LTE: THE EVOLUTION TO 4G WIRELESS

LTE: THE EVOLUTION TO 4G WIRELESS Università degli Studi Roma Tre - Facoltà di Ingegneria, 8 Maggio 2013 Speakers Marcello Donato Ing. TLC Università Federico II, Napoli Carlo Salatino Ing. TLC Università della Calabria

Agenda Il programma Junior Consulting LTE: the evolution to 4G wireless LTE: un caso applicativo

Presentazione Programma Junior Consulting Chi Siamo Il Programma Informazioni Generali

Chi siamo CONSEL Consorzio ELIS Società consortile nata nel 1992 con l obiettivo principale di favorire l incontro tra il mondo universitario e le realtà aziendali, proponendo percorsi formativi di eccellenza. CONSULTING ACADEMY Nasce nel 2003 all interno del Consorzio ELIS con l obiettivo di offrire ai propri clienti servizi di consulenza aziendale di alta qualità e innovazione. Ci accomuna la passione per la formazione umana e lo sviluppo della persona.

Il programma Junior Consulting Il programma, della durata di cinque mesi, si propone di creare un ponte tra le università e il mondo del lavoro, facilitandone l'accesso con l obiettivo di accrescere le competenze umane e professionali fornendo: Sviluppo di un reale progetto di consulenza finalizzato alla stesura della Tesi magistrale Formazione manageriale e comportamentale Percorso di sviluppo personale con il supporto di un Tutor dedicato E molto altro Il programma è rivolto ai migliori laureandi magistrali, provenienti da università italiane e straniere, delle facoltà di: Ingegneria Informatica Economia Scienze Matematiche e Statistiche

Il project work - La tua futura tesi di laurea Gli allievi lavorano ad un progetto di consulenza reale, commissionato da una delle aziende del Consorzio ELIS. Ogni progetto è sviluppato da un team di 3 allievi, seguiti da un team leader dedicato. Il project work rappresenta la parte sperimentale della tesi di laurea dei partecipanti al programma Junior Consulting. TECHNOLOGY BUSINESS

Educational Plan - La formazione SOFT SKILLS HARD SKILLS TEAM BUILDING COMUNICAZIONE EFFICACE & PUBLIC SPEAKING OFFICE AVANZATO PROJECT MANAGEMENT - PREPARAZIONE ALLA CERTIFICAZIONE CAPM MBTI PERSONAL DEVELOPMENT INTERVIEWS - OBIETTIVI E STRUMENTI TECNICHE DI CREATIVITÀ BUSINESS MODELING PERSONAL LEADERSHIP SELF MARKETING ENGLISH SCHOOL

Personal Development - Pensiamo a te Gli allievi seguiranno un percorso di personalizzato con un tutor dedicato al fine di individuare degli obiettivi di sviluppo personale. Attraverso una serie di incontri one-to-one: Individuazione dei punti di forza e di miglioramento. Definizione di un piano di sviluppo per la propria crescita personale e professionale.

E inoltre SALOTTI DI ESPERIENZA BRAINSTORMING

Junior Consulting in sintesi UNIVERSITÀ AZIENDA TESI DELIVERABLES PLACEMENT

Placement Entra nel mondo del lavoro CAREER DAY ESCLUSIVI Al termine di ogni edizione i partecipanti al programma possono sostenere colloqui di selezione con le Aziende partner del Consorzio ELIS.

Informazioni generali Partenza edizione: 8 Luglio 2013 Termine invio candidature: 28 Giugno 2013 Contatti Mail: Juniorconsulting@elis.org Facebook: https://www.facebook.com/programmajc Twitter: https://twitter.com/juniorcons Google+: https://plus.google.com/117350613979366454272/ Ogni allievo potrà richiedere l attivazione del prestito d onore erogato da AVEL Amici e Volontari ELIS per un massimo di 1500

Agenda Il programma Junior Consulting LTE: the evolution to 4G wireless LTE: un caso applicativo

