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MBMS
Multimedia Broadcast Multicast Service
Introduzione
Il futuro mercato delle reti cellulari sarà caratterizzato, indiscutibilmente dalla cosiddetta bandwidth-hungry, ovvero dalla richiesta di avere una larghezza di banda sempre più ampia sia per la trasmissione che per la ricezione e di poter usufruire di servizi multimediali già presenti nelle reti fisse. Il Multimedia Broadcast Multicast Service (MBMS) costituisce un modo efficiente per compensare queste necessità poiché permette la condivisione delle risorse durante la trasmissione dati. Infatti, il requisito principale durante la fornitura di servizi multicast MBMS è quello di fare un uso complessivo ed efficiente delle risorse radio. Il sistema dovrebbe comprendere ed adattarsi ai continui cambiamenti che si verificano in un ambiente dinamico come quello wireless e allocare in maniera ottimale le risorse. Nei sistemi MBMS i dati multimediali vengono trasmessi contemporaneamente verso più destinatari per cui la loro efficienza deriva dalla singola trasmissione di un identico pacchetto su un canale comune senza intasare l’etere con più repliche dello stesso pacchetto. Il fattore principale per l’integrazione dell’MBMS nelle reti UMTS è la rapida crescita della tecnologia delle comunicazioni cellulari e l’espansione massiccia dei dati e delle applicazioni wireless. La crescita delle richieste di comunicazione tra un mittente e più ricevitori conducono al bisogno di trasmissioni Point-to-Multipoint. Le trasmissioni Point-to-Multipoint si differenziano da quelle Point-to-Point, in quanto quest’ultime utilizzano la tecnologia unicast, usata esclusivamente nelle reti UMTS convenzionali (senza l’estensione MBMS).
È facile osservare che le trasmissioni Point-to-Multipoint sono vantaggiose quando all’interno di una cella il numero di utenti multicast è sufficientemente alto, mentre risultano essere troppo costose quando il numero di utenti è basso. Il viceversa è vero per le trasmissioni Point-to-Point in quanto risultano essere vantaggiose quando all’interno di una cella un numero ristretto di utenti multicast richiede il servizio. È importante, perciò, capire il corretto compromesso tra le due condizioni precedenti per determinare il meccanismo di trasporto più efficiente per i servizi MBMS, limitando così il consumo di potenza complessivo ed evitando una riduzione significativa della capacità di sistema. La scelta di attivare una trasmissione Point-to-Multipoint implica che verrà utilizzato un unico canale per convogliare il traffico verso un gruppo di utenti, mentre se vengono attivate trasmissioni Point-to-Point, sarà stanziato un numero di canali dedicati pari al numero di utenti che hanno richiesto il servizio. Dunque, l’idea è quella di attivare canali dedicati DCH (Dedicated Channel) a condizione che il numero di utenti che sottoscrivono un determinato servizio multicast è al di sotto di una certa soglia; quando tale limite viene oltrepassato, il traffico multicast viene spostato sul canale comune FACH (Forward Access Channel) o su quello condiviso HS-DSCH (High Speed Downlink Shared Channel). Le tecnologie Broadcast/Multicast costituiscono un modo efficiente per implementare questo tipo di comunicazione e consentono la diffusione di svariati servizi multimediali a banda larga ad una vasta popolarità di utenti.
Operazioni MBMS
Come indicato nel termine MBMS, vi sono due tipi di servizi disponibili: broadcast e multicast. Ciascuna modalità di trasmissione presenta caratteristiche diverse in termini di complessità e di consegna del pacchetto. La modalità broadcast è un tipologia di trasmissione Point-to-Multipoint unidirezionale in cui la sorgente invia i pacchetti a tutti gli utenti presenti all’interno di un’area specifica senza conoscere i destinatari; di conseguenza, la modalità broadcast non richiede un abbonamento o un’attivazione da parte dell’utente.
