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MBSFN
Multicast Broadcast Single Frequency Network
Introduzione
La comunicazione vocale e i servizi relativi al download di dati, come la navigazione web, sono basati su comunicazione Point-to-Point (PtP). Invece, i servizi multicast/broadcast si basano su comunicazioni Point-to-Multipoint (PtM), dove i pacchetti dati vengono trasmessi contemporaneamente da un’unica fonte verso più destinatari. Esempi di servizi broadcast sono i servizi radiofonici e quelli televisivi che vengono trasmessi via etere o via cavo e il contenuto è disponibile per tutti gli utenti. Il multicast, invece, si riferisce ai servizi che vengono forniti agli utenti che hanno aderito ad un determinato gruppo multicast. La consegna del servizio utilizzando la comunicazione Point-to-Multipoint (PtM) è in genere più efficace quando un gran numero di utenti è interessato a ricevere lo stesso contenuto, come ad esempio un canale TV mobile. Ciò si traduce in una trasmissione efficiente, non solo nel collegamento wireless, ma anche nella Core Network e nell’Access Network, in quanto un singolo pacchetto multicast/broadcast viaggia nella Core Network e nell’Access Network e viene copiato e trasmesso a più Node B in un’area multicast/broadcast. Un servizio multicast o broadcast viene spedito in un area di servizio multicast/broadcast che si riferisce alla zona di copertura in cui uno specifico servizio è disponibile. Un diagramma semplificato di un sistema cellulare multicast/broadcast con area di copertura costituita da un certo numero di celle è mostrato in Figura 1. Figura 1 – Sistema Multicast/Broadcast
Il Content Provider è un fornitore di servizi cellulari e agisce come la fonte dei contenuti multicast/broadcast. L’evolved Broadcast Multicast Service Center (eBM-SC) funge da punto di ingresso per i servizi da consegnare e trasmette i pacchetti multicast/broadcast all’eMBMS Gateway da cui i pacchetti vengono distribuiti agli eNode B nell’area multicast/broadcast. Il Multimedia Broadcast Multicast Service (MBMS) è stato introdotto nella Release 6 dello Standard UMTS ed è un servizio Point-to-Multipoint che permette di trasmettere i dati da un unico mittente a più destinatari. Esso migliora la scalabilità multicast/broadcast nelle reti cellulari utilizzando un canale comune per inviare gli stessi dati a più ricevitori, minimizzando così l'utilizzo delle risorse di rete. Tuttavia, le sue performance sono ancora limitate dai seguenti fattori:
- Le prestazioni dei terminali d’utente (UE) nelle aree di sovrapposizione cellulare potrebbero essere influenzate da interferenze distruttive (per esempio, Inter-Symbol Interference (ISI)).
- Le prestazioni di un UE degradano progressivamente mentre si allontana dalla stazione base trasmittente. Si richiede, tra l'altro, un’elevata efficienza spettrale a causa della scarsità dello spettro radio e a tale proposito nel sistema cellulare Long Term Evolution (LTE) sono state introdotte recentemente delle nuove operazioni che consentono una maggiore efficienza spettrale per i servizi multicast/broadcast, come, ad esempio, il Multicast Broadcast Single Frequency Network (MBSFN). Un punto chiave nella trasmissione multicast/broadcast è che le stesse informazioni vengono trasmesse contemporaneamente dagli eNode B nell’area multi cast/broadcast. Questo permette agli UE di ricevere i segnali multicast/broadcast da più celle e di combinarli all’interno del ricevitore.
Trasmissione dati nell’operazione MBSFN
Nell’operazione MBSFN, trasmettendo segnali identici da più celle (con identica codifica e modulazione) e sincronizzando i tempi di trasmissione tra le celle, il segnale al terminale mobile verrà visualizzato esattamente come un segnale trasmesso da una singola cella e soggetto alla propagazione multipath senza incorrere in alcuna complessità aggiuntiva. Grazie alla robustezza dell’OFDM alla propagazione multipath, la trasmissione multi-cell migliorerà non solo la potenza del segnale ricevuto, ma eliminerà anche l’interferenza inter-cell. In tal modo, il throughput multi- cell multicast/broadcast può eventualmente essere limitato soltanto dal rumore e può quindi, in caso di piccole celle, raggiungere valori estremamente elevati.
