. Canali dedicati Il canale dedicato è un canale punto-punto usati sia in uplink che in downlink per trasportare dati, provenienti dai livelli più alti, tra l UTRAN ed un determinato utente. Questi dati sono trasparenti al livello fisico. Il canale dedicato può essere trasmesso su tutta la cella o solo su parte di essa. Nella Release 6 è stato migliorato nell Enhanced Dedicated Channel (E-DCH). Canali condivisi I canali condivisi, nella modalità FDD, sono il Downlink Shared Channel (DSCH) e il High-Speed Downlink Shared Channel (HS-DSCH). Il primo è un canale di trasporto in downlink condiviso tra molti utenti e per questo associato ad uno o più canali dedicati in downlink. Il secondo è invece associato ad un canale fisco dedicato in downlink (DPCH) ed uno o più HS-SCCH. Nella modalità TDD, infine, esiste anche l Uplink Shared Channel (USCH), canale condiviso tra più utenti in uplink. Canali comuni Un canale comune è un canale punto-multipunto funzionante sia in uplink che in downlink per trasferire informazioni tra UTRAN ed uno o più utenti. Vediamo i principali canali di questo tipo: Broadcast channel (BCH): è usato in downlink per trasmettere informazioni di broadcast sull intera cella; 13

28 CAPITOLO 3. ARCHITETTURA DELL UTRAN 3.1. CANALI UMTS Figura 3.2: Mapping dei canali logici sui canali di trasporto 14

29 CAPITOLO 3. ARCHITETTURA DELL UTRAN 3.1. CANALI UMTS Random access channel (RACH): è un canale usato dagli utenti per accedere alla rete tramite connessione o richiesta di canale. Le informazioni necessarie per effettuare l accesso tramite RACH sono inviate dal BCH. Il canale è condiviso tra gli utenti con una tecnica CSMA/CA; Forward access channel (FACH): il FACH invia informazioni di signaling agli utenti, per esempio conferme di accesso alla rete inviate sul RACH; Paging channel (PCH): trasmette informazioni di controllo di paging verso le stazioni mobili quando non si conosce di preciso la loro posizione. Questo canale è trasmesso in diverse celle per localizzare un utente; Common packet channel (CPCH): è anche questo un canale ad accesso casuale in uplink come il RACH, però si usa solo quando già connessi e per trasferire pacchetti di maggiore dimensione. È associato ad un canale dedicato in downlink che fornisce il controllo della potenza e comandi di controllo (come l emergency stop). Diversamente dal RACH supporta il controllo della potenza ad anello chiuso Canali fisici I canali fisici sono necessari per codificare al meglio le informazioni dei canali di trasporto in modo da renderle adatte alle procedure del livello fisico. Questi canali sono strutturati in frame e slot. Il periodo di base del frame è di 10 ms e consiste di 15 slot. Il numero di bit per slot dipende dal canale usato, poichè possono variare sia lo spreading factor che la modulazione e la frequenza di codifica. I principali canali fisici definiti nella release 99 sono: Synchronization channel (SCH); Common pilot channel (CPICH); Acquisition indication channel (AICH); CPCH status indication channel (CSICH); Paging indicator channel (PICH); Collision detection/channel assignment indication channel (CD/CA-ICH); Dedicated physical data channel (DPDCH); Dedicated physical control channel (DPCCH); 15