LTE: the evolution to 4G wireless Introduzione La tecnologia Il mercato

Un po di storia Dal TACS all HSPA+ 1990 E-TACS Analogico 1G 1995 GSM Digitale 2G Voce + dati CS 9,6 kbps 2001/2002 GSM/GPRS/EGPRS Digitale 2G Voce + dati CS + dati PS 200 kbps 2003 UMTS Digitale 3G Voce + dati PS 384 kbps 2005-2011 HSDPA @ 1.8 Mbps HSDPA @ 7.2 Mbps HSDPA @ 14 Mbps HSDPA @ 21 Mbps HSPA+ DC @ 42 Mbps Solo voce

Evoluzione dello standard 3GPP Rel-99 UMTS Rel-4 Rel-5 HSDPA Rel-6 HSUPA Rel-7 HSPA+ Rel-8 LTE Rel-9 Rel-10 LTE Adv. Rel-11 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 LTE è il passo successivo all HSPA per le comunicazioni radiomobili. L evoluzione è dettata dai requisiti sulla latenza e sul data rate.

Perché LTE? Principali driver Costi Minori OPEX e upgrade costs Latenza TTI da 1 ms Minor numero di nodi Esplosione del traffico dati (nuovi servizi e applicazioni) Sempre maggior domanda di servizi mobili broadband Throughput Maggiore flessibilità di spettro Mix di tecniche e tecnologie radio

Le tecnologie abilitanti per LTE Tecniche MIMO Tecniche di modulazione (QPSK, 16QAM, 64QAM) Banda Scalabile SAE CN MME P/S-GW Tecniche di accesso (OFDMA, SC-FDMA) Architettura Flat enb enb

Tecniche di accesso: OFDMA e SC-FDMA Downlink Trasmissione parallela tra le sottoportanti Robusta all ISI Alta efficienza spettrale e bassa interferenza tra i canali Adatta al MIMO OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access) Uplink Semplice da implementare (FFT, IFFT) Trasmissione in serie sulle sottoportanti SC-FDMA OFDMA Basso Peak to Average Power Ratio (PAPR) Robusta al multipath SC-FDMA (Single Carrier-FDMA)

Tecniche di modulazione (Adattativa) A seconda della qualità del canale radio riportata dal terminale, l enodeb sceglie lo schema di modulazione in UL e DL (QPSK, 16QAM o 64QAM) Pessime Condizioni Canale Radio Buone QPSK (2 bits/symbol) 16 QAM (4 bits/symbol) 64 QAM (6 bits/symbol) enodeb

Tecniche MIMO (Multiple Input Multiple Output) In buone condizioni radio si utilizza lo Spatial Multiplexing: flussi di dati distinti vengono trasmessi in parallelo su antenne diverse Aumento del data rate di picco Aumento dell efficienza spettrale In pessime condizioni radio (es. a bordo cella) si utilizza la Transmit Diversity: le antenne trasmettono repliche dello stesso segnale opportunamente ritardate e codificate. dela y TX 1 TX 2 RX 1 RX 2 Miglioramento del SINR

Transmit Diversity vs Spatial Multiplexing A seconda della qualità del canale radio riportata dal terminale, l enodeb sceglie la tecnica di trasmissione più adeguata Pessime Condizioni Canale Radio Buone Flusso dati 1 Flusso dati 2 Antenna A Antenna B Antenna A Antenna B 1 2 3 4 5 6 7 8 1 2 3 4 5 6 7 8 Antenna A Antenna B 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 Transmit Diversity/ Low data rate Spatial Multiplexing/ High data rate enodeb

Banda scalabile (1/2) A differenza dell UMTS che utilizza una larghezza di banda fissa a 5 MHz, in LTE è stata definita una banda scalabile da 1.4, 3, 5, 10, 15 e 20 MHz. Due sottoportanti consecutive sono distanziate di 15Khz Banda (MHz) 1.4 3 5 10 15 20 Sottoportanti 72 180 300 600 900 1200 + ampiezza di banda + sottoportanti a disposizione + data rate In particolare con 20 MHz di banda si ottiene un data rate pari a 300 Mbps.