Tutto ciò implica un sensibile miglioramento nella qualità di ricezione multicast/broadcast, soprattutto al confine tra le celle coinvolte nella trasmissione MBSFN, e, di conseguenza, miglioramenti significativi anche nel data rate multicast/broadcast. Figura 3 – Struttura del resource-block per il subframe MBSFN assumendo un normale prefisso ciclico per la parte unicast L’LTE supporta trasmissioni multicast/broadcast MBSFN per mezzo del canale di trasporto MCH (Multicast Channel). Il MCH viene mappato in subframe speciali, i cosiddetti subframe MBSFN, su i quali gli altri canali di trasporto downlink, come il DL-SCH (Downlink Shared Channel), il PCH (Paging Channel) e il BCH (Broadcast Channel) non possono essere mappati. La Figura 3 illustra la struttura del resource-block per il subframe MBSFN. Come si può notare, un subframe MBSFN si compone di due parti:
- Una parte unicast;
- Una parte MBSFN, in cui il MCH viene mappato. La parte unicast di un subframe MBSFN utilizza la stessa lunghezza del prefisso ciclico del subframe non MBSFN. Al contrario, la parte MBSFN del subframe MBSFN utilizza sempre il prefisso ciclico esteso. Così, nel caso di prefisso ciclico normale utilizzato sia per i subframe non MBSFN che per la parte unicast del subframe MBSFN, vi sarà una piccolo “foro” tra la parte unicast e la parte MBSFN del subframe MBSFN (come illustrato in Figura 3 ). Si noti che, poichè il prefisso ciclico esteso viene sempre utilizzato per il subframe MBSFN ci sono solo 12 simboli OFDM all'interno del subframe. Nel caso in cui una portante viene utilizzata solo per la trasmissione MBSFN, nota anche come stand-alone MBSFN carrier, non vi sono parti unicast poichè la segnalazione unicast, in questo caso, non è necessaria.
Il MCH è associato al PMCH (Physical Multicast Channel) le cui caratteristiche chiave per sostenere la trasmissione MBSFN sono le seguenti:
- Utilizzo del prefisso ciclico esteso (CP) (~ 17 microsec invece di ~ 5 microsec). Poichè le differenze nei ritardi di propagazione da più celle saranno generalmente molto maggiori dei ritardi di diffusione da una singola cella, il CP più esteso contribuisce a garantire che i segnali rimangano entro i CP nel ricevitore dell’UE, riducendo così la probabilità di ISI. Questo evita l'introduzione della complessità di un equalizzatore nel ricevitore dell’UE, a scapito di una piccola perdita nella velocità di trasmissione dati a causa del sovraccarico aggiuntivo del prefisso ciclico esteso.
- Modifica del modello del RS (Reference Signal) rispetto alla trasmissione dati non-MBSFN, come mostrato in Figura 4. I simboli di riferimento sono spaziati più attentamente nel dominio della frequenza rispetto alla trasmissione non MBSFN, riducendo la separazione ad ogni sottoportante invece che ad ogni sesta sottoportante. Questo migliora la precisione di stima del canale. La stima del canale ottenuta dall’RS MBSFN è in realtà una stima di un canale composito, che rappresenta il canale composito di un set di celle di trasmissione dati MBSFN. Figura 4 – Struttura del Reference Signal relativo ai subframe MBSFN Come si può notare in Figura 4, la densità nel dominio della frequenza dei simboli di riferimento MBSFN è più elevata della corrispondente densità dei simboli riferimento di una specifica cella. Questo è necessario, poiché il canale composito di tutte le celle coinvolte nella trasmissione MBSFN sarà equivalente ad un canale altamente tempo dispersivo o, equivalentemente, a frequenza selettiva. Quindi, sarà necessaria una maggiore densità del simbolo di riferimento nel dominio della frequenza. C’è solo un unico segnale di riferimento MBSFN in un subframe MBSFN per cui non è supportata la trasmissione multi-antenna, come la diversità di trasmissione e il multiplexing
Aree di Servizio MBMS e Aree di sincronizzazione MBSFN
La zona geografica della rete in cui può essere trasmesso l’MBMS è definita Area di Servizio MBMS. La zona geografica in cui tutti gli eNode B possono essere sincronizzati per effettuare trasmissioni MBSFN è definita Area di Sincronizzazione MBSFN. All'interno di un’Area di Sincronizzazione MBSFN, un gruppo di celle coordinate per una trasmissione MBSFN è definita Area MBSFN. Un’Area di Sincronizzazione MBSFN può supportare diverse Aree MBSFN e una cella all'interno di una Area di Sincronizzazione MBSFN può far parte di più aree MBSFN, ciascuna caratterizzata da diversi contenuti trasmessi. Le Aree di Sincronizzazione MBSFN sono del tutto indipendenti dalla definizione di Aree di Servizio MBMS. La Figura 5 illustra alcuni scenari differenti per la realizzazione di servizi MBMS e di trasmissioni MBSFN, con un un’Area di Servizio MBMS che comprende:
- Un’Area di Sincronizzazione MBSFN che supporta un’area indipendente MBSFN (A) e due aree di sovrapposizione MBSFN (B e C).