30 CAPITOLO 3. ARCHITETTURA DELL UTRAN 3.1. CANALI UMTS Physical random access channel (PRACH); Primary common control physical channel (PCCPCH); Secondary common control physical channel (SCCPCH); Physical downlink shared channel (PDSCH); Physical common packet channel (PCPCH). Nella Release 5 sono stati introdotti tre nuovi canali, il High-Speed Physical Downlink Shared Channel (HS-PDSCH) usato per trasmettere il canale di trasporto HS- DSCH ed altri due canali contenenti le informazioni di controllo fisiche: il High-Speed Shared Control Channel (HS-SCCH) ed il High-Speed Dedicated Physical Control Channel (HS-DPCCH). La Release 6 ha introdotto invece il E-DCH Dedicated Physical Data Channel (E-DPDCH) per trasportare il canale di trasporto E-DCH. Le informazioni fisiche di controllo associate a questo canale sono portate dal E-DCH Dedicated Physical Control Channel (E-DPCCH), il E-DCH Absolute Grant Channel (E-AGCH), il E- DCH Relative Grant Channel (E-RGCH), ed il E-DCH Hybrid ARQ Indicator Channel (E-HICH). Nella Figura 3.3 vediamo l associazione tra canali di trasporto e canali fisici. Come si può vedere, solo i canali P-CCPCH, S-CCPCH, DPDCH, PDSCH, HS-PDSCH, E- DPDCH, PCPCH, e PRACH sono associati a canali di trasporto e possono quindi portare informazioni dei livelli superiori. Gli altri, trasparenti ai livelli superiori, sono usati invece per trasportare informazioni di controllo del livello fisico e gestire il collegamento radio. I principali canali fisici usati per trasferire informazioni sono il DPDCH, il HS-PDSCH, ed il E-DPDCH. Nel prossimo paragrafo vedremo più in dettaglio il DPDCH. Dedicated Physical Channel Il Dedicated Physical Channel si compone di due canali: il Dedicated Physical Data Channel e il Dedicated Physical Control Channel. Il primo trasporta i dati, il secondo le informazioni di controllo del livello fisico. Queste informazioni comprendoon alcuni bit pilota, la gestione del Transmit Power-Control (TPC), il Feedback Informazion (FBI) ed il Transport-Format Combination Indicator (TFCI). In uplink i due canali (DPDCH e DPCCH) sono trasmessi in parallelo con uno spreading code per ognuno (Figura 3.4a), mentre in downlink sono time-multiplexed con lo stesso spreading code (Figura 3.4b). 16

31 CAPITOLO 3. ARCHITETTURA DELL UTRAN 3.1. CANALI UMTS Figura 3.3: Mapping dei canali di trasporto sui canali di fisici 17

32 CAPITOLO 3. ARCHITETTURA DELL UTRAN 3.1. CANALI UMTS (a) (b) Figura 3.4: Struttura del frame DPCH in uplink (a) e downlink (b) 18

33 CAPITOLO 3. ARCHITETTURA DELL UTRAN 3.2. LIVELLO FISICO 3.2 Livello fisico Il livello fisico, in particolare l interfaccia Uu, sfrutta la tecnica WCDMA (descritta nel Paragrafo 2.1.4) e fornisce servizi al livello MAC attraverso i canali di trasporto, come multiplexing, de-multiplexing e mapping degli stessi sui canali fisici e l encoding e decoding con un Forward Error Correcting (FEC) code. Per ottenere un certo BER, SNR o QoS, è necessario misurare il segnale ricevuto: a questo scopo è presente il Common Pilot Indicator Channel (CPICH). Con le informazioni ottenute tramite questo canale il livello fisico può attuare un controllo di potenza ad anello chiuso, che permette di adattare in tempo reale i parametri di connessione alle condizioni di trasmissione. Il livello fisico supporta, come già accennato, il soft-handover e la macrodiversity: tramite queste tecniche può combinare due o più segnali, trasmessi da diverse Base Station, che trasportano la stessa informazione, in modo da migliorarne la qualità e permettere una migliore QoS. Le altre funzioni effettuate dal livello fisico sono: elaborazione della frequenza radio; modulazione/demodulazione e spreading/despreading dei canali fisici; sincronizzazione di frequenza e tempo; gestione della potenza e combinazione dei canali fisici. 3.3 Livello MAC Il livello MAC fornisce i servizi al livello RLC attraverso i canali logici mappando questi canali sui canali di trasporto, e multiplexando i dati che arrivano dai livelli superiori in pacchetti trasportabili dal livello fisico. Durante il mapping il MAC si occupa di scegliere il formato di trasmissione adatto per ogni canale. Inoltre quando più canali logici appartenenti a diversi utenti sono trasportati sullo stesso canale comune, si usa il MAC Header per distinguerli. Il MAC ha anche la funzione di gestione delle priorità: è possibile definire diverse priorità tra gli utenti o tra i diversi flussi dati di un singolo utente, assegnando formati di trasmissione con maggiore o minore bitrate. Nella Release 5 è stato introdotto nel node B il MAC-hs, che si occupa di gestire i meccanismi HARQ propri dell HSDPA. 19

