Alberto Vetuli

Evoluzione delle reti Wireless

EVOLUZIONE DELLE RETI WIRELESS INDOOR E OUTDOOR

LTE

WiMAX

WSN

WiFi

LTE

WiMax

HSDPA

HSUPA

HSPA

CATEGORIE DI RETI WIRELESS NELLE TