RETI MOBILI E MULTIMEDIALI Università degli Studi di Roma La Sapienza Dipartimento INFOCOM Aldo Roveri Lezioni dell a.a. 2009-2010 Aldo Roveri Lezioni.

RETI MOBILI E MULTIMEDIALI Università degli Studi di Roma La Sapienza Dipartimento INFOCOM Aldo Roveri Lezioni dell a.a. 2009-2010 Aldo Roveri Lezioni dell a.a. 2009-2010

III.Laccesso wireless in UMTS Aldo Roveri, RETI MOBILI E MULTIMEDIALI Univ. di Roma La Sapienza - a.a. 2009-2010

Aldo Roveri, RETI MOBILI E MULTIMEDIALI Univ. di Roma La Sapienza - a.a. 2009-2010 151 CONTENUTI III.1Caratterizzazione del processo di espansione III.2Condizioni per i codici di espansione III.3Gestione delle risorse radio III.4 Gestione della mobilità III.5 Caratteristiche generali di UMTS III.6 Requisiti e servizi di UMTS III.7 Struttura della rete di accesso di UMTS III.8 Evoluzione dell UTRA III.1Caratterizzazione del processo di espansione III.2Condizioni per i codici di espansione III.3Gestione delle risorse radio III.4 Gestione della mobilità III.5 Caratteristiche generali di UMTS III.6 Requisiti e servizi di UMTS III.7 Struttura della rete di accesso di UMTS III.8 Evoluzione dell UTRA

Aldo Roveri, RETI MOBILI E MULTIMEDIALI Univ. di Roma La Sapienza - a.a. 2009-2010 152 III. Laccesso wireless in UMTS III.1Caratterizzazione del processo di espansione

Aldo Roveri, RETI MOBILI E MULTIMEDIALI Univ. di Roma La Sapienza - a.a. 2009-2010 153 Fattore di Espansione Con riferimento al processo di espansione attuato in un trasmettitore di un collegamento CDMA, si chiama Fattore di Espansione (Spreading Factor) il numero di chip con cui si rappresenta ogni bit allingresso del dispositivo che effettua loperazione di espansione. Dato che R c è il ritmo di chip alluscita di questo dispositivo, se indichiamo con R s il ritmo binario allingresso dello stesso dispositivo, il fattore di espansione SF è uguale a Con riferimento al processo di espansione attuato in un trasmettitore di un collegamento CDMA, si chiama Fattore di Espansione (Spreading Factor) il numero di chip con cui si rappresenta ogni bit allingresso del dispositivo che effettua loperazione di espansione. Dato che R c è il ritmo di chip alluscita di questo dispositivo, se indichiamo con R s il ritmo binario allingresso dello stesso dispositivo, il fattore di espansione SF è uguale a (1)

Aldo Roveri, RETI MOBILI E MULTIMEDIALI Univ. di Roma La Sapienza - a.a. 2009-2010 154 Guadagno di Processo (1/6) Si parla invece di Guadagno di Processo (Processing Gain) con riferimento al rapporto fra il ritmo R c risultante delloperazione di espansione e il ritmo R b del segnale di utente. Quindi il guadagno di processo G P è definito da Si parla invece di Guadagno di Processo (Processing Gain) con riferimento al rapporto fra il ritmo R c risultante delloperazione di espansione e il ritmo R b del segnale di utente. Quindi il guadagno di processo G P è definito da (2)

Aldo Roveri, RETI MOBILI E MULTIMEDIALI Univ. di Roma La Sapienza - a.a. 2009-2010 155 Guadagno di Processo (2/6) Si noti la differenza tra i due ritmi binari R s e R b (cfr. Fig. III.1), che compaiono a denominatore delle (1) e (2): il ritmo R s include, rispetto a R b, tutte le elaborazioni che, inserite fra la sorgente di informazione e il dispositivo di espansione, contribuiscono ad allargare la banda del segnale emesso dalla sorgente; tra queste elaborazioni il contributo maggiore è dato dalle codifiche per la correzione degli errori.

Aldo Roveri, RETI MOBILI E MULTIMEDIALI Univ. di Roma La Sapienza - a.a. 2009-2010 156 Guadagno di Processo (3/6) SorgenteCodificatore Espansore RbRb RsRs RcRc Fig. III.1

Aldo Roveri, RETI MOBILI E MULTIMEDIALI Univ. di Roma La Sapienza - a.a. 2009-2010 157 Guadagno di Processo (4/6) Come è facile convincersi tramite un bilancio energetico tra trasmettitore e ricevitore su unintera catena trasmissiva (in uplink o in downlink), il guadagno di processo svolge un ruolo importante circa la possibilità di recuperare il segnale di utente in un accesso CDMA. Infatti assumiamo, come riferimento del collegamen-to (comprensivo del tipo di propagazione), il rapporto E b /N 0 fra le densità spettrali di potenza del segnale di utente e del disturbo allingresso del ricevitore; tale rapporto è infatti assumibile come indice della qualità trasmissiva. Come è facile convincersi tramite un bilancio energetico tra trasmettitore e ricevitore su unintera catena trasmissiva (in uplink o in downlink), il guadagno di processo svolge un ruolo importante circa la possibilità di recuperare il segnale di utente in un accesso CDMA. Infatti assumiamo, come riferimento del collegamen-to (comprensivo del tipo di propagazione), il rapporto E b /N 0 fra le densità spettrali di potenza del segnale di utente e del disturbo allingresso del ricevitore; tale rapporto è infatti assumibile come indice della qualità trasmissiva.

Aldo Roveri, RETI MOBILI E MULTIMEDIALI Univ. di Roma La Sapienza - a.a. 2009-2010 158 Guadagno di Processo (5/6) Daltra parte tale rapporto può essere espresso in funzione del guadagno di processo G P e del rapporto segnale/disturbo SNR sempre allingresso del ricevitore; si ha infatti, come è immediato giustificare ove G P è definito dalla (2), mentre SNR è dato da in cui P s è la potenza del segnale di utente e P n è la potenza totale del disturbo; commentiamo la (3). Daltra parte tale rapporto può essere espresso in funzione del guadagno di processo G P e del rapporto segnale/disturbo SNR sempre allingresso del ricevitore; si ha infatti, come è immediato giustificare ove G P è definito dalla (2), mentre SNR è dato da in cui P s è la potenza del segnale di utente e P n è la potenza totale del disturbo; commentiamo la (3). (3) (4)

Aldo Roveri, RETI MOBILI E MULTIMEDIALI Univ. di Roma La Sapienza - a.a. 2009-2010 159 Guadagno di Processo (6/6) Per il collegamento e per la sorgente considerati, e quindi a parità del rapporto E b /N 0, un valore più elevato di G p ha un effetto equivalente a un aumento del rapporto segnale/disturbo. Quindi il rapporto G p può, a buon titolo, essere con- siderato un guadagno nel bilancio tra trasmissione e ricezione: cioè, a parità di potenza di disturbo, più elevato è il valore di G p minore può essere il livello di potenza trasmessa per il segnale di utente. Per il collegamento e per la sorgente considerati, e quindi a parità del rapporto E b /N 0, un valore più elevato di G p ha un effetto equivalente a un aumento del rapporto segnale/disturbo. Quindi il rapporto G p può, a buon titolo, essere con- siderato un guadagno nel bilancio tra trasmissione e ricezione: cioè, a parità di potenza di disturbo, più elevato è il valore di G p minore può essere il livello di potenza trasmessa per il segnale di utente.

Aldo Roveri, RETI MOBILI E MULTIMEDIALI Univ. di Roma La Sapienza - a.a. 2009-2010 160 III. Laccesso wireless in UMTS III.2Condizioni per i codici di espansione

Aldo Roveri, RETI MOBILI E MULTIMEDIALI Univ. di Roma La Sapienza - a.a. 2009-2010 161 Condizioni per i codici di espansione (1/7) Indichiamo con {c i (n)}, (n = 0,1,…,N1) una sequenza ciclica di N elementi, che appartiene a un insieme di altre sequenze aventi uguale lunghezza e generate con lo stesso algoritmo. Cerchiamo un criterio per stabilire se questo insieme comprende sequenze utilizzabili come codici di espansione in un accesso CDMA. Lo scopo è consentire, nel ricevitore della comunicazione i- esima, la inversione delloperazione di espansione effettuata in trasmissione e ottenere questo risultato con una correlazione tra il segnale ricevuto dopo la demo-dulazione e il pertinente segnale di espansione c i (t). Indichiamo con {c i (n)}, (n = 0,1,…,N1) una sequenza ciclica di N elementi, che appartiene a un insieme di altre sequenze aventi uguale lunghezza e generate con lo stesso algoritmo. Cerchiamo un criterio per stabilire se questo insieme comprende sequenze utilizzabili come codici di espansione in un accesso CDMA. Lo scopo è consentire, nel ricevitore della comunicazione i- esima, la inversione delloperazione di espansione effettuata in trasmissione e ottenere questo risultato con una correlazione tra il segnale ricevuto dopo la demo-dulazione e il pertinente segnale di espansione c i (t).

Aldo Roveri, RETI MOBILI E MULTIMEDIALI Univ. di Roma La Sapienza - a.a. 2009-2010 162 Condizioni per i codici di espansione (2/7) Affinché il risultato della correlazione sia quello corri- spondente a una buona qualità trasmissiva, è necessario che –la convoluzione del segnale di utente b i (t) con la ca-scata delle operazioni di espansione e di compres-sione relative alla comunicazione i-esima restituisca i simboli del segnale di utente quando il punto di decisione sia allineato con quello delloperazione di espansione; –la potenza interferente vista dal ricevitore i-esimo in un istante di decisione comunque collocato sullasse dei tempi sia di valore minimo o, idealmente, di valore nullo. Affinché il risultato della correlazione sia quello corri- spondente a una buona qualità trasmissiva, è necessario che –la convoluzione del segnale di utente b i (t) con la ca-scata delle operazioni di espansione e di compres-sione relative alla comunicazione i-esima restituisca i simboli del segnale di utente quando il punto di decisione sia allineato con quello delloperazione di espansione; –la potenza interferente vista dal ricevitore i-esimo in un istante di decisione comunque collocato sullasse dei tempi sia di valore minimo o, idealmente, di valore nullo.

Aldo Roveri, RETI MOBILI E MULTIMEDIALI Univ. di Roma La Sapienza - a.a. 2009-2010 163 Condizioni per i codici di espansione (3/7) La prima di queste condizioni è rispettata quando la funzione di auto-correlazione del segnale di espansione è diversa da zero solo per = 0 ed è nulla altrove; cioè deve essere La prima di queste condizioni è rispettata quando la funzione di auto-correlazione del segnale di espansione è diversa da zero solo per = 0 ed è nulla altrove; cioè deve essere (5) (6)

Aldo Roveri, RETI MOBILI E MULTIMEDIALI Univ. di Roma La Sapienza - a.a. 2009-2010 164 Condizioni per i codici di espansione (4/7) Esiste un legame tra la (5) e la sequenza di auto- correlazione ii (m) della sequenza {c i (n)},(n=0,1,…,N-1); tale sequenza è definita da ed è periodica di periodo N, data la ciclicità di {c i (n)}, (n=0,1,…,N-1); nella (7) la deviazione da n a n + m va valutata come un numero modN. È immediato mostrare che la funzione di auto- correlazione R ii ( ), calcolata per valori di uguali a multipli interi rT c di T c coincide con la sequenza di auto-correlazione calcolata per m = r; cioè R ii ( rT c ) = ii (r ). Esiste un legame tra la (5) e la sequenza di auto- correlazione ii (m) della sequenza {c i (n)},(n=0,1,…,N-1); tale sequenza è definita da ed è periodica di periodo N, data la ciclicità di {c i (n)}, (n=0,1,…,N-1); nella (7) la deviazione da n a n + m va valutata come un numero modN. È immediato mostrare che la funzione di auto- correlazione R ii ( ), calcolata per valori di uguali a multipli interi rT c di T c coincide con la sequenza di auto-correlazione calcolata per m = r; cioè R ii ( rT c ) = ii (r ). (7)

Aldo Roveri, RETI MOBILI E MULTIMEDIALI Univ. di Roma La Sapienza - a.a. 2009-2010 165 Condizioni per i codici di espansione (5/7) La seconda condizione fa riferimento alla funzione di correlazione incrociata R ji ( ) di due segnali di espansione c j (t) e c i (t) associati a due codici {c j (n)} e {c i (n)} comunque scelti nellinsieme sotto esame: Se associamo c j (t) alla comunicazione interferente e c i (t) alla comunicazione di riferimento, la funzione R ji ( ) è uguale alla potenza interferente vista dal ricevitore i- esimo in un istante di decisione che è sfasato del tempo rispetto allistante di espansione della comunicazione interferente. La seconda condizione fa riferimento alla funzione di correlazione incrociata R ji ( ) di due segnali di espansione c j (t) e c i (t) associati a due codici {c j (n)} e {c i (n)} comunque scelti nellinsieme sotto esame: Se associamo c j (t) alla comunicazione interferente e c i (t) alla comunicazione di riferimento, la funzione R ji ( ) è uguale alla potenza interferente vista dal ricevitore i- esimo in un istante di decisione che è sfasato del tempo rispetto allistante di espansione della comunicazione interferente. (8)

Aldo Roveri, RETI MOBILI E MULTIMEDIALI Univ. di Roma La Sapienza - a.a. 2009-2010 166 Condizioni per i codici di espansione (6/7) Poiché tale istante può assumere un valore qualunque, se lobiettivo è annullare la potenza interferente, dovrebbe risultare Idealmente quindi le sequenze dellinsieme dovrebbero essere tra loro ortogonali per qualunque deviazione ; in pratica la (9) può essere soddisfatta solo in modo approssimato. Poiché tale istante può assumere un valore qualunque, se lobiettivo è annullare la potenza interferente, dovrebbe risultare Idealmente quindi le sequenze dellinsieme dovrebbero essere tra loro ortogonali per qualunque deviazione ; in pratica la (9) può essere soddisfatta solo in modo approssimato. (9)

Aldo Roveri, RETI MOBILI E MULTIMEDIALI Univ. di Roma La Sapienza - a.a. 2009-2010 167 Condizioni per i codici di espansione (7/7) Così come alla (5) si è associata la (7), se la (8) viene calcolata per valori di che sono multipli interi rT c dellintervallo di chip T c, si ottiene R ji (rT c ) = ji (r ), ove è la sequenza di correlazione incrociata che, come la (7), è periodica di periodo N. Così come alla (5) si è associata la (7), se la (8) viene calcolata per valori di che sono multipli interi rT c dellintervallo di chip T c, si ottiene R ji (rT c ) = ji (r ), ove è la sequenza di correlazione incrociata che, come la (7), è periodica di periodo N. (10)

Aldo Roveri, RETI MOBILI E MULTIMEDIALI Univ. di Roma La Sapienza - a.a. 2009-2010 168 Auto-correlazioni e correlazioni incrociate richieste (1/7) In conclusione, i segnali di espansione, che rappresen-tano codici per un accesso CDMA, devono avere: –una funzione di auto-correlazione che, rispetto allasse delle deviazioni, si comporta come un impulso di Dirac centrato sullascissa = 0; –una funzione di correlazione incrociata che, al variare dellascissa, assume valori i più limitati possibile. In conclusione, i segnali di espansione, che rappresen-tano codici per un accesso CDMA, devono avere: –una funzione di auto-correlazione che, rispetto allasse delle deviazioni, si comporta come un impulso di Dirac centrato sullascissa = 0; –una funzione di correlazione incrociata che, al variare dellascissa, assume valori i più limitati possibile.