34 CAPITOLO 3. ARCHITETTURA DELL UTRAN 3.4. LIVELLO RLC Architettura del livello MAC Il livello MAC è in realtà un insieme complesso di più entità, ciascuna delle quali svolge funzioni specifiche: il MAC-b gestisce il canale BCH. Ce n è solo uno nell UE e uno nel node B; il MAC-d si occupa di mantenere il canale DCH, specifico per ogni utente e localizzato nel SRNC; il MAC-c/sh/m gestisce i canali FACH, PCH, RACH, CPCH, DSCH e USCH, la selezione dell ASC (Access Service Class), la selezione del formato di trasporto e si occupa dello scheduling e della priorità; il MAC-hs introdotto nella Release 5, come già accennato, gestisce le funzioni HARQ, di scheduling, e selezione del formato di trasporto del canale HS-DSCH; il MAC-m controlla l accesso al canale FACH quando è usato per trasportare i canali MTCH e MSCH di uno stesso utente da diverse celle; il MAC-e/es, introdotto nella Release 6, gestisce il canale E-DCH. Nelle figure 3.5 e 3.6 vediamo l architettura del livello MAC per l UTRAN e per l UE. 3.4 Livello RLC Il livello RLC fornisce servizi di collegamento radio tra UE e la rete: si occupa di creare i radio bearer per il trasferimento dati e di dividere i pacchetti. I PDU dei livelli superiori sono inseriti nei RLC-SDUs, ognuno delle quali è segmentato in diversi RLC-PDUs e mappato poi nei MAC-PDUs. I radio bearer possono operare in tre modi: Transparent Mode (TM), Unacknowledged Mode (UM), oppure Acknowledged Mode (AM) a seconda del tipo di dati trasportati. Il TM è usato per applicazioni in tempo reale, come la voce, dove il tempo di ritardo è fondamentale. In questa modalità il livello RLC non si accorge di eventuali pacchetti persi, ma possiede un timer per permettere di scartare i pacchetti in ritardo. Nella modalità UM si aggiungono informazioni di signaling alle PDU (un numero di sequenza) che consente di scoprire gli eventuali pacchetti persi. Il RLC operante in questa modalità può funzionare in due modi: 1. può consegnare gli SDUs anche se alcuni sono mancanti (out-of-sequence data): questo avviene per applicazioni time-critical; 20

35 CAPITOLO 3. ARCHITETTURA DELL UTRAN 3.4. LIVELLO RLC Figura 3.5: Architettura del MAC nell UTRAN 21

36 CAPITOLO 3. ARCHITETTURA DELL UTRAN 3.4. LIVELLO RLC Figura 3.6: Architettura del MAC nell UE 22

37 CAPITOLO 3. ARCHITETTURA DELL UTRAN 3.5. RADIO RESOURCE CONTROL (RRC) 2. può riordinare gli SDUs e consegnarli ai livelli superiori nell ordine corretto (insequence delivery). In entrambi i modi, però, gli SDUs erronei sono scartati causando dei SDUs mancanti nei livelli superiori: la modalità UM è adatta solo per servizi che sfruttano il protocollo UDP e hanno un SDU error-ratio abbastanza basso. L Acknowledged Mode prevede la trasmissione di PDU addizionali per il signaling bidirezionale: tramite questi pacchetti il ricevente può richiedere la ritrasmissione di dati mancanti o erronei (protocollo ARQ). 3.5 Radio Resource Control (RRC) Il livello RRC è responsabile di gestire la connessione tra i terminali mobili e i vari RNC configurando il control plane tra l UE e l UTRAN. La sua principale funzione è la creazione, configurazione e rilascio dei radio bearer, dei canali di trasporto e dei canali fisici, su richiesta dei livelli superiori. Inoltre, il livello RRC si occupa delle misurazioni effettuate dall UE (come la qualità del segnale) e della frequenza delle misurazioni stesse. Basandosi su queste misure, il RRC effettua il controllo di potenza open e closed loop, l allocazione delle risorse tra i vari bearers per garantire la QoS richiesta, tiene traccia della posizione dell utente e ha le funzioni di Mobility Management come l handover (inter-frequenza, intra-frequenza, inter-sistema). Infine, il RRC effettua il broadcast delle informazioni provenienti dai livelli superiori nella rete, controllo della cifratura, routing dei PDUs ai livelli appropriati e selezione inziale della cella. 23