La porzione di CN a commutazione di pacchetto consiste in 2 tipi di General Packet Radio Service (GPRS) Support Node (GSN), chiamati SGSN (Serving GSN) e GGSN (Gateway GSN). L’SGSN si occupa del routing, interagisce con i database HLR (Home Location Register) e gestisce il Radio Network Controller (RNC). E’ connesso al GGSN tramite l’interfaccia Gn e all’RNC tramite l’interfaccia Iu. Il GGSN si occupa dell’interconnessione delle reti UMTS (attraverso il Broadcast Multicast - Service Center) con altre Packet Data Network (PDN), come Internet. L’UTRAN è costituito da due tipi di nodi: l’RNC e il Node B. Il Node B rappresenta la base station che offre la copertura radio ad una o più celle ed è connesso all’UE tramite l’interfaccia Uu e all’RNC tramite l’interfaccia Iub. La modifica più rilevante nella piattaforma UMTS per l’integrazione della struttura MBMS è l’introduzione di una nuova entità chiamata Broadcast Multicast - Service Center (BM-SC), che distribuisce il contenuto multimediale al sistema UMTS attraverso l'interfaccia Gi ed è localizzata nella porzione di CN a commutazione di pacchetto. Per mezzo delle caratteristiche di trasmissione multicast, ogni nodo nella CN è attraversato da un solo flusso dati inviato dalla BM-SC piuttosto che da N flussi singoli che trasportano lo stesso contenuto di informazioni. L'architettura di sistema per offrire servizi MBMS è mostrata in Figura 1. Figura 1 - Architettura del sistema UMTS/MBMS
Power Control in MBMS Multicast Mode: E-MBMS (Evolved-Multimedia
Broadcast Multicast Service)
Il controllo di potenza è uno degli aspetti più critici del sistema MBMS, dovuto al fatto che la potenza in trasmissione downlink nelle reti UMTS è una risorsa limitata e deve essere condivisa in maniera efficiente tra tutti gli utenti MBMS di una cella. Il controllo di potenza punta a minimizzare la potenza trasmessa eliminando in tal modo l’interferenza inter-cell; tuttavia, se fatto male, può condurre ad un elevato spreco di potenza e ad un degrado della capacità del sistema. A tal proposito, un aspetto critico delle prestazioni dell’MBMS è la selezione del radio bearer più efficiente, in termini di consumo di potenza per la trasmissione di traffico multimediale. La selezione del portatore radio più efficiente è un problema tutt’ora sotto esame e in tale direzione sono stati proposti diversi meccanismi. Ciononostante, la selezione del meccanismo più appropriato è ancora afflitta da incertezza, in quanto ciascuna tecnica comporta diversi vantaggi. In questa direzione, l’Evolved-Multimedia Broadcast Multicast Service (E-MBMS), che ha come obiettivo la consegna efficiente di dati multimediali da un’unica sorgente verso più destinatari grazie all’utilizzo di efficienti tecniche di allocazione della potenza, svolge un ruolo fondamentale per il processo di standardizzazione dell’LTE. Le attuali specifiche del Counting Mechanism considerano il punto di passaggio tra la modalità Point-to-Point a quella Point-to-Multipoint, in base al numero di utenti MBMS da servire in una cella. Tale soglia, tuttavia, soffre l'inefficienza di uno spreco di risorse significativo della potenza a causa della mancanza di qualsiasi funzionalità di adattamento (non viene considerata ne la mobilità ne la locazione degli utenti). A tale proposito è stata proposta una versione avanzata del Counting Mechanism che si basa sulla massimizzazione dell’efficienza energetica e sullo sfruttamento dell’HSPA e delle tecnologie MIMO. Più specificamente, viene selezionato il canale di trasporto con requisiti di potenza inferiori per la consegna del traffico multicast. In tal modo, a causa del fatto che eventuali mutamenti
Più precisamente, il meccanismo si articola in tre fasi distinte:
- fase di recupero dei parametri
- fase di calcolo del livello di potenza
- fase della selezione del canale di trasporto Inoltre, viene effettuato un controllo periodico a intervalli di tempo regolari. Il Radio Network Controller (RNC) è il nodo responsabile dell'architettura MBMS per il funzionamento di questo algoritmo e per la decisione finale sul canale di trasporto più efficiente per la fornitura di dati multicast MBMS. Durante la fase di recupero dei parametri il meccanismo recupera i parametri degli attuali utenti MBMS e dei servizi in ogni cella. I parametri relativi all’utente, come, ad esempio, il numero di utenti che richiedono una specifica sessione MBMS, la loro distanza dalla stazione base e i loro requisiti di QoS vengono ricevuti dall’RNC attraverso appropriati canali uplink. Inoltre, il bit rate del servizio MBMS viene recuperato dal Broadcast Multicast-Service Center (BM-SC). La fase di calcolo del livello di potenza processa in modo sostanziale le informazioni ricevute dalla fase di recupero dei parametri. In questa fase viene calcolata la potenza necessaria da assegnare per la consegna della sessione MBMS in ogni cella. Il calcolo si basa sul presupposto che la trasmissione dei dati multicast può essere eseguita su DCH multipli, su HS-DSCH o su un singolo FACH. Successivamente, verranno calcolati i livelli di potenza PDCH, PHS-DSCH e PFACH per ogni tipo di canale di trasporto e i loro valori verranno confrontati al fine di selezionare il portatore più efficace di potenza per una sessione MBMS di una cella. L'algoritmo decide cosi in modo dinamico quale caso richiede meno potenza e, di conseguenza, sceglie il canale di trasporto corrispondente per la sessione. Infine, effettua un controllo periodico e di recupero dei parametri d’utente e di servizio, al fine di adattarsi a qualsiasi modifica durante la prestazione del servizio. Questo controllo periodico viene attivato ad un predeterminato rate di frequenza e garantisce che il meccanismo sia in grado di concepire i cambiamenti, come la mobilità degli utenti, le richieste di join/leave o eventuali fenomeni di fading e di configurare le sue funzionalità in modo da mantenere l'efficienza delle risorse ad un livello elevato.