Aldo Roveri, RETI MOBILI E MULTIMEDIALI Univ. di Roma La Sapienza - a.a. 2009-2010 169 Auto-correlazioni e correlazioni incrociate richieste (2/7) Ciò equivale ad affermare che secondo la (6), ogni codice dellinsieme deve essere ortogonale a se stesso (o almeno approssimativamen-te ortogonale) per ogni positivo; secondo la (9), i codici dellinsieme devono essere almeno approssimativamente ortogonali a due a due per ogni non negativo; cioè per le auto-correlazioni e le correlazioni incrociate deve essere Ciò equivale ad affermare che secondo la (6), ogni codice dellinsieme deve essere ortogonale a se stesso (o almeno approssimativamen-te ortogonale) per ogni positivo; secondo la (9), i codici dellinsieme devono essere almeno approssimativamente ortogonali a due a due per ogni non negativo; cioè per le auto-correlazioni e le correlazioni incrociate deve essere

Aldo Roveri, RETI MOBILI E MULTIMEDIALI Univ. di Roma La Sapienza - a.a. 2009-2010 170 Auto-correlazioni e correlazioni incrociate richieste (3/7) A commento delle condizioni espresse dalle (6) e (9) si osserva che: –dette condizioni di ortogonalità, se soddisfatte, assicurano che differenti messaggi di utente possono essere separati nel ricevitore anche se occupano la stessa banda di frequenza e lo stesso intervallo di tempo; –questo risultato continua a valere se gli utenti che condividono il mezzo sono tra loro asincroni; A commento delle condizioni espresse dalle (6) e (9) si osserva che: –dette condizioni di ortogonalità, se soddisfatte, assicurano che differenti messaggi di utente possono essere separati nel ricevitore anche se occupano la stessa banda di frequenza e lo stesso intervallo di tempo; –questo risultato continua a valere se gli utenti che condividono il mezzo sono tra loro asincroni;

Aldo Roveri, RETI MOBILI E MULTIMEDIALI Univ. di Roma La Sapienza - a.a. 2009-2010 171 Auto-correlazioni e correlazioni incrociate richieste (4/7) se, in luogo delle (6) e (9) aventi validità per qualunque deviazione, i codici dellinsieme fossero ortogonali solo per una deviazione nulla, e cioè se fosse la possibilità di separare messaggi diversi è condizionata al fatto che i segnali ricevuti e sottoposti a correlazioni fossero tra loro sincroni; infatti sequenze che rispettano in modo esatto la (11) (come accade per quelle di Walsh- Hadamard) presentano valori non nulli della funzione R ij ( ) per deviazioni maggiori di zero; se, in luogo delle (6) e (9) aventi validità per qualunque deviazione, i codici dellinsieme fossero ortogonali solo per una deviazione nulla, e cioè se fosse la possibilità di separare messaggi diversi è condizionata al fatto che i segnali ricevuti e sottoposti a correlazioni fossero tra loro sincroni; infatti sequenze che rispettano in modo esatto la (11) (come accade per quelle di Walsh- Hadamard) presentano valori non nulli della funzione R ij ( ) per deviazioni maggiori di zero; (11)

Aldo Roveri, RETI MOBILI E MULTIMEDIALI Univ. di Roma La Sapienza - a.a. 2009-2010 172 Auto-correlazioni e correlazioni incrociate richieste (5/7) il rispetto delle (6) e (9) è mediamente assicurato per sequenze i cui elementi presentano valori binari scelti completamente a caso, tra loro indipendenti e con media nulla; ma sequenze di questo tipo, una volta impiegate in trasmissione per espandere il segnale di utente, devono essere trasmesse al ricevitore per consentire a questultimo di effettuare loperazione di compressione complementare a quella di espansione; un vincolo di questo tipo non può ovviamente essere accettato;

Aldo Roveri, RETI MOBILI E MULTIMEDIALI Univ. di Roma La Sapienza - a.a. 2009-2010 173 Auto-correlazioni e correlazioni incrociate richieste (6/7) un ulteriore condizione da affiancare al rispetto delle (6) e (9) è nello scegliere, come codici di espansione, sequenze che siano praticamente e facilmente generabili in trasmissione e in ricezione; una agevole generazione e un buon comportamento della funzione di auto-correlazione in coerenza con la condizione (6) sono offerte dalle sequenze di massima lunghezza (sequenze m), che appartengono alla famiglia delle sequenze pseudo-casuali (pseudo-noise). un ulteriore condizione da affiancare al rispetto delle (6) e (9) è nello scegliere, come codici di espansione, sequenze che siano praticamente e facilmente generabili in trasmissione e in ricezione; una agevole generazione e un buon comportamento della funzione di auto-correlazione in coerenza con la condizione (6) sono offerte dalle sequenze di massima lunghezza (sequenze m), che appartengono alla famiglia delle sequenze pseudo-casuali (pseudo-noise).

Aldo Roveri, RETI MOBILI E MULTIMEDIALI Univ. di Roma La Sapienza - a.a. 2009-2010 174 Auto-correlazioni e correlazioni incrociate richieste (7/7) le sequenze m, quando sono differenti (e cioè con differenti generatori) presentano però scarse proprietà di correlazione incrociata; queste proprietà sono decisa-mente migliorate con le sequenze di Gold e con quelle di Kasami: entrambe –sono ottenibili sommando coppie di sequenze m scel-te con opportuno criterio; –presentano un buon soddisfacimento, oltre che della (6), anche della (9). le sequenze m, quando sono differenti (e cioè con differenti generatori) presentano però scarse proprietà di correlazione incrociata; queste proprietà sono decisa-mente migliorate con le sequenze di Gold e con quelle di Kasami: entrambe –sono ottenibili sommando coppie di sequenze m scel-te con opportuno criterio; –presentano un buon soddisfacimento, oltre che della (6), anche della (9).

Aldo Roveri, RETI MOBILI E MULTIMEDIALI Univ. di Roma La Sapienza - a.a. 2009-2010 175 III. Laccesso wireless in UMTS III.3 Gestione delle risorse radio

Aldo Roveri, RETI MOBILI E MULTIMEDIALI Univ. di Roma La Sapienza - a.a. 2009-2010 176 Gestione delle risorse radio (1/2) Questa funzione, indicata usualmente con la sigla RRM (Radio Resource Management), è sotto la responsabilità dellinterfaccia radio di ogni sistema radio-mobile ed è quindi svolta con la cooperazione dellapparato mobile e della stazione radio-base, incluso in questa lapparato che controlla loperati-vità di questultima.

Aldo Roveri, RETI MOBILI E MULTIMEDIALI Univ. di Roma La Sapienza - a.a. 2009-2010 177 Gestione delle risorse radio (2/2) La funzione RRM fa uso di vari algoritmi, che hanno la finalità di definire un percorso radio in grado di soddisfare i criteri di Qualità del Servizio (QoS) utilizzante detto percorso. Gli algoritmi RRM riguardano in generale –il controllo dellhandover; –il controllo di potenza; –il controllo di ammissione; –lo scadenzamento dei pacchetti. La funzione RRM fa uso di vari algoritmi, che hanno la finalità di definire un percorso radio in grado di soddisfare i criteri di Qualità del Servizio (QoS) utilizzante detto percorso. Gli algoritmi RRM riguardano in generale –il controllo dellhandover; –il controllo di potenza; –il controllo di ammissione; –lo scadenzamento dei pacchetti.

Aldo Roveri, RETI MOBILI E MULTIMEDIALI Univ. di Roma La Sapienza - a.a. 2009-2010 178 Controllo dellhandover È una funzione essenziale in qualunque sistema radio- mobile per assicurare che un utente in movimento conservi continuità della propria comuni-cazione con il mantenimento di una QoS adeguata alla fruizione del servizio utilizzato.

Aldo Roveri, RETI MOBILI E MULTIMEDIALI Univ. di Roma La Sapienza - a.a. 2009-2010 179 Strategie di handover nei sistemi TDMA/FDMA (1/3) Nel sistema GSM lhandover è sempre di tipo hard, dove con questo termine si intende la necessità di cambiare la frequenza portante, utilizzata dal mobile (UE) durante il passaggio da una cella allaltra;

Aldo Roveri, RETI MOBILI E MULTIMEDIALI Univ. di Roma La Sapienza - a.a. 2009-2010 180 Strategie di handover nei sistemi TDMA/FDMA (2/3) il UE non può collegarsi contempora-neamente con due diverse stazioni radio-base (SRB), trasmettendo su due portanti distinte; quindi la procedura di handover prevede sempre un breve intervallo di tempo (circa 100 ms) durante il quale la connessione SRB-UE viene interrotta; tale interruzione è minimizzata grazie alla presenza, lato rete, di una doppia connessione (bridge) controllata dal Mobile Switching Center (MSC), il quale svolge una funzione di commutazione per tutta la durata della procedura di handover. il UE non può collegarsi contempora-neamente con due diverse stazioni radio-base (SRB), trasmettendo su due portanti distinte; quindi la procedura di handover prevede sempre un breve intervallo di tempo (circa 100 ms) durante il quale la connessione SRB-UE viene interrotta; tale interruzione è minimizzata grazie alla presenza, lato rete, di una doppia connessione (bridge) controllata dal Mobile Switching Center (MSC), il quale svolge una funzione di commutazione per tutta la durata della procedura di handover.

Aldo Roveri, RETI MOBILI E MULTIMEDIALI Univ. di Roma La Sapienza - a.a. 2009-2010 181 Strategie di handover nei sistemi TDMA/FDMA (3/3) seamlessNel sistema DECT lhandover è ancora di tipo hard ma viene realizzato in maniera seamless, cioè senza alcuna interruzione; il UE è infatti in grado di stabilire due connessioni simultanee verso due diverse SRB, realizzando così un bridge anche sullinterfaccia radio (oltre a quello presente, anche in questo caso, sul lato rete) e gestito dal controllore di SRB. seamlessNel sistema DECT lhandover è ancora di tipo hard ma viene realizzato in maniera seamless, cioè senza alcuna interruzione; il UE è infatti in grado di stabilire due connessioni simultanee verso due diverse SRB, realizzando così un bridge anche sullinterfaccia radio (oltre a quello presente, anche in questo caso, sul lato rete) e gestito dal controllore di SRB.

Aldo Roveri, RETI MOBILI E MULTIMEDIALI Univ. di Roma La Sapienza - a.a. 2009-2010 182 Strategie di handover nei sistemi CDMA (1/4) In un sistema CDMA, a causa dellutilizzo da parte di tutte le SRB della stessa banda di frequenza, ogni UE ha la possibilità di stabilire, in modo semplice e natu-rale, connessioni in parallelo con più SRB contemporaneamente; è sufficiente che le diverse SRB coinvolte utilizzino lo stesso codice, su una stessa comunicazione in corso, per consentire –la ricezione del segnale inviato dal mobile; –la trasmissione simultanea verso il mobile stesso. In un sistema CDMA, a causa dellutilizzo da parte di tutte le SRB della stessa banda di frequenza, ogni UE ha la possibilità di stabilire, in modo semplice e natu-rale, connessioni in parallelo con più SRB contemporaneamente; è sufficiente che le diverse SRB coinvolte utilizzino lo stesso codice, su una stessa comunicazione in corso, per consentire –la ricezione del segnale inviato dal mobile; –la trasmissione simultanea verso il mobile stesso.

Aldo Roveri, RETI MOBILI E MULTIMEDIALI Univ. di Roma La Sapienza - a.a. 2009-2010 183 Strategie di handover nei sistemi CDMA (2/4) Naturalmente, il UE da un lato e il controllore di SRB dallaltro dovranno farsi carico del controllo di tali connessioni, assicurandosi, innanzitutto, che su tut-te le connessioni simultanee vengano sempre scam-biate esattamente le stesse informazioni. Ogni UE sarà quindi connesso, in un certo istante, ad un insieme di SRB, detto active set. Naturalmente, il UE da un lato e il controllore di SRB dallaltro dovranno farsi carico del controllo di tali connessioni, assicurandosi, innanzitutto, che su tut-te le connessioni simultanee vengano sempre scam-biate esattamente le stesse informazioni. Ogni UE sarà quindi connesso, in un certo istante, ad un insieme di SRB, detto active set.

Aldo Roveri, RETI MOBILI E MULTIMEDIALI Univ. di Roma La Sapienza - a.a. 2009-2010 184 Strategie di handover nei sistemi CDMA (3/4) Al variare delle condizioni di propagazione, a causa, ad esempio, della mobilità del UE, entreranno a far parte di questo insieme le SRB, il cui segnale venga ricevuto sopra una soglia detta ADD. Al contrario, nel caso in cui il segnale ricevuto scenda per un certo margine di tempo ( in modo da evitare false transizioni, a causa di piccole oscillazioni del segnale) sotto una soglia detta di DROP, la SRB relativa verrà eliminata dall active set. Il numero massimo di SRB, che possono entrare a far parte dell active set dipende dal tipo di ricevitore utilizzato nel UE. Al variare delle condizioni di propagazione, a causa, ad esempio, della mobilità del UE, entreranno a far parte di questo insieme le SRB, il cui segnale venga ricevuto sopra una soglia detta ADD. Al contrario, nel caso in cui il segnale ricevuto scenda per un certo margine di tempo ( in modo da evitare false transizioni, a causa di piccole oscillazioni del segnale) sotto una soglia detta di DROP, la SRB relativa verrà eliminata dall active set. Il numero massimo di SRB, che possono entrare a far parte dell active set dipende dal tipo di ricevitore utilizzato nel UE.

