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dispense universitarie relative al protocllo lte
Tipologia: Dispense
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L' LTE rappresenta l’ultima evoluzione degli standard dedicati alle reti di telefonia mobile a banda larga ed è giunto alla sua definizione finale nel 2008 , grazie all’accordo di collaborazione 3GPP (3rd Generation Partnership Project) stabilito tra i principali enti di standardizzazione nelle telecomunicazioni.. Esso si colloca in posizione intermedia tra gli standard di terza generazione 3G e gli standard di quarta generazione 4G, ancora in fase di elaborazione, con l'obiettivo di promuovere l'uso della banda larga in mobilità, sfruttando l'esperienza e gli investimenti effettuati per le reti 3G ed anticipando i tempi rispetto alla disponibilità degli standard 4G, il cui obiettivo è quello di raggiungere velocità di connessione wireless anche superiori ad 1 Gbps. Al momento, infatti, le migliorie previste rispetto alle tecnologie 3G sono riassumibili in:
Le bande di frequenza riservate al sistema LTE sono le seguenti: E-UTRA Operating Band Uplink (UL) Operating Band Downlink (DL) Operating Band Duplex Mode Channel Bandwidths (MHz) Alias Region(s) (1) 1920 MHz to 1980 MHz 2110 MHz to 2170 MHz FDD 5, 10, 15, 20 UMTS IMT, "2100" Japan, Europe, Asia (2) 18501910 MHz to MHz^19301990 MHz to MHz FDD 1.4, 3, 5, 10, 15, 20 PCS, "1900" Canada, United States, Latin America (3) 17101785 MHz to MHz^18051880 MHz to MHz FDD 1.4, 3, 5, 10, 15, 20 DCS 1800 "1800" , Finland, Hong Kong (4) 1710 MHz to 1755 MHz 2110 MHz to 2155 MHz FDD 1.4, 3, 5, 10, 15, 20 AWS, "1.7/2. GHz" Canada, US, Latin America (5) 824 MHz to 849 MHz 869 MHz to 894 MHz FDD^ 1.4, 3, 5, 10^ Cellular 850, UMTS Canada, US, Australia (6) 830840 MHz to MHz^875885 MHz to MHz FDD 5, 10 UMTS800 Japan (7) 25002570 MHz to MHz^26202690 MHz to MHz FDD 5, 10, 15, 20 IMT GHz"-E, "2.6 EU (8) 880915 MHz to MHz^925960 MHz to MHz FDD 1.4, 3, 5, 10 GSM EGSM900, UMTS900, EU, Latin America (9) 1749.9^ MHz to 1784.9 MHz 1844.9 MHz to 1879.9 MHz FDD 5, 10, 15, 20 UMTS1700 Canada, US, Japan (10) 1710 MHz to 1770 MHz 2110 MHz to 2170 MHz FDD^ 5, 10, 15, 20^ UMTS, IMT 2000 Brazil, Uruguay, Ecuador, Peru (11) 1427.9 1452 .9^ MHz to MHz^ 1475.9 1500.9^ MHz to MHz FDD 5, 10, 15, 20 PDC (^) KDDI, DoCoMo)Japan (Softbank, (12) 698716 MHz to MHz^728746 MHz to MHz FDD 1.4, 3, 5, 10 (13) 777787 MHz to MHz^746756 MHz to MHz FDD 1.4, 3, 5, 10 Verizon's MHz Block C^700 (14) 788 MHz to 798 MHz 758 MHz to 768 MHz FDD 1.4, 3, 5, 10 700 MHz Block D (17) 704 MHz to 716 MHz 734 MHz to 746 MHz FDD^ 1.4, 3, 5, 10^ AT&T's 700 MHz Block B (33) 1900 MHz to 1920 MHz TDD 5, 10, 15, 20 (34) 2010 MHz to 2025 MHz TDD 5, 10, 15 (35) 1850 MHz to 1910 MHz TDD 1.4, 3, 5, 10, 15, 20 (36) 1930 MHz to 1990 MHz TDD 1.4, 3, 5, 10, 15, 20 (37) 1910 MHz to 1930 MHz TDD 5 , 10, 15, 20 (38) 2570 MHz to 2620 MHz TDD 5, 10 EU (39) 1880 MHz to 1920 MHz TDD 5, 10, 15, 20 (40) 2300 MHz to 2400 MHz TDD 10, 15, 20 IMT- 2000 China
OFDM ( Orthogonal Frequency Division Multiplexing ) Nei sistemi basati sull’OFDM, la banda disponibile viene suddivisa in tante sottobande, trasmettendo i dati su flussi paralleli. I dati trasmessi su ciascuna sottobanda vengono poi modulati, attraverso una delle modulazioni numeriche possibili (QPSK, 16 QAM, 64QAM, ecc..), in base alla qualità del segnale ricevuto. L’impiego della tecnica OFDM nei sistemi di comunicazione ha consentito di ridurre fortemente le criticità che si determinavano quando, per raggiungere data rates in trasmissione più elevati, l’unica soluzione possibile sembrava quella di aumentare il symbol rate. In pratica ogni simbolo OFDM risulta essere una combinazione lineare dei segnali presenti su ciascuna sottoportante, ad un certo istante, e poiché i dati sono trasmessi in parallelo, piuttosto che in serie, i simboli OFDM sono generalmente molto più lunghi dei simboli trasmessi su sistemi single carrier con un equivalente data rate. Due ulteriori peculiarità dei sistemi di trasmissione basati sulla tecnica OFDM sono che:
OFDMA ( Orthogonal Frequency Division Multiple Access ) La maggiore innovazione di LTE rispetto all'attuale standard UMTS è l'utilizzo della modulazione Orthogonal Frequency Division Multiple Access (OFDMA) per il downlink e la Single Carrier - Frequency Division Multiple Access (SC-FDMA), una tecnologia affine alla OFDM, per l'uplink. Queste tecniche consentono di gestire il sistema con larghezze di banda del canale da 1,25 MHz a 20 MHz. L’OFDMA è una tecnica di accesso multiplo, basata sulla modulazione OFDM, che consiste nell’assegnare a ciascun utente un sottoinsieme delle sottoportanti in cui viene suddivisa la banda disponibile per un determinato intervallo di tempo. Proprio per questa ragione a volte si usa dire che l’OFDMA può essere considerata una tecnica in cui vengono combinate la modulazione OFDM e l’accesso TDMA. Fig. 3 – OFDM vs. OFDMA Poiché si tratta di una tecnica di tipo adattativo, funzione della qualità del canale radio, se l’assegnazione delle sottobande viene eseguita in maniera sufficientemente veloce, consente di raggiungere prestazioni molto elevate sia dal punto di vista di robustezza alle rapide variazioni del fading e sia per quanto riguarda le interferenze co-canale, permettendo, allo stesso tempo, di ottenere un’efficienza spettrale particolarmente elevata, specialmente quando viene utilizzata in combinazione con le tecniche MIMO.
La caratteristica di assegnare a ciascun utente solo una porzione delle sottobande disponibili, consente di variare la potenza di trasmissione richiesta per comunicare con ognuno di essi a seconda delle necessità. Stesso discorso vale anche per la qualità di servizio (QoS) che può essere adattata a seconda del tipo di applicazione (voce, video streaming, accesso ad internet, ecc…) che l’utente intende utilizzare. SC-FDMA ( Single Carrier - Frequency Division Multiple Access ) In questo tipo di sistema di accesso all’utente, come avviene per l’OFDMA, vengono impiegate una serie di sottoportanti ortogonali per trasmettere le informazioni contenute nei simboli modulati. Tuttavia, con la tecnica SC-FDMA, le sottoportanti vengono trasmesse sequenzialmente e non in parallelo (vedi fig. 5). Questo tipo di soluzione consente di ridurre considerevolmente le fluttuazioni del segnale inviluppo trasmesso, determinando un valore del PAPR molto più basso rispetto a quello riscontrato nei segnali basati sull’OFDMA. Questa caratteristica è particolarmente importante in quanto consente di evitare l’impiego, a livello di terminale d’utente, di amplificatori di potenza con elevata linearità e bassa efficienza (misurata dal rapporto tra la potenza trasmessa e quella necessaria per l’alimentazione dell’amplificatore). D’altra parte, l’utilizzo di questa tecnica nei sistemi cellulari, intrinsecamente soggetti a propagazione caratterizzata da cammini multipli, comporta che il segnale, ricevuto in corrispondenza della stazione radio base, sia suscettibile ad interferenza intersimbolica. Per far fronte a questo problema risulta quindi necessario impiegare, a livello di stazione radio base, sistemi di equalizzazione adattativi nel dominio della frequenza che ovviamente, determinano un più elevato carico di lavoro di elaborazione nonché maggiori costi di implementazione che però graveranno principalmente sull’operatore.
prefissata e sono intervallate con quelle assegnate agli altri utenti. Questo secondo approccio risulta maggiormente immune rispetto agli errori di trasmissione, in quanto l’informazione da trasmettere viene distribuita sull’intera banda disponibile.
Il graduale sviluppo dell’interfaccia radio ha reso necessaria l’evoluzione dell’architettura di sistema. Una motivazione che, da sola, avrebbe giustificato la spinta verso l’evoluzione dell’architettura è l’ottimizzazione dei servizi a commutazione di pacchetto ma alcuni obiettivi nella progettazione dell’interfaccia radio (come l’eliminazione del soft handover) hanno posto in essere nuove opportunità nel design architetturale. Inoltre, l’avvento dell’HSPA ha dimostrato come tutte le funzionalità radio possano essere efficientemente collocate nel NodeB aprendo così la strada a discussioni circa un miglioramento complessivo dell’architettura. Furono molti dunque le ragioni e gli obiettivi che portarono il 3GPP a standardizzare nella Release 8 la cosiddetta System Architecture Evolution (SAE):
Lo sviluppo verso questa direzione cominciò già con la Release 7 dove, con il concetto di Direct Tunnel, si permette all’User Plane (UP) di bypassare l’SGSN e posizionare le funzioni dell’RNC nel NodeB dell’HSPA. La figura 3.1 evidenzia come quest’ultimo aspetto venga colto anche lalla Release8. Alcuni obiettivi sembrano viaggiare in direzioni opposte. Per esempio l’ottimizzazione dell’inter-working con parecchie reti di accesso wireless (ANs) necessita l’introduzione di nuove funzioni e interfacce per supportare i protocolli specifici di ogni rete. Ciò si scontra con l’altro obiettivo di mantenere un’architettura semplice. Dunque, siccome è probabile che l’architettura non avrà bisogno di supportare tutti i potenziali scenari di interw-working, il 3GPP ha suddiviso le specifiche sull’architettura in due parti separate:
UE, E-Utran ed EPC insieme rappresentano il livello di connettività del Protocollo IP (IP Connectivity Layer). Questa parte del sistema è anche chiamata Evolved Packet System (EPS). La funzione principale di questo livello è di fornire la connettività basata su IP ed è altamente ottimizzata per questo scopo. Tutti i servizi si appoggeranno su Ip, mentre vengono eliminati dall’E-UTRAN e dall’EPC i nodi commutati a circuito e le interfacce viste nelle precedenti architetture 3GPP. L’IP Multimedia Sub- System (IMS) è un buon esempio di meccanismo che può essere usato nel Service Connectivity Layer per fornire servizi che si appoggiano sulla connettività IP fornita dai livelli più bassi. Per esempio, per supportare il servizio voce, l’IMS può fornire Voce su IP (VoIP) e garantire l’interconnessione con le precedenti reti a commutazione di circuito PSTN e ISDN, attraverso i Media Gateways che esso controlla. L’evoluzione nell’E-UTRAN è concentrata nell’evolved NodeB (enodeB) sul quale sono trasferite tutte le funzionalità radio, esso rappresenta il punto di arrivo di tutti i protocolli connessi. Dal punto di vista di rete, l’E-UTRAN è semplicemente una rete mesh di eNodeBs collegati tramite l’interfaccia X2. Uno dei grandi cambiamenti architetturali riguarda la Core Network (EPC) che non contiene nessuna connettività diretta verso le reti a commutazione di circuito come ISDN o PSTN. L’EPC è ,dal punto di vista delle funzionalità, l’equivalente del dominio a commutazione di pacchetto delle esistenti reti 3GPP ma è completamente nuovo nella sua architettura. Entrambe le figure 3.1 e 3.2 mostrano un elemento chiamato SAE GW. Come evidenzia l’ultima figura, esso rappresenta la combinazione dei due gateways , Serving Gateway (S- GW) e Packet Data Network (P-GW). Il SAE GW rappresenta un possibile scenario futuro ma adesso gli standard definiscono un’interfaccia fra i due gateway per i quali sono state definite operazioni specifiche.