38 Capitolo 4 ARQ, Power Control e Handover In questo capitolo trattiamo gli ultimi argomenti relativi alla tecnologia UMTS: parleremo del protocollo di ritrasmissione dei pacchetti, del controllo della potenza di trasmissione e infine dell handover. 4.1 Automatic Repeat Request (ARQ) Protocol Per garantire i requisiti di QoS, espressi in termini di BER o di ritardo massimo, sono possibili due modi: aumentare la potenza di trasmissione oppure aumentare la ridondanza dell informazione. La prima soluzione dimuinisce però la capacità della cella per due motivi: in primo luogo perchè bisogna ridistribuire i 43 dbm disponibili nel node B assegnandoli a meno utenti, secondariamente perchè aumenta l interferenza di alcuni utenti sugli altri. La seconda soluzione, invece, diminuisce il bitrate. In entrambi i modi, quindi, la capacità della rete diminuisce. Per questo motivo è stato introdotto il protocollo ARQ per le applicazioni NRT (Non Real Time), che consente la ritrasmissione dei pacchetti fino ad ottenere l informazione senza errori. Poichè i servizi NRT non hanno vincoli stringenti di ritardo massimo, sono trasmessi con un BER molto più alto del necessario (come 10 3 anzichè 10 8 ) risparmiando così molte risorse ed usando l ARQ per ritrasmettere i pacchetti corrotti. I tre principali protocolli ARQ sono lo Stop-and-Wait, il Go-Back-N ed il Selective Repeat Stop-and-Wait Il protocollo Stop-and-Wait è il più semplice tipo di ARQ: in questa modalità di ritrasmissione, il trasmittente mantiene i pacchetti da trasmettere in una coda FIFO e fa partire un timer ogni volta che ne trasmette uno. Se il timer scade oppure riceve un NACK, reinvia 24

39 CAPITOLO 4. ARQ, POWER CONTROL E HANDOVER 4.2. POWER CONTROL il pacchetto, altrimenti se riceve un ACK invia il pacchetto successivo. Questo protocollo è semplice da implementare ma soffre di elevati ritardi ed è chiaramente inefficiente Sliding Window Per risolvere questa inefficienza è stato ideato il protocollo Sliding Window, con il quale vengono trasmessi W pacchetti prima di ricevere il primo ACK (dove W è la dimensione della finestra). Quando viene ricevuto un ACK il trasmittente invia un altro pacchetto, in modo che il numero di pacchetti in attesa di ACK sia sempre pari a W. Se invece il pacchetto non è trasmesso correttamente, e viene ricevuto un NACK, si possono applicare due strategie: il Go-Back-N e il Selective Repeat. Secondo il Go-Back- N, tutti i pacchetti a partire da quello corrotto devono essere ritrasmessi. Analogamente, il ricevente scarterà tutti i pacchetti ricevuti dopo il pacchetto incriminato. Questa strategia, usata anche nel TCP, è efficiente solo in caso di elevati bitrate, nel qual caso è probabile che gli errori siano di tipo burst e riguardino numerosi pacchetti successivi. Nelle telecomunicazioni a basso bitrate (come l UMTS) bisogna quindi usare una tecnica di ritrasmissione di tipo di SR, cioè reinviare solo i pacchetti corrotti. Questo può portare ad una ricezione out-of-sequence dei dati che causerebbe molti problemi ai protocolli come TCP. È spesso necessario, quindi, riordinare i pacchetti prima di consegnarli ai livelli superiori. 4.2 Power Control Nelle comunicazioni senza fili, la qualità e le altre caratteristiche del collegamento radio non sono sempre costanti. Per adattarsi a queste variazioni e mantenere comunque la QoS ai livelli minimi necessari, bisogna controllare dinamicamente la potenza di trasmissione, in modo che la qualità del segnale ricevuto non sia troppo influenzata dalle variazioni del canale radio. Il valore di BER opportuno per il tipo di dati richiesto è associato ad un determinato SIR (Signal to Interference Ratio). Ogniqualvolta il BER richiesto cambia, il SIR deve essere modificato. Nell UMTS questa modifica è condotta misurando la qualità del collegamento radio in due momenti: prima che il collegamento venga stabilito oppure durante il collegamento stesso. Nel primo caso si parla di controllo di potenza ad anello aperto, nel secondo di controllo ad anello chiuso. 25

