UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI CAGLIARI Corso di Laurea Magistrale in Ingegneria Elettronica e delle Telecomunicazioni UMTS. Terza generazione 3G

Transcript

1 UMTS Terza generazione 3G 1

2 Oltre la telefonia UMTS: Universal Mobile Telecommunication System, standard europeo (ETSI) IMT2000: Sigla ITU per i cellulari 3G - compatibile UMTS Accesso a circuito e pacchetto a larga banda Integrazione dei servizi Operative dal

3 UMTS: evoluzione Concepito in Europa e standardizzato dall'etsi come evoluzione del GSM Primi studi all'inizio degli anni '90 con progetti europei (RACE, ACTS,...) Nel 1998 viene scelta la tecnica CDMA per l'accesso radio - W-CDMA: FDD con bande simmetriche - TD-CDMA: TDD sulla stessa banda (adatto a servizi asimmetrici e pico-celle) 3

4 UMTS: evoluzione Alla fine del 1998 nasce il 3GPP e l'attività di standardizzazione si sposta in questo foro - ETSI - ARIB e TTC (Giappone) - TI (Usa) - TTA (Corea) - CWTS (Cina) 5

5 UMTS: evoluzione 3GPP basa l'evoluzione di UMTS sulla core-network GSM Le specifiche 3GPP vengono recepite dai partecipanti (ETSI in EU) Un analogo foro (3GPP2) cura lo sviluppo di CDMA2000, diretta evoluzione del CDMA USA (IS95) C'è un tentativo di far interoperare i 2 sistemi 6

6 UMTS: evoluzione Sia W-CDMA che TD-CDMA hanno una canalizzazione a 5 MHz: in W-CDMA le bande sono accoppiate per FDD, in TD-CDMA no Chip-rate: 3.84 Mchip/s In Cina esiste una versione TD-CDMA a banda stretta (can. 1.6 MHz) Chip-rate: ~1.2 Mchip/s 7

7 Velocità di trasmissione 2 Mbit/s: per MS fermi o quasi in prossimità della stazione radio base 384 kbit/s: per MS in ambiente urbano con mobilità fino a 50/60 km/h 144 kbit/s: per MS in ambiente rurale e velocità automobilistiche (<150 km/h) In fase di discussione la possibilità di supportare velocità fino a 500km/h per le linee TAV 8

8 Caratteristiche Velocità di trasmissione e QoS variabili dinamicamente in funzione del servizio Multiplazione di più servizi verso un terminale mobile Commutazione di circuito o di pacchetto a seconda del servizio Tariffazione a volume (come GPRS) per i servizi a pacchetto 9

9 Classi di QoS Conversazionale: per servizi real-time con relazione temporale tra i gli estremi (telefonia, videoconferenza, etc.) Streaming: per servizi di recupero informazione tipo audio/video Interattiva: servizi real-time di tipo dati, con requisiti di relazione temporale più lassi del conversazionale Background: traffico best-effort (SMS, ,...) 10

10 Accesso al canale e rete fissa Wideband-CDMA Radicalmente diverso da GSM/GPRS (FDMA/TDMA) La rete fissa eredita molto da GSM/GPRS e deve integrare tutte le reti 2G esistenti!!! 11

11 Duplex tecnique FDD frequency division duplex Si trasmette e si riceve in bande separate TDD Time division duplex Si trasmette e si riceve in diversi slot di tempo 12

12 FDD Con questa tecnica le stazioni trasmettono e ricevono in bande separate. La banda di ricezione di una stazione diventa quella di trasmissione dell altra Solitamente le frequenze più alte sono per la trasmissione delle stazioni base, e quelle più basse dei terminali mobili, per via dell attenuazione maggiore alle alte frequenze, che necessitano perciò più potenza Solitamente viene utilizzata per trasmissioni simmetriche (es: videotelephony) 13

13 TDD Con questa tecnica il terminale e le stazioni base parlano a turno Il link del canale viene perciò invertito dopo un certo periodo L inversione di link prende il nome di switching point È ottimizzato per trasmissioni asimmetriche 14

14 Architettura Generale UE: User Equipment UTRAN: UMTS Terrestrial Radio Access Network CN: Core Network 15

15 Architettura Generale UE: User Equipment UTRAN: UMTS Terrestrial Radio Access Network CN: Core Network 16

16 Domini Le aree di competenza del protocollo UMTS vengono suddivise in domini User Domain Comprende la USIM (derivata dalla SIM) e il terminale mobile Infrastructure Domain Access network domain (AN) Core network domain (CN) Home domain Serving network 17