Aldo Roveri, RETI MOBILI E MULTIMEDIALI Univ. di Roma La Sapienza - a.a. 2009-2010 185 Strategie di handover nei sistemi CDMA (4/4) Questa caratteristica (peculiare dei sistemi CDMA), permette la realizzazione –della funzione di macro diversità, in cui vengono, di volta in volta, scelti i migliori blocchi di informazione ricevuti dal UE e dal controllore della SRB, attraverso tutte le SRB coinvolte, –di una particolare e molto efficace procedura di handover, detta di soft handover. Infatti lhandover avviene in modo automatico, attraverso la sequenza di SRB che vengono via via inserite e poi rimosse dallactive set, senza la necessità di alcun cambiamento nella ricezione o nella trasmissione da parte del UE o delle SRB. Questa caratteristica (peculiare dei sistemi CDMA), permette la realizzazione –della funzione di macro diversità, in cui vengono, di volta in volta, scelti i migliori blocchi di informazione ricevuti dal UE e dal controllore della SRB, attraverso tutte le SRB coinvolte, –di una particolare e molto efficace procedura di handover, detta di soft handover. Infatti lhandover avviene in modo automatico, attraverso la sequenza di SRB che vengono via via inserite e poi rimosse dallactive set, senza la necessità di alcun cambiamento nella ricezione o nella trasmissione da parte del UE o delle SRB.

Aldo Roveri, RETI MOBILI E MULTIMEDIALI Univ. di Roma La Sapienza - a.a. 2009-2010 186 Controllo della potenza (1/2) È una funzione importante in ogni sistema radio-mobile, ma diventa essenziale nei sistemi cellulari con accesso CDMA. In generale lo scopo è assicurare che la potenza ricevuta in uplink (ma anche in downlink) su tutte le connessioni contemporaneamente attive sia mante-nuta allo stesso livello indipendentemente dalla di-stanza del UE dalla SRB e nonostante le fluttuazioni di attenuazione prodotte da fading a breve termine. È una funzione importante in ogni sistema radio-mobile, ma diventa essenziale nei sistemi cellulari con accesso CDMA. In generale lo scopo è assicurare che la potenza ricevuta in uplink (ma anche in downlink) su tutte le connessioni contemporaneamente attive sia mante-nuta allo stesso livello indipendentemente dalla di-stanza del UE dalla SRB e nonostante le fluttuazioni di attenuazione prodotte da fading a breve termine.

Aldo Roveri, RETI MOBILI E MULTIMEDIALI Univ. di Roma La Sapienza - a.a. 2009-2010 187 Controllo della potenza (2/2) Nel caso dei sistemi cellulari con accesso CDMA il controllo di potenza deve fronteggiare i problemi posti –dalleffetto vicino-lontano (near-far effect); –dalla capacità dellinterfaccia radio che è tipicamente dipendente dallinterferenza; –dai limiti di potenza emissibile da parte di un UE. In UMTS il controllo di potenza è attuato con la frequenza di 1500 Hz. Nel caso dei sistemi cellulari con accesso CDMA il controllo di potenza deve fronteggiare i problemi posti –dalleffetto vicino-lontano (near-far effect); –dalla capacità dellinterfaccia radio che è tipicamente dipendente dallinterferenza; –dai limiti di potenza emissibile da parte di un UE. In UMTS il controllo di potenza è attuato con la frequenza di 1500 Hz.

Aldo Roveri, RETI MOBILI E MULTIMEDIALI Univ. di Roma La Sapienza - a.a. 2009-2010 188 Controllo di Ammissione Il Controllo di Ammissione (AC- Admission Control) è una funzione che acquista rilievo basilare nei sistemi cellulari con accesso CDMA: questi sono tipicamente limitati dallinterferenza prodotta su ogni comunicazione dalle altre comunicazioni contemporaneamente attive. Il compito principale della funzione AC è stimare se una nuova chiamata (o sessione) può ottenere accesso al sistema senza sacrificare le prestazioni di QoS delle chiamate (sessioni) pre-esistenti. In relazione allalgoritmo AC, il controllo della SRB può accettare o rifiutare laccesso richiesto. Il Controllo di Ammissione (AC- Admission Control) è una funzione che acquista rilievo basilare nei sistemi cellulari con accesso CDMA: questi sono tipicamente limitati dallinterferenza prodotta su ogni comunicazione dalle altre comunicazioni contemporaneamente attive. Il compito principale della funzione AC è stimare se una nuova chiamata (o sessione) può ottenere accesso al sistema senza sacrificare le prestazioni di QoS delle chiamate (sessioni) pre-esistenti. In relazione allalgoritmo AC, il controllo della SRB può accettare o rifiutare laccesso richiesto.

Aldo Roveri, RETI MOBILI E MULTIMEDIALI Univ. di Roma La Sapienza - a.a. 2009-2010 189 Scadenzamento dei pacchetti (1/2) Sempre con riferimento a un sistema cellulare con accesso CDMA, occorre considerare il caso in cui la connessione di accesso deve essere supporto di un modo di trasferimento a pacchetto. In questo caso occorre infatti tenere conto che la sorgente facente capo alla connessione può emettere in modo intermittente e con ritmo binario variabile; queste caratteristiche di emissione si riflettono sul carico dellinterfaccia. Sempre con riferimento a un sistema cellulare con accesso CDMA, occorre considerare il caso in cui la connessione di accesso deve essere supporto di un modo di trasferimento a pacchetto. In questo caso occorre infatti tenere conto che la sorgente facente capo alla connessione può emettere in modo intermittente e con ritmo binario variabile; queste caratteristiche di emissione si riflettono sul carico dellinterfaccia.

Aldo Roveri, RETI MOBILI E MULTIMEDIALI Univ. di Roma La Sapienza - a.a. 2009-2010 190 Scadenzamento dei pacchetti (2/2) Sulla base degli attributi di QoS richiesti e di misure sul carico che interessa linterfaccia radio, compito di una funzione di Scadenzamento dei Pacchetti (PS-Packet Scheduling) è regolarizzare, anche in termini di rispetto di priorità, i flussi dei pacchetti che provengono da una pluralità di sorgenti e che devono condividere la risorsa radio. Ciò può essere ottenuto con lutilizzazione di opportuni modelli di traffico e con un accodamento dei pacchetti da trasferire in modo da introdurre ritardi controllati su ogni flusso. Sulla base degli attributi di QoS richiesti e di misure sul carico che interessa linterfaccia radio, compito di una funzione di Scadenzamento dei Pacchetti (PS-Packet Scheduling) è regolarizzare, anche in termini di rispetto di priorità, i flussi dei pacchetti che provengono da una pluralità di sorgenti e che devono condividere la risorsa radio. Ciò può essere ottenuto con lutilizzazione di opportuni modelli di traffico e con un accodamento dei pacchetti da trasferire in modo da introdurre ritardi controllati su ogni flusso.

Aldo Roveri, RETI MOBILI E MULTIMEDIALI Univ. di Roma La Sapienza - a.a. 2009-2010 191 III. Laccesso wireless in UMTS III.4 Gestione della mobilità

Aldo Roveri, RETI MOBILI E MULTIMEDIALI Univ. di Roma La Sapienza - a.a. 2009-2010 192 La gestione della mobilità Le funzioni di gestione della mobilità sono svolte dagli apparati della sezione interna della rete mobile in cooperazione con quelli della rete di accesso. A queste funzioni appartengono –lidentificazione dellutente che richiede servizio; –la sua autenticazione; –laggiornamento della sua localizzazione; –lavviso allutente nel caso di una comunicazione entrante (paging). Le funzioni di gestione della mobilità sono svolte dagli apparati della sezione interna della rete mobile in cooperazione con quelli della rete di accesso. A queste funzioni appartengono –lidentificazione dellutente che richiede servizio; –la sua autenticazione; –laggiornamento della sua localizzazione; –lavviso allutente nel caso di una comunicazione entrante (paging).

Aldo Roveri, RETI MOBILI E MULTIMEDIALI Univ. di Roma La Sapienza - a.a. 2009-2010 193 Procedure di localizzazione e di paging (1/2) Si descrivono brevemente le principali caratteristiche funzionali delle procedure di localizzazione e di paging del sistema GSM che possono essere considerate rappresentative degli attuali meccanismi per –individuare in modo continuo la posizione dellutente mobile; –reperire questultimo in caso di chiamata rivolta al mobile stesso. Si descrivono brevemente le principali caratteristiche funzionali delle procedure di localizzazione e di paging del sistema GSM che possono essere considerate rappresentative degli attuali meccanismi per –individuare in modo continuo la posizione dellutente mobile; –reperire questultimo in caso di chiamata rivolta al mobile stesso.

Aldo Roveri, RETI MOBILI E MULTIMEDIALI Univ. di Roma La Sapienza - a.a. 2009-2010 194 Procedure di localizzazione e di paging(2/2) La localizzazione consente alla rete di conoscere istante per istante larea di chiamata in cui si trova il UE. Tale informazione è aggiornata ogni qualvolta si verifica un passaggio di confine tra aree di localiz-zazione diverse, definite da insiemi fissi e disgiunti di celle. La localizzazione consente alla rete di conoscere istante per istante larea di chiamata in cui si trova il UE. Tale informazione è aggiornata ogni qualvolta si verifica un passaggio di confine tra aree di localiz-zazione diverse, definite da insiemi fissi e disgiunti di celle.

Aldo Roveri, RETI MOBILI E MULTIMEDIALI Univ. di Roma La Sapienza - a.a. 2009-2010 195 Aggiornamento della localizzazione (1/5) La procedura di aggiornamento della localizzazione è originata dal UE in tutti i casi nei quali il UE, attestato al canale diffusivo di una data cella, si sposta sul canale equivalente di una cella appartenente ad unarea di localizzazione diversa da quella a cui apparteneva la cella precedente.

Aldo Roveri, RETI MOBILI E MULTIMEDIALI Univ. di Roma La Sapienza - a.a. 2009-2010 196 Aggiornamento della localizzazione (2/5) Lindicativo dellarea di localizzazione è rilevato dal UE attraverso la lettura di un messaggio di sistema presente sul canale diffusivo della nuova cella. Il UE confronta tale indicativo con quello memo-rizzato precedentemente e, se lo trova diverso, inizia la procedura di aggiornamento. Lindicativo dellarea di localizzazione è rilevato dal UE attraverso la lettura di un messaggio di sistema presente sul canale diffusivo della nuova cella. Il UE confronta tale indicativo con quello memo-rizzato precedentemente e, se lo trova diverso, inizia la procedura di aggiornamento.

Aldo Roveri, RETI MOBILI E MULTIMEDIALI Univ. di Roma La Sapienza - a.a. 2009-2010 197 Aggiornamento della localizzazione (3/5) Non appena il UE registra un cambiamento di localizzazione, esso effettua un accesso alla nuova SRB: –se laccesso va a buon fine, la SRB assegna al UE un canale di segnalazione; –su tale canale il UE invia una richiesta di aggiornamento della localizzazione; –in base a questa richiesta, il centro di commu-tazione è in grado di compiere le opportune ope-razioni verso i registri di localizzazione. Non appena il UE registra un cambiamento di localizzazione, esso effettua un accesso alla nuova SRB: –se laccesso va a buon fine, la SRB assegna al UE un canale di segnalazione; –su tale canale il UE invia una richiesta di aggiornamento della localizzazione; –in base a questa richiesta, il centro di commu-tazione è in grado di compiere le opportune ope-razioni verso i registri di localizzazione.

Aldo Roveri, RETI MOBILI E MULTIMEDIALI Univ. di Roma La Sapienza - a.a. 2009-2010 198 Aggiornamento della localizzazione (4/5) In genere si richiede lautenticazione del UE soltanto quando il cambio di localizzazione coincide con il passaggio tra aree controllate da centri di commutazione diversi.

Aldo Roveri, RETI MOBILI E MULTIMEDIALI Univ. di Roma La Sapienza - a.a. 2009-2010 199 Aggiornamento della localizzazione (5/5) Normalmente, nei sistemi cellulari di concezione avanzata, è presente una procedura di registrazione periodica, innescata dallo scadere di una temporiz- zazione. Essa ha la funzione di confermare linformazione relativa alla posizione del mobile (area di chiamata) ed in particolare modo di ripristinarla nel caso in cui si sia verificata una perdita di informazione nei registri di localizzazione. Normalmente, nei sistemi cellulari di concezione avanzata, è presente una procedura di registrazione periodica, innescata dallo scadere di una temporiz- zazione. Essa ha la funzione di confermare linformazione relativa alla posizione del mobile (area di chiamata) ed in particolare modo di ripristinarla nel caso in cui si sia verificata una perdita di informazione nei registri di localizzazione.

Aldo Roveri, RETI MOBILI E MULTIMEDIALI Univ. di Roma La Sapienza - a.a. 2009-2010 200 Evento di paging Alle aree di localizzazione in genere corrispondono quelle di paging allinterno delle quali lutente viene chiamato nel caso di chiamata entrante nel sistema cellulare. In questa eventualità, la centrale, che controlla larea di localizzazione in cui il UE è registrato, comanda a tutte le SRB dellarea stessa (celle) di irradiare il numero dellutente chiamato. Levento di paging innesca la procedura attraverso cui il UE si connette con la rete. Alle aree di localizzazione in genere corrispondono quelle di paging allinterno delle quali lutente viene chiamato nel caso di chiamata entrante nel sistema cellulare. In questa eventualità, la centrale, che controlla larea di localizzazione in cui il UE è registrato, comanda a tutte le SRB dellarea stessa (celle) di irradiare il numero dellutente chiamato. Levento di paging innesca la procedura attraverso cui il UE si connette con la rete.

Aldo Roveri, RETI MOBILI E MULTIMEDIALI Univ. di Roma La Sapienza - a.a. 2009-2010 201 III. Laccesso wireless in UMTS III.5 Caratteristiche generali di UMTS

Aldo Roveri, RETI MOBILI E MULTIMEDIALI Univ. di Roma La Sapienza - a.a. 2009-2010 202 Verso il 3G (1/5) La terza generazione radiomobile è stata concepita allorigine con lintento di –unificare gli standard esistenti per dare roaming mondiale; –offrire nuove forme di comunicazione realizzando una convergenza tra mobile e fisso nei servizi multimediali e dati. Sebbene lobiettivo originario fosse quello di realizzare un unico sistema, i differenti interessi degli enti coinvolti non l hanno reso possibile. La terza generazione radiomobile è stata concepita allorigine con lintento di –unificare gli standard esistenti per dare roaming mondiale; –offrire nuove forme di comunicazione realizzando una convergenza tra mobile e fisso nei servizi multimediali e dati. Sebbene lobiettivo originario fosse quello di realizzare un unico sistema, i differenti interessi degli enti coinvolti non l hanno reso possibile.

Aldo Roveri, RETI MOBILI E MULTIMEDIALI Univ. di Roma La Sapienza - a.a. 2009-2010 203 Verso il 3G (2/5) In questo quadro di interessi contrapposti, lITU ha definito una famiglia di sistemi a cui fu attribuito il nome di IMT- 2000 (International Mobile Telecommunications - 2000) e che includeva soluzioni TDMA e CDMA, oltre che FDD e TDD. LUMTS (Universal Mobile Telecommunication System) include due delle proposte di interfaccia radio sottoposte allITU per rispondere ai requisiti definiti per IMT-2000: entrambe utilizzano un accesso DS-WCDMA (Direct Sequence-WideBand CDMA), ma una prevede una duplicazione FDD, mentre laltra adotta una duplicazione TDD. In questo quadro di interessi contrapposti, lITU ha definito una famiglia di sistemi a cui fu attribuito il nome di IMT- 2000 (International Mobile Telecommunications - 2000) e che includeva soluzioni TDMA e CDMA, oltre che FDD e TDD. LUMTS (Universal Mobile Telecommunication System) include due delle proposte di interfaccia radio sottoposte allITU per rispondere ai requisiti definiti per IMT-2000: entrambe utilizzano un accesso DS-WCDMA (Direct Sequence-WideBand CDMA), ma una prevede una duplicazione FDD, mentre laltra adotta una duplicazione TDD.

