Il sistema UMTS – Architettura e livello fisico 1
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Il sistema UMTS – Architettura e livello fisico 1
Il sistema UMTS – Architettura e livello fisico UMTS➔ ➔sono definiti telefonini di terza generazione (3G) ELETTRONICA DELLE TELECOMUNICAZIONI 2 •Perché vengono dopo i telefonini: Tacs (1G) i Gsm (2G) UMTS e quelli Gprs (2.5G). (Universal Mobile Telecomunications System) •L'UMTS sfrutta la combinazione di tre tecnologie trasmissive: •la Fdd (Frequency Duplex Division) BONOMO DAVIDE MAT. 118824 A.A. 2004-05 15/06/2005 ➔ utilizzata per la trasmissione della voce •la Tdd (Time Duplex Division) ➔ utilizzata per i dati •e la CDMA (Code Division Multiple Access) 1 ➔ utilizzata per trasmessi più segnali sullo stesso canale 15/06/2005 2 La copertura ottenuta attraverso una struttura a celle La Banda passa da 9,6 Kbit/Sec (GSM) a 2 Mbit/s •Consentirà quindi di: ⇒trasmettere testo ⇒filmati audio ⇒navigare in Internet ad una considerevole velocità operativa. •Tutto questo è possibile sfruttando una tecnologia chiamata WCdma (WideBand-code division mulatiple access). •L'UMTS ha una struttura a celle gerarchica, si hanno infatti: - le Macro celle, sono l'area di copertura più vasta es.: un’intera città - le Micro celle, sono le aree di copertura intermedie es.: un centro cittadino - le Pico celle, sono le aree di copertura più piccole es.: gli hot spot in aeroporto o in albergo. •Trasferimento dati su larga banda (1885-2025 Mhz e 2100-2200Mhz) •I dati vengono distribuiti ai terminali con un sistema packedswitched (commutazione di pacchetto) in cui il protocollo di tramite è il TCP-IP. 15/06/2005 3 15/06/2005 4 Tdd (Time duplex division) La Fdd (Frequency division duplex) •Trasmissione nelle Pico celle=>brevi distanze •Usa due frequenze, separate da una banda di guardia per ottenere la trasmissione duplex •I ritardi che si introdurrebbero causerebbero interferenze tra i canali di uplink e downlink inaccettabili •Tecnologia trasmissiva asincrona •Ė utilizzata per le celle più grandi •Trasmissione di tipo sincrono (i due canali trasmettono allo stesso bit rate) ➔ tecnologia usata per la trasmissione della voce (il bit rate di un canale può essere diverso da quello dell'altro) •Ideale per la trasmissione dei dati ad es. per lo streaming video downlink e uplink (da e verso il terminale) •Associata al W-CDMA consente di trasmettere la voce •I due canali si trovano sulla stessa frequenza ma separati temporalmente, da un tempo di guardia, un momento il canale trasmette il segnale di uplink e il momento successivo quello di downlink, commutando molto rapidamente tra i due. •Il trasmittente e il ricevente possono usare due frequenze della portante diverse 15/06/2005 5 15/06/2005 6 1 Il sistema UMTS – Architettura e livello fisico W-CDMA (Wideband Code Divison Multiple Access) Copertura a 2 livelli (Fdd+Tdd) •Evoluzione della tecnologia CDMA •L’applicazione delle tre tecnologie consente di ottenere una copertura a 2 livelli: •Fdd per le macrocelle (velocità di trasmissione pari a 384 Kb/s) •Ogni voce è distinta tramite un pseudocodice casuale •Ogni canale è flessibile (spread spectrum) in quanto accetta una vasta gamma di bit rate fino a 13,3 Kbps; •Velocità di trasmissione dati simmetrica da 384 Kbps (in condizioni di piena mobilità) fino a 2 Mbps •Tdd per le microcelle (velocità di trasmissione pari a 2 Mb/s) •L'accesso radio UMTS è definito dall'Utran(UMTS Terrestrial Radio che racchiude due tecnologie: Access Network) •la W-Cdma per bande a spettro accoppiato (per la Fdd) •e la Td-Cdma per le bande non accoppiate (per la Tdd). •Ogni portante ha una banda disponibile tra 4,2 e 5,4 Mhz. •Il W-CDMA consente di arrivare sino ad un bit rate di 3,840 Mcps. 15/06/2005 7 15/06/2005 8 Problema per quanto riguarda l’Europa Suddivisioni delle bande di frequenza •La WARC (World Administrative Radio Conference), responsabile dell’assegnazione delle frequenze radio su base mondiale. •La banda compresa tra 1880 MHz e 1900 MHz utilizzata dal sistema DECT (Digital Enhanced Cordless Telecommunications) •La banda restante a disposizione è stata suddivisa in: •parte appaiata ➔ riservata alle comunicazioni con simmetria del traffico in entrambi i sensi (da e verso il terminale mobile),2 bande da 60 MHz l’una, da 1920 a 1980 MHz per l’up-link e da 2110 a 2170 MHz per il down-link; •parte non appaiata ➔ •Ci sono 2 particolari bande (1980-2010 MHz e 2170-2200 MHz), ciascuna di 30 MHz e simmetriche rispetto a 2140 MHz, che sono state assegnate al segmento satellitare dell’UMTS (MSS). 