Politecnico di Milano Facoltà di Ingegneria dell Informazione. Reti Radiomobili. Prof. Antonio Capone

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1 Politecnico di Milano Facoltà di Ingegneria dell Informazione Reti Radiomobili Prof. Antonio Capone

2 5 - Il sistema UMTS Reti radiomobili

3 Sommario Introduzione Servizi ed applicazioni Rete d accesso radio Core Network Cenni storici A. Capone: Reti radiomobili 3

4 Introduzione Il sistema UMTS

5 Evoluzione sistemi cellulari (1) 1G 2G 2+ G Mobilità e servizi base, incompatibilità tra sistemi diversi FDM/FDMA NMT, AMPS, TACS Mobilità avanzata, roaming, servizi voce e dati a circuito TDM/TDMA, 10 Kbps GSM, DAMPS, IS-136, IS-95, PDC Introduzione servizi internet (WAP) 2.5G 3G 4G Introduzione di servizi dati a pacchetto TDM/TDMA, Kbps GPRS/EDGE Servizi dati a pacchetto, servizi avanzati ed espandibili, accesso radio globale WCDMA FDD/TDD, Mbps UMTS, cdma Mbps, consentirà la telepresence software radio (tecnica d accesso programmabile) A. Capone: Reti radiomobili 5

6 IMT2000 Standard 3G Requisiti chiave per IMT2000: High Speed Packet Data 144k 144k - Vehicular Pedestrian 2Mb - Indoor Global Roaming UIM UIM - Based on GSM SIM IMT-2000 CDMA Direct Spread IMT-2000 CDMA Multi-Carrier IMT-2000 CDMA TDD IMT-2000 TDMA Single Carrier IMT-2000 FDMA/ TDMA UMTS/DoCoMo cdma2000 1X/3X UTRA TDD TD-SCDMA UWC-136/ EDGE DECT Gli standard che rispettano i requisiti IMT2000 sono più di uno A. Capone: Reti radiomobili 6

7 Allocazione dello spettro A. Capone: Reti radiomobili 7

8 Confronto tra tecniche di accesso radio SOURCE: WASHINGTON UNIV. A. Capone: Reti radiomobili 8

9 Accesso radio (1) Velocità di trasmissione 2 Mbps per utenti quasi-fermi e vicini alla stazione base (<10 kmph) 384 kbps in ambiente urbano (<120 kmph) 144 kbps in ambiente rurale (<500 kmph) velocità e QoS variabili dinamicamente Tecnica CS o PS in base al servizio Utilizzo di celle di differenti dimensioni (satellite, macro, micro, pico) per ambienti out/ o indoor. Accesso radio con stazioni base non sincronizzate Gestione flessibile ed efficiente dello spettro radio Coesistenza di tecniche FDD e TDD A. Capone: Reti radiomobili 9

10 Accesso radio (2) Confronto tra i bitrate tipici di vari sistemi e loro evoluzioni (SOURCE: Durlacher Research Ltd./EQVITEC Partners Oy, 2001) A. Capone: Reti radiomobili 10

11 Accesso radio (3) Multiplazione di servizi a bit-rate e QoS differenti SOURCE: NTTDOCOMO (JP) A. Capone: Reti radiomobili 11

12 Accesso radio (4) Coesistenza di differenti tecniche e apparati di copertura MACROCELLA UTENTI FAST-MOVING PICOCELLA MICROCELLA UTENTI SLOW-MOVING A. Capone: Reti radiomobili 12

13 Classi QoS (1) Conversational - Ritardo end-to-end basso, traffico simmetrico o quasi Voce, Video telefonia, Streaming - Flusso dati continuo, BER non stringente, asimmetrico Video/audio news, musica, movie-trailers, Interactive - Interazione tra utenti e apparati remoti - Web browsing, machine-to-machine (es. tele-meccanica,..) Background - traffico non real-time e a best-effort - , SMS, MMS, A. Capone: Reti radiomobili 13

14 Classi QoS (2) A. Capone: Reti radiomobili 14

15 Evoluzione dello standard (1) Ottime specifiche del sistema con con le principali interfacce aperte e standard. Campo di validità mondiale. Compatibilità all indietro con almeno GSM e ISDN. Supporto in tutte le parti costituenti il sistema per i servizi multimediali L accesso radio a larga banda deve essere specificato in modo sufficientemente generico da poter essere adottato globalmente. L espressione larga-banda vuole sottolineare la differenza di capacità tra i sistemi 2G e le reti fisse multimediali che deve essere colmata. I servizi per gli utenti finali devono essere indipendenti dalla tecnica di accesso radio; l infrastruttura di rete non deve impedire lo sviluppo di nuovi servizi. Questo significa che servizi disponibili e piattaforma del sistema devono essere non vincolanti gli uni per l altra e viceversa. A. Capone: Reti radiomobili 15

16 Evoluzione dello standard (2) Lo standard UMTS comprende attualmente varie versioni. La versione che sarà utilizzata al lancio sarà la R99 ma altre due versioni, la R4 e R5, sono già definite completamente. E già in fase di definizione la R6 L obiettivo di fondo è quello di evitare la nascita di versioni locali dello standard forzando gli operatori a condividere le prospettive sul futuro delle reti e, attraverso l evoluzione dello standard, conservarne l interoperabilità. Le differenze tra le varie attuali versioni riguardano principalmente la rete di trasporto e la Core Network Nella Release 5 il sistema UMTS può dirsi pienamente maturo; R5 infatti realizza in pieno l integrazione della rete UMTS con la rete IP (è infatti detta anche All-IP ) A. Capone: Reti radiomobili 16