17 Interfacce Ad ogni cambio di dominio ci sono apposite interfacce, es: Tra la USIM e il terminale mobile è presente l interfaccia Cu che standardizza ad esempio le caratteristiche elettriche e fisiche delle USIM e la pila protocollare per comunicare con il TM In questo modo si garantisce l interscambiabilità tra USIM e terminali Tra il terminale e la RAN (Radio access network) è presente l interfaccia Uu Nel gateway tra la access network e la serving network è presente l interfaccia Iu Iub Iu - PS Iur Iu - CS 18

18 Strati Se si considera separatamente la comunicazione tra elementi separati della rete è possibile considerare i connection stratum I access stratum racchiude le comunicazioni tra terminale e RAN Il non access stratum racchiude ad es. le comunicazioni di signaling tra USIM e CORE network 19

19 Interfacce Iu ed Uu (AS&NAS) 20

20 Architettura dell UTRAN 22

21 Architettura dell UTRAN RNS: Radio Network Subsystem RNC: Radio Network Controller Node B: Entità che sovrintende al funzionamento di un insieme di celle, eventualmente con interfaccia radio diversa (assimilabile alla BTS per il GSM) Handover e macrodiversità sono gestite sia da Node B che da RNC 23

22 Architettura dell UTRAN SRNC: Serving RNC, gestisce il collegamento con CN, è uno ed uno solo per ogni connessione di un UE DRNC: Drift RNC, fornisce risorse radio ad una connessione, ma è asservito ad un SRNC che mantiene il controllo della connessione Giocano un ruolo fondamentale durante l handover 24

23 Handover 25

24 Handover La RNC sulla sinistra controlla la connessione dell utente e viene chiamata perciò Controlling RNC Se l UE si avvicina al bordo della cella gestita dall altro RNC, avviene un soft handover. I UE viene gestito da entrambi i Node B Il primo RNC diviene SRNC, mentre il secondo DRNC, e comunicano mediante un apposita interfaccia (Iur) È compito del SRNC combinare i dati trasmessi dal UE in uplink Per il downlink il SRNC spedisce una copia dei dati in arrivo dal CN alla DRNC (splitting) che li inoltra al suo node-b e quindi al UE Il ruolo del primo Node B diminuisce gradatamente via via che il terminale arriva all interno dell area di competenza del nuovo RNC, fino a che la comunicazione con il primo può essere terminata. 26

25 Architettura Protocollare RNL e TNL sono una suddivisione orizzontale per consentire il disaccoppiamento dei servizi dalla tecnologia dell'interfaccia radio ALCAP (Access Link Control Appl. Protocol) RANAP (Radio Access Network Appl. Part - Iu) RNSAP (Radio Network System Appl. Part - Iur) NBAP (Node B Application Part - Iub) 27

26 Piano Utente (u-plane) 28

27 Piano di Controllo (c-plane) 29

28 Architettura dell interfaccia radio Organizzata in 3 livelli - Fisico - Data Link - Network Fisico e Data Link sono "trasversali rispetto ai piani utente e di controllo Il livello Network è suddiviso nei due piani 30

29 Power control Un aspetto fondamentale dell UMTS è che utilizzando CDMA è necessario tener conto costante delle potenze in gioco Node B e UE monitorano costantemente le potenze e mediante cicli sincronizzati, sia in FDD mode e TDD mode, cercano di ottimizzarsi Lo standard UMTS definisce delle procedure per le quali la potenza viene controllata volte al secondo 31

30 Interferenze Intracell È dovuta a terminali all interno della cella (Multiple access interference) Intercell È dovuta alle celle adiacenti Si considera il C/I (Carrier to Interference Ratio) Solitamente Iintra>>Iinter 32

31 Cell breathing Uno specifico C/I ratio deve essere mantenuto per assicurare una qualità di servizio soddisfacente L aumento istantaneo di traffico induce un aumento delle interferenze La copertura della cella si restringe e si espande a seconda del traffico: respira 33

32 Livello Fisico: dati salienti FDD TDD Tecnica di accesso W - CDMA TD - CDMA Chip Rate Canalizzazione Durata di trama 3.84 Mchip/s MHz 10 ms N. di slot per trama 15 Modulazione Velocità di trasmissione dell informazione downlink: QPSK uplink: dual code BPSK downlink: QPSK uplink: QPSK Variabile (ogni trama). Velocità diverse possono essere ottenute variando lo spreading factor, oppure assegnando più codici al segnale oppure (nel solo caso TDD) affasciando più time slot. 34

33 Livello Fisico: dati salienti FDD: Frequency Division Duplex Bande Up ( ) e Down ( ) accoppiate (30 canali a 5MHz) Spreading Factors TDD: uplink ( ksymb/s) downlink ( ksymb/s) bande disaccoppiate ( e ) Spreading factor: 1-16 ( ksymb/s) Worldwide: 3G UMTS 850 / 900 / 1700 / 1900 / 2100 MHz 35