Aldo Roveri, RETI MOBILI E MULTIMEDIALI Univ. di Roma La Sapienza - a.a. 2009-2010 204 Verso il 3G (3/5) La soluzione FDD (adottata da ETSI) è quella che attualmente viene utilizzata in Europa e in altri paesi del mondo; la soluzione TDD verrà principalmente utilizzata in Asia. Per lo sviluppo dellUMTS è stato creato il gruppo di standardizzazione 3GPP (Third Generation Partnership Project). Il 3GPP ha provveduto a definire release successive dello standard: si è partiti dalla Release 99; si è poi passati alle Release 4, 5 e 6; la Release più recente è la 7. La soluzione FDD (adottata da ETSI) è quella che attualmente viene utilizzata in Europa e in altri paesi del mondo; la soluzione TDD verrà principalmente utilizzata in Asia. Per lo sviluppo dellUMTS è stato creato il gruppo di standardizzazione 3GPP (Third Generation Partnership Project). Il 3GPP ha provveduto a definire release successive dello standard: si è partiti dalla Release 99; si è poi passati alle Release 4, 5 e 6; la Release più recente è la 7.

Aldo Roveri, RETI MOBILI E MULTIMEDIALI Univ. di Roma La Sapienza - a.a. 2009-2010 205 Verso il 3G (4/5) Un altro sistema rispondente alle specifiche IMT- 2000 è il CDMA-2000, con diffusione in Nord America dato che è parzialmente basato sui principi dellIS-95, e cioè del sistema di 2 a generazione sviluppato nella stessa area. Di questo sistema è in corso di sviluppo la soluzione multiportante. Il gruppo di lavoro preposto alla standardizzazione del CDMA-2000 è il 3GPP 2. Un altro sistema rispondente alle specifiche IMT- 2000 è il CDMA-2000, con diffusione in Nord America dato che è parzialmente basato sui principi dellIS-95, e cioè del sistema di 2 a generazione sviluppato nella stessa area. Di questo sistema è in corso di sviluppo la soluzione multiportante. Il gruppo di lavoro preposto alla standardizzazione del CDMA-2000 è il 3GPP 2.

Aldo Roveri, RETI MOBILI E MULTIMEDIALI Univ. di Roma La Sapienza - a.a. 2009-2010 206 Verso il 3G (5/5) Nella Release 99, lUMTS impiega –un Core Network IMT-2000 UMTS, che deriva dal GSM/GPRS; –due tecnologie di accesso radio, entrambe del tipo WCDMA (cioè con accesso multiplo CDMA a larga banda) e entrambe indicate con la sigla UTRA (Universal Terrestrial Radio Access) e distinte per la modalità di duplicazione, una chiamata UTRA FDD e laltra riferita come UTRA TDD, questultima con due varianti: la TDCDMA e la TDSCDMA. Vengono qui di seguito presentate in modo sintetico le principali caratteristiche dellaccesso WCDMA. Nella Release 99, lUMTS impiega –un Core Network IMT-2000 UMTS, che deriva dal GSM/GPRS; –due tecnologie di accesso radio, entrambe del tipo WCDMA (cioè con accesso multiplo CDMA a larga banda) e entrambe indicate con la sigla UTRA (Universal Terrestrial Radio Access) e distinte per la modalità di duplicazione, una chiamata UTRA FDD e laltra riferita come UTRA TDD, questultima con due varianti: la TDCDMA e la TDSCDMA. Vengono qui di seguito presentate in modo sintetico le principali caratteristiche dellaccesso WCDMA.

Aldo Roveri, RETI MOBILI E MULTIMEDIALI Univ. di Roma La Sapienza - a.a. 2009-2010 207 Caratteristiche del WCDMA (1/8) È un sistema a larga banda a divisione di codice a sequenza diretta (DS-CDMA), in cui i bit di informazione relativi agli utenti del sistema sono trasmessi su tutta la banda disponibile moltiplicando i dati di utente per una sequenza derivata dai codici di espansione CDMA. Per poter supportare elevati ritmi binari (fino a 2 Mbit/s) è utilizzato un fattore di espansione (SF) variabile e sono realizzate connessioni multicodice. È un sistema a larga banda a divisione di codice a sequenza diretta (DS-CDMA), in cui i bit di informazione relativi agli utenti del sistema sono trasmessi su tutta la banda disponibile moltiplicando i dati di utente per una sequenza derivata dai codici di espansione CDMA. Per poter supportare elevati ritmi binari (fino a 2 Mbit/s) è utilizzato un fattore di espansione (SF) variabile e sono realizzate connessioni multicodice.

Aldo Roveri, RETI MOBILI E MULTIMEDIALI Univ. di Roma La Sapienza - a.a. 2009-2010 208 Caratteristiche del WCDMA (2/8) Il ritmo di chip utilizzato è di 3,84 Mcp/s, con una larghezza di banda della portante di circa 5 MHz. La maggiore larghezza di banda (rispetto a sistemi CDMA a banda stretta) consente di supportare ritmi binari più elevati, con indubbi vantaggi prestazionali, grazie alla possibilità offerta di sfruttare la diversità prodotta dai cammini multipli. A seconda della banda operativa disponibile, loperatore di rete può utilizzare porzioni multiple della banda a 5 MHz per aumentare la capacità facendo anche ricorso a strutture di celle gerarchiche. Il ritmo di chip utilizzato è di 3,84 Mcp/s, con una larghezza di banda della portante di circa 5 MHz. La maggiore larghezza di banda (rispetto a sistemi CDMA a banda stretta) consente di supportare ritmi binari più elevati, con indubbi vantaggi prestazionali, grazie alla possibilità offerta di sfruttare la diversità prodotta dai cammini multipli. A seconda della banda operativa disponibile, loperatore di rete può utilizzare porzioni multiple della banda a 5 MHz per aumentare la capacità facendo anche ricorso a strutture di celle gerarchiche.

Aldo Roveri, RETI MOBILI E MULTIMEDIALI Univ. di Roma La Sapienza - a.a. 2009-2010 209 Caratteristiche del WCDMA (3/8) Supporta una vasta gamma di ritmi binari di utente realizzando, di fatto, lopportunità di banda su richiesta (bandwidth on demand). Nella Release 99, ad ogni utente è allocata una trama della durata di 10 ms, durante la quale il ritmo binario di utente è mantenuto costante; nelle Release 5 e 6, la durata di questa trama è ridotta a 2 ms. La distribuzione della capacità tra gli utenti, tuttavia, può variare da trama a trama. La trama di 10 ms è suddivisa in 15 intervalli temporali (IT); questa suddivisione ha lo scopo di sincronizzare funzioni periodiche in luogo di quello di separare flussi informativi come in TDM. Supporta una vasta gamma di ritmi binari di utente realizzando, di fatto, lopportunità di banda su richiesta (bandwidth on demand). Nella Release 99, ad ogni utente è allocata una trama della durata di 10 ms, durante la quale il ritmo binario di utente è mantenuto costante; nelle Release 5 e 6, la durata di questa trama è ridotta a 2 ms. La distribuzione della capacità tra gli utenti, tuttavia, può variare da trama a trama. La trama di 10 ms è suddivisa in 15 intervalli temporali (IT); questa suddivisione ha lo scopo di sincronizzare funzioni periodiche in luogo di quello di separare flussi informativi come in TDM.

Aldo Roveri, RETI MOBILI E MULTIMEDIALI Univ. di Roma La Sapienza - a.a. 2009-2010 210 Caratteristiche del WCDMA (4/8) Supporta due modalità operative di base –FDD (Frequency Division Duplex); –TDD (Time Division Duplex). Nella modalità FDD sono utilizzate due portanti con larghezza di banda di 5 MHz per le tratte up-link (dal mobile alla stazione radio-base) e down-link (dalla stazione radio- base al mobile), mentre in TDD ununica banda da 5 MHz è condivisa, a divisione di tempo, tra le due tratte. La modalità TDD è pesantemente basata sui concetti FDD ed è stata aggiunta per sfruttare più efficientemente la tecnologia base WCDMA anche nel caso di allocazione asimmetrica della banda. Supporta due modalità operative di base –FDD (Frequency Division Duplex); –TDD (Time Division Duplex). Nella modalità FDD sono utilizzate due portanti con larghezza di banda di 5 MHz per le tratte up-link (dal mobile alla stazione radio-base) e down-link (dalla stazione radio- base al mobile), mentre in TDD ununica banda da 5 MHz è condivisa, a divisione di tempo, tra le due tratte. La modalità TDD è pesantemente basata sui concetti FDD ed è stata aggiunta per sfruttare più efficientemente la tecnologia base WCDMA anche nel caso di allocazione asimmetrica della banda.

Aldo Roveri, RETI MOBILI E MULTIMEDIALI Univ. di Roma La Sapienza - a.a. 2009-2010 211 Caratteristiche del WCDMA (5/8) Permette il funzionamento asincrono delle stazioni radio-base: in questo modo, a differenza di quanto avviene per sistemi sincroni (ad es. lIS-95), non è necessario un riferimento temporale unico di sincronismo (come il GPS) e il dispiegamento di coperture di interni e di microcelle è più semplice.

Aldo Roveri, RETI MOBILI E MULTIMEDIALI Univ. di Roma La Sapienza - a.a. 2009-2010 212 Caratteristiche del WCDMA (6/8) Adotta la ricezione coerente per le tratte di up-link e down-link basata sulluso di simboli pilota dedicati o segnali pilota comuni. Lutilizzo di questa tecnica nella tratta up-link è una novità (nellambito di sistemi pubblici CDMA) e comporta un aumento della copertura e della capacità complessiva nella tratta in questione. Adotta la ricezione coerente per le tratte di up-link e down-link basata sulluso di simboli pilota dedicati o segnali pilota comuni. Lutilizzo di questa tecnica nella tratta up-link è una novità (nellambito di sistemi pubblici CDMA) e comporta un aumento della copertura e della capacità complessiva nella tratta in questione.

Aldo Roveri, RETI MOBILI E MULTIMEDIALI Univ. di Roma La Sapienza - a.a. 2009-2010 213 Caratteristiche del WCDMA (7/8) Linterfaccia radio è stata progettata in modo che gli operatori di rete possono anche far ricorso a ricevitori CDMA ad alte prestazioni (come la cancellazione dellinterferenza e le antenne intelligenti adattative) per aumentare la capacità e/o la copertura della rete.

Aldo Roveri, RETI MOBILI E MULTIMEDIALI Univ. di Roma La Sapienza - a.a. 2009-2010 214 Caratteristiche del WCDMA (8/8) Questa tecnologia è stata progettata per essere messa in campo insieme al GSM. Di conseguenza, per poter sfruttare la copertura GSM come leva abilitante allintroduzione del WCDMA, sono supportati gli handover tra le due tecnologie. Questa tecnologia è stata progettata per essere messa in campo insieme al GSM. Di conseguenza, per poter sfruttare la copertura GSM come leva abilitante allintroduzione del WCDMA, sono supportati gli handover tra le due tecnologie.

Aldo Roveri, RETI MOBILI E MULTIMEDIALI Univ. di Roma La Sapienza - a.a. 2009-2010 215 Principali parametri del WCDMA Metodo di accesso multiploDS-CDMA Metodo di duplexingA divisione di frequenza /a divisione di tempo Sincronizzazione delle stazioni radiobase Funzionamento asincrono Ritmo di chip3,84 Mcp/s Lunghezza delle trame10 ms Multiplazione dei serviziServizi multipli con diversi requisiti di QoS multiplati su una stessa connessione MultiritmoFattore di espansione variabile e multicodice RicezioneCoerente, utilizzando simboli pilota o pilota comuni Ricezione multi utente, antenne intelligenti Supportata dallo standard, implementazione opzionale

Aldo Roveri, RETI MOBILI E MULTIMEDIALI Univ. di Roma La Sapienza - a.a. 2009-2010 216 Banda disponibile Come già detto, lUMTS utilizza un sistema di trasmissione che occupa una banda radio di circa 5 MHz. Lo spettro radio disponibile per la soluzione FDD (che è di 60 MHz per ogni verso trasmissivo) viene suddiviso in porzioni che sono assegnate ai varii operatori. Un operatore ottiene un certo numero di bande di frequenza, tipicamente 3 o 4 in fase di lancio del servizio, che può impiegare per lo standard. In linea di principio il servizio potrebbe essere offerto con una sola banda (per ogni verso trasmissivo) su tutto il territorio nazionale. Come già detto, lUMTS utilizza un sistema di trasmissione che occupa una banda radio di circa 5 MHz. Lo spettro radio disponibile per la soluzione FDD (che è di 60 MHz per ogni verso trasmissivo) viene suddiviso in porzioni che sono assegnate ai varii operatori. Un operatore ottiene un certo numero di bande di frequenza, tipicamente 3 o 4 in fase di lancio del servizio, che può impiegare per lo standard. In linea di principio il servizio potrebbe essere offerto con una sola banda (per ogni verso trasmissivo) su tutto il territorio nazionale.

Aldo Roveri, RETI MOBILI E MULTIMEDIALI Univ. di Roma La Sapienza - a.a. 2009-2010 217 Copertura cellulare (1/2) La dimensione delle celle dipende da –la potenza emessa dalla stazione radio base; –laltezza a cui è posta lantenna; –la morfologia del territorio; –la presenza di ostacoli. La scelta della grandezza dellarea della cella è legata anche a questioni relative alla capacità di smaltimento del traffico. La dimensione delle celle dipende da –la potenza emessa dalla stazione radio base; –laltezza a cui è posta lantenna; –la morfologia del territorio; –la presenza di ostacoli. La scelta della grandezza dellarea della cella è legata anche a questioni relative alla capacità di smaltimento del traffico.