17 Servizi ed applicazioni Il sistema UMTS

18 Servizi e applicazioni Universalità attraverso l interazione diretta o indiretta con il mondo Internet Caratteristiche del trasporto variabili a seconda dell ambiente di servizio e delle caratteristiche di mobilità Bit rate variabile e in funzione anche del livello di asimmetria tra up e down-link Possibilità di offrire servizi basati sulla localizzazione dell utente con una ragionevole approssimazione (es. <125m) A. Capone: Reti radiomobili 18

19 Servizi e applicazioni (1) Mobile Office Internet / Intranet Access Personal Organizer (business) 8,7% 11.7% Entertainment Audio/Video Download consumer Lottery and Betting Online Games 24,9% 26,7% 28,0% Information Location Info Traffic Info Internet Access (consumer) Online News Commerce Booking & Reservation Micropayment Product & Price Locator Online Banking Online Shopping Communication Video telephony Multimedia Messaging Video Conferencing Control of Household Devices Assumption: 70% of all users are residential users, 30% are business users. Source: Siemens End User Survey A. Capone: Reti radiomobili 19

20 Servizi e applicazioni (2) Servizi d informazione shopping interattivo stampati disponibili on-line (e-books) servizi broadcast locali Istruzione biblioteca on-line e-learning Intrattenimento audio on demand giochi on demand Utilità pubblica gestione emergenze e-government A. Capone: Reti radiomobili 20

21 Servizi e applicazioni (3) Servizi speciali tele-medicina telecontrollo assistenza personale Servizi di comunicaizione video telefonia video conferenza localizzazione utente Servizi affari e finanziari mobile office virtual banking on-line billing A. Capone: Reti radiomobili 21

22 Servizi e applicazioni (4) Confronto tra il tempo di trasferimento per vari servizi su rete mobile e fissa Tempo di trasferimento Tipo di servizio e volume dati 2G (GSM GPRS) Rete fissa (PSTN/ ISDN) < 64 kbps 3G (UMTS) 9,6 kbps 50 kbps 128 kbps 384 kbps 2 Mbps 5 kbyte 8 s 1,7 s 1,6 s 1,2 s 0,5 s <0,5s SMS with photogr. 5 kbyte (JPEG 2000) 8 s 1,7 s 1,6 s 1,2 s 0,5 s <0,5s Web page 20 kbyte 20 s 4,5 s 4 s 2,4 s 0,8 s <0,5s Document 100 kbyte 2 min 35 s 25 s 12 s 4 s <1s 3 min Audio CD 2 Mbyte MP3 40 min 9 min 6,5 min 3 min --- 1) --- 1) 10s Videoclip 600 kbyte MPEG4 10 min 2,5 min 1,5 min 45 s 15 s 2) Qualità ritenuta accettabile dall utente 1) Qualità ottimale CD Streaming = 128 kbps 2) Videostreaming A. Capone: Reti radiomobili 22

23 Servizi e applicazioni (5) Ulteriore classificazione servizi UMTS Intranets Internet Services Customized Internet Access Intranet Access Infotainment Business User Laptop Business + Consumer PDA Laptop A. Capone: Reti radiomobili Consumer Mobile Phone Mobile Internet PSTN Multimedia Messaging Location Based Service Business + Consumer Business + Consumer SmartPhone SmartPhone PDA Voice Mobile Phone 23

24 Servizi di telecomunicazione Bearer service servizio di telecomunicazione in grado di fornire la trasmissione di informazione tra access points Teleservice consente agli utenti di comunicare attraverso l utilizzo di protocolli accordati tra operatori. Alcuni teleservice sono standardizzati in quanto sono considerati fondamentali Supplementary service Modifica o completa un teleservice. Non può essere offerto come servizio stand-alone A. Capone: Reti radiomobili 24

25 Parametri dei servizi Maximum transfer delay E il tempo che intercorre tra la richiesta di trasferimento dell informazione fatta all access point e il suo arrivo ad un altro access point Delay variation La variazione del ritardo dell informazione ricevuta deve essere controllata per supportare servizi real-time Bit error ratio Rapporto tra bit di informazione trasmessi ricevuti errati e quelli totali Data rate E la quantità di informazione trasmessa tra due access point in un dato intervallo di tempo A. Capone: Reti radiomobili 25

26 Bearer Services Consentono la trasmissione di informazione tra access point e coinvolgono solo funzionalità a basso livello A livello superiore, l utente può scegliere qualunque tipo protocollo per la comunicazione Il link di comunicazione può interessare varie reti I bearer services sono caratterizzati da un insieme di caratteristiche end-toend con differenti requisiti sulla QoS ma è la QoS end-to-end percepita dall utente a qualificare il servizio Requisiti dei Bearer Services Information transfer Traffic type: guaranteed/constant bit rate, non-guarantied/dynamic variable bit rate, real time dynamic variable bit rate con minimum guaranteed bit rate Traffic characteristics Pont-to-point: uni-directional, bi-directional: symmetric, asymmetric. Uni-directional point-to-multipoint: multicast,broadcast. A. Capone: Reti radiomobili 26