Banda scalabile (2/2) CQI CQI enb UE1 UE2 Ad ogni TTI (1ms) l enodeb alloca dinamicamente la banda ai vari utenti sulla base delle misure della qualità del canale (CQI) riportate dallo UE. TTI n+1 Dati verso UE1 Dati verso UE2 f sub-carrier TTI n Dati verso UE1 Dati verso UE2 f TTI n-1 Dati verso UE1 f Dati verso UE2

Architettura semplificata: Flat Architecture UMTS/WCDMA LTE GGSN CN MME SAE CN P/S-GW SGSN RNC RNC Funzionalità dell RNC spostate sull enodeb NodeB NodeB enodeb enodeb RNC posto tra la Rete di Accesso (NodeB) e la Core Network L architettura flat ottimizza le performance e riduce i costi

Evolved Packet System (EPS) Evolved UTRAN (E-UTRAN) Evolved Packet Core (EPC) HSS enb Mobility Management Entity X2 S6a MME S10 Gx Policy & Charging Rule Function PCRF Rx LTE-Uu S1-U S11 S5/S8 SGi PDN LTE-UE Evolved Node B (enb) Serving Gateway PDN Gateway S-GW /P-GW

Riassumendo Un mix di tecniche e tecnologie radio permette di rispondere ai requisiti della nuova rete radiomobile Reattività della rete Throughput ~10 ms 300 Mb/s

La gestione del servizio «voce»

La gestione del servizio «voce»: il CSFB Il servizio voce su LTE prende il nome di VoLTE (Voice over LTE) ed è un servizio Full IP. Nella release attuale ancora non è disponibile quindi si usa la feature CS FallBack: si ripiega su rete 2G/3G per effettuare una chiamata vocale su dominio CS. Condizione necessaria per il CSFB è la sovrapposizione della copertura LTE con quella WCDMA/GSM. LTE WCDMA GSM Solo servizi PS CS FallBack (Release with Redirect) LTE W C D M A / G S M S1 - MME A / Iu SGs MME MSC Chiamata voce su dominio CS Servizi PS e CS

Il mercato Diffusione Aspetti implementativi

Situazione in Italia e nel mondo Frequenze assegnate tramite asta conclusasi il 29 settembre 2011. Effettuati test sulla rete e dimostrazioni agli utenti. Lanciata l offerta commerciale. Paesi con lancio commerciale LTE Paesi con deployment LTE in corso o pianificato Paesi con trial LTE in corso Interferenze con DTT sulla banda 800 MHz. 163 lanci commerciali in 67 Paesi 415 Operatori Mobili hanno dichiarato di investire su LTE in 124 Paesi* * fonte: GSA Aprile 2013

L assegnazione delle frequenze 4G L'asta per l'assegnazione delle frequenze è iniziata il 30 agosto 2011 e si è conclusa il 29 settembre 2011 vedendo la partecipazione dei quattro Operatori Mobili. ASTA FREQUENZE 4G - Licenze nazionali valide fino al 31 dicembre 2029 @800 MHz: 6 lotti FDD 2x5 MHz di cui uno specifico privo di obblighi di copertura - Disponibilità 1 gennaio 2013 @1800 MHz: 3 lotti FDD 2x5 MHz Disponibilità 1 febbraio 2012 @2000 MHz: 1 lotto TDD Non assegnato (libero) @2600 MHz: 12 lotti FDD 2x5 MHz di cui uno specifico + 2 lotti TDD 15 MHz - Disponibilità 1 gennaio 2013 con obbligo di assicurare diritto a protezione al Ministero della Difesa fino al 31.12.2012 800 MHz 5 5 5 5 5 5 Esito gara 1800 MHz 2600 MHz 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 2600 TDD 15 15 1260 M 1260 M 1120 M 305 M Blocco 5 specifico