- Celle indipendenti per trasmissioni MBMS non MBSFN. Figura 5 – Esempio di scenario per la realizzazione di servizi MBMS e di trasmissioni MBSFN Differenti gruppi di celle (che trasmettono servizi MBMS) sono identificati in Figura 5 per illustrare alcune modalità differenti di funzionamento:
- Gruppo 1: una singola cella che trasmette i servizi MBMS in un’Area di Servizio MBMS; questa cella non appartiene ad un’Area di Sincronizzazione MBSFN e non può quindi funzionare nella modalità di trasmissione MBSFN. Vale la pena notare che sebbene ci siano vantaggi significativi nell'operazione MBSFN, in LTE possono ancora essere utilizzate le
trasmissioni unicellulari MBMS. Le trasmissioni unicellulari MBMS non richiedono il meccanismo di sincronizzazione, necessario invece per l'operazione MBSFN e quindi forniscono una possibilità di distribuzione alternativa per i casi in cui non può essere raggiunta la sincronizzazione. Le trasmissioni Single-cell MBMS utilizzano il normale Downlink Shared Channel. La selezione fra la trasmissione MBSFN e la trasmissione Single-cell è realizzata dal MultiCell/Multicast Coordination Entity (MCE) nella fase di setup (o di riconfigurazione della rete) dell’Area di Servizio MBMS o di diverse celle per la trasmissione dei servizi MBMS.
- I gruppi 2-5 appartengono all’Area di Sincronizzazione MBSFN e possono funzionare nella modalità di trasmissione MBSFN all'interno delle loro rispettive aree MBSFN: o I gruppi 2, 3 e 4 possono eseguire le trasmissioni MBSFN rispettivamente nelle zone A, B e C ; o Il gruppo 5 è formato dalle celle che appartengono alle aree di sovrapposizione A e B: la segnalazione della disponibilità dei servizi MBMS e dell'amministrazione delle risorse fisiche per le trasmissioni MBSFN in questo gruppo richiede una configurazione più complessa rispetto a quella necessaria per i gruppi 2, 3 e 4. Aree di sovrapposizione MBSFN Diversi servizi MBMS possono avere diverse aree di servizi, poiché tali servizi possono indicare aree geografiche diverse o distribuzioni differenti dell'utente; ciò ha implicazioni sulla configurazione e sulla gestione delle risorse delle celle nell'operazione MBSFN. Quando più aree MBSFN si sovrappongono, l'area di sovrapposizione (illustrata dalle celle del Gruppo 5 in Figura 5 ) richiede l'assegnazione di risorse separate e della segnalazione per supportare differenti servizi MBMS trasmessi simultaneamente in aree differenti nell’Area di Sovrapposizione. Questo può limitare le risorse disponibili per gli altri servizi in ciascuna area MBSFN, in quanto le parti non sovrapposte di un’area MBSFN non possono riutilizzare le risorse che sono già state utilizzate da un’Area MBSFN diversa nella regione di sovrapposizione. Una possibilità per il completamento dell’MBMS LTE in una versione futura delle specifiche potrebbe essere quella di facilitare il coordinamento della trasmissione di servizi da differenti aree sovrapposte MBSFN, multiplexando i servizi comuni nell’area di sovrapposizione. Questo potrebbe, tuttavia, provocare una profusione di piccole aree MBSFN e potrebbe aggiungere complessità all’allocazione dei blocchi di risorse e per la combinazione di trasmissioni multi-cell da un ricevitore.
- Intra-frequency handover in un’area MBSFN su una portante dedicata MBMS: dalla progettazione, la continuità del servizio è perfetta poichè il terminale vede l'intera area di servizio come una singola cella;
- Inter-frequency handover tra l’operazione MBSFN su una portante dedicata MBMS e la trasmissione MBMS su una portante mista MBMS/unicast: questo è uno scenario difficile poichè la mancanza di un canale uplink per la portante dedicata MBMS impedisce la comunicazione per il consueto handover con gli UE;
- Intra- or inter-frequency handover tra l’operazione MBSFN su una portante mista MBMS/unicast e la trasmissione MBMS Single-cell su una portante mista MBMS/unicast: l’handover sarebbe possibile attraverso la connessione unicast; tuttavia, questa potrebbe essere una soluzione irrealistica quando il numero di ricevitori di trasmissioni MBSFN è elevato e quando sarebbe necessario garantire un meccanismo per evitare il sovraccarico delle risorse;
- Intra- or inter-frequency handover tra le trasmissioni MBMS Single-cell su una portante mista MBMS/unicast: questo è uno scenario relativamente semplice poiché le procedure di handover sarebbero molto simili al normale handover unicast. In sintesi, le procedure di handover per uscire dalla modalità MBSFN su un livello dedicato rischiano di essere complicate. Le procedure di Inter- or intra-frequency handover da una cella mista MBMS/unicast seguono le procedure di handover tradizionali.