27 Teleservices Può essere visto come un insieme di livelli che sfruttano le potenzialità di livelli più bassi Può essere un servizio single o multi-media I servizi multimediali sono così classificabili multimedia conference multimedia conversational multimedia distribution multimedia retrieval multimedia messaging multimedia collection Il terminale e la rete devono supportare il servizio L obiettivo del progetto di rete deve essere quello di rendere i livelli superiori e inferiori quanto più indipendenti possibile (i livelli sono intesi secondo il modello OSI) A. Capone: Reti radiomobili 27

28 Supplementary services In accordo con gli standard GSM e ISDN sono stati proposti Number Identification (es. filtro chiamate entranti, CLI) Call Forwarding (es. deviazione in base a particolari eventi) Call Termination (es. call holding) Multiparty communications (es. conference call) Group communication (es. reti aziendali chiuse) Billing Call Rejection (es. blocco di tutte le chiamate entranti) A. Capone: Reti radiomobili 28

29 Servizi a valore aggiunto Personal mobility Con l utilizzo di una smart card, l utente può trasferire le informazioni immagazzinate da un terminale ad un altro. Virtual Home Environment L utente può usufruire del portfolio di servizi offerti dalla rete di provenienza in tutte le altre reti visitate. I servizi non disponibili nella nuova rete saranno emulati in modo trasparente Bandwidth-on-demand Allo scopo di venire incontro alle esigenze di banda dell utente che utilizza servizi con caratteristiche molto variabili (dal video all sms) la banda disponibile viene allocata in modo flessibile (ed economico) A. Capone: Reti radiomobili 29

30 Potenzialità dell UE secondo 3GPP (1) La specifica UMTS R99 impone che la UE supporti le seguenti UE Service Capabilities Tele services Speech Emergency call Short Message Service Cell Broadcast service CBS Bearer Services Circuit-switched data Packet-switched data Defined by their attributes Information transfer rate Information quality attributes Bit error ratio, Maximum transfer delay Delay variation. A. Capone: Reti radiomobili 30

31 Potenzialità dell UE secondo 3GPP (2) Supplementary services: Defined in GSM R'99. Examples Call Forwarding Advice of Charge. Explicit Call transfer. Service capabilities Mobile Service Execution Environment Location Services SIM application toolkit GSM systems features: Network identity and time zone Unstructured supplementary service data A. Capone: Reti radiomobili 31

32 Architettura di rete User Equipment Domain La USIM contiene tutte le informazioni necessarie alla autenticazione e criptazione all interno della rete 3G Access Network Domain Consente l accesso alla rete UMTS agli utenti. E costituita dall UTRAN o dal BSS- GSM Core Network Domain Consiste di varie reti di trasporto quali PDN (es. Internet), GSM, B-ISDN, collegate fra di loro attraverso dei gateway di rete (IWU, Interworking Unit) E ulteriormente divisa in SDN Serving Network Domain HND Home Network Domain TND Transit Network Domain A. Capone: Reti radiomobili 32

33 Utenti Utenti UMTS mercato di massa (paragonabile a quello del 2G) utilizzo di standard comuni consente produzione di apparati consumer a basso costo interfacce aperte standard globale utenza per reti pubbliche e private fruiscono degli stessi servizi ovunque A. Capone: Reti radiomobili 33

34 Terminali I terminali UMTS consentono mobilità del terminale mobilità dell utente mobilità del servizio espansibilità programmabilità A. Capone: Reti radiomobili 34

35 Domini ed loro interfacce Cu Uu Iu Yu Home Network Domain Zu USIM Domain Mobile Equipment Domain Access Network Domain Serving Network Domain Transit Network Domain Core Network Domain User Equipment Domain Infrastructure Domain A. Capone: Reti radiomobili 35

36 Architettura di rete per GSM/GPRS U m To other BTS s To other BSC s To other MSC s U m Base Transceiver Station (BTS) Base Station Subsystem (BSS) A bi s A bi s Base Station Controller (BSC) A A H Mobile Switching Center (MSC) AC F EIR E F E Gateway MSC External Networks PSTN ISDN Internet... B C C B U m A bi s A VLR HLR VLR D D To other BTS s To other BSC s G GPRS Network Components Packet Control Unit (PCU) Serving GPRS Service Node (SGSN) Gateway GPRS Service Node (GGSN) External Data Network IP / X.25 A. Capone: Reti radiomobili 36

37 Architettura di rete per WCDMA/UMTS UMTS Terrestrial Radio Access Network (UTRAN) Core Network (CN) AC EIR To other MSC s Radio Network Subsystem (RNS) H F F E U u External Networks Node B (BTS) I ub RNC I u Mobile Switching Center (MSC) E Gateway MSC PSTN ISDN Internet... B C C B U u I u VLR HLR VLR I ur D D G I u U u Node B (BTS) I ub RNC I u Serving GPRS Service Node (SGSN) Gateway GPRS Service Node (GGSN) External Data Network IP / X.25 U u I u GPRS Network Components To other RNC s A. Capone: Reti radiomobili 37