40 CAPITOLO 4. ARQ, POWER CONTROL E HANDOVER 4.3. HANDOVER Controllo ad anello aperto Il controllo ad anello aperto si basa su una stima iniziale della potenza di trasmissione in uplink e downlink. Per definire la potenza in uplink lo User Equipment riceve il CPICH e i parametri di controllo del BCCH e basandosi su di essi imposta la sua potenza di trasmissione. In downlink, invece, è il node B che, basandosi sulle misurazioni dell UE, definisce la potenza richiesta per avere il SIR necessario senza interferire troppo con gli altri utenti. Il RNC non è coinvolto in questo tipo di controllo Controllo ad anello chiuso Questo tipo di controllo di potenza è eseguito continuamente durante le connessioni RRC e si compone di due meccanismi: l anello interno e l anello esterno. Il controllo ad anello interno coinvolge i due dispositivi riceventi e si basa sulle loro misurazioni per aumentare o diminuire la potenza di trasmissione, a fronte di un certo SIR richiesto. Sia un uplink che in downlink la potenza viene modificata con i comandi TCP, secondo la seguente regola: if SIR estimated > SIR target TCP = 0 if SIR estimated < SIR target TCP = 1 Il controllo ad anello esterno cerca di mantenere la qualità del segnale usando la minima potenza possibile: per questo il RNC adatta il SIR richiesto per mantenere il BLER (Block Error Rate) in un certo range. In uplink il RNC adatta il SIR richiesto usando le misure del SIR effettuate dal node B e misurando il BLER. In downlink il controllo ad anello esterno è eseguito nell UE. 4.3 Handover L obiettivo dell Handover è quello di ottimizzare il controllo di potenza ad anello chiuso effettuando la connessione alle celle con il segnale più forte, cioè quelle che mantengono il QoS richiesto verso un certo utente usando la minore potenza possibile. Sono possibili tre tipi di handover: Hard, Soft e Softer Handover Hard Handover Questo tipo di handover si applica quando la qualità del collegamento di un altra cella diventa migliore di quello della cella servente. In questo caso la cella servente diventa la cella con il segnale migliore. Ci sono quattro situazioni in cui questo può avvenire: 26

41 CAPITOLO 4. ARQ, POWER CONTROL E HANDOVER 4.3. HANDOVER handover tra GSM e UMTS; intermode handover tra FDD e TDD; intramode handover tra differenti frequenze; intrafrequency handover Soft e Softer Handover Il Soft Handover può essere usato per servizi che usano canali dedicati, tra celle che usano la stessa tecnica di accesso radio (come il WCDMA) e la stessa frequenza. Il Softer Handover è analogo ma si attua tra differenti settori di una stessa cella. Lo scopo del Soft Handover è quello di permettere la connessione con più di un node B allo stesso tempo, realizzando un handover in modo trasparente e senza disconnessione dei radio bearer. Inoltre, la Mobile Station combina i segnali ottenuti dalle diverse celle per aumentare il SIR: questo procedimento, noto come Macrodiversity, è necessario soprattutto ai bordi delle celle, dove generalmente il segnale proveniente da una sola Base Station non è sufficiente. La Macrodiversity è attuabile anche in uplink combinando a livello di RNC i segnali trasmessi dalla stessa stazione mobile e ricevuti da diversi node B. In caso di Softer Handover i segnali, invece, sono ricevuti e combinati direttamente nella Base Station. 27