Assegnazione bande per servizi radiomobili Una volta completato il refarming dello spettro radio verranno liberati i canali sulle bande 900 MHz e 1800 MHz, attualmente utilizzati per il GSM. A finale i servizi LTE saranno erogati sulle bande 800 MHz, 1800 MHz e 2600 MHz. Banda FDD (MHz) TDD 800 900 1800 2100 2600 2600 UTILIZZO ATTUALE GSM GSM UMTS UTILIZZO FUTURO LTE UMTS LTE UMTS LTE LTE

Commercializzazione LTE in Italia Nella fase iniziale dell implementazione LTE, la copertura sarà fornita «a spot» (grandi centri urbani e località turistiche) La strategia adottata dagli operatori è quella di offrire i servizi LTE nelle zone dove i servizi 3G avanzati non sono presenti Operatore Lancio commerciale Copertura 7 Novembre 2012 43 comuni 31 Ottobre 2012 21 comuni Dicembre 2012 Giugno 2013 (previsto) Roma e Milano -

I terminali e le categorie Smartphone Tablet Dongle USB iphone 5 Lumia 920 Galaxy SIII Samsung GT-P7320 ipad Mini Huawei E589 Onda TD601 Categorie dei terminali Throughput di picco in DL (Mbps) Throughput di picco in UL (Mbps) Modulazione in DL 1 2 3 4 5 10 50 100 150 300 5 25 50 50 75 64QAM Modulazione in UL 16QAM 64QAM La categoria del terminale e la qualità del ricevitore impattano sulle prestazioni I terminali attualmente disponibili in commercio sono di categoria 3. Layer di Spatial Multiplexing (MIMO) 1 2 4

Agenda Il programma Junior Consulting LTE: the evolution to 4G wireless LTE: un caso applicativo

LTE: un caso applicativo Virtual Home Network in rete LTE

Scenario Tendenze Le richieste in termini di servizi, banda e numero di utenti, in ambito mobile, sono destinate a crescere nel futuro Rischio sovraccarico Tale tendenza può tradursi in un sovraccarico della rete degli operatori di telefonia mobile Copertura cellulare La mobilità porta l utente in aree con copertura non sufficiente a garantire una buona qualità Traffico indoor Il 60-70% del traffico voce/dati da mobile è attualmente generato in ambienti indoor

Obiettivi Small Cells Avvicinare la rete agli utenti restringendo le aree di copertura Obiettivi Studio tecnologia LTE Studio Small Cells LTE Definizione e studio di fattibilità di scenari d uso per Virtual Home Network Servizi Ideare nuovi servizi che facilitino la diffusione di LTE Offloading Alleggerimento del carico di lavoro degli enodeb e della core network Virtual Home Network Accesso ai dispositivi/servizi digitali in qualsiasi momento, in qualsiasi luogo e da qualsiasi terminale LTE

Small Cells Vantaggi Small Cells avvicinare la rete all utente restringendo le aree di copertura Alleggerimento del carico di lavoro di ogni enodeb. Maggiore efficienza nella copertura del territorio. Servizi personalizzati da offrire all utenza Vantaggi

Small Cells Tipologia ~10Km ~2Km ~200m ~30m MACRO CELLA MICRO CELLA PICO CELLA FEMTO CELLA veri e propri enb di proprietà dell operatore dispositivo personale: fornisce servizi in ambiente home e business Femtocella Core Network

Femtocelle e Virtual Home Network Nell ambito delle Small Cells, le femtocelle (Home enodeb - HeNB) sono i dispositivi più adatti alla realizzazione di scenari di Virtual Home Network in reti LTE Utente Buona qualità del segnale indoor Possibilità di usufruire di servizi personalizzati Minor consumo della batteria Copertura capillare del territorio Basso numero di utenti simultanei per cella Possibilità di ridurre il carico di rete (implementazione tecniche di offloading LIPA e SIPTO) Operatore Utente generico Utente CSG Dispositivo autoconfigurante (Plug&Play) acquistato ed installato dall utente. HeNB HeNB HeNB Definizione del Closed Subscriber Group (CSG): Open, Closed, Hybrid. Collegamento alla Core Network tramite connessione broadband dell utente (xdsl). Open Accesso libero Hybrid Accedono membri/non membri del gruppo Closed Accedono solo i membri delgruppo

Architettura e Sicurezza L accesso alla Core Network (CN) avviene attraverso un canale insicuro.

