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Dipartimento di ElettronicaInformatica e Sistemistica
Marina Barbiroli – Propagazione M
Introduzione al sistema UMTS(Universal Mobile Telecommunications Service)
Dipartimento di ElettronicaInformatica e Sistemistica
Marina Barbiroli – Propagazione M
Allocazione di banda per l’UMTS
PAIRED
PAIRED
UPUP
PAIRED
PAIRED
DOWN
DOWN
SAT
SAT
UNPAIRED
UNPAIRED
UNPAIRED
UNPAIRED
SAT
SAT
1900 1920 1980 2010 2025 2110 2170 2200
TDDTDD FDDFDD
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Marina Barbiroli – Propagazione M
Richiami sui sistemi cdma
• La forma di CDMA più diffusa è quella basata su segnali Spread Spectrum• La separazione tra gli utenti è ottenuta assegnando a ciascuno, con una
operazione di moltiplicazione, un codice (operazione di Spreading)• In ricezione l’operazione duale (Despreading) annulla (completamente o
parzialmente) l’effetto delle interferenze mutue e consente di estrarre ilsegnale desiderato
FiltroSegnale DatiBanda = R
Codice Codice
Mezzotrasmissivo
Banda = W
Banda = R
Disturbo
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Marina Barbiroli – Propagazione M
1 1 0 1
0 1 0 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 1
0 0 0 1 1 0 0 1 0 0 0 0 1 0 1
Chip
=
1
Flusso dati disorgente a bit rate Br
Codice di spreadinga chip rate Cr
Segnale a bandalarga (chip rate Cr)
SISTEMA UMTS:•Lo standard fissa la chip rate Cr = 3.84 Mchip/sec
Richiami sui sistemi cdma
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In presenza di “sincronismo” ⇒ Codici ORTOGONALI: hanno cross-correlazionenulla e quindi consentono di estrarre il segnale utile annullando completamentel’effetto delle interferenze mutue.
( ) ( ) ( ) ( )!"#
$
==%=% & jiper0
jiper1dt tptp
NT
1tptp
cNT
0
jic
ji
( ) ( ) ( ) ( ) ??dt tptpNT
1tptp
cNT
0
jic
ji =!+"=!+" #Se il valore di cross-correlazione èrilevante (dipende da τ) si puòavere elevata interferenza
Codici ortogonali
In assenza di “sincronismo” i codici ortogonali non garantiscono buoneproprietà di crosscorrelazione ⇒ Codici “QUASI-ORTOGONALI” (SequenzePN) ⇒ A seguito dell’operazione di despreading rimane un livello diinterferenza residua dipendente dai valori di cross-correlazione tra i codiciutilizzati
Richiami sui sistemi cdma
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UMTS: terminologia
Utilizzando un accesso multiplo CDMA la trasmissione ètempo-continua ma viene suddivisa in frames and slots
SISTEMA UMTS:• Radio frame: 10 ms, 15 time slots• Cr = 3.84 Mchip/sec => 2560 chip per slot• La potenza trasmessa deve essere costante su ogni slot• La bit rate di sorgente deve essere costante su ogni frame
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Scelta dei codici
Per essere utilizzata in sistemi CDMA una famiglia di codici deve soddisfare certecaratteristiche che possono essere espresse in termini di:
•Cross-correlazione, per limitare l’interferenza reciproca. Due codici qualsiasidella famiglia devono presentare bassi valori dei picchi massimi di cross-correlazione
•Auto-correlazione, ogni codice deve avere funzione di autocorrelazione conbassi picchi secondari - per questioni di aggancio del sincronismo - per garantire buona auto-immunità all’interferenza da multipath
1
-1/N
Tc
NTc
-Tc
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Spreading factor Flessibilità nella fornitura di servizi. Con questo sistema è possibile supportare
sorgenti a differente bit rate.
SISTEMA UMTS: esempi di possibili bit rateServizio voce 12.2 kbit/secServizi dati 64 kbit/sec, 144 kbit/secServizio di web browsing 64 kbit/sec
In ogni caso la chip rate del segnale in aria è fissata dallo standard a 3.84Mchip/sec
Definiamo SPREADING FACTOR il numero di chip con cui vienerappresentato ogni bit di informazione
Al fine di ottenere la stessa chip rate del segnale in aria indipendentementedalla bit rate di sorgente occorre utilizzare una famiglia di codici a spreadingfactor variabile
Più in generale:- UL: data-rate da 15 a 960 kbit/sec- DL: data-rate da 7.5 a 960 kbit/sec
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Spreading factor: esempio• Spreading factor FISSO (chip-rate variabile):
• Spreading factor VARIABILE (chip-rate fissa):
Slot
SF = 2 => 2 chips perslot
Slot
SF = 2 => 4 chips perslot
Br1 Br2
SlotSlot
SF = 2 => 4 chips perslot
SF = 4 => 4 chips perslot
Br1Br2
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Spreading e scrambling
Ogni comunicazione è distinta dalle altre tramite l’assegnazione di un codice.