38 Servizi basati sulla localizzazione Il sistema UMTS 38

39 Interfaccia radio WCDMA Il sistema UMTS 39

40 Introduzione (1) La fase di specifica dell UTRAN ha impegnato gran parte del tempo necessario per creare lo standard UMTS Le difficoltà incontrate sono dipese essenzialmente dalla necessità di definire lo standard per un sistema d accesso orientato ai dati a pacchetto flessibile ad alta capacità globale Attraverso l utilizzo della tecnica W-CDMA, il livello fisico UMTS consente di multiplare sulla stesso spettro radio connessioni con bit rate variabile QoS variabile a circuito e a pacchetto A. Capone: Reti radiomobili 40

41 Introduzione (2) L utilizzo della tecnica WCDMA è stata sviluppata a partire da quella CDM/CDMA già impiegata nei sistemi 2G in USA e America Latina. Sfruttando codici a lunghezza (o chip-rate) variabile (R c ) è possibile offrire agli utenti canali a bit-rate variabile (R u ), mantenendo costante il prodotto che indica il bit rate finale trasmesso sull interfaccia radio (R s ) R u * R c = R s A. Capone: Reti radiomobili 41

42 UMTS e UTRAN PSTN ISDN Internet GSM/GPRS Core Network (CN) MSC GPRS Service Node I u I I u u I u UTRAN UMTS Terrestrial Radio Access Network RNS RNC I ub I ur I ub RNS RNC I ub I ub Node B Node B Node B Node B U u User Equipment (UE) A. Capone: Reti radiomobili 42

43 Elementi e definizioni RNS (Radio Network Subsystem) Parte della rete che consente l accesso dell UE alla Core Network Contiene almeno un RNC RNC (Radio Network Controller) Elemento dell RNS che gestisce le risorse fisiche radio Node B Nodo che controlla la trasmissione e ricezione da una o più celle U u Interface Interfaccia tra UE e Node B I u Interface Interfaccia tra CN e RNS I ur Interface Interfaccia tra RNS e un altro RNS I ub Interface Interfaccia tra RNC e Node B A. Capone: Reti radiomobili 43

44 Funzionalità (parziali) Functionalità relative al controllo di tutto il sistema d accesso Admission Control, Congestion Control System information broadcasting Radio channel ciphering and deciphering Functionalità relative alla gestione delle mobilità Handover SRNS Relocation Functionalità relative alla gestione e controllo delle risorse radio Initial (random) access detection and handling Radio resource configuration and operation combining/splitting control Radio bearer connection set-up and release (Radio Bearer Control) Allocation and deallocation of Radio Bearers Radio protocols function RF power control Radio channel coding Radio channel decoding A. Capone: Reti radiomobili 44

45 Modello OSI Layer 3 Radio Resource Control (RRC) Layer 2 Medium Access Control (MAC) Logical channels - raggruppati per contenuto dell informazione -User Data - Control and signaling Layer 1 Physical layer Transport channels - raggruppati per metodo di trasporto Controllo diretto del livello fisico da parte dell RRC Air Interface Physical channels Suddivisi per -Frequenza RF - Channelization Code - Spreading Code - Fase di modulazione (I/Q) (uplink) - Timeslot (TDD mode) A. Capone: Reti radiomobili 45

46 Funzionalità del livello fisico Elaborazione dati ed RF FEC encoding/decoding dei canali di trasporto Error detection sui transport channels e notifica ai livelli superiori Adattamento del bitrate tra canali di trasporto codificati e canali fisici Bilanciamento e combinazione dei canali fisici Controllo di potenza Closed-loop Modulazione/demodulazione e spreading/de-spreading dei canali fisici Multiplexing/de-multiplexing deicanali di trasporto combinati e codificati Mapping dei canali di trasporto sui canali fisici Combinazione/distribuzione per macrodiversity Funzionalità operative Funzionalità di cell search Sincronizzazione (chip, bit, slot, trama) Supporto per il Soft Handover Misure caratteristiche radio (FER, SIR, Interference Power, ecc.) e notifica ai livelli superiori Gestione del timing advance (uplink TDD mode) A. Capone: Reti radiomobili 46

47 Canali fisici WCDMA Channels broadcast a tutti gli UE nella cella P-CCPCH- Primary Common Control Physical Channel SCH - Sync Channel P-CPICH - Primary Common Pilot Channel S-CPICH - Secondary Common Pilot Channel(s) Paging Channels S-CCPCH - Secondary Common Control Physical Channel PICH - Page Indication Channel Random Access e Packet Access Channels Node B PRACH - Physical Random Access Channel AICH - Acquisition Indication Channel UE PCPCH - Common Physical Packet Channel AP-AICH - Acquisition Preamble Indication Channel CD/CA-AICH - Collision Detection Indication Channel CSICH - CPCH Status Indication Channel Dedicated Connection Channels DPDCH - Dedicated Physical Data Channel DPCCH - Dedicated Physical Control Channel F-PDSCH - Physical Downlink Shared Channel A. Capone: Reti radiomobili 47

48 Canali fisici in downlink Common Downlink Physical Channels P-CCPCH Common Control Physical Channel (Primary) Broadcast delle informazioni della cella Broadcast della SFN e Timing reference per tutti i canali DL SCH Synchronization Channel Fast Synch. codes 1 and 2; time-multiplexed con P-CCPCH S-CCPCH Common Control Physical Channel (Secondary) Trasmette l informazione di segnalazione e controllo per gli UE in idle-mode P-CIPCH Common Pilot Channel S-CIPCH Secondary Common Pilot Channel (for sectored cells) PDSCH Physical Downlink Shared Channel Trasmette dati ad alta velocità a più utenti Dedicated Downlink Physical Channels DPDCH Dedicated Downlink Physical Data Channel DPCCH Dedicated Downlink Physical Control Channel Trasmette la segnalazione e il controllo per i mobili in connessione A. Capone: Reti radiomobili 48