15/06/2005 9 riservata alle comunicazioni in cui non ci sia, a priori, una distinzione tra up-link (dal terminale mobile alla stazione radio base) e down-link (dalla stazione radio base al terminale mobile),1 banda da 35 MHz compresa tra1900 e 1920 MHz e tra 2010 e 2025 MHz. 15/06/2005 La rete trasmissiva UMTS 10 Architettura della rete UMTS Si compone di 3 elementi principali: • UE (User Equipment): è il terminale mobile - Un UE comunica con l’UTRAN tramite l’interfaccia radio Uu. • UTRAN (UMTS Terrestrial Radio Access Network): è dedicata al controllo dell’accesso alla rete tramite la gestione delle risorse radio disponibili. - È l’unità che differenzia il sistema UMTS rispetto a GPRS. - La connessione con la core network avviene tramite l’interfaccia Iu. • CN (Core Network): si occupa di fornire agli utenti i servizi richiesti - Può essere connessa con reti di tipo diverso che supportano svariati protocolli di comunicazione. 15/06/2005 11 15/06/2005 12 2 Il sistema UMTS – Architettura e livello fisico Velocità di trasmissione dell'Utran I servizi e le classi di Quality of Service (QoS) •144 Kbit/s per le applicazioni a mobilità totale in tutti gli ambienti con massima velocità di movimento dell’utente di 500Km/h •384 Kbt/s per applicazioni a mobilità parziale con massima velocità di movimento dell’utente di 120 Km/h •2 Mbit/s per le applicazioni a bassa mobilità con massima di movimento dell’utente di 10 Km/h •Il tutto con un voice codec di 8 Kb/s e una Fdd carrier (cioè una frequenza di trasmissione Fdd) può supportare fino ad un massimo di 100 utenti. 15/06/2005 13 •Viene associato ad ogni gamma di servizi un coefficiente (QoS) •Questo permette di identificare in modo univoco i requisiti del servizio di trasporto (Radio Bearer) da utilizzare •Occorrono meccanismi appropriati per garantire la QoS necessaria➔4 diverse classi di QoS in base alla sensibilità ai ritardi di trasferimento •Questo parametro esprime l’efficienza tra dato trasmesso e dato ricevuto 15/06/2005 14 Architettura Utran Le classi di Quality of Service (QoS) •Insieme di: •Radio Network Subsystem (RNS) connessi alla •core network (CN) attraverso l’interfaccia Iu. 15/06/2005 15 15/06/2005 Architettura Utran 16 Funzioni dell’Utran •Un RNS comprende: •Radio Network Controller • Controllo dell’accesso al sistema •uno o più Node B connesso al RNC attraverso l’interfaccia Iub. • Controllo della congestione (BER e QoS) •RNC è responsabile della gestione delle risorse all’interno delle celle di cui esso è a capo e degli handover che richiedono lo scambio di messaggi di segnalazione verso l’UE; • Trasmissione delle informazioni di sistema • Cifratura e decifratura dei canali radio •I diversi RNC del RNS possono essere connessi tra di loro attraverso l’interfaccia Iur. 15/06/2005 17 15/06/2005 18 3 Il sistema UMTS – Architettura e livello fisico Livello fisico e funzioni Funzioni del livello fisico •Ė il più basso livello all’interno del modello di riferimento ISO OSI ⇒Gestione della macrodiversità ed esecuzione degli handover (softhandover) ⇒Rilevamento degli errori sui canali di trasporto e indicazione ai livelli superiori •Supporta tutte le funzionalità ⇒Codifica e decodifica dei canali di trasporto necessarie alla trasmissione del ⇒Multiplexing dei canali di trasporto e demultiplexing flusso di bit sul mezzo fisico. •Si interfaccia con il MAC (Medium Access Control) ⇒Adattamento della velocità di trasmissione e con il RRC (Radio Resource Control) ⇒Modulazione e demodulazione, spreading e despreading dei canali fisici ⇒Sincronizzazione di tempo e frequenza (chip, bit, slot, frame) ⇒Controllo di potenza ad anello chiuso. 15/06/2005 19 15/06/2005 20 Controllo di potenza •Utilizzando la tecnica CDMA controlla i livelli di potenza utilizzati durante le trasmissioni. Tre classi di sistemi di controllo della potenza • Controllo di potenza ad anello aperto: ➔ stima dell’attenuazione del canale calcolata tramite misurazioni su un segnale trasmesso con potenza nota. ➔ il trasmettitore deduce il livello di potenza da utilizzare. •In uplink tutti trasmettono utilizzando la stessa banda nello stesso istante e quindi generano interferenze reciproche •Problema: fenomeno del near-far-effect: l’utente più distante, quindi, sarà mascherato dalla trasmissione dell’UE più vicino •Soluzione: è necessario che i livelli dei segnali trasmessi dai vari utenti giungano alla stazione di base con uguale potenza indipendentemente dalla distanza 15/06/2005 21 • Controllo di potenza ad anello chiuso o ad anello interno: ➔ la potenza da usare in trasmissione viene ricavata dalle informazioni inviate dal ricevitore • Controllo di potenza ad anello esterno: ➔ è determinato in base ad un valore obiettivo di potenza che deve essere raggiunto ➔ tecnica legata al controllo di potenza ad anello chiuso fatto dall’UTRAN. 15/06/2005 22 TRASMETTITORE E RICEVITORE UMTS 15/06/2005 23 4