SISTEMA UMTS:•Differenti trasmissioni di una stessa sorgente sono SINCRONE => cod. ortogonali•Differenti trasmissioni di differenti sorgenti NON sono sincrone
Oltre a produrre l’allargamento di banda i codici devono permettere di distinguere traloro:
- Le differenti sorgenti trasmissive:–Stazioni base nella tratta di downlink–Terminali mobili nella tratta di uplink
-Le differenti trasmissioni di una singola sorgente:–Differenti canali di una stessa stazione base nella tratta di downlink–Differenti canali di uno stesso terminale mobile nella tratta di uplink.
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Tutto questo è ottenibile tramite la moltiplicazione del segnale di sorgente non conun solo codice (come visto fino ad ora) ma con 2 codici:
DATA
Channelisation code
Chip rateBit rate Chip rate
Scrambling code
Codici di SPREADING o CANALIZZAZIONE:– Separano i segnali di una singola sorgente– Allargano lo spettro del segnale– I segnali ricevuti dalla stessa sorgente subiscono ovviamente lo stesso ritardo⇒ sincronismo ⇒ codici ortogonali
Codice di SCRAMBLING:– Distinguono tra loro le differenti sorgenti– A causa dei differenti ritardi di propagazione, fra i segnali ricevuti da differentisorgenti non ci può essere sincronismo ⇒ codici PN
Spreading e scrambling
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Codici di spreading
Sono rappresentabili tramite un diagramma ad albero in cui ogni parola èassociata ad un ramo
SF = 1 SF = 2 SF = 4
c1,1 = (1)
c2,1 = (1,1)
c2,2 = (1,-1)
c4,1 = (1,1,1,1)
c4,2 = (1,1,-1,-1)
c4,3 = (1,-1,1,-1)
c4,4 = (1,-1,-1,1)
I chip di ogni parola di codice sono di volta in volta tutti contenuti nel tempodi bit della sorgente
Il numero di chip di ogni parola è lo spreading factor. Ad ogni livellonell’albero corrisponde un fissato valore di spreading factor.
Il numero di chip di ogni parola è lo spreading factor: più esso è basso e piùalta è la bit rate (pari a 3,84/SF [Mbit/s])
(c,-c)
(c,c)c
SISTEMA UMTS:Codici OVSF (Orthogonal Variable Spreading Factor), sia in uplink che in downlink
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Se si vuole conservare l’ortogonalità i codici OVSF NON possono essereutilizzati tutti contemporaneamente. Esempio:
Le condizioni di propagazione reali (cammini multipli, distorsioni,…)degradano l’ortogonalità => anche in condizioni di sincronismo si ha unresiduo di crosscorrelazione NON nullo (fattore di NON ortogonalità)
SF = 1 SF = 2 SF = 4
c1,1 = (1)
c2,1 = (1,1)
c2,2 = (1,-1)
c4,1 = (1,1,1,1)
c4,2 = (1,1,-1,-1)
c4,3 = (1,-1,1,-1)
c4,4 = (1,-1,-1,1)
L’utilizzo di un codice impediscel’impiego:- di tutti i codici appartenenti a "percorso che ha la parola sceltacome "radice"- di tutti i codici appartenenti alpercorso che dalla radice dell'alberoha il codice scelto come foglia
Codici di spreading
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Codici di scrambling Non cambiano la banda del segnale Servono a distinguere sorgenti tra loro NON sincrone (Es. trasmissioni di
differenti stazioni base) => NON si usa una famiglia di codici ortogonali
SISTEMA UMTS:Con ricevitori RAKE si usano codici di scrambling lunghi:
Sono codici di GoldPseudo noiseCodici “lunghi” (10ms = 38400 chip) => minore residuo di cross-correlazione,poiché è proporzionale a 1/L dove L è la lunghezza della parola di codiceIn down link sono 512L’applicazione del codice di scrambling rende possibile l’utilizzo dello stessoinsieme di codici OVSF per ogni stazione base e ogni terminale mobile
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Codici: riepilogo
Codici di canalizzazione Codici di scrambling
Uso Uplink: separazione dicomunicazioni di uno stessoterminale mobileDownlink: separazione dicomunicazioni di una stessastazione base
Uplink: separazione di differentiterminali mobiliDownlink: separazione didifferenti stazioni base
Famigliautilizzata
OVSF (Orthogonal VariableSpreading Factor)
Gold (codici pseudo-noise)
Spreading Sì, allargano la banda delsegnale
No, non alterano la banda delsegnale
Lunghezza Uplink: 4-256 chipsDownlinklink: 4-512 chips
38400 chips
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Soft handover e macrodiversità
Sistema CDMA: tutte le celle operanosulla stessa portante (riusofrequenziale = 1) => il terminale mobilepuò essere connesso in parallelo a piùstazioni base contemporaneamente