49 Canali fisici in downlink (2) Downlink Indication Channels AICH (Acquisition Indication Channel) Acknowledges that BS has acquired a UE Random Access attempt (Echoes the UE s Random Access signature) PICH (Page Indication Channel) Informs a UE to monitor the next paging frame AP-AICH (Access Preamble Indication Channel Acknowledges that BS has acquired a UE Packet Access attempt (Echoes the UE s Packet Access signature) CD/CA-ICH Confirms that there is no ambiguity between UE in a Packet Access attempt (Echoes the UE s Packet Access Collision Detection signature) Optionally provides available Packet channel assignments CSICH Broadcasts status information regarding packet channel availability A. Capone: Reti radiomobili 49

50 Canali fisici in uplink Common Uplink Physical Channels PRACH Physical Random Access Channe Used by UE to initiate access to BS PCPCH Physical Common Packet Channel Used by UE to send connectionless packet data Dedicated Uplink Physical Channels DPDCH Dedicated Uplink Physical Data Channel DPCCH Dedicated Uplink Physical Control Channel Transmits connection-mode signaling and control to BS A. Capone: Reti radiomobili 50

51 Tipi di codice per WCDMA Channelization Codes (Orthogonal Codes) Used to orthogonally code different data channels from BS, UE Scrambling Codes (Spread Spectrum Codes) BS Scrambling Codes: Used by UE to distinguish the desired BS UE Scrambling Codes: Used by BS to distinguish the desired UE Synchronization Codes Primary Sync. Code: Fixed 256-bit code Helps UE identify the presence of a WCDMA BS Helps UE achieve Slot Synchronization Pilot Codes Secondary Sync. Codes: Group of 256-bit codes Helps UE achieve Frame Synchronization A full-time common Pilot (CPICH) provides coherent reference for UE receiver Pilot data bits are embedded into each timeslot of the Dedicated Data Channel Random Access Preamble Codes Preamble Signatures; Used by BS to distinguish between UE making A. Capone: Reti radiomobili 51 access attempts

52 WCDMA Downlink (FDD) Logical Channels (Layers 3+) Transport Channels (Layer 2) Physical Channels (Layer 1) CPICH Common Pilot Channel BCCH Broadcast Control Ch. BCH Broadcast Ch. P-CCPCH(*) Primary Common Control Physical Ch. PCCH Paging Control Ch. CCCH Common Control Ch. CTCH Common Traffic Ch. DCCH Dedicated Control Ch. DTCH Dedicated Traffic Ch. PCH Paging Ch. FACH Forward Access Ch. DCH Dedicated Ch. DCH Dedicated Ch. CCTrCH S-CCPCH Secondary Common Control Physical Ch. DPCH (Dedicated Physical Channel) One per UE DPDCH (one or more per UE) Dedicated Physical Data Ch. SHCCH DSCH Control Ch. DSCH Downlink Shared Ch. Pilot, TPC, TFCI bits DPCCH (one per UE) Dedicated Physical Control Ch. PDSCH Physical Downlink Shared Channel Access Indication data Paging Indication bits Access Preamble Indication bits CPCH Status Indication bits CPCH Status Indication bits AICH (Acquisition Indication Channel) PICH (Paging Indication Channel ) AP-AICH (Access Preamble Indication Channel ) CSICH (CPCH Status Indication Channel ) CD/CA-ICH (Collision Detection/Channel Assignment ) A. Capone: Reti radiomobili 52

53 Canali logici in downlink Common Downlink Logical Channels BCCH (Broadcast Control Channel) Broadcasts cell site and system identification to all UE PCCH (Paging Control Channel) Transmits paging information to a UE when the UE s location is unknown CCCH (Common Control Channel) Transmits control information to a UE when there is no RRC Connection SHCCH (Shared Channel Control Channel) Control channel associated with shared traffic channels (TDD mode only) CTCH (Common Traffic Channel) Traffic channel for sending traffic to a group of UE s. Dedicated Downlink Logical Channels DCCH (Dedicated Control Channel) Transmits control information to a UE when there is a RRC Connection DTCH (Dedicated Traffic Channel) Traffic channel dedicated to one UE A. Capone: Reti radiomobili 53

54 Canali di trasporto in downlink Common Downlink Transport Channels BCH (Broadcast Channel) Continuous transmission of system and cell information PCH (Paging Channel) Carries control information to UE when location is unknown Pending activity indicated by the PICH (paging indication channel) FACH (Forward Access Channel) Used for transmission of idle-mode control information to a UE No closed-loop power control DSCH (Downlink Shared Channel) Carries dedicated control and/or traffic data; shared by several UE s Dedicated Downlink Transport Channels DCH (Dedicated Channel) Carries dedicated traffic and control data to one UE A. Capone: Reti radiomobili 54