Aldo Roveri, RETI MOBILI E MULTIMEDIALI Univ. di Roma La Sapienza - a.a. 2009-2010 218 Copertura cellulare (2/2) Le dimensioni delle celle per tipologia di ambiente corrispondono a coperture: –micro/pico: edifici (raggio 75 m); –macro/micro: urbano (raggio 600 m); –macro: suburbano (raggio 2 km); –macro: rurale (raggio 8 km) Le dimensioni delle celle per tipologia di ambiente corrispondono a coperture: –micro/pico: edifici (raggio 75 m); –macro/micro: urbano (raggio 600 m); –macro: suburbano (raggio 2 km); –macro: rurale (raggio 8 km)

Aldo Roveri, RETI MOBILI E MULTIMEDIALI Univ. di Roma La Sapienza - a.a. 2009-2010 219 III. Laccesso wireless in UMTS III.6 Requisiti e servizi di UMTS

Aldo Roveri, RETI MOBILI E MULTIMEDIALI Univ. di Roma La Sapienza - a.a. 2009-2010 220 Requisiti dellUMTS (1/4) Massimo ritmo binario raggiungibile: dipende dalla zona di copertura –Rurale OutDoor: almeno 144 kbit/s (obiettivo: 384 kbit/s) a 500 km/h –Suburbano/urbano OutDoor: almeno 384 kbit/s (obiettivo 512 kbit/s) a 120 km/h –InDoor/OutDoor vicino: 2 Mbit/s a 10 km/h. La capacità massima con la Release 99 è risultata uguale a 384 kbit/s; Assegnando lintera banda disponibile (5 MHz) a trasferimenti a pacchetto, la portata media per un intera cella è risultata uguale a 2 Mbit/s da suddividere tra i vari utenti attivi nella cella. Massimo ritmo binario raggiungibile: dipende dalla zona di copertura –Rurale OutDoor: almeno 144 kbit/s (obiettivo: 384 kbit/s) a 500 km/h –Suburbano/urbano OutDoor: almeno 384 kbit/s (obiettivo 512 kbit/s) a 120 km/h –InDoor/OutDoor vicino: 2 Mbit/s a 10 km/h. La capacità massima con la Release 99 è risultata uguale a 384 kbit/s; Assegnando lintera banda disponibile (5 MHz) a trasferimenti a pacchetto, la portata media per un intera cella è risultata uguale a 2 Mbit/s da suddividere tra i vari utenti attivi nella cella.

Aldo Roveri, RETI MOBILI E MULTIMEDIALI Univ. di Roma La Sapienza - a.a. 2009-2010 221 Requisiti dellUMTS (2/4) Offerta di servizi di natura differente e con requisiti anche molto diversi: –Negoziazione degli attributi del canale che trasporta il servizio (Ritmo Binario, ritardo, BER, protezione); –Qualità di servizio –Più servizi in parallelo, di tipo real time/non real time; –Modalità di trasferimento a circuito e a pacchetto. –Adattività del collegamento radio alle condizioni di propagazione e di carico della rete. Offerta di servizi di natura differente e con requisiti anche molto diversi: –Negoziazione degli attributi del canale che trasporta il servizio (Ritmo Binario, ritardo, BER, protezione); –Qualità di servizio –Più servizi in parallelo, di tipo real time/non real time; –Modalità di trasferimento a circuito e a pacchetto. –Adattività del collegamento radio alle condizioni di propagazione e di carico della rete.

Aldo Roveri, RETI MOBILI E MULTIMEDIALI Univ. di Roma La Sapienza - a.a. 2009-2010 222 Requisiti dellUMTS (3/4) Per quanto riguarda lHandover, il sistema deve consentire –Handover senza interruzioni tra celle –Handover efficiente tra UMTS e GSM/GPRS Per quanto riguarda i servizi, lUMTS deve essere compatibile con quelli forniti dalle reti fisse e mobili e già esistenti e cioè –Servizi GSM –Servizi basati sul protocollo IP –Servizi ISDN. Per quanto riguarda lHandover, il sistema deve consentire –Handover senza interruzioni tra celle –Handover efficiente tra UMTS e GSM/GPRS Per quanto riguarda i servizi, lUMTS deve essere compatibile con quelli forniti dalle reti fisse e mobili e già esistenti e cioè –Servizi GSM –Servizi basati sul protocollo IP –Servizi ISDN.

Aldo Roveri, RETI MOBILI E MULTIMEDIALI Univ. di Roma La Sapienza - a.a. 2009-2010 223 Requisiti dellUMTS (4/4) Da un punto di vista radio si richiede –Alta efficienza spettrale (almeno uguale a quella del GSM) –Supporto di celle di varie dimensioni –Supporto dei servizi di localizzazione Dal punto di vista degli apparati terminali, i requisiti minimi sono –Possibilità di realizzare terminali Dual–mode UMTS/GSM/GPRS; –Possibilità di realizzare terminali portatili e schede PCMCIA (Personal Computer Memory Card International Association) di varie dimensioni, peso, capacità, potenze di emissione e costi. Da un punto di vista radio si richiede –Alta efficienza spettrale (almeno uguale a quella del GSM) –Supporto di celle di varie dimensioni –Supporto dei servizi di localizzazione Dal punto di vista degli apparati terminali, i requisiti minimi sono –Possibilità di realizzare terminali Dual–mode UMTS/GSM/GPRS; –Possibilità di realizzare terminali portatili e schede PCMCIA (Personal Computer Memory Card International Association) di varie dimensioni, peso, capacità, potenze di emissione e costi.

Aldo Roveri, RETI MOBILI E MULTIMEDIALI Univ. di Roma La Sapienza - a.a. 2009-2010 224 I servizi dellUMTS Lo standard 3G supporta sia il modo di trasferimento a circuito, sia quello a pacchetto. In una prima fase lUMTS implementa i servizi real time (voce e video telefonia) con connessioni a circuito, mentre quelli non real time (messaggistica e applicazioni on line su internet) sono con connessione a pacchetto. Attualmente lorientamento prevalente è verso un trattamento a pacchetto di tutti i servizi sia real time che non real time. Lo standard 3G supporta sia il modo di trasferimento a circuito, sia quello a pacchetto. In una prima fase lUMTS implementa i servizi real time (voce e video telefonia) con connessioni a circuito, mentre quelli non real time (messaggistica e applicazioni on line su internet) sono con connessione a pacchetto. Attualmente lorientamento prevalente è verso un trattamento a pacchetto di tutti i servizi sia real time che non real time.

Aldo Roveri, RETI MOBILI E MULTIMEDIALI Univ. di Roma La Sapienza - a.a. 2009-2010 225 Accesso a Internet/Intranet Questo servizio consente laccesso ad Internet ovvero ad una Intranet mediante una connessione virtuale a pacchetto che collega il terminale alla rete IP. Durante la fase di instaurazione del circuito virtuale, il mobile riceve un indirizzo IP che gli consente laccesso alla rete. Sono esempi di servizi di questo tipo: laccesso al web, il trasferimento di file, lo streaming audio/ video e i servizi on line. Questo servizio consente laccesso ad Internet ovvero ad una Intranet mediante una connessione virtuale a pacchetto che collega il terminale alla rete IP. Durante la fase di instaurazione del circuito virtuale, il mobile riceve un indirizzo IP che gli consente laccesso alla rete. Sono esempi di servizi di questo tipo: laccesso al web, il trasferimento di file, lo streaming audio/ video e i servizi on line.

Aldo Roveri, RETI MOBILI E MULTIMEDIALI Univ. di Roma La Sapienza - a.a. 2009-2010 226 Informazioni ed intrattenimento È una famiglia di servizi che consente laccesso ad informazioni da terminale, con eventuali personalizzazioni dei contenuti e sotto forma di testo, immagini, suoni e video. In tale famiglia, in parte già disponibile con i sistemi 2G, sono inclusi ad esempio –Servizi informativi (News, oroscopo, previsioni del tempo, informazioni sportive) –Servizi di intrattenimento (giochi, ascolto di musica, video clip) –Commercio elettronico (acquisti on line) –Servizi di chat (simili a quelli disponibili su Internet) –Elenco abbonati –Servizi viaggi (informazioni su voli e treni). È una famiglia di servizi che consente laccesso ad informazioni da terminale, con eventuali personalizzazioni dei contenuti e sotto forma di testo, immagini, suoni e video. In tale famiglia, in parte già disponibile con i sistemi 2G, sono inclusi ad esempio –Servizi informativi (News, oroscopo, previsioni del tempo, informazioni sportive) –Servizi di intrattenimento (giochi, ascolto di musica, video clip) –Commercio elettronico (acquisti on line) –Servizi di chat (simili a quelli disponibili su Internet) –Elenco abbonati –Servizi viaggi (informazioni su voli e treni).

Aldo Roveri, RETI MOBILI E MULTIMEDIALI Univ. di Roma La Sapienza - a.a. 2009-2010 227 Multimedia Messaging Service È un servizio che arricchisce quello offerto dagli SMS consentendo di inviare messaggi con testo, grafica, immagini, suoni e video. La disponibilità da parte dei terminali di inglobare telecamere consente di inviare anche fotografie e video nei messaggi. Tale servizio è anche disponibile sulla rete GSM. È un servizio che arricchisce quello offerto dagli SMS consentendo di inviare messaggi con testo, grafica, immagini, suoni e video. La disponibilità da parte dei terminali di inglobare telecamere consente di inviare anche fotografie e video nei messaggi. Tale servizio è anche disponibile sulla rete GSM.

Aldo Roveri, RETI MOBILI E MULTIMEDIALI Univ. di Roma La Sapienza - a.a. 2009-2010 228 Servizi di localizzazione La conoscenza della posizione dellutente da parte della rete consente la creazione dei servizi di localizzazione. Applicazioni di interesse potrebbero essere il controllo di una flotta di veicoli (ad es. taxi) oppure il rapido accesso ai servizi e alle informazioni disponibili nella zona in cui si trova lutente (ristoranti, cinema, farmacie, ecc.). La conoscenza della posizione dellutente da parte della rete consente la creazione dei servizi di localizzazione. Applicazioni di interesse potrebbero essere il controllo di una flotta di veicoli (ad es. taxi) oppure il rapido accesso ai servizi e alle informazioni disponibili nella zona in cui si trova lutente (ristoranti, cinema, farmacie, ecc.).

Aldo Roveri, RETI MOBILI E MULTIMEDIALI Univ. di Roma La Sapienza - a.a. 2009-2010 229 Voce e video chiamata Il servizio voce è disponibile tra i servizi 3G con tutte le varianti già presenti in quelli 2G come –Conferenza di più utenti; –Avviso di chiamata; –Visualizzazione del chiamante NellUMTS questi servizi sono arricchiti con la video chiamata anche sul mobile. Il servizio voce è disponibile tra i servizi 3G con tutte le varianti già presenti in quelli 2G come –Conferenza di più utenti; –Avviso di chiamata; –Visualizzazione del chiamante NellUMTS questi servizi sono arricchiti con la video chiamata anche sul mobile.

Aldo Roveri, RETI MOBILI E MULTIMEDIALI Univ. di Roma La Sapienza - a.a. 2009-2010 230 Codec AMR Tratta da Columpsi, Leonardi, Ricci: UMTS, ed. Hoepli CodecRitmo binario (kbit/s) AMR_12.2012.20 (GSM- EFR) AMR_10.2010.20 AMR_7.957.95 AMR_7.407.40 (IS-641) AMR_6.706.70 (PDC-EFR) AMR_5.905.90 AMR_5.155.15 AMR_4.754.75 AMR_SID1.80

Aldo Roveri, RETI MOBILI E MULTIMEDIALI Univ. di Roma La Sapienza - a.a. 2009-2010 231 Servizi oggi resi disponibili da UMTS (1/2) I servizi oggi resi disponibili da UMTS, in accordo alle release più recenti, sono i seguenti: Servizi commutati a circuito da persona a persona –servizi voce a banda stretta o larga; –video-telefonia; Servizi commutati a pacchetto da persona a persona –messaggistica mono e multimediale (MMS); –push to talk over cellular; –voce su IP; –giochi con partecipazione multipla (multiplayer); I servizi oggi resi disponibili da UMTS, in accordo alle release più recenti, sono i seguenti: Servizi commutati a circuito da persona a persona –servizi voce a banda stretta o larga; –video-telefonia; Servizi commutati a pacchetto da persona a persona –messaggistica mono e multimediale (MMS); –push to talk over cellular; –voce su IP; –giochi con partecipazione multipla (multiplayer);

Aldo Roveri, RETI MOBILI E MULTIMEDIALI Univ. di Roma La Sapienza - a.a. 2009-2010 232 Servizi oggi resi disponibili da UMTS (2/2) Servizi di contenuti alla persona –browsing; –audio e video streaming; –scaricamento di contenuti Servizi di localizzazione. Servizi di contenuti alla persona –browsing; –audio e video streaming; –scaricamento di contenuti Servizi di localizzazione.

Aldo Roveri, RETI MOBILI E MULTIMEDIALI Univ. di Roma La Sapienza - a.a. 2009-2010 233 La qualità del servizio Per fornire una certa qualità di servizio (QoS) è necessario stabilire un servizio di trasporto (bearer service) con caratteristiche e funzionalità ben definite, dalla sorgente alla destinazione del servizio.

Aldo Roveri, RETI MOBILI E MULTIMEDIALI Univ. di Roma La Sapienza - a.a. 2009-2010 234 Parametri di QoS I parametri utilizzati per caratterizzare la qualità di servizio sono : –la classe di servizio; –il ritmo binario massimo; –il ritmo binario garantito (il minimo ritmo binario che la rete si deve impegnare a garantire); –il tasso di errore binario residuo; –il ritardo di trasferimento (il massimo ritardo accettabile espresso come 95-esimo percentile). I parametri utilizzati per caratterizzare la qualità di servizio sono : –la classe di servizio; –il ritmo binario massimo; –il ritmo binario garantito (il minimo ritmo binario che la rete si deve impegnare a garantire); –il tasso di errore binario residuo; –il ritardo di trasferimento (il massimo ritardo accettabile espresso come 95-esimo percentile).

Aldo Roveri, RETI MOBILI E MULTIMEDIALI Univ. di Roma La Sapienza - a.a. 2009-2010 235 Ritmi binari in funzione del servizio Tratta da Columpsi, Leonardi, Ricci: UMTS, ed. Hoepli ServizioRitmo binario kbit/s Ritardo ms Tolleranza errori Voce4-25< 150< 3% FER Video telefonia32-384< 150< 1% FER Streaming Audio/Video32-384< 10000< 1% FER Giochi interattivi< 1 kbyte< 2500 Fast Internetfino a 200040000 E-mail, MMS6440000 SMS, Messaggi broad1640000 News, Entertainment64-12840000

Aldo Roveri, RETI MOBILI E MULTIMEDIALI Univ. di Roma La Sapienza - a.a. 2009-2010 236 Valore del ritmo binario in funzione della velocità ScenarioRitmo binario kbit/s Velocità km/h Rurale Outdoor144500 Suburbano/Urbano Outdoor384120 Indoor/Outdoor vicino200010 km

Aldo Roveri, RETI MOBILI E MULTIMEDIALI Univ. di Roma La Sapienza - a.a. 2009-2010 237 Classi di servizio UMTS prevede quattro classi di servizio: –Conversazionale; –Streaming; –Interattiva; –Background. UMTS prevede quattro classi di servizio: –Conversazionale; –Streaming; –Interattiva; –Background.

