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
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➔ utilizzata per la trasmissione della voce
•la Tdd (Time Duplex Division)
➔ utilizzata per i dati
•e la CDMA (Code Division Multiple Access)
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➔ utilizzata per trasmessi più segnali sullo stesso canale
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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.
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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
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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.
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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).
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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.
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La rete trasmissiva UMTS
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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.
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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.
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•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
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Architettura Utran
Le classi di Quality of Service (QoS)
•Insieme di:
•Radio Network Subsystem (RNS) connessi alla
•core network (CN) attraverso l’interfaccia Iu.
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Architettura Utran
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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.
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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.
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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
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• 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.
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TRASMETTITORE E RICEVITORE UMTS
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