55 WCDMA Uplink (FDD) Logical Channels (Layers 3+) Transport Channels (Layer 2) Physical Channels (Layer 1) CCCH Common Control Ch. RACH Random Access Ch. PRACH Physical Random Access Ch. RACH Control Part DTCH (packet mode) Dedicated Traffic Ch. CPCH Common Packet Ch. PCPCH Physical Common Packet Ch. PCPCH Control Part DCCH Dedicated Control Ch. DTCH Dedicated Traffic Ch. 1 DCH Dedicated Ch. DCH Dedicated Ch. CCTrCH DPDCH #1 Dedicated Physical Data Ch. DPDCH #3 (optional) Dedicated Physical Data Ch. DPDCH #5 (optional) Dedicated Physical Data Ch. DPDCH #2 (optional) Dedicated Physical Data Ch. DPDCH #4 (optional) Dedicated Physical Data Ch. DPDCH #6 (optional) Dedicated Physical Data Ch. Pilot, TPC, TFCI bits DPCCH Dedicated Physical Control Ch. A. Capone: Reti radiomobili 55

56 Canali di trasporto in uplink Common Uplink Transport Channels RACH Random Access Channel Carries access requests, control information, short data Uses only open-loop power control Subject to random access collisions CPCH Uplink Common Packet Channel Carries connectionless packet data to PCPH Dedicated Uplink Transport Channels DCH Dedicated Channel Carries dedicated traffic and control data from one UE A. Capone: Reti radiomobili 56

57 Core Network Il sistema UMTS

58 Core Network Release 99 La Core Network dell UMTS R99 è una diretta evoluzione della CN del GSM/GPRS. Esistono quindi due differenti sotto-domini che gestiscono i due principali tipi di servizi Circuit domain per traffico sensibile al ritardo (conversational services, voice, video conference,..) Packet domain traffico sensibile agli errori (background, interactive e streaming services) Le funzionalità di transcoding sono nell MSC La mobilità dell utente/terminale sono gestite dall HLR/VLR per entrambi I domini In base alle specifiche 3GPP l accesso radio GSM e W-CDMA possono essere supportate in modo trasparente dalla Core Network UMTS Garantisce il roaming e l handover tra rete GSM e UMTS A. Capone: Reti radiomobili 58

59 Architettura UMTS R99 SERVICES & APPLICATIONS GSM HLR MAP CAP/INAP IP 3G-SGSN 3G-GGSN PS ME UTRAN U-MSC G-MSC CS CORE NETWORK PSTN A. Capone: Reti radiomobili 59

60 Core Network UMTS R99 PSTN Gi Gp GMSC GGSN C AuC H Gc PSTN PSTN HLR Gn D EIR Gr MSC VLR B G E VLR B MSC F Gs Gf SGSN CN A Gb IuCS IuPS BSS BSC RNC RNS Iur RNC BTS Abis BTS Node B cell Iubis Node B Um Uu ME SIM-ME i/f or Cu SIM USIM MS A. Capone: Reti radiomobili 60

61 Interfaccia Iu UTRAN Core Network (CN) Node B Node B Node B Node B RNC RNC CS Domain Iu-CS PS Domain Iu-PS BC Domain Iu-BC Iu Interface A. Capone: Reti radiomobili 61

62 Stack protocolli per Iu-cs Radio Network Layer Transport Network Layer Control Plane RANAP Transport User SCCP MTP3b SSCOP AAL5 Network Plane SSCF-NNI Transport Network Control Plane Q Q MTP3b SSCF-NNI SSCOP AAL5 ATM User Plane Iu UP Protocol Layer Transport User AAL2 Network Plane RANAP: Radio Access Network Application Part SCCP: Signalling Connection Control Part MTP3b: Message Transfer Protocol 3 SSCF-NNI: Service Specific Coordination Function Network Node Interface SSCOP: Service Specific Connection Oriented Protocol AAL5: ATM Adaptation Layer 5 ATM: Asynchronous Transfer Mode Q : AAL Type Signalling Protocol Q : AAL Type 2 signalling transport converter on broadband MTP SSCOP: Service Specific Connection Oriented Protocol SSCF-NNI: Service Specific Coordination Function Network Node Interface AAL2: ATM Adaptation Layer 2 Physical Layer A. Capone: Reti radiomobili 62

63 Stack protocolli per Iu-ps Radio Network Layer Transport Network Layer Control Plane MTP3-B SSCF-NNI RANAP Transport User SCCP Network Plane M3UA SCTP Transport Network Control Plane User Plane Iu UP Protocol Layer Transport User GTP-U UDP Network Plane RANAP: Radio Access Network Application Part SCCP: Signalling Connection Control Part SSCF-NNI: Service Specific Coordination Function Network Node Interface SSCOP: Service Specific Connection Oriented Protocol M3UA: MTP3-User Adaptation Layer SCTP: Simple Computer Telephony Protocol IP: Internet Protocol AAL5: ATM Adaptation Layer 5 ATM: Asynchronous Transfer Mode GTP-U: General Tunneling Protocol-U plane UDP: UserDatagramProtocol SSCOP IP IP AAL5 AAL5 ATM ATM Physical Layer Physical Layer A. Capone: Reti radiomobili 63

64 Stack protocolli per Iu-bc Radio SA Broadcast Plane Network Layer SABP Protocol Layer TCP: Transport Control Protocol; IP: Internet Protocol AAL5: ATM Adaptation Layer 5 ATM: Asynchronous Transfer Mode Transport Network Layer Transport User Network Plane TCP IP AAL5 ATM Physical Layer A. Capone: Reti radiomobili 64