SISTEMA UMTS:•Si definisce ACTIVE SET l’insieme di stazioni base a cui il terminale mobile ècontemporaneamente connesso
Active set = 2
Conseguenze: SOFT HANDOVER: minimo rischio
di interruzione della chiamata nelpassaggio da una cella ad un’altra
MACRODIVERSITA’: migliora laqualità della chiamata
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Soft handover Il terminale mobile può coinvolgere nella chiamata tutte le stazioni base da cui
riceve un segnale di riferimento (pilota) sufficientemente buono. Si individuanoquindi zone differenti:
Active set = 3
Active set = 2
Active set = 1
Se il terminale è connesso a 2 settori della stessa stazione base (coperturasettoriale) di parla di softer handover
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Soft vs. hard handover
BTS 1 BTS 2
connection
measurement
BTS 1 BTS 2
connection
measurement
Soft Handover Hard Handover
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Macrodiversità
DOWNLINK: il terminale mobile riceve la stessa informazione utile da più di una
stazione base contemporaneamente Ogni link verso una delle stazioni base dell’active set utilizza una
differente coppia di codici (spreading + scrambling) Il terminale può migliorare la qualità della comunicazione combinando
i segnali che riceve dalle stazioni base a cui è contemporaneamenteconnesso (Rake Receiver)
Active set > 1 => il terminale mobile opera in MACRODIVERSITA’
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UPNLINK: Il segnale trasmesso dal mobile viene decodificato da tutte le stazioni base
appartenenti all’active set I segnali decodificati dalle differenti stazioni base dell’active set vengono
ricombinati dalla rete a livello superiore (combining) Si ottiene un miglioramento della qualità della comunicazione
RICOMBINAZIONE
Cella 1 Cella 2
Link dell’active set
Segnalazioneverso il livellosuperiore della rete
Macrodiversità
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Power Control Il guadagno di processo “protegge” la comunicazione utile, poiché solo una frazione
1/Gp della potenza trasmessa da un utente interferente risulta effettivamente tale
Tuttavia può accadere l’utente utile si trovi in condizioni dipropagazione molto più penalizzanti rispetto all’utenteinterferente ⇒ nonostante il process gain la potenzainterferente può risultare eccessivamente alta rispetto aquella utile, a scapito della buona qualità delcollegamento (problema del near-far)
Tale problematica (tipica dei sistemi CDMA e per la trattadi up-link in particolare) deve essere opportunamentecontrollata per mezzo di opportune politiche di Controllo diPotenza (i trasmettitori aggiustano la potenza irradiata alvariare delle condizioni di propagazione)
Utile
Interferente
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Esempio Il principio generale cui si deve ispirare qualunque algoritmo di Power Control è
alquanto semplice:”chi si trova più vicino alla stazione radio base deve trasmetterecon potenze inferiori rispetto a chi si trova più lontano”;
Il criterio più semplice (tratta di up-link) corrisponde ad ipotizzare che tutti iterminali trasmettano potenze tali da essere tutti ricevuti con la stessa potenza(“controllo della potenza ricevuta”)
In tal caso, è semplice valutare la capacità del sistema, definibile come il numeromassimo di utenti contemporaneamente attivi in un settore isolato e nel caso disingolo servizio. Infatti
( )
( )
etargt0
b
ps
setargt0
b
p
etargt0
b
petargt
s
N
E
G1N
1N
1
N
E
G
1
N
E
G
1
I
C
I
C
C1N
C
I
C
!!"
#$$%
&+='
(=!!
"
#$$%
&)
**
+
**
,
-
!!"
#$$%
&)=!
"
#$%
&=
)(=
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Considerando che l’interferenza è in realtà diminuita dal fatto che gli interferentitrasmettono in maniera discontinua (Activity Factor AF ≤ 1) e che l’interferenzadovuta alle celle adiacenti riduce di un fattore F ≤ 1 il numero di utenti servibili, ilnumero N di utenti per cella può essere stimato come:
etargt0
b
p
1G
etargt0
b
ps
N
E
G
AF
F3
N
E
G1
AF
F3
AF
FN3N
p
!!"
#$$%
&'
'(
!!!!!
"
#
$$$$$
%
&
!!"
#$$%
&+'
'=
''=
>>
I sistemi CDMA reali implementano di solito algoritmi di Power Control diversi daquello sulla potenza ricevuta (più complicati ma anche più efficienti)…..