Architettura e Sicurezza Il Security Gateway (Se-GW) consente la mutua autenticazione tra la CN e l HeNB. Le funzionalità dell Se-GW sono obbligatorie e se presente come entità fisica è collocata al confine con la CN. HeNB Backhaul Ip-Sec Tunnel Se-GW Tunnel IPSec tra l HeNB e il Se-GW. Network

Architettura e Sicurezza Offre diverse funzionalità: Aggregazione del traffico di un gruppo di HeNB. Semplificazione della gestione degli HeNB. Protezione della rete. Sono possibili tre tipi di architettura, a seconda del numero di HeNB da gestire: Con HeNB-GW. Senza HeNB-GW. Con l HeNB-GW utilizzato solo per il piano di controllo (C-plane).

Tecniche di Offloading Local IP Access (LIPA) Ip-Sec Tunnel L accesso ai servizi LIPA avviene attraverso una sottoscrizione dell UE alla femtocella. Creazione di una Virtual Home Network con la possibilità di comunicare con i devices presenti nella Local Area. U-plane confinato all interno della VHN alleggerendo il carico della Core Network. C-plane gestito dalla Core Network.

Tecniche di Offloading Local IP Access (LIPA) Traffico locale nella VHN Attraverso gli APN è possibile differenziare il traffico d utente. Il Local Gateway (L-GW) ha le seguenti funzionalità: Assegnazione dell IP Punto di breakout del traffico Funzionalità di NAT

Tecniche di Offloading Selected IP Traffic Offload (SIPTO) Evolved Packet Core (EPC) LTE-UE enb HeNB Internet L-GW IP BACKHAUL Traffico dati con SIPTO Possibilità di scaricare la rete dell operatore individuando il percorso ottimo per uscire dalla CN il più velocemente possibile. L MME può selezionare il traffico da scaricare in base all APN per il quale l UE ha richiesto l accesso.

Servizi scelti Le femtocelle rappresentano una piattaforma di distribuzione per una nuova classe di servizi a valore aggiunto, i cosiddetti Femtozone Services. Servizio Home: Multimedia Sync Sincronizzazione dei dispositivi multimediali al rientro in casa e accesso da remoto. Servizio Business: Comodo Pre-Volo Rivolto alle compagnie aeree che vogliono offrire assistenza pre-volo in aeroporto tramite riconoscimento dell utente in femtocella.

Servizio Home Multimedia Sync Sincronizzazione automatica click! Bob scatta foto e scambia musica con Alice. Utente Riconoscimento dell utente all ingresso della femtocella Sincronizzazione automatica dei contenuti prodotti fuori casa Realizzazione VHN tra tutti i dispositivi presenti in casa Operatore Possibilità di diminuire il carico di rete e offrire servizi personalizzati

Servizio Home Multimedia Sync Controllo remoto Femtocella COMBO (LTE + Wi-Fi) Integrazione con lo standard DLNA Controllo remoto da smartphone tramite app Possibilità di sincronizzare i file anche da remoto

Servizio Business Comodo Pre-Volo Servizio sviluppato ad-hoc per compagnie aeree Riconoscimento dell utente all ingresso in aeroporto Ricezione di informazioni e percorsi dedicati, in funzione della prenotazione effettuata Innovativo sistema di advertising

Conclusioni L uso delle femtocelle per la realizzazione di VHN in reti LTE aggiunge un altro tassello all insieme dei servizi che l operatore riesce ad offrire ai propri clienti. Ideazione di servizi innovativi grazie al punto di vista differente dei tre studenti partecipanti al programma. Esperienza lavorativa Tesi sperimentale Tematiche innovative e sfidanti

m.donato@elis.org c.salatino@elis.org