65 Modello OSI per inter-networking L inter-network connette varie sub-networks Terminali collegati su varie reti possono comunicare tra loro Ciascuna sottorete (es. PSTN, ISDN, GSM, etc.) può essere considerata dai livelli di inter-network come un livello fisico I terminali hanno lo stesso stack protocollare di inter-network sui livelli di differenti sub-networks (es. IP, X.75) A. Capone: Reti radiomobili 65

66 Packet domain: control plane GSM/GPRS GMM/SM LLC RLC RLC Relay BSSGP GMM/SM LLC BSSGP MAC MAC Network Service Network Service GSM RF GSM RF L1bis L1bis MS Um Gb BSS 2G-SGSN GMM / SM / SMS GMM / SM / SMS Relay RRC RRC RANAP RANAP UMTS RLC MAC L1 MS Uu RLC SCCP MAC Signalling Bearer AAL5 L1 ATM RNS Iu-Ps SCCP Signalling Bearer AAL5 ATM 3G SGSN A. Capone: Reti radiomobili 66

67 Packet domain: user plane Application IP SNDCP Relay SNDCP GTP-U IP GTP-U GSM/GPRS LLC RLC MAC GSM RF Relay RLC BSSGP MAC GSM RF Network Service L1bis LLC BSSGP Network Service Um Gb Gn Gi MS BSS SGSN GGSN L1bis UDP IP L2 L1 UDP IP L2 L1 Application E.g., IP, PPP E.g., IP, PPP Relay Relay UMTS PDCP PDCP GTP-U GTP-U GTP-U GTP-U RLC RLC UDP/IP UDP/IP UDP/IP UDP/IP MAC MAC AAL5 AAL5 L2 L2 L1 MS L1 ATM ATM L1 L1 Uu Iu-PS Gn Gi UTRAN 3G-SGSN 3G-GGSN A. Capone: Reti radiomobili 67

68 Packet Domain: funzionalità Function 2G-MS 3G-MS BSS UTRAN 2G- 3G- GGSN HLR SGSN SGSN Network Access Control: Registration X Authentication and Authorisation X X X X X Admission Control X X X X X X Message Screening X Packet Terminal Adaptation X X Charging Data Collection X X X Packet Routeing & Transfer: Relay X X X X X X X Routeing X X X X X X X Address Translation and Mapping X X X X X X Encapsulation X X X X X X Tunnelling X X X X Compression X X X X Ciphering X X X X X Mobility Management: X X X X X X Logical Link Management: Logical Link Establishment X X Logical Link Maintenance X X Logical Link Release X X Radio Resource Management: X X X X X A. Capone: Reti radiomobili 68

69 Rete di trasporto per UMTS R99 MSC ISUP BTS Iub RNC Iu(CS) MSC TDM o ATM Iub BTS Iub ATM Iu(PS) SGSN Gn Gn BG GGSN BTS IP A. Capone: Reti radiomobili 69

70 Core Network Release 4 Restano ancora i due domini PS e CS come in R99 Nel nuovo elemento U-MSC viene introdotta una separazione tra funzionalità di trasporto e controllo presenti in MSC utilizzando due differenti elementi - MGW (Media GateWay) per il controllo del trasporto (ATM, IP, TDM) - MSC-Server implementa le funzionalità di Call Controll e Mobility Management L MSC-Server controlla il/i MGW attraverso il protocollo standard MEGACO (ITU H.248) A. Capone: Reti radiomobili 70

71 Core Network R4 PSTN PSTN PSTN T-SGW R-SGW Gi Gp MGW Mc GMSC server GGSN C Mh Gc PSTN Nb Nc D HSS(HLR) EIR H AuC Gr Gn VLR MSC server Mc B G E MGW MGW Nb VLR B MSC server Mc F Gs Gf SGSN CN A Gb IuCS IuPS BSS BSC RNC RNS Iur RNC BTS Abis BTS Node B cell Iubis Node B Um Uu ME SIM-ME i/f or Cu SIM USIM MS A. Capone: Reti radiomobili 71

72 Core Network Release 5 Possono rimanere I due domini CS e PS visti nelle versioni precedenti Introduzione di nuovi nodi per IP Multimedia nel dominio PS - CSCF Call State Control Function - HSS Home Subscriber Register - MGCF Media Gateway Control Function - MGW equivalente all omonimo elememento del dominio CS Da questa versione anche i servizi conversational possono essere forniti dal dominio PS come applicazioni IP A. Capone: Reti radiomobili 72

73 Core Network R5 MSC Server Nc MSC Server Nb T-SGW Iu(cs) Mc MGW C C Mc MGW PSTN ISDN Internet UTRAN Gs Gr HSS H Cx Gc AuC CSCF Mr Gi MRF Mg Mm Gi MGCF T-SGW Iu(ps) SGSN Gn GGSN Gi Gi Mc MGW PSTN ISDN Transport Interface Control Interface A. Capone: Reti radiomobili 73

74 Piattaforma servizi Application Application Server Application VHE/OSA Application Interface CSCF QoS Enabled GPRS network CSE SGSN HLR GGSN MGCF MGW MM Core Network Applications Applications A. Capone: Reti radiomobili 74

75 Piattaforma servizi - OSA Application server discovery Application OSA API Open Service Architecture framework User Location Call control Service capability server(s) Interface class HLR OSA internal API CSE WGW WPP Servers E.g. Location server MExE server SAT server A. Capone: Reti radiomobili 75