Esempio
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Controllo di potenza: up-link
Aumenta la capacità del sistema Evita che qualcuno “urli” Elimina l’effetto near-far (in DL invece tutti i segnali arrivano al mobile
percorrendo lo stesso cammino…)
Il terminale mobile deve modificare la potenza trasmessa in modo damantenere il rapporto segnale/rumore ricevuto dalla stazione basepari ad una soglia assegnata
SISTEMA UMTS:•Controllo di potenza basato sulla qualità: occorre che il mobile trasmetta laminore potenza possibile che garantisce le specifiche di qualità fissate per ilservizio considerato
SISTEMA UMTS:•Controllo di potenza ad anello aperto•Controllo di potenza ad anello chiuso
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Controllo di potenza ad anello aperto
Utilizzato in uplink in fase di messa in piedi della chiamata
Questo significa che Si suppone l’attenuazione in uplink uguale a quella in downlink: in realtà
non è vero perché la distanza in frequenza tra le bande usate per le 2tratte è tale da rendere poco correlati i fenomeni di propagazione inuplink e in downlink
Questo metodo non è molto preciso …
La stazione base trasmette un segnale predefinito tramite cui il mobileeffettua una stima dell’attenuazione in downlink
In base a questa stima il mobile determina il valore della potenza con cuitrasmettere
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Controllo di potenza ad anello chiuso: inner loop
2. Confronto. Il valore di (Eb/No)c viene confrontato con (Eb/No)target per produrre uncomando di power control:•(Eb/No)c > (Eb/No)target => il mobile deve diminuire la sua potenza•(Eb/No)c < (Eb/No)target => il mobile deve aumentare la sua potenza•(Eb/No)c =(Eb/No)target => il mobile non deve modificare la sua potenza(può essere opportuno prevedere una “finestra di power control”)
3. Invio del comando di PC. Il comandodi power control ricavato al punto 2 viene inviato al mobile
BS
Mobile
1. Collegamento in UL. La comunicazione viene ricevuta dalla BS con un certo SIR =(Eb/No)c
4. Esecuzione del comando di PC. Il mobilemodifica la sua potenza in trasmissione in base alcomando ricevuto
SISTEMA UMTS: l’inner loop è una delle 2 fasi che costituiscono il controllo dipotenza ad anello chiuso e viene eseguita ogni time slot
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Controllo di potenza ad anello chiuso: outer loop
I requisiti di qualità di ogni servizio vengono definiti in termini di BER o diFER
Occorre determinare un valore del SIR target con cui effettuare il confrontoche garantisca la qualità fissata (BER o FER) per il servizio consideratoL’OUTER LOOP verifica periodicamente che il valore di SIR target che si stautilizzando per il confronto garantisca la qualità del servizio fissata in terminidi BER o di FER. Se questo non è vero determina un nuovo valoreappropriato del SIR target con cui fare il confronto.
SISTEMA UMTS: la seconda delle fasi che costituiscono il controllo di potenzaad anello chiuso è detta outer loop e viene eseguita ogni N frames
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UMTS vs. GSM
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UMTS vs. IS-95
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Principi di Pianificazione di Rete2G vs. 3G
Sistemi cellulari di 2a generazione (GSM) :
(C/I)target, α (filtraggio spaziale) ⇒ m (cluster-size) necessario per allontanarea sufficienza l’interferente co-canale;
ntot (numero totale di risorse), m ⇒ nc (numero di risorse – canali – per cella)
nc , Pb (probabilità di blocco) ⇒ massimo “traffico” smaltibile per cella
Massimo traffico sostenibile, distribuzione utenti sul territorio ⇒ dimensionedella cella Rc
Rc ⇒ altezza hBS / potenza PBS della stazione radio base
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Una volta dimensionata la rete 2G, la “copertura” non dipende dal “traffico”,cioè la dimensione delle celle non dipende dal traffico al suo interno: un utenteche si trovi a distanza R ≤ Rc può sempre attivare un servizio (chiamata) – e quindi è“coperto” - qualunque sia il numero di utenti gia attivi (nu) e qualunque sia la loroposizione all’interno della cella;
Fa ovviamente eccezione il caso nu = nc, che però si verifica “per costruzione” conprobabilità Pb opportunamente bassa, oppure in condizioni di straordinarie etemporanee concentrazioni di utenti (es: concerti, manifestazioni sportive, ecc.)Il “blocco di un utente” (rifiuto della Rete di attivare il servizio richiesto) è dovutosolo alla indisponibilità di risorse (che sono in numero finito).