Profili di potenza per i canali di trasporto in downlink I canali di trasporto utilizzati nell’E-MBMS per la trasmissione di pacchetti dati attraverso l’interfaccia UTRAN (Universal Terrestrial Radio Access Network) sono:
- High Speed Downlink Shared Channel (HS-DSCH)
- Dedicated Channel (DCH)
- Forward Access Channel (FACH) Profilo di potenza dell’High Speed Downlink Shared Channel (HS-DSCH) L’HS-DSCH è un canale di trasporto condiviso a rate controllato piuttosto che a potenza controllata. A tale proposito, è stato introdotto un metodo dinamico di assegnazione della potenza di trasmissione all’HS-DSCH che fornisce solo il necessario importo marginale di potenza in modo da soddisfare tutti gli utenti multicast serviti e, in parallelo, per eliminare le interferenze del sistema. Due misure importanti per la pianificazione della potenza HS-DSCH sono:
- Signal-to-Interference-plus-Noise Ratio (SINR)
- Geometry factor (G) Il SINR per un unica antenna è calcolato nel modo seguente: dove è la potenza di trasmissione dell’HS-DSCH, è l'interferenza propria della cella, è l'interferenza da celle adiacenti, è l'Additive White Gaussian Noise (AWGN), p è il fattore di ortogonalità (che può essere pari a zero nel caso di perfetta ortogonalità), e, infine, è il Spread Factor pari a 16. Il Geometry factor è un altro parametro importante che indica la posizione degli utenti all’interno della cella. Un più basso valore di G è previsto quando un utente si trova a bordo cella.
A tale proposito consideriamo l’equazione che calcola la potenza totale di trasmissione DCH della stazione base richiesta per la trasmissione dei dati ad n utenti in una specifica cella: dove è la potenza totale di trasmissione della base station, è la potenza assegnata al canale di controllo comune, è il Path Loss, è il rate di trasmissione dell’i-esimo utente i, W è la larghezza di banda, è il rumore di fondo, p è il fattore di ortogonalità (che può essere pari a zero nel caso di perfetta ortogonalità) e è l’interferenza inter-cell osservata dall’i-esimo utente i dovuta alla potenza trasmessa dalle celle vicine PTj con j=1…K e al path loss di tale utente alla j-esima cella. Profilo di potenza del Forward Access Channel (FACH) Il FACH è un canale Point-to-Multipoint e deve essere ricevuto da tutti gli utenti nell’area di servizio MBMS di una cella. Esso trasmette essenzialmente ad un livello fisso di potenza, che deve essere sufficientemente alto per servire l’utente caratterizzato dal peggiore path loss, vale a dire l’utente che si trova a distanza maggiore dalla stazione base. Non utilizza, dunque, il controllo di potenza veloce e i messaggi trasmessi hanno la necessità di includere informazioni di identificazione di banda per garantire la loro corretta ricezione. Sul FACH è anche possibile trasmettere dati a pacchetto. Figura 3 – Livelli di potenza di trasmissione FACH
La Figura 3 presenta alcuni indicativi livelli di potenza di trasmissione Fach in downkink ottenuti per diverse aree di copertura cellulare e bit rate MBMS, senza assumere tecniche di diversità. Un vincolo fondamentale è che la fornitura di servizi dati ad alta velocità su MBMS Fach non è fattibile, in quanto sarebbe necessaria un’eccessiva potenza di trasmissione in downlink, il che comporterebbe il superamento della massima potenza disponibile di 20 Watt nel Node B. Quindi, alti bit rate possono essere proposti solo agli utenti che si trovano molto vicino al Node B.