42 Parte II HSDPA 28

43 Uno degli obiettivi iniziali dell UMTS era raggiungere velocità fino a 2 Mbps in ambienti interni o piccole celle esterne, e fino a 384 Kbps nelle celle più grandi. Il 3GPP comprese presto che la prima Release della tecnologia non sarebbe riuscita a raggiungere queste traguardi e per questo motivo organizzò lo sviluppo dell UMTS in modo da introdurre gradualmente i miglioramenti necessari. In questa parte parleremo in particolare delle innovazioni apportate dall HSDPA, introdotto nella Release 5: le nuove tecniche di accesso radio, il livello MAC migliorato, i nuovi canali, i nuovi protocolli e gli algoritmi di scheduling avanzati. 29

44 Capitolo 5 Dall UMTS all HSDPA Abbiamo già parlato dell importanza che ha il controllo dell interferenza nella tecnologia UMTS, dal momento che tutti gli utenti condividono lo stesso spazio di tempo e frequenze. Esistono, infatti, dispositivi chiamati MUD che cercano di minimizzare l interferenza degli altri canali per il terminale ricevente. Questi apparecchi, però, sono usati solo in uplink poichè hanno la necessità di conoscere tutti i codici usati dagli altri utenti. In downlink ciò non è possibile perchè l uso della tecnica MUD aumenterebbe molto la complessità del terminale mobile e graverebbe in modo significativo sulla batteria: al suo posto si usano i meccanismi di controllo della potenza e di Call Admission Control 1 (CAC). Il controllo della potenza impone la riserva di un certo margine per prevenire le momentanee variazioni del segnale dal momento che, senza questo margine, la potenza di trasmissione avrebbe picchi indesiderati. In questo modo, però, la capacità della rete non è ottimale: per questo sono state ideate nuove tecniche per migliorare il bitrate, l efficienza spettrale e la capacità della rete stessa. Tra di esse menzioniamo l AMC (Paragrafo 7.1), l Hybrid ARQ (Paragrafo 7.2), e il Fast Scheduling (Paragrafo 7.4). Usare tecniche di codifica e modulazione più avanzate richiede, per contro, l uso di una quantità maggiore di energia, che abbinato al controllo della potenza farebbe aumentare ancora di più i consumi. La tecnica base dell UMTS per adattarsi alle condizioni del segnale è, infatti, il controllo della potenza. L HSDPA introduce quindi un nuovo meccanismo: l Adaptive Modulation and Coding, che adatta la codifica e la modulazione basandosi sulle caratteristiche del canale radio. L uso combinato di AMC e Fast Scheduling, che dà la priorità agli utenti nelle condizioni migliori, è alla base del Fast Link Adaptation nell HSDPA. Gli errori, comunque presenti a causa di variazioni del canale durante la trasmissione, sono gestiti con l Hybrid ARQ: questa tecnica permette di combinare i pacchetti corrotti 1 Meccanismo usato nelle comunicazioni voce per prevenire la congestione e controllare l interferenza 30

45 CAPITOLO 5. DALL UMTS ALL HSDPA con le successive ritrasmissioni dello stesso pacchetto prima di procedere alla decodifica, diminuendo così il ritardo. La tecnica di link adaptation usata nell HSDPA implica l uso di canali time-shared, per i quali sono necessari algoritmi di scheduling migliorati allo scopo di ottimizzare l allocazione del canale stesso tra gli utenti. Questo rende impossibile, però, l uso del soft handover a causa della necessità di sincronizzazione tra le varie celle. Al suo posto è possibile comunque utilizzare la Fast Cell Selection per scegliere la cella con il migliore SIR. L HSDPA può essere visto come un insieme di miglioramenti cooperanti ed applicati ad un canale, il HS-DSCH, condiviso fra gli utenti con tecniche CDMA-TDMA combinate. A causa del link adaptation, inoltre, non è più necessario uno spreading factor 2 variabile che, quindi, è fissato a 16. Questo comporta anche una diminuzione dei codici di spreading usati rendendo possibile l uso di dispositivi MUD anche in downlink. La complessità introdotta con l aggiunta del nuovo canale, che richiede Fast Scheduling e Fast Link Adaptation, comporterebbe un aumento del carico di lavoro del RNC, oltre a ritardi significativi. Per questo motivo il canale HS-DSCH viene gestito direttamente nel node B, da una nuova entità chiamata MAC-hs (Figura 5.1). Figura 5.1: Architettura dei livelli nell interfaccia radio dell HSDPA 2 Rapporto tra rate dopo lo spreading e rate prima dello spreading 31