L’ammissione al servizio non incide sulla QoS delle comunicazioni già attive nédipende da esse.La QoS di un utente è garantita in qualunque punto della cella (salvo eventualefading che non è considerato nel valore di α)
Principi di Pianificazione di Rete2G vs. 3G
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Sistemi cellulari di 3a generazione (UMTS) :
Non è necessaria alcuna suddivisione delle risorse fra le celle (cluster-size unitario)
Codici PN ⇒ cross-correlazione non nulla rigorosamente ⇒ l’ammissione di unnuovo utente aumenta il livello di interferenza per tutti gli utenti già attivinella cella, e quindi ne degrada la QoS; il meccanismo di Power Control intervienequindi per ripristinare un SIR = SIRtarget per tutti i collegamenti, richiedendo aiterminali il necessario aumento di potenza trasmessa. Ogni incremento determinatuttavia un nuovo aumento del livello di interferenza nella cella, che deve quindiessere nuovamente “compensato” ⇒ il rischio (da scongiurare) è che si inneschino“incrementi di potenza a catena”, che determinano un eccessivo consumo dellebatterie e che inoltre possono portare alcuni utenti al livello massimo di potenzasenza per altro garantire la necessaria QoS (congestione del sistema)
Principi di Pianificazione di Rete2G vs. 3G
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L’accesso di un utente al sistema non è quindi limitato dalla disponibilità dirisorse (numero di codici molto elevato), ma piuttosto dall’interferenza:
se l’ingresso dell’utente rischia di compromettere eccessivamente icollegamenti gia attivi, allora deve essere impedito; tale valutazione non èsempre banale e richiede quindi lo sviluppo di particolari ed efficaci strategiedi “Call Admission”;
se il livello di interferenza nella cella è già piuttosto elevato (traffico intenso),può accadere che il controllo di potenza ad anello aperto stimi una potenzanecessaria per attivare il servizio richiesto superiore alla massima disponibile⇒ l’accesso viene inevitabilmente impedito. Tale eventualità è tanto piùprobabile quanto maggiore è il livello di interferenza (numero di utenti giaattivi) e la distanza dell’utente dalla stazione radio base ⇒ la copertura(dimensione della cella) dipende dal traffico e varia con esso (“CellBreathing”)
Principi di Pianificazione di Rete2G vs. 3G
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Non è quindi semplice individuare il numero massimo di utenti attivi per cella(capacità) in un sistema CDMA (a parità di numero, la richiesta di un nuovo utentepuò essere accolta o meno a seconda di come sono dislocati gli utenti gia attivi,del tipo di servizi attivi e della posizione dell’utente richiedente).L’ingresso di un nuovo utente aumenta il livello di interferenza e quindi puòdeterminare (nonostante il Power Control) un degrado della QoS di tutti Icollegamenti attivi. La capacità della cella dipende quindi anche dal livello didegrado che si ritiene di poter accettare (Soft Capacity)
Principi di Pianificazione di Rete2G vs. 3G
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ORE 0:00ORE 0:0011 MARZO 199911 MARZO 1999
Cell BreathingCell Breathing
Esempio
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ORE 1:00ORE 1:0011 MARZO 199911 MARZO 1999
Cell BreathingCell Breathing
Esempio
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ORE 2:00ORE 2:0011 MARZO 199911 MARZO 1999
Cell BreathingCell Breathing
Esempio
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ORE 3:00ORE 3:0011 MARZO 199911 MARZO 1999
Cell BreathingCell Breathing
Esempio
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ORE 4:00ORE 4:0011 MARZO 199911 MARZO 1999
Cell BreathingCell Breathing
Esempio
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ORE 5:00ORE 5:0011 MARZO 199911 MARZO 1999
Cell BreathingCell Breathing
Esempio
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ORE 6:00ORE 6:0011 MARZO 199911 MARZO 1999
Cell BreathingCell Breathing
Esempio
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ORE 7:00ORE 7:0011 MARZO 199911 MARZO 1999
Cell BreathingCell Breathing
Esempio
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ORE 8:00ORE 8:0011 MARZO 199911 MARZO 1999
Cell BreathingCell Breathing
Esempio
Dipartimento di ElettronicaInformatica e Sistemistica
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ORE 9:00ORE 9:0011 MARZO 199911 MARZO 1999
Cell BreathingCell Breathing
Esempio
Dipartimento di ElettronicaInformatica e Sistemistica
Marina Barbiroli – Propagazione M
ORE 10:00ORE 10:0011 MARZO 199911 MARZO 1999
Cell BreathingCell Breathing
Esempio
Dipartimento di ElettronicaInformatica e Sistemistica
Marina Barbiroli – Propagazione M
ORE 11:00ORE 11:0011 MARZO 199911 MARZO 1999
Cell BreathingCell Breathing
Esempio
Dipartimento di ElettronicaInformatica e Sistemistica
Marina Barbiroli – Propagazione M
ORE 12:00ORE 12:0011 MARZO 199911 MARZO 1999
Cell BreathingCell Breathing
Esempio
Dipartimento di ElettronicaInformatica e Sistemistica
Marina Barbiroli – Propagazione M
ORE 13:00ORE 13:0011 MARZO 199911 MARZO 1999
Cell BreathingCell Breathing
Esempio
Dipartimento di ElettronicaInformatica e Sistemistica
Marina Barbiroli – Propagazione M
ORE 14:00ORE 14:0011 MARZO 199911 MARZO 1999
Cell BreathingCell Breathing
Esempio
Dipartimento di ElettronicaInformatica e Sistemistica
Marina Barbiroli – Propagazione M
ORE 15:00ORE 15:0011 MARZO 199911 MARZO 1999
Cell BreathingCell Breathing
Esempio
Dipartimento di ElettronicaInformatica e Sistemistica