User Equipment (UE) UE è il dispositivo che l’utente utilizza per comunicare. E’ tipicamente un dispositivo portatile, come un smartphone un cellulare o anche un notebook. L’UE contiene l’Universal Subscriber Identity Module (USIM) che è un modulo separato dal resto dell’UE che viene spesso chiamato Terminal Equipment (TE). USIM è un’applicazione posta su una smart card removibile chiamata l’Universal Integrated Circuit Card (UICC). L’USIM è utilizzata per identificare e autenticare l’utente e per proteggere la trasmissine sull’interfaccia radio. L’UE è una piattaforma per la comunicazione che possiede varie funzionalità: mantenimento e rimozione di link radio, gestione della mobilità (handover e posizione del terminale)e soprattutto l’interfaccia all’utente finale. E-UTRAN Node B (eNodeB) L’eNodeB è una stazione radio base che controlla tutte le funzionalità radio connesse alla parte fissa del sistema, esso è tipicamente distribuito lungo tutta l’area di copertura ed è posto in corrispondenza delle antenne radio. Funzionalmente, l’eNodeB fa da ponte tra UE e EPC, essendo il punto di arrivo di tutti i protocolli radio verso l’UE e ritrasmettendo i dati (tra la connessione radio e quella basata su IP) verso l’EPC. Effettua il cifratura/decifratura dei dati, la compressione/decompressione dell’header IP cioè evitare di mandare ripetutamente la stessa sequenza di dati nell’header IP. L’eNodeB è anche responsabile di molte funzioni Control Plane (CP) come ad esempio l’ RRM ; gestisce dunque l’utilizzo dell’interfaccia radio, l’allocazione delle risorse in base alle richieste,la priorità e lo scheduling del traffico in accordo con la Quality of Service (Qos) desiderata.
Mobility Management Entity (MME) L’MME è il principale elemento di controllo dell’EPC. Tipicamente è un server posto in un luogo sicuro di proprietà dell’operatore. Opera solo nel Control Plane e non è coinvolto nel percorso dei dati. Oltre alle interfacce mostrate nella figura 3.2, l’MME ha una diretta connessione logica Control Plane verso l’UE e questa connessione viene usata come il canale di controllo primario tra UE e rete. Le principali funzioni dell’MME sono di seguito elencate:
Area (TA), che rappresenta un gruppo di eNodeB, nel caso in cui l’utente passi in idle mode. L’MME partecipa nella segnalazione di controllo durante un handover in modalità active tra eNodeB, S-GW o MME. Un Ue nello stato di idle, comunicherà la sua posizione o periodicamente o nel caso cambi la propria Tracking area.
legale , cioè la possibilità di consegnare i dati dell’utente monitorato alle autorità per ulteriori ispezioni. La figura 3.5 mostra le connessioni dell’S-GW con i nodi logici circostanti e riassume le principali funzioni per ogni interfaccia. Tutte le interfacce vanno considerate secondo relazioni uno-a-molti. Un S-GW potrebbe servire solo una particolare area geografica con un certo numero di eNodeB e allo stesso modo ci potrebbe essere un limitato insieme di MME che controlla quell’area. L’S-GW dovrebbe potersi connettere ad ogni P-GW dell’intera rete poiché durante la mobilità il P-GW (a differenza dell’S-GW) non cambia. La figura 3.5 mostra inoltre il caso di inoltro indireddo dei dati tra eNodeB attraverso due S- GW. Non c’è un nome specifico per l’interfaccia tra due diversi S-GW poiché il formato è lo stesso dell’interfaccia S1-U ed è come se gli S-GW coinvolti stessero comunicando direttamente con un eNodeB.
Packet Data Network Gateway (P-GW) Il P-GW è il router di confine tra EPS e reti dati a pacchetto esterne. Come l’S-GW si trova all’interno di un area centralizzata di proprietà dell’operatore. Tipicamente il P-GW assegna all’UE l’indirizzo IP che utilizza per comunicare con altri host IP in reti esterne (ad es. internet). Il P-GW possiede anche funzionalità DHCP (Dynamic Host Configuration Protocol) e può anche interrogare server DHCP esterni. Il traffico UP tra P-GW e reti esterne è dunque nella forma di pacchetti IP che appartengono a vari flussi di servizio. Nel caso di S5/S8 GTP, il P-GW svolge il mapping tra i flussi dati IP e i tunnel GTP, che rappresentano i bearers. Il P-GW imposta i bearers in base alle richieste provenienti o dal PCRF o dall’S-GW. Nel caso di S5/S8 PMIP, il P-GW effettua il mapping di tutti i flussi di servizio IP delle reti esterne in un unico GRE tunnel e tutte le informazioni di controllo sono scambiate solo col PCRF. Per quanto riguarda la mobilità, quando un utente passa da un S-GW ad un altro, i bearer devono essere modificati nel P-GW. Il P-GW riceverà l’indicazione su come modificare iflussi, dal nuovo S-GW. La figura 3.6 mostra le connessioni del P-GW con i nodi logici circostanti e riassume le principali funzioni per ogni interfaccia.