46 Capitolo 6 Innovazioni nell architettura 6.1 Canali HSDPA Il principale canale HSDPA è condiviso tra gli utenti sulla base di slot di tempo, per questo è maggiormente adatto a trasmettere traffico NRT (anche se sono in fase di ricerca tecniche di scheduling avanzate per permettere anche traffico in streaming attraverso questo canale). In aggiunta al canale HS-DSCH, sono presenti altri due canali usati per inviare informazioni di signaling in downlink e uplink, il HS-SCCH ed il HS-DPCCH HS-DSCH Il canale HS-DSCH che, come abbiamo visto, è gestito nel node B, è mappato su un certo numero di canali fisici HS-PDSCH, condivisi fra gli utenti sulla base del tempo e del codice. Ogni canale usa un determinato spreading code, con spreading factor pari a 16. È possibile anche che per ogni TTI vengano assegnati più codici ad uno stesso utente, oppure che in un certo TTI vengano trasmessi diversi canali HS-PDSCH a diversi utenti (vedi Figura 6.1). Ogni TTI contiene un transport block, la cui dimensione dipende dal tipo di codifica e di modulazione, ed un CRC di 24 bit. Il transport block viene poi sottoposto al processo di scrambling e segmentato in una serie di blocchi, di dimensione massima di 5114 bit e variabile a seconda della velocità di codifica decisa dal Modulation and Coding Scheme (MCS). Dopo la codifica, il livello fisico esegue il rate-matching 1, suddivide i dati sui canali fisici, effettua l interleaving 2 ed infine modula la risultante sequenza di bit usando il 1 Processo svolto allo scopo di far combaciare la dimensione del blocco con quella del frame radio 2 Tecnica che dispone i dati in modo non contiguo, così da migliorare la robustezza agli errori 32

47 CAPITOLO 6. INNOVAZIONI NELL ARCHITETTURA 6.1. CANALI HSDPA Figura 6.1: Time/Code Multiplexing nel HS-DSCH Quaternary Phase Shift Keying (QPSK) o il 16-ary Quadrature Amplitude Modulation (16-QAM) HS-SCCH Il canale HS-SCCH è usato per inviare in downlink le informazioni di signaling relative al canale HS-DSCH, come il Transport Format Resource Indicator (TFRI) e le informazioni HARQ. Il TFRI contiene i codici usati dal HS-DSCH, lo schema di modulazione e la dimensione del transport block. Le informazioni HARQ comprendono, invece, l indicatore di nuovi dati HARQ, l identificatore del processo e la versione della ridondanza e della costellazione. Poichè il canale HS-DSCH è condiviso, l identità dell utente a cui è destinato il blocco in un certo TTI (il 16-bit HS-DSCH Radio Network Temporary Identifier (H-RNTI) è inviata tramite il HS-SCCH HS-DPCCH Le informazioni di signaling in uplink sono necessarie per trasmettere gli acknowledgment HARQ, le misure di feedback e le misure relative alla qualità del segnale. L UE, infatti, trasmette un acknowledgment positivo o negativo per comunicare al node B di ritrasmettere un pacchetto arrivato corrotto oppure inviarne uno nuovo. Inoltre, misura la qualità del canale CPICH e invia il risultato al node B (questa procedura è necessaria per l AMC, vedi Paragrafo 7.1). 33