Aldo Roveri, RETI MOBILI E MULTIMEDIALI Univ. di Roma La Sapienza - a.a. 2009-2010 238 Classe Conversazionale Viene utilizzata per conversazioni real time fra utenti, come ad esempio nei servizi voce, voce su IP e video- conferenza. In questa classe, –il ritardo di trasferimento deve essere di valore contenuto; –la relazione temporale fra le varie componenti del flusso informativo deve essere mantenuta costante. Le caratteristiche di questi parametri sono determinate dalla percezione umana. Viene utilizzata per conversazioni real time fra utenti, come ad esempio nei servizi voce, voce su IP e video- conferenza. In questa classe, –il ritardo di trasferimento deve essere di valore contenuto; –la relazione temporale fra le varie componenti del flusso informativo deve essere mantenuta costante. Le caratteristiche di questi parametri sono determinate dalla percezione umana.

Aldo Roveri, RETI MOBILI E MULTIMEDIALI Univ. di Roma La Sapienza - a.a. 2009-2010 239 Classe Streaming Viene utilizzata quando lutente desidera visionare o ascoltare flussi video o audio real time. Il servizio è sempre unidirezionale, da un server in rete verso lutente. I relativi servizi sono caratterizzati dal fatto che la relazione temporale fra le varie componenti del flusso informativo deve essere mantenuta costante. Non sono invece necessarie particolari requisiti di un basso ritardo di trasferimento: infatti il flusso viene riallineato dallapplicazione ricevente. Viene utilizzata quando lutente desidera visionare o ascoltare flussi video o audio real time. Il servizio è sempre unidirezionale, da un server in rete verso lutente. I relativi servizi sono caratterizzati dal fatto che la relazione temporale fra le varie componenti del flusso informativo deve essere mantenuta costante. Non sono invece necessarie particolari requisiti di un basso ritardo di trasferimento: infatti il flusso viene riallineato dallapplicazione ricevente.

Aldo Roveri, RETI MOBILI E MULTIMEDIALI Univ. di Roma La Sapienza - a.a. 2009-2010 240 Classe Interattiva Viene utilizzata nel caso in cui lutente richieda dati a un apparato remoto: esempi tipici sono il web browsing, linterrogazione di basi di dati, laccesso a server di rete, la raccolta di dati di misura. I requisiti principali riguardano il ritardo di andata e ritorno (round-trip) e lintegrità dei dati stessi. Viene utilizzata nel caso in cui lutente richieda dati a un apparato remoto: esempi tipici sono il web browsing, linterrogazione di basi di dati, laccesso a server di rete, la raccolta di dati di misura. I requisiti principali riguardano il ritardo di andata e ritorno (round-trip) e lintegrità dei dati stessi.

Aldo Roveri, RETI MOBILI E MULTIMEDIALI Univ. di Roma La Sapienza - a.a. 2009-2010 241 Classe Background Si riferisce al caso in cui lutente richieda linvio o attenda la ricezione di file di dati come processo di background, quindi secondario rispetto ad altri processi a più alta priorità. Esempi di questo tipo sono: il trasferimento di e- mail e sms, il trasferimento di basi di dati e la ricezione di dati di misura in modalità background. In questo caso lapplicazione ricevente non ha limiti di tempo per larrivo dei dati richiesti e, quindi, non è praticamente sensibile al ritardo; risulta invece importante lintegrità dei dati stessi. Si riferisce al caso in cui lutente richieda linvio o attenda la ricezione di file di dati come processo di background, quindi secondario rispetto ad altri processi a più alta priorità. Esempi di questo tipo sono: il trasferimento di e- mail e sms, il trasferimento di basi di dati e la ricezione di dati di misura in modalità background. In questo caso lapplicazione ricevente non ha limiti di tempo per larrivo dei dati richiesti e, quindi, non è praticamente sensibile al ritardo; risulta invece importante lintegrità dei dati stessi.

Aldo Roveri, RETI MOBILI E MULTIMEDIALI Univ. di Roma La Sapienza - a.a. 2009-2010 242 Classi di servizio e QoS Conversazionale (Δ << 1s) Interattiva (Δ ~ 1s) Streaming (Δ < 10s) Background (Δ > 10s) Tolleranza agli errori Intolleranza agli errori E-commerce web browsing Streaming audio e video Messaggi vocali Fax Telnet, giochi interattivi FTP Voce Video-com.c Messaggi in Background Δ : ritardo di trasferimento

Aldo Roveri, RETI MOBILI E MULTIMEDIALI Univ. di Roma La Sapienza - a.a. 2009-2010 243 Classi di servizio e parametri di QoS Tratta da Columpsi, Leonardi, Ricci: UMTS, ed. Hoepli Classe di servizio ConversazionaleStreamingInterattivaBackground Ritmo binario massimoXXXX Tasso di errore binario residuoXXXX Ritardo di trasferimentoXX Ritmo binario garantitoXX Priorità nel trattamento del traffico X

Aldo Roveri, RETI MOBILI E MULTIMEDIALI Univ. di Roma La Sapienza - a.a. 2009-2010 244 III. Laccesso wireless in UMTS III.7 Struttura della rete daccesso di UMTS

Aldo Roveri, RETI MOBILI E MULTIMEDIALI Univ. di Roma La Sapienza - a.a. 2009-2010 245 Nodi della Rete di Accesso (1/4) Sono nodi della rete di accesso (Fig. III.2) –Nodo B –Radio Network Controller (RNC) Le tecnologie di accesso nella Release 99 sono due –quella GSM/GPRS gestita dalla BSS (Base Station System) (insieme dei BSC e delle BTS controllate); –quella dellUMTS gestita dalla RNS (Radio Network System). Sono nodi della rete di accesso (Fig. III.2) –Nodo B –Radio Network Controller (RNC) Le tecnologie di accesso nella Release 99 sono due –quella GSM/GPRS gestita dalla BSS (Base Station System) (insieme dei BSC e delle BTS controllate); –quella dellUMTS gestita dalla RNS (Radio Network System).

Aldo Roveri, RETI MOBILI E MULTIMEDIALI Univ. di Roma La Sapienza - a.a. 2009-2010 246 Nodi della Rete di Accesso (2/4) tratto da J. Schiller: Mobile Communications BTS Node B BSC A bis BTS BSS MSC Node B RNC I ub Node B RNS Node B SGSNGGSN GMSC HLR VLR I u PS I u CS IuIu CN EIR GnGn GiGi PSTN AuC Fig. III.2

Aldo Roveri, RETI MOBILI E MULTIMEDIALI Univ. di Roma La Sapienza - a.a. 2009-2010 247 Nodi della Rete di Accesso (3/4) Nella Fig. III.3, in cui vengono dettagliate le parti componenti della rete di accesso, vengono sottolineate, oltre allinterfaccia I u tra rete di accesso e rete dorsale, altre interfacce standardiz- zate, che rivestono un ruolo importante nelloperati- vità del sistema. Tali interfacce sono: I ub : tra nodo B e RNC; I ur : tra due RNC. Nella Fig. III.3, in cui vengono dettagliate le parti componenti della rete di accesso, vengono sottolineate, oltre allinterfaccia I u tra rete di accesso e rete dorsale, altre interfacce standardiz- zate, che rivestono un ruolo importante nelloperati- vità del sistema. Tali interfacce sono: I ub : tra nodo B e RNC; I ur : tra due RNC.

Aldo Roveri, RETI MOBILI E MULTIMEDIALI Univ. di Roma La Sapienza - a.a. 2009-2010 248 Nodi della Rete di Accesso (4/4) tratto da J. Schiller: Mobile Communications RNC I ub RNS CN RNC I ub RNS I ur IuIu Nodo B Node BNodo B Node BNodo B UE Fig. III.3

Aldo Roveri, RETI MOBILI E MULTIMEDIALI Univ. di Roma La Sapienza - a.a. 2009-2010 249 Nodo B È lelemento che dialoga con il terminale mobile sfruttando linterfaccia radio. È collegato al RNC attraverso linterfaccia Iub. Esegue le seguenti operazioni –modulazione/demodulazione; –utilizzazione dei codici; –misure di qualità del canale radio; –controllo di potenza; –diversità di ricezione e di trasmissione (due antenne). È lelemento che dialoga con il terminale mobile sfruttando linterfaccia radio. È collegato al RNC attraverso linterfaccia Iub. Esegue le seguenti operazioni –modulazione/demodulazione; –utilizzazione dei codici; –misure di qualità del canale radio; –controllo di potenza; –diversità di ricezione e di trasmissione (due antenne).

Aldo Roveri, RETI MOBILI E MULTIMEDIALI Univ. di Roma La Sapienza - a.a. 2009-2010 250 Radio Network Controller È lelemento intelligente del RNS che governa una o più stazioni radio base. È addetto a –la gestione della chiamata; –il controllo del carico; –laccettazione di nuove chiamate; –la gestione dei codici; –le procedure di handover (ad es. con limpiego di soft handover in cui un mobile si può collegare simultaneamente anche a due nodi B gestiti da due RNC). È lelemento intelligente del RNS che governa una o più stazioni radio base. È addetto a –la gestione della chiamata; –il controllo del carico; –laccettazione di nuove chiamate; –la gestione dei codici; –le procedure di handover (ad es. con limpiego di soft handover in cui un mobile si può collegare simultaneamente anche a due nodi B gestiti da due RNC).

Aldo Roveri, RETI MOBILI E MULTIMEDIALI Univ. di Roma La Sapienza - a.a. 2009-2010 251 III. Laccesso wireless in UMTS III.8 Evoluzione dellUTRA

Aldo Roveri, RETI MOBILI E MULTIMEDIALI Univ. di Roma La Sapienza - a.a. 2009-2010 252 Levoluzione dellaccesso 3G (1/4) Laccesso WCDMA definito nella Release 99 dellUMTS e confermato nella Release 4 è stato solo la prima tappa dellevoluzione 3G. Le tappe successive sono state rivolte al conseguimento di –una più efficiente utilizzazione delle risorse; –un aumento anche molto sensibile della capacità di trasferimento sullinterfaccia radio (in entrambi i versi downlink e uplink); entrambi gli obiettivi sono stati rivolti allimpiego di un modo di trasferimento a pacchetto. Laccesso WCDMA definito nella Release 99 dellUMTS e confermato nella Release 4 è stato solo la prima tappa dellevoluzione 3G. Le tappe successive sono state rivolte al conseguimento di –una più efficiente utilizzazione delle risorse; –un aumento anche molto sensibile della capacità di trasferimento sullinterfaccia radio (in entrambi i versi downlink e uplink); entrambi gli obiettivi sono stati rivolti allimpiego di un modo di trasferimento a pacchetto.

Aldo Roveri, RETI MOBILI E MULTIMEDIALI Univ. di Roma La Sapienza - a.a. 2009-2010 253 Levoluzione dellaccesso 3G (2/4) Un primo passo è stato compiuto nella Release 5 con lincremento del ritmo binario sulla tratta downlink: la relativa tecnica è stata chiamata High Speed Downlink Packet Access (HSDPA) e prevede una velocità massima teorica uguale a 14,4 Mbit/s sempre nella banda di 5 MHz. Nella Release 6, conservando lo stesso impegno di banda, si è intervenuti anche sulla tratta uplink con una tecnica che, per analogia con la precedente, ma con un approccio solo parzialmente comune, è stata denominata High Speed Uplink Packet Access (HSUPA); in questo caso lobiettivo è stato il conseguimento di una velocità massima teorica uguale a 5,8 Mbit/s. Un primo passo è stato compiuto nella Release 5 con lincremento del ritmo binario sulla tratta downlink: la relativa tecnica è stata chiamata High Speed Downlink Packet Access (HSDPA) e prevede una velocità massima teorica uguale a 14,4 Mbit/s sempre nella banda di 5 MHz. Nella Release 6, conservando lo stesso impegno di banda, si è intervenuti anche sulla tratta uplink con una tecnica che, per analogia con la precedente, ma con un approccio solo parzialmente comune, è stata denominata High Speed Uplink Packet Access (HSUPA); in questo caso lobiettivo è stato il conseguimento di una velocità massima teorica uguale a 5,8 Mbit/s.

Aldo Roveri, RETI MOBILI E MULTIMEDIALI Univ. di Roma La Sapienza - a.a. 2009-2010 254 Levoluzione dellaccesso 3G (3/4) Entrambi i limiti superiori di 14,4 Mbit/s (per il HSDPA) e di 5,8 Mbit/s (per il HSUPA) sono stati definiti senza che per il singolo utente vi siano, almeno in linea di principio, limitazioni rispetto allimpiego pieno dellintera capacità della cella qualora egli fosse lunico utilizzatore. Le due tecniche, a cui è stato attribuito il nome HSPA (High Speed Packet Access), adottano entrambe la tecnica di accesso multiplo WCDMA e, pur seguendo una via concettualmente analoga per massimizzare la portata su entrambi i versi dellinterfaccia UTRA, seguono per il resto strade diverse circa lutilizzazione di un canale radio condiviso nel caso HSDPA e di un canale radio dedicato nel caso HSUPA. Entrambi i limiti superiori di 14,4 Mbit/s (per il HSDPA) e di 5,8 Mbit/s (per il HSUPA) sono stati definiti senza che per il singolo utente vi siano, almeno in linea di principio, limitazioni rispetto allimpiego pieno dellintera capacità della cella qualora egli fosse lunico utilizzatore. Le due tecniche, a cui è stato attribuito il nome HSPA (High Speed Packet Access), adottano entrambe la tecnica di accesso multiplo WCDMA e, pur seguendo una via concettualmente analoga per massimizzare la portata su entrambi i versi dellinterfaccia UTRA, seguono per il resto strade diverse circa lutilizzazione di un canale radio condiviso nel caso HSDPA e di un canale radio dedicato nel caso HSUPA.

Aldo Roveri, RETI MOBILI E MULTIMEDIALI Univ. di Roma La Sapienza - a.a. 2009-2010 255 Levoluzione dellaccesso 3G (4/4) Una tappa ulteriore dellevoluzione 3G è stata, nella Release 7, il cosiddetto HSPA evoluto o HSPA+, che, a parità di impegno di banda a 5 MHz, porta la capacità del sistema sulla tratta downlink a 21,6 Mbit/s e quella sulla tratta uplink a 12 Mbit/s. Lulteriore traguardo dellattività del gruppo di standardizzazione 3GPP viene attualmente indicata con lacronimo LTE (Long Term Evolution); assicurando la coesistenza con gli standard GSM/GPRS e UMTS e adottando nuove tecniche di accesso multiplo, lobiettivo ultimo è fornire un ritmo binario di picco che raggiunge, su una banda di 20 MHz, un valore di 100 Mbit/s in downlink e di 50 Mbit/s in uplink. Una tappa ulteriore dellevoluzione 3G è stata, nella Release 7, il cosiddetto HSPA evoluto o HSPA+, che, a parità di impegno di banda a 5 MHz, porta la capacità del sistema sulla tratta downlink a 21,6 Mbit/s e quella sulla tratta uplink a 12 Mbit/s. Lulteriore traguardo dellattività del gruppo di standardizzazione 3GPP viene attualmente indicata con lacronimo LTE (Long Term Evolution); assicurando la coesistenza con gli standard GSM/GPRS e UMTS e adottando nuove tecniche di accesso multiplo, lobiettivo ultimo è fornire un ritmo binario di picco che raggiunge, su una banda di 20 MHz, un valore di 100 Mbit/s in downlink e di 50 Mbit/s in uplink.