76 Piattaforma servizi - Multimedia Messaging MMS User Agent 2G Radio Network MMS Server MMS Relay Subscription Database Profile HLR Internet MMS Server (e.g. ) MMS User Agent Client 3G Radio Network MMSE A. Capone: Reti radiomobili 76

77 Piattaforma servizi Servizi di localizzazione LMU Type A CBC Note 1) Uu Iu BC 3G- SGSN HLR UE Node B (LMU Type B) Iub SRNC (SMLC functionality) Iu 3G- MSC/VLR Lg Lh Gateway MLC Le External LCS client Iur Lg Lc Node B (LMU Type B) Iub RNC Gateway MLC Other PLMN gsmscf A. Capone: Reti radiomobili 77

78 Appendice Cenni storici

79 Cenni storici (1) Il RACE Mobile Definition project definì il termine UMTS nell 86. L ACTS FRAMES project ( 95/ 99) propose una tecnica di accesso multiplo per l interfaccia radio dell UMTS chiamata FMA (FRAMES Multiple Access) L FMA consisteva di due modalità FMA1: TDMA (Time Division Multiple Access) FMA2: DS-CDMA (Direct-Sequence Code Division Multiple Access) A. Capone: Reti radiomobili 79

80 Cenni storici (2) Nel 1997, il comitato SGM2 dell ETSI (European Telecommunication Standards Institute) confrontò cinque proposte alternative per l accesso multiplo sull interfaccia radio per l UMTS. Concept group Alpha Beta Tecnica di accesso multiplo Wideband code division multiple access (W-CDMA) Orthogonal frequency division multiple access (OFDM) Gamma Wideband time division multiple access (Wideband -TDMA ) Delta Time division/code division multiple access (TD-CDMA ) Epsilon Opportunity driven multiple access (ODMA) A. Capone: Reti radiomobili 80

81 Cenni storici (3) L armonizzazione delle tecniche TDD e FDD ha prodotto l UTRA (UMTS Terrestrial Radio Access) Parametri iniziali dell UTRA Tecnica accesso multiplo Spaziatura portanti FDD W-CDMA MHz TDD TD-CDMA 5 MHz Chip rate Modulazione Maschera filtro Durata della trama Timeslots per trama Mchip/s (Mcps) QPSK Root raise cosine, roll-off = ms 16 A. Capone: Reti radiomobili 81

82 Cenni storici (4) Nel giugno 1998, nell ottica del progetto l IMT-2000 dell ITU, cioè di armonizzare a livello mondiale gli standard 3G, i vari enti di standardizzazione locali furono invitati a sottoporre le loro proposte per le tecnologie di trasmissione (RTT, radio transmission technologies) A. Capone: Reti radiomobili 82

83 Cenni storici (5) Proposta Descrizione Ente DECT Digital Enhanced Cordless Telecommunications ETSI Project DECT (Europe) UWC-136 Universal Wireless Communications TIA TR-45.3 (USA) WIMS W-CDMA Wireless Multimedia and Messaging Services W-CDMA TIA TR-46 (USA) TD-SCDMA Time Division Synchronous CDMA CATT (China) W-CDMA Wideband CDMA ARIB (Japan) DMA II Asynchronous DS-CDMA TTA (South Korea) UTRA UMTS Terrestrial Radio Access ESTI SMG2 (Europe) NA: W-CDMA North American: Wideband CDMA ATIS T1P1 (USA) cdma2000 Wideband CDMA (IS-95) TIA TR-45.5 (USA) CDMA I Multiband Synchronous DS-CDMA TTA (South Korea) A. Capone: Reti radiomobili 83

84 Cenni storici (6) Nel dicembre 98, fu fondato il 3GPP (Third Generation Partnership Project) per armonizzare le proposte basate sulla tecnica W-CDMA Le proposte europea (dell ETSI) e quella giapponese (dell ARIB) confluirono infatti in uno standard comune grazie al 3GPP Il 3GPP2 nacque con con l obiettivo di armonizzare invece le proposte vicine alla proposta cdma2000 Nel giugno 1999, un altro nuovo ente, l OHG (Operator Hamonisation Group) intraprese le attività di armonizzazione dei principi del 3GPP and 3GPP2. Il progetto G3G (Global Third Generation) consentirà finalmente l interconnessione tra UTRA e cdma2000 A. Capone: Reti radiomobili 84

85 Cenni storici (7) L OHG ha prodotto uno standard con tre modalità operative CDMA-DS (CDMA-Direct Sequence) basato sull UTRA FDD CDMA-MC (CDMA-Multi Carrier) basato sul cdma2000 CDMA-TDD basato sull UTRA TDD. A. Capone: Reti radiomobili 85

86 Cenni storici (8) Nel novembre 99, l ITU-R ha formalmente adottato gli standard della famiglia IMT Dalle originarie dieci proposte, si è arrivati a sei, raggruppate in cinque modalità. Modalità Descrizione Standard(s) IMT-MC Multcarrier cdma200 IMT-SC Single carrier UWC-136 IMT-DS Direct sequence UTRA FDD IMT-TC TDMA/CDMA UTRA TDD, TD-SCDMA IMT-FT FDMA/TDMA DECT A. Capone: Reti radiomobili 86