34 Livello Fisico: dati salienti Lo spreading del segnale è ottenuto con i codici di canalizzazione (Orthogonal Variable Spreading Code OVSC), studiati in modo da mantenere l ortogonalità anche con spreading differenti La distinzione degli utenti e dei Node B avviene attraverso codici di scrambling tratti da sequenze di Gold di lunghezza

35 Albero dei codici di spreading C 2,1 =(1,1) C 4,1 =(1,1,1,1) C 1,1 =(1) C 4,2 =(1,1,-1,-1) C 4,3 =(1,-1,1,-1) C 2,2 =(1,-1) C 4,4 =(1,-1,-1,1) SF=1 SF=2 SF=4 37

36 Albero dei codici di spreading Gli OVSC sono usati dai singoli UE per ottenere diversi canali a velocità differente in uplink; UE diversi usano versioni diverse dello stesso albero, l ortogonalità tra UE diversi è garantito dai codici di scambling In downlink ogni cella (o settore, o in ogni caso su un diverso codice di scambling) usa un albero di OVSC Per garantire l ortogonalità gli OVSC devono essere allineati 38

37 Codici di Spreading Forniscono l ortogonalità tra celle adiacenti e tra UE diversi 4 tipi di codice corti in DL (256 chip): 512 codici primari usati in acquisizione lunghi in DL (38400 chip): associati 15 a 15 ai codici primari garantiscono l ortogonalità anche senza allineamento lunghi in UL (38400 chip) corti in UL (240 chip) usati in fase di accesso e sincronizzazione 39

38 Canali di trasporto RACH: Random Access Channel (UL) Canale di accesso e per il trasporto di piccole quantità di dati; organizzato a pacchetto CPCH: Common Packet Channel (UL) Canale a contesa per piccole quantità di dati; organizzato a pacchetto FACH: Forward Access Channel (DL) Canale per la trasmissione di piccoli burst di dati; velocità di trasferimento facilmente modificabile DSCH: Downlink Shared Channel (UL-TDD) Canale a pacchetto condiviso, gestito in multiplazione statistica dall RNC 40

39 Canali di trasporto USCH: Uplink Shared Channel (UL-TDD) Canale a pacchetto condiviso, gestito in multiplazione statistica dall RNC BCH: Broadcast Channel (DL) Canale per la diffusione delle informazioni di sistema PCH: Paging Channel (DL) Canale per la ricerca dei terminali mobili DCH: Dedicated Channel E l unico canale dedicato previsto da UMTS, può essere usato sia per dati che per voce, è caratterizzato da velocità variabile (dipende dal codice di spreading assegnato); la velocità può essere variata dinamicamente durante il servizio 41

40 Canali fisici CPICH: Common Pilot Channel Canale pilota con bit rate e fattore di spreading costante per consentire la stima del canale (non ha un canale logico associato) SCH: Synchronization Channel (DL) Sincronizzazione e ricerca cella PRACH: Physical-RACH (UL) Supporta il canale logico RACH, accesso con protocollo slotted-aloha a prenotazione (reservation Aloha) 42

41 Canali fisici P-CCPCH: Primary Common Control Physical Channel (DL) supporta il BCH S-CCPCH: Primary Common Control Physical Channel (DL) supporta FACH e PCH AICH: Acquisition Indication Channel (DL) indica la presenza di messaggi sul FACH PICH: Paging Indication Channel (DL) indica la presenza di messaggi sul PCH 43

42 Canali fisici DPDCH: Dedicated Physical Data (DL-UL) supporta i DCH DPCCH: Dedicated Physical Control Channel (DL-UL) supporta la segnalazione associata ai DPDCH PDSCH: Physical DSCH (DL) supporta il DSCH PCPCH: Physical-CPCH (UL) Supporta il canale logico CPCH, protocollo di accesso DSMA-CD (Digital Sense Multiple Access with Collision Detection) 44

43 Estensioni High Speed Downlink Packet Access (HSDPA) Fino a 14 Mbit/s, latenza ridotta High Speed Uplink Packet Access (HSUPA) Fino a 5,8 Mbit/s, latenza ridotta Evolved High Speed Packet Access (HSPA+) 84 Mbit/s in downlink e 10.8 Mbit/s in uplink (per portanti da 5 MHz) con 2x2 MIMO e 64 QAM Dual-carrier HSDPA (DC-HSDPA) e HSUPA (DC-HSUPA) Conessione a due celle simultaneamente dunque in teoria 2 X HSPA+ Multi-carrier HSPA (MC-HSPA) Fino a 672 Mbit/s 45