Aldo Roveri, RETI MOBILI E MULTIMEDIALI Univ. di Roma La Sapienza - a.a. 2009-2010 256 Motivazioni dellHSPA (1/2) Luso di canali dedicati per applicazioni di dati a pacchetto può dare luogo a inefficienze nellutiliz- zazione delle risorse disponibili sullinterfaccia quando sia necessario assegnare elevati ritmi di dati a utenti individuali. Daltra parte, sempre nelle applicazioni di dati a pacchetto, più elevati ritmi di dati di picco disponibili conducono a un miglioramento delle prestazioni dellUTRA. Luso di canali dedicati per applicazioni di dati a pacchetto può dare luogo a inefficienze nellutiliz- zazione delle risorse disponibili sullinterfaccia quando sia necessario assegnare elevati ritmi di dati a utenti individuali. Daltra parte, sempre nelle applicazioni di dati a pacchetto, più elevati ritmi di dati di picco disponibili conducono a un miglioramento delle prestazioni dellUTRA.

Aldo Roveri, RETI MOBILI E MULTIMEDIALI Univ. di Roma La Sapienza - a.a. 2009-2010 257 Come già si è detto, queste due motivazioni hanno condotto, nelle Release 5 e 6, a una modalità di accesso aggiuntiva e migliorativa rispetto a quella inizialmente prevista nella Release 99, e cioè allHSPA. LHSPA include due componenti, con lobiettivo di migliorare le prestazioni dellinterfaccia nel trasferimento di dati a pacchetto in downlink e in uplink. Come già si è detto, queste due motivazioni hanno condotto, nelle Release 5 e 6, a una modalità di accesso aggiuntiva e migliorativa rispetto a quella inizialmente prevista nella Release 99, e cioè allHSPA. LHSPA include due componenti, con lobiettivo di migliorare le prestazioni dellinterfaccia nel trasferimento di dati a pacchetto in downlink e in uplink. Motivazioni dellHSPA (2/2)

Aldo Roveri, RETI MOBILI E MULTIMEDIALI Univ. di Roma La Sapienza - a.a. 2009-2010 258 Componenti dellHSPA In downlink si aggiunge (ai canali di trasporto dedicati) un nuovo canale di trasporto che è condiviso tra gli utenti che sono attivi sullinterfaccia. Questo nuovo canale è il High Speed Downlink Shared Channel (HS-DSCH) che consente di assegnare tutte le risorse disponibili a uno o più utenti in modo molto efficiente. In uplink, i canali di trasporto dedicati sono migliorati nei Enhanced Dedicated Channels (E-DCH). Anche se questi canali sono dedicati, le risorse in uplink possono essere condivise, in modo più efficiente,dagli utenti interessati. In downlink si aggiunge (ai canali di trasporto dedicati) un nuovo canale di trasporto che è condiviso tra gli utenti che sono attivi sullinterfaccia. Questo nuovo canale è il High Speed Downlink Shared Channel (HS-DSCH) che consente di assegnare tutte le risorse disponibili a uno o più utenti in modo molto efficiente. In uplink, i canali di trasporto dedicati sono migliorati nei Enhanced Dedicated Channels (E-DCH). Anche se questi canali sono dedicati, le risorse in uplink possono essere condivise, in modo più efficiente,dagli utenti interessati.

Aldo Roveri, RETI MOBILI E MULTIMEDIALI Univ. di Roma La Sapienza - a.a. 2009-2010 259 HSDPA Lintervento dellHSPA sul downlink, denominato HSDPA, migliora le prestazioni del trasferimento di dati a pacchetto in downlink attraverso i seguenti provvedimenti: –impiego condiviso del nuovo canale di trasporto HS-DSCH con: »adattamento veloce del collegamento tramite adegua-mento dei relativi parametri trasmissivi alle condizioni assunte dal canale radio istante per istante (Fast Link Adaptation); »scadenzamento veloce nellassegnazione del canale secondo una strategia dipendente dalle condizioni istantanee del canale radio (Fast Channel Dependent Scheduling); –utilizzazione di un più efficace meccanismo di ritrasmissione dei dati rivelati errati con utilizzazione anche di questi ultimi (Fast Hybrid-ARQ with soft combining); Lintervento dellHSPA sul downlink, denominato HSDPA, migliora le prestazioni del trasferimento di dati a pacchetto in downlink attraverso i seguenti provvedimenti: –impiego condiviso del nuovo canale di trasporto HS-DSCH con: »adattamento veloce del collegamento tramite adegua-mento dei relativi parametri trasmissivi alle condizioni assunte dal canale radio istante per istante (Fast Link Adaptation); »scadenzamento veloce nellassegnazione del canale secondo una strategia dipendente dalle condizioni istantanee del canale radio (Fast Channel Dependent Scheduling); –utilizzazione di un più efficace meccanismo di ritrasmissione dei dati rivelati errati con utilizzazione anche di questi ultimi (Fast Hybrid-ARQ with soft combining);

Aldo Roveri, RETI MOBILI E MULTIMEDIALI Univ. di Roma La Sapienza - a.a. 2009-2010 260 Impiego condiviso dellHS-DSCH Con lHS-DSCH un certo ammontare dei codici di canalizzazione e la potenza trasmessa in una cella sono trattati come una risorsa comune, che è condivisa dina- micamente tra gli utenti primariamente nel dominio del tempo, ma anche in quello dei codici.

Aldo Roveri, RETI MOBILI E MULTIMEDIALI Univ. di Roma La Sapienza - a.a. 2009-2010 261 Adattamento veloce del collegamento (1/3) Ladattamento veloce del collegamento ha lo scopo di fronteggiare fenomeni, come quelli legati al fading da cammini multipli, che possono presentarsi in modo anche molto diversificato in differenti collegamenti downlink con variazioni veloci nel tempo e nello spazio. In luogo della soluzione adottata per i canali dedicati dellUTRA (controllo veloce di potenza per compensare le differenze e le variazioni delle condizioni istantanee del canale radio) ladattamen-to veloce utilizzato nellHSDPA modifica i parametri trasmissivi. Ladattamento veloce del collegamento ha lo scopo di fronteggiare fenomeni, come quelli legati al fading da cammini multipli, che possono presentarsi in modo anche molto diversificato in differenti collegamenti downlink con variazioni veloci nel tempo e nello spazio. In luogo della soluzione adottata per i canali dedicati dellUTRA (controllo veloce di potenza per compensare le differenze e le variazioni delle condizioni istantanee del canale radio) ladattamen-to veloce utilizzato nellHSDPA modifica i parametri trasmissivi.

Aldo Roveri, RETI MOBILI E MULTIMEDIALI Univ. di Roma La Sapienza - a.a. 2009-2010 262 Tale modifica riguarda –il tasso di codifica di canale, passando da valori mi-nori ad altri più elevati; –lo schema di modulazione, scegliendo un ordine mi-nore o maggiore, in relazione alle condizioni presentate istante per istante dal canale radio. Quando queste condizioni sono buone, si utilizza una modulazione di ordine più elevato e un minore tasso di codifica; quando invece dette condizioni sono cattive si adottano un ordine di modulazione e un tasso di codifica che siano più robusti nei confronti degli eventi di errore. Tale modifica riguarda –il tasso di codifica di canale, passando da valori mi-nori ad altri più elevati; –lo schema di modulazione, scegliendo un ordine mi-nore o maggiore, in relazione alle condizioni presentate istante per istante dal canale radio. Quando queste condizioni sono buone, si utilizza una modulazione di ordine più elevato e un minore tasso di codifica; quando invece dette condizioni sono cattive si adottano un ordine di modulazione e un tasso di codifica che siano più robusti nei confronti degli eventi di errore. Adattamento veloce del collegamento (2/3)

Aldo Roveri, RETI MOBILI E MULTIMEDIALI Univ. di Roma La Sapienza - a.a. 2009-2010 263 Questo tipo di adattamento del canale, che agisce sul ritmo di trasferimento dei dati nelHS-DSCH lasciando invariata la potenza di trasmissione, è più efficiente, in termini di impegno di risorse, rispetto allimpiego del controllo di potenza utilizzato sui canali di trasporto dedicati: ciò è sicuramente vero per servizi (come quelli per dati a pacchetto) che tollerano variazioni del ritmo di trasferimento a breve termine. La velocità di adattamento è stata fissata in 500 volte al secondo: ciò consente di adattare il ritmo dei trasferimenti di dati su una base temporale di 2 ms. Questo tipo di adattamento del canale, che agisce sul ritmo di trasferimento dei dati nelHS-DSCH lasciando invariata la potenza di trasmissione, è più efficiente, in termini di impegno di risorse, rispetto allimpiego del controllo di potenza utilizzato sui canali di trasporto dedicati: ciò è sicuramente vero per servizi (come quelli per dati a pacchetto) che tollerano variazioni del ritmo di trasferimento a breve termine. La velocità di adattamento è stata fissata in 500 volte al secondo: ciò consente di adattare il ritmo dei trasferimenti di dati su una base temporale di 2 ms. Adattamento veloce del collegamento (3/3)

Aldo Roveri, RETI MOBILI E MULTIMEDIALI Univ. di Roma La Sapienza - a.a. 2009-2010 264 Adattamento dello schema di modulazione (1/3) In funzione delle condizioni del canale radio, lo schema di modulazione può passare da quello QPSK al 16QAM, che è spettralmente più efficiente e che, a parità della massima ampiezza del segnale trasmesso, è più sensibile del QPSK ai vari fenomeni di degradazione subiti dal segnale ricevuto rispetto a quello trasmesso.

Aldo Roveri, RETI MOBILI E MULTIMEDIALI Univ. di Roma La Sapienza - a.a. 2009-2010 265 Ciò è evidente dal confronto delle relative costellazioni, qui rappresentate a parità di massima ampiezza trasmessa: Adattamento dello schema di modulazione (2/3)

Aldo Roveri, RETI MOBILI E MULTIMEDIALI Univ. di Roma La Sapienza - a.a. 2009-2010 266 Quindi lo schema 16QAM viene utilizzato in presenza di condizioni radio favorevoli, dato che consente di ottenere un maggior ritmo di picco. Invece quando le condizioni di propagazione peggiorano e quindi aumentano gli errori trasmissivi, si passa allo schema QPSK. Il canale di trasporto HS-DSCH è supportato dal canale fisico HS-PDSCH (High Speed Physical Downlink Shared Channel); questultimo utilizza uno o più codici di canalizzazione con SF fisso e uguale a 16. Quindi lo schema 16QAM viene utilizzato in presenza di condizioni radio favorevoli, dato che consente di ottenere un maggior ritmo di picco. Invece quando le condizioni di propagazione peggiorano e quindi aumentano gli errori trasmissivi, si passa allo schema QPSK. Il canale di trasporto HS-DSCH è supportato dal canale fisico HS-PDSCH (High Speed Physical Downlink Shared Channel); questultimo utilizza uno o più codici di canalizzazione con SF fisso e uguale a 16. Adattamento dello schema di modulazione (3/3)

Aldo Roveri, RETI MOBILI E MULTIMEDIALI Univ. di Roma La Sapienza - a.a. 2009-2010 267 Il canale fisico HS-PDSCH (1/4) Pertanto, in entrambi gli schemi di modulazione, il ritmo di simbolo è uguale a 240 kbaud (3840/16); ma il QPSK trasporta 2 bit/simbolo, mentre il 16QAM ne trasporta il doppio, e cioè 4 bit/simbolo. Conseguentemente il ritmo binario R b di ogni canale HS- PDSCH è dato da –nel caso QPSKR b = 2 x 240 = 480 kbit/s –nel caso 16QAMR b = 4 x 240 = 960 kbit/s. Pertanto, in entrambi gli schemi di modulazione, il ritmo di simbolo è uguale a 240 kbaud (3840/16); ma il QPSK trasporta 2 bit/simbolo, mentre il 16QAM ne trasporta il doppio, e cioè 4 bit/simbolo. Conseguentemente il ritmo binario R b di ogni canale HS- PDSCH è dato da –nel caso QPSKR b = 2 x 240 = 480 kbit/s –nel caso 16QAMR b = 4 x 240 = 960 kbit/s.

Aldo Roveri, RETI MOBILI E MULTIMEDIALI Univ. di Roma La Sapienza - a.a. 2009-2010 268 Lasse temporale dellHS-PDSCH è strutturato in sotto-trame; ognuna di queste ha la durata di 2 ms ed è costituita da 3 TS, come mostrato in Fig.III.4. Il canale fisico HS-PDSCH (2/4)

Aldo Roveri, RETI MOBILI E MULTIMEDIALI Univ. di Roma La Sapienza - a.a. 2009-2010 269 Il canale fisico HS-PDSCH (3/4) 2 ms – 3 TS HS-PDSCH TS0TS1TS2 Fig.III. 4

Aldo Roveri, RETI MOBILI E MULTIMEDIALI Univ. di Roma La Sapienza - a.a. 2009-2010 270 La durata di 2 ms è quindi lIntervallo del Tempo di Trasmissione (Transmission Time Interval - TTI). La riduzione della durata della trama, e quindi del TTI, da 10 ms a 2 ms –consente di rendere più reattivi i meccanismi di adattamento al canale radio; –riduce i ritardi di trasferimento e quelli di andata/ritorno (Round Trip Time-RTT). La durata di 2 ms è quindi lIntervallo del Tempo di Trasmissione (Transmission Time Interval - TTI). La riduzione della durata della trama, e quindi del TTI, da 10 ms a 2 ms –consente di rendere più reattivi i meccanismi di adattamento al canale radio; –riduce i ritardi di trasferimento e quelli di andata/ritorno (Round Trip Time-RTT). Il canale fisico HS-PDSCH (4/4)

Aldo Roveri, RETI MOBILI E MULTIMEDIALI Univ. di Roma La Sapienza - a.a. 2009-2010 271 Scadenzamento veloce dipendente dal canale (1/5) La assegnazione del canale condiviso effettuata in base alle condizioni del canale radio determina, per ogni TTI, a quale UE deve essere indirizzata la trasmissione sul HS-DSCH. Per questo scopo, in stretta cooperazione con ladattamento veloce alle condizioni del collegamento e per ogni UE destinatario, uno scadenzatore (scheduler) decide quanti codici di canalizzazione debbono essere usati per ogni TTI, e, per ogni codice, quale schema di modulazione. La assegnazione del canale condiviso effettuata in base alle condizioni del canale radio determina, per ogni TTI, a quale UE deve essere indirizzata la trasmissione sul HS-DSCH. Per questo scopo, in stretta cooperazione con ladattamento veloce alle condizioni del collegamento e per ogni UE destinatario, uno scadenzatore (scheduler) decide quanti codici di canalizzazione debbono essere usati per ogni TTI, e, per ogni codice, quale schema di modulazione.