Marina Barbiroli – Propagazione M
ORE 16:00ORE 16:0011 MARZO 199911 MARZO 1999
Cell BreathingCell Breathing
Esempio
Dipartimento di ElettronicaInformatica e Sistemistica
Marina Barbiroli – Propagazione M
ORE 17:00ORE 17:0011 MARZO 199911 MARZO 1999
Cell BreathingCell Breathing
Esempio
Dipartimento di ElettronicaInformatica e Sistemistica
Marina Barbiroli – Propagazione M
ORE 18:00ORE 18:0011 MARZO 199911 MARZO 1999
Cell BreathingCell Breathing
Esempio
Dipartimento di ElettronicaInformatica e Sistemistica
Marina Barbiroli – Propagazione M
ORE 19:00ORE 19:0011 MARZO 199911 MARZO 1999
Cell BreathingCell Breathing
Esempio
Dipartimento di ElettronicaInformatica e Sistemistica
Marina Barbiroli – Propagazione M
ORE 20:00ORE 20:0011 MARZO 199911 MARZO 1999
Cell BreathingCell Breathing
Esempio
Dipartimento di ElettronicaInformatica e Sistemistica
Marina Barbiroli – Propagazione M
ORE 21:00ORE 21:0011 MARZO 199911 MARZO 1999
Cell BreathingCell Breathing
Esempio
Dipartimento di ElettronicaInformatica e Sistemistica
Marina Barbiroli – Propagazione M
ORE 22:00ORE 22:0011 MARZO 199911 MARZO 1999
Cell BreathingCell Breathing
Esempio
Dipartimento di ElettronicaInformatica e Sistemistica
Marina Barbiroli – Propagazione M
ORE 23:00ORE 23:0011 MARZO 199911 MARZO 1999
Cell BreathingCell Breathing
Esempio
Dipartimento di ElettronicaInformatica e Sistemistica
Marina Barbiroli – Propagazione M
Architettura di retedel sistema UMTS
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Architettura del sistema UMTSUE: User Equipment
USIM: UMTS Subscriber Identity Module
ME: Mobile Equipment
UTRAN: UMTS Terrestrial RadioAccess Network
RNC: Radio Network Controller
IuUu
CNUE
ME
USIM
Cu
RNC
RNC
Node B
Node B
UTRAN
Iub
Iur
CN: Core Network
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UMTS Domains
Core Network (CN)UTRAN
RNCCS
Domain
PS
Domain
Node B
Node B
Node B
Node B
RNC
Iu Interface
“Iu-PS”
“Iu-CS”
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Architettura di rete (Release 99)
3G MSC/
VLR
NODE
B
RNC
RNC3G SGSN GGSN
HLR
Gn
MAP
MAP
Packet data
networks
PSTN/ISDNNODE
B
NODE
B
NODE
B
NODE
B
Gs
Iucs
Iups
Iups
Iucs
Core NetworkRadio Access Network
Mobile servicesSwitching Centre
Serving GPRSSupport Node
Gateway GPRSSupport Node
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I canali del sistema UMTS ed il loroutilizzo per il trasporto
dell’informazione
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Livello fisico del sistema - Uplink
• L’accesso multiplo avviene in modo asincrono (i terminali sono sparsi intutta l’area di servizio)
• Codici di spreading– Separano i diversi canali dello stesso utente– Orthogonal Variable Spreading Factor
• Codici di scrambling– Separano i diversi utenti– Sono di tipo pseudo-noise (sequenze di Gold)
• Ogni utente sarà portatore di una quota di interferenze in uplinkper gli altri utenti
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Livello fisico del sistema - Downlink
• L’accesso multiplo avviene in modo sincrono (la stessa BS trasmette atutti i terminali nella sua cella)
• Codici di spreading– Separano i diversi utenti della stessa cella– Orthogonal Variable Spreading Factor
• Codici di scrambling– Separano le diverse celle– Sono di tipo pseudo-noise like (sequenze di Gold)
• nel caso ideale non c’è interferenza intra-cella• i cammini multipli introducono una non ortogonalità
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I limiti della capacità in downlink
• Potenza trasmessa– La potenza necessaria per ciascuna connessione cresce a causa
di:• interferenza inter-cella• interferenza intra-cella, dovuta a:
– Canale di sincronizzazione (che non ha una codificaOVSF)
– Fattore di non ortogonalità che si presenta in condizionireali
• Codici– La bit rate massima effettivamente raggiungibile è minore dei
teorici 3,84 Mbit/s a causa di:• codici riservati per i Common Channels• Soft Handover• frammentazione dell’albero dei codici
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La frammentazione dell’albero dei codici
• Quando si inizia una connessione, essaoccupa un codice che poi rilascerà altermine
• Data la natura casuale degli istanti di inizioe fine delle connessioni, i codici utilizzatitenderanno ad assumere una distribuzione“sparsa”
• Una nuova richiesta a bit rate elevata potrànon trovare un codice adeguato anche se labit rate totale in uso non supera il massimo
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I canali logici dell’UMTS
• Common Control Channels– BCCH Broadcast Channel (DL)
• Trasmette informazioni relative al sistema ed alla cella– FACH Forward Access Channel (DL)
• Utilizzato per inviare informazioni di controllo ad un terminale dicui si conosce la cella corrente
• NB Forward Link = Downlink; Reverse link = Uplink– PCH Paging Channel (DL)
• Utilizzato per inviare informazioni di controllo ad un terminale dicui non si conosce la cella corrente
– RACH Random Access Channel (UL)• Utilizzato per inviare informazioni di controllo dal terminale alla
rete• Può portare anche brevi pacchetti di utente
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• Dedicated Channels– DCCH Dedicated Control Channel (DL & UL)
• Canale utilizzato in entrambe le direzioni• Il DCCH combina le funzioni dei canali logici Stand-Alone
Dedicated Control Channel (SDCCH) ed Associated ControlChannel (ACCH). L’UMTS non distingue tra i canali dedicatiche sono associati ad un canale di traffico e quelli che non losono.