Modello analitico per il calcolo del SINR e dell’efficienza spettrale nell’operazione
MBSFN
In questa sezione, viene proposto un modello analitico per calcolare le prestazioni e la probabilità di copertura di una rete MBSFN, tenendo conto del guadagno dei segnali SFN che arrivano da N celle interferenti. Si consideri un utente nella cella 0, caratterizzato da una distanza dalla stazione base 0 e un angolo θ con un asse di riferimento, come mostrato in Figura 6.
Figura 6 - Modello analitico per il calcolo del SINR e dell’efficienza spettrale nell’operazione MBSFN Si valuti ora l'impatto dei segnali SFN provenienti da una determinata cella i diversa da 0, ad una distanza per un determinato utente. In canali unicast OFDMA, questo segnale viene visto come una pura interferenza distruttiva. Nell’SFN, tuttavia, la porzione di questo segnale che arriva senza eccessivo ritardo può essere vista come interferenza costruttiva, mentre la parte restante del segnale si comporta come interferenza distruttiva. L'impatto dei segnali provenienti da una stazione base è quindi legato al ritardo di propagazione: dove c è la velocità della luce. Per un determinato ritardo, la funzione peso della porzione costruttiva di un segnale SFN ricevuto è: W(τ) = (1) dove è la lunghezza del frame del segnale utile e è la lunghezza del prefisso ciclico.
Inoltre, i SINR sono generalmente calcolati in OFDMA per ogni sottoportante e sono uniti al fine di trovare il SINR medio. Per esempio, se vengono utilizzate n sottoportanti e viene calcolato il relativo alla sottoportante k, il SINR medio sarà: SINR (m) = dove la funzione I (x) viene indicata come un "provvedimento di informazione" e (x) è la sua inversa. Tuttavia, in sistemi 3G LTE viene considerata l’assegnazione di sottoportanti adiacenti facendo assegnare sottoportanti ad un canale televisivo vivendo analoghe condizioni di fading. Tutte le sottoportanti assegnate ad un canale TV avvertiranno quindi lo stesso fast fading e i loro SINR saranno uguali. L’efficienza spettrale (SE), espressa in bps/Hz, è direttamente correlata al rendimento, ed è quindi un parametro molto importante per misurare le prestazioni dell’MBSFN. Una volta calcolato il SINR in un determinato luogo, la SE raggiunta per un determinato MCS (Modulation and Coding Scheme) può essere ottenuta utilizzando le curve del livello delle prestazioni del link (.): e (m (4) I valori della SE per una serie di posizioni all'interno di una cella possono essere calcolati e raccolti per la valutazione dell’MBSFN. Considerando servizi broadcast in cui viene inviato lo stesso segnale (con lo stesso MCS) a tutti gli utenti, indipendentemente dalla loro posizione nella cella, in questo caso sia la modulazione che la codifica adattativa è impossibile. Pertanto, la questione è trovare il migliore MCS che si adatta a tutti gli utenti in rete. Per trovare il MCS da utilizzare durante la distribuzione di una rete MBSFN, l'operatore impone che deve essere assicurato un target SE (in genere pari a 1 bps/Hz) per una grande percentuale di utenti (il 95% è un obiettivo di copertura comune). L'obiettivo è quindi quello di trovare il più basso MCS, che consente una previsione della SE da raggiungere per oltre il 95% degli utenti. La strategia adottata può essere riassunta come segue:
- Iniziare con il più basso MCS (vale a dire, QPSK a rate 1/2).
- Per ogni punto nella cella calcolare l'efficienza raggiunta come nell’equazione (4).
- Calcolare l'istogramma della SE nella cella e dedurre la SE realizzata per il 95% degli utenti.
- Se la SE calcolata al 95% è più grande di quella target, adottare il MCS studiato. In caso
contrario, provare con un MCS superiore e ripetere i passaggi 2-4 fino a raggiungere l'obiettivo o non restituire niente se tutte le MCS sono verificate.