Aldo Roveri, RETI MOBILI E MULTIMEDIALI Univ. di Roma La Sapienza - a.a. 2009-2010 272 Lidea alla base di questo tipo di assegnazione adattativa in luogo di una statica (come ad es. di una ciclica) mira a fronteggiare, in modo fortemente reattivo, le variazioni a breve termine della potenza del segnale ricevuto, trasmettendo prioritariamente a UE con condizioni di canale più favorevoli. Luso di questa modalità di assegnazione ha il vantaggio di aumentare la capacità del collega-mento e consente un miglior uso delle risorse. Il guadagno ottenuto trasmettendo a utenti con condizioni più favorevoli è chiamato diversità multi- utente. Lidea alla base di questo tipo di assegnazione adattativa in luogo di una statica (come ad es. di una ciclica) mira a fronteggiare, in modo fortemente reattivo, le variazioni a breve termine della potenza del segnale ricevuto, trasmettendo prioritariamente a UE con condizioni di canale più favorevoli. Luso di questa modalità di assegnazione ha il vantaggio di aumentare la capacità del collega-mento e consente un miglior uso delle risorse. Il guadagno ottenuto trasmettendo a utenti con condizioni più favorevoli è chiamato diversità multi- utente. Scadenzamento veloce dipendente dal canale (2/5)

Aldo Roveri, RETI MOBILI E MULTIMEDIALI Univ. di Roma La Sapienza - a.a. 2009-2010 273 Scadenzamento veloce dipendente dal canale (3/5) In Fig.III.5 è mostrato un esempio della tabella di lavoro dello scadenzatore nellipotesi di impiego di 8 codici di canalizzazione per lHS-DSCH. Circa il numero di codici di canalizzazione impiegabili per ogni destinatario e la conseguente capacità di trasferimento conseguibile, se »CR è il tasso di codifica (CR > 1); »M è il numero di codici di canalizzazione impiegati; il ritmo binario di picco maxR b trasferibile verso un singolo UE è uguale a con possibilità di variazione ogni 2 ms. In Fig.III.5 è mostrato un esempio della tabella di lavoro dello scadenzatore nellipotesi di impiego di 8 codici di canalizzazione per lHS-DSCH. Circa il numero di codici di canalizzazione impiegabili per ogni destinatario e la conseguente capacità di trasferimento conseguibile, se »CR è il tasso di codifica (CR > 1); »M è il numero di codici di canalizzazione impiegati; il ritmo binario di picco maxR b trasferibile verso un singolo UE è uguale a con possibilità di variazione ogni 2 ms.

Aldo Roveri, RETI MOBILI E MULTIMEDIALI Univ. di Roma La Sapienza - a.a. 2009-2010 274 Scadenzamento veloce dipendente dal canale (4/5) Tempo Codici di canalizzazione TTI HS-DSCH 2 ms Fig.III.5

Aldo Roveri, RETI MOBILI E MULTIMEDIALI Univ. di Roma La Sapienza - a.a. 2009-2010 275 Scadenzamento veloce dipendente dal canale (5/5) Lo standard prevede che il numero M non superi il valore di 15 unità. Con questo valore massimo, se CR = 1 (e cioè in assenza di codifica di canale) e se si adotta una modulazione 16QAM, si può raggiungere il ritmo binario di picco trasferibile che è uguale a 14,4 Mbit/s e che, come già detto, è il massimo conseguibile con la tecnica HSDPA secondo la Release 5. Invece, sempre a titolo desempio, se la modulazione è QPSK e se CR = 4/3, tale ritmo di picco si riduce a 5,4 Mbit/s. Lo standard prevede che il numero M non superi il valore di 15 unità. Con questo valore massimo, se CR = 1 (e cioè in assenza di codifica di canale) e se si adotta una modulazione 16QAM, si può raggiungere il ritmo binario di picco trasferibile che è uguale a 14,4 Mbit/s e che, come già detto, è il massimo conseguibile con la tecnica HSDPA secondo la Release 5. Invece, sempre a titolo desempio, se la modulazione è QPSK e se CR = 4/3, tale ritmo di picco si riduce a 5,4 Mbit/s.

Aldo Roveri, RETI MOBILI E MULTIMEDIALI Univ. di Roma La Sapienza - a.a. 2009-2010 276 Hybrid-ARQ with soft combining (1/3) Lo UE può richiedere rapidamente la ritrasmissione di dati ricevuti errati: ciò consente di ridurre il ritardo di trasferimento e di aumentare la capacità del collegamento. Inoltre, prima di decodificare linformazione ricevuta, lo UE combina linformazione ottenuta dalla prima trasmissione con quelle delle ritrasmis-sioni successive: questa modalità, chiamata soft combining, aumenta la capacità dal collegamento e la sua robustezza nei confronti degli errori. Lo UE può richiedere rapidamente la ritrasmissione di dati ricevuti errati: ciò consente di ridurre il ritardo di trasferimento e di aumentare la capacità del collegamento. Inoltre, prima di decodificare linformazione ricevuta, lo UE combina linformazione ottenuta dalla prima trasmissione con quelle delle ritrasmis-sioni successive: questa modalità, chiamata soft combining, aumenta la capacità dal collegamento e la sua robustezza nei confronti degli errori.

Aldo Roveri, RETI MOBILI E MULTIMEDIALI Univ. di Roma La Sapienza - a.a. 2009-2010 277 La riduzione del tempo di ritrasmissione (round- trip-time-RTT) è ottenuta implementando il meccanismo Hybrid-ARQ nel Node B. In uplink lUE informa il Node B della corretta o errata ricezione dei blocchi informativi ricevuti; in base ai riscontri, il Node B trasmette nuove informazioni o ritrasmette quelle ricevute corrotte dallUE (Fig.III.6). La riduzione del tempo di ritrasmissione (round- trip-time-RTT) è ottenuta implementando il meccanismo Hybrid-ARQ nel Node B. In uplink lUE informa il Node B della corretta o errata ricezione dei blocchi informativi ricevuti; in base ai riscontri, il Node B trasmette nuove informazioni o ritrasmette quelle ricevute corrotte dallUE (Fig.III.6). Hybrid-ARQ with soft combining (2/3)

Aldo Roveri, RETI MOBILI E MULTIMEDIALI Univ. di Roma La Sapienza - a.a. 2009-2010 278 Hybrid-ARQ with soft combining (3/3) Release 99 UENode BRNC Dati Riscontri Ritrasmissioni UE Node B RNC Dati Riscontri Ritrasmissioni Release 5/6 HSDPA Fig.III.6

Aldo Roveri, RETI MOBILI E MULTIMEDIALI Univ. di Roma La Sapienza - a.a. 2009-2010 279 LHSDPS utilizza la potenza non utilizzata per i canali dedicati: dopo aver servito i canali comuni e dedicati, è possibile assegnare la potenza rimanente (rispetto a quella totale di cella) allHS-DSCH (Fig.III.7), con il risultato di un uso più efficiente della potenza disponibile. Infatti ai canali dedicati è richiesto, tramite il controllo di potenza veloce, di mantenere un ritmo di dati costante; pertanto, con soli canali controllati in potenza, è difficile un impiego totale della potenza trasmissiva disponibile. LHSDPS utilizza la potenza non utilizzata per i canali dedicati: dopo aver servito i canali comuni e dedicati, è possibile assegnare la potenza rimanente (rispetto a quella totale di cella) allHS-DSCH (Fig.III.7), con il risultato di un uso più efficiente della potenza disponibile. Infatti ai canali dedicati è richiesto, tramite il controllo di potenza veloce, di mantenere un ritmo di dati costante; pertanto, con soli canali controllati in potenza, è difficile un impiego totale della potenza trasmissiva disponibile. Utilizzazione della potenza di cella (1/2)

Aldo Roveri, RETI MOBILI E MULTIMEDIALI Univ. di Roma La Sapienza - a.a. 2009-2010 280 Utilizzazione della potenza di cella (2/2) Tempo Potenza Canali dedicati (controllati in potenza) Canali comuni Canali dedicati (controllati in potenza) Tempo Potenza Canali comuni HS-DSCH Uso della potenza senza HSDPA Uso della potenza con HSDPA Potenza totale di cella Fig.III.7

Aldo Roveri, RETI MOBILI E MULTIMEDIALI Univ. di Roma La Sapienza - a.a. 2009-2010 281 Sono consentiti vantaggi per gli utenti e per gli operatori: –per gli utenti, sono possibili ritmi binari più ele-vati, ridotti tempi di trasferimento e ridotti RTT; –per gli operatori, è conseguibile una maggiore capacità del sistema con un incremento valu-tabile da due a tre volte quella dellUTRA Release 99. Sono consentiti vantaggi per gli utenti e per gli operatori: –per gli utenti, sono possibili ritmi binari più ele-vati, ridotti tempi di trasferimento e ridotti RTT; –per gli operatori, è conseguibile una maggiore capacità del sistema con un incremento valu-tabile da due a tre volte quella dellUTRA Release 99. Vantaggi dellHSDPA (1/4)

Aldo Roveri, RETI MOBILI E MULTIMEDIALI Univ. di Roma La Sapienza - a.a. 2009-2010 282 Ad esempio, per il download di file sono stimabili i seguenti tempi di trasferimento : –immagine JPEG (30 kbyte - VGA) –presentazione a slide (200 kbyte – power point) –MP3 (1000 kbyte – 1 min di audio) Ad esempio, per il download di file sono stimabili i seguenti tempi di trasferimento : –immagine JPEG (30 kbyte - VGA) –presentazione a slide (200 kbyte – power point) –MP3 (1000 kbyte – 1 min di audio) Vantaggi dellHSDPA (2/4)

Aldo Roveri, RETI MOBILI E MULTIMEDIALI Univ. di Roma La Sapienza - a.a. 2009-2010 283 Vantaggi dellHSDPA (3/4) La trasmissione su un canale condiviso dà luogo a un uso più efficiente dei codici disponibili e delle risorse di potenza. Luso di un più breve TTI (2 ms) riduce il RTT e migliora linseguimento delle variazioni veloci del canale. Ladattamento alle caratteristiche trasmissive del canale radio massimizza luso del collegamento e consente alla SRB di lavorare in prossimità della massima potenza di cella. La trasmissione su un canale condiviso dà luogo a un uso più efficiente dei codici disponibili e delle risorse di potenza. Luso di un più breve TTI (2 ms) riduce il RTT e migliora linseguimento delle variazioni veloci del canale. Ladattamento alle caratteristiche trasmissive del canale radio massimizza luso del collegamento e consente alla SRB di lavorare in prossimità della massima potenza di cella.

Aldo Roveri, RETI MOBILI E MULTIMEDIALI Univ. di Roma La Sapienza - a.a. 2009-2010 284 Lassegnazione adattativa veloce prioritizza gli utenti con le condizioni di canale più favorevoli. La ritrasmissione veloce e il soft combining aumentano ulteriormente la capacità. Lo schema 16QAM fornisce più elevati ritmi binari di trasfermento. Lassegnazione adattativa veloce prioritizza gli utenti con le condizioni di canale più favorevoli. La ritrasmissione veloce e il soft combining aumentano ulteriormente la capacità. Lo schema 16QAM fornisce più elevati ritmi binari di trasfermento. Vantaggi dellHSDPA (4/4)

Aldo Roveri, RETI MOBILI E MULTIMEDIALI Univ. di Roma La Sapienza - a.a. 2009-2010 285 Intervento in uplink: lHSUPA (1/2) Linformazione di utente nel E-DCH (Enhanced Dedicated Channel) è trasportata dal canale fisico E- DPDCH, mentre la relativa informazione di controllo è affidata allE-DPCCH. Lasse temporale degli E-DCH è strutturato, oltre che in trame della durata 10 ms, anche in 5 sotto-trame, ciascuna delle quali è suddivisa in 3 IT e ha durata di 2 ms. Linformazione di utente nel E-DCH (Enhanced Dedicated Channel) è trasportata dal canale fisico E- DPDCH, mentre la relativa informazione di controllo è affidata allE-DPCCH. Lasse temporale degli E-DCH è strutturato, oltre che in trame della durata 10 ms, anche in 5 sotto-trame, ciascuna delle quali è suddivisa in 3 IT e ha durata di 2 ms.

Aldo Roveri, RETI MOBILI E MULTIMEDIALI Univ. di Roma La Sapienza - a.a. 2009-2010 286 Intervento in uplink: lHSUPA (2/2) Il ritmo binario dellinformazione affidata allE-DCH si può conseguire utilizzando uno o più E-DPDCH; il massimo ritmo binario si consegue, secondo la Releasse 6, con il parallelo di 4 codici di canalizzazione. In questo caso due codici possono avere SF = 2, mentre per gli altri due si pone SF = 4: in queste condizioni, con un ritmo di codifica unitario, si può ottenere un ritmo binario di picco uguale a con possibilità di variazione ogni 2 ms. Il ritmo binario dellinformazione affidata allE-DCH si può conseguire utilizzando uno o più E-DPDCH; il massimo ritmo binario si consegue, secondo la Releasse 6, con il parallelo di 4 codici di canalizzazione. In questo caso due codici possono avere SF = 2, mentre per gli altri due si pone SF = 4: in queste condizioni, con un ritmo di codifica unitario, si può ottenere un ritmo binario di picco uguale a con possibilità di variazione ogni 2 ms.

Aldo Roveri, RETI MOBILI E MULTIMEDIALI Univ. di Roma La Sapienza - a.a. 2009-2010 287 Miglioramenti ottenibili con lHSUPA I miglioramenti ottenibili sono i seguenti: –una veloce assegnazione adattativa che consente al Node B di individuare quando e a quale ritmo i singoli UE possono trasmettere; –un veloce Hybrid-ARQ con soft-combining, con conseguente riduzione del tempo di ritrasmissione; –un breve TTI di 2 ms, che può essere usato in aggiunta a quello di base uguale a 10 ms, con il risultato di ridurre i ritardi di trasferimento. I miglioramenti ottenibili sono i seguenti: –una veloce assegnazione adattativa che consente al Node B di individuare quando e a quale ritmo i singoli UE possono trasmettere; –un veloce Hybrid-ARQ con soft-combining, con conseguente riduzione del tempo di ritrasmissione; –un breve TTI di 2 ms, che può essere usato in aggiunta a quello di base uguale a 10 ms, con il risultato di ridurre i ritardi di trasferimento.

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