– DTCH Dedicated Traffic Channel (DL & UL)• Canale di traffico in entrambe le direzioni• utilizzato per portare le informazioni di utente (dati a
commutazione di circuito e/o di pacchetto)
I canali logici dell’UMTS
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Corrispondenza tra canali logici e fisici
Logical ChannelsLogical ChannelsBCCH
FACH
PCH
RACH
DCCH
DTCH
Physical ChannelsPhysical ChannelsPrimary Common Control Physical Channel(Primary CCPCH)Secondary Common Control Physical Channel(Secondary CCPCH)
Physical Random Access Channel (PRACH)
Dedicated Physical Data Channel (DPDCH)
Dedicated Physical Control Channel (DPCCH)
Synchronization Channel (SCH)
DPCCH e SCH sono utilizzati sono nel layer 1 (livello fisico) e non hanno alcuncanale logico associato
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Il canale fisico dedicato (PDCH)
• Consiste di due parti:– DPDCH (Dedicated Physical Data Channel)
• Trasporta i dati generati in Layer 2 e strati superiori• Ogni connessione può avere nessuno, uno o più DPDCH (in
caso di trasmissione multi-code)– DPCCH (Dedicated Physical Control Channel)
• Trasporta i dati generati in Layer 1:– pilot bits (CPICH – Common Pilot Channel)– comandi di TPC Transmission Power Control– informazioni opzionali sulla bit rate
• Ogni connessione ha sempre un unico DPCCH– DPDCH/DPCCH multiplexing
• Uplink: Code/IQ multiplex• Downlink: Time multiplex
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Uplink Dedicated Physical Channel
Pilot (RI)
Data
Slot 1 Slot 2 Slot 16Slot i
Frame 1 Frame 2 Frame NFrame i
10 ms
One super frame = N*10 ms
TPC
DPDCH
DPCCH
0.625 ms, 10×2k bits
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Uplink Spreading and Modulation
cDPDCH
p(t)IQ
Mux
I
I+jQ
Re { }
Q
DPDCH
DPCCH Im { }
cos(ωt)
p(t)
sin(ωt)
c’scramb c’’scramb
cDPCCH
cDPDCH, cDPCCH: Channelization codes (OVSF codes, 4-256 chips)c’scramb: Primary scrambling code (VL Kasami code, 256 chips)c’’scramb: Secondary scrambling code (Gold code, optional, 40960 chips)
16*2K kbps 4.096 Mcps
Additional DPDCHs may be added to either I or Q (multi-code transmission)
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Downlink Dedicated Physical Channel
Pilot TPC (RI) Data
Slot 1 Slot 2 Slot 16Slot i
Frame 1 Frame 2 Frame NFrame i
10 ms
One super frame = N*10 ms
0.625 ms, 20×2k bits
DPCCH DPDCH
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Downlink Spreading and Modulation
OVSF codes ensure DL orthogonality even with different rates andspreading factors for different users
cch: Channelization codes (OVSF code, 4-256 chips)cscramb: Downlink scrambling code (Gold code, 40960 chips)
p(t)IQ
MuxDPDCH/DPCCH
cos(ωt)
p(t)
sin(ωt)cch cscramb
16*2K kbps 4.096 Mcps
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Downlink Common Control PhysicalChannels
Similar to downlink Dedicated Physical Channels
Physical channel Logical
channels
Channelization
code cch
Rate Power
control
Possibility for
beamforming
Primary CCPCH BCCH System-
specific
Constant No No
Secondary CCPCH FACH/PCH Cell-
specific
Constant but
cell-specific
No Yes (FACH)
DPCCH/DPDCH DCCH/DTCH Arbitrary Variable Yes Yes
p(t)IQ
MuxPrim. CCPCHSec. CCPCH
cos(ωt)
p(t)
sin(ωt)cch cscramb
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Service Multiplexing
Time multiplexing to one (or several) DPDCHs
TimeMux
Outercoding/interl.
TimeMux
Innercoding/interl.
TimeMux
ParallelServices DPDCH
Service #1 Service #2 Service #3
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Alternative Service Multiplexing
Independent quality control of each service Increased MS complexity
− Increased envelope variations− Multiple RAKE receivers
Separate physical channels
Coding/interleaving
DPDCH #1
Coding/interleaving
DPDCH #2
Coding/interleaving
DPDCH #N
ParallelServices
Service #1
Service #2
Service #N
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Trasmissione dati a pacchetto su W-CDMA
• Tre differenti possibilità per la trasmissione dati a pacchetto:
– utilizzando Random Access Channel (RACH):
• brevi messaggi di testo (simile al servizio SMS per il GSM)
– utilizzando Dedicated Channel (DCH):
• ad ogni utente è dedicato un canale di trasmissione per ladurata dell’intera chiamata o del pacchetto ( l’utilizzo èdeterminato dal valore assegnato al Time Out - To )
– utilizzando Down-link Shared Channel (DSCH):
• più utenti sfruttano lo stesso canale a divisione di tempo peruno sfruttamento migliore delle risorse (codici ortogonalilimitati).
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Common Channel Packet Access
Non occorre mantenere un link attivo quando non ci sono pacchetti datrasmettere
Durante la trasmissione si utilizza il controllo di potenza a catena aperta Limitato a pacchetti piccoli ed a bit rate medio-basse
Accessrequest
Userpacket
Accessrequest
Userpacket
Arbitrary time
Common Channel (RACH/FACH)
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Dedicated Channel Single PacketTransmission
Ogni pacchetto è preceduta da una richiesta di accesso La trasmissione avviene in maniera “scheduled” Durante la trasmissione si utilizza il controllo di potenza a catena chiusa
Accessrequest
Userpacket
Accessrequest
Userpacket
Arbitrary time
Common Channel (RACH/FACH)
Dedicated Channel (DTCH)
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Dedicated Channel Multi-PacketTransmission
La trasmissione avviene sia in maniera “scheduled” che “non-scheduled” Durante la trasmissione si utilizza il controllo di potenza a catena chiusa Il link è rilasciato allo scadere di un time-out
Userpacket
Userpacket
Dedicated Channel (DTCH)
Accessrequest
Userpacket
Accessrequest
Link maintenance (pilot, TPC)
Scheduled packets
Non-scheduledpacket
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I servizi e la QoS
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I servizi offerti da una rete GSM/GPRS/UMTS
RNCNode BMTTE
MSC
‘SGSN’ ‘GGSN’
GMSC TE
TE
GSM/GPRS/UMTS Bearer Service
UMTS Radio Access Bearer Service (RAB)
Teleservice
CN
Uu IuIub
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Architettura della QoS nell’UMTS• Viene definita una gerarchia di bearer ⇒ Occorre una negoziazione
tra le varie entità di rete
TE MT UTRAN CN IuEDGENODE
CNGateway
TE
UMTS
End-to-End Service
TE/MT LocalBearer Service
UMTS Bearer Service External BearerService
UMTS Bearer Service
Radio Access Bearer Service CN BearerService
BackboneBearer Service
Iu BearerService
Radio BearerService
UTRAFDD/TDD
Service
PhysicalBearer Service
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Radio Access Bearer (RAB)
• Service provided by UTRAN are realized with Radio Access Bearers• A Radio Access Bearer consists of
– Radio Bearer– Iu Bearer
• Flexibility in terms of– Bit rate– Delay– Transmission characteristics– Service multiplexing
UTRAN
CN
UE
Radio Access
Bearer
Radio Bear
er
Iu Bear
er
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Classi di servizio per l’UMTS
Traffic class Conversational classconversational RT
Streaming classstreaming RT
Interactive classInteractive best
effort
BackgroundBackgroundbest effort
Fundamentalcharacteristics
- Preserve timerelation (variation)betweeninformation entitiesof the stream
Conversationalpattern (stringentand low delay )
- Preserve timerelation(variation)betweeninformationentities of thestream
Requestresponsepattern
Preservepayload content
Destinationis notexpectingthe datawithin acertain time
Preservepayloadcontent
Example of theapplication
- voice - streamingvideo
- Web browsing - backgrounddownload ofemails
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RAB AttributesTraffic class Conversational Streaming Interactive Background
Maximum bit rate X X X X
Guaranteed bit rate X X
Delivery order X X X X
Maximum SDU size X X X X
SDU format info X X
SDU error ratio X X X X
Residual bit error ratio X X X X
Delivery of erroneous SDUs X X X X
Transfer delay X X
Traffic handling priority X
Allocation/ Retention priority X X X X
Source statistics descriptor X X
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QoS per l’UMTSClasse
Conversational
Classe
Streaming
Classe
Interactive
Classe
Backgroud
Massima bitrate
[kbps]
<2000 <2000 <2000 <2000
Ordine di
consegna
Si/No Si/No Si/No Si/No
Massima
Dimensione SDU
(Service Data Unit)
[ottetti]
<1500 <1500 <1500 <1500
Informazioni
Formato SDU
Da definire Da definire
Consegna SDU
errati
Si/No Si/No Si/No Si/No
BER residua 5*10 -2, 10 -2 ,
10-3
, 10-4
5*10 -2 , 10 -2, 10 -3 ,
10-4
, 10-5
, 10-6
4*10 -3, 10 -5 ,
6*10-8
4*10 -3 , 10 -5 ,
6*10-8
Percentuale
SDU persi
10-2
, 10-3
,
10-4
, 10-5
10-2
, 10-3
,
10-4
, 10-5
10-3
, 10-4
, 10-6
10-3
, 10-4
, 10-6
Ritardo di di
trasmissione [ms]
100- valore
massimo
500- valore
massimo
Bit rate
garantita [kbps]
<2000 <2000
Priorita' gestione
traffico
1,2,3
Priorita'
allocazione
servizio portante
1,2,3 1,2,3 1,2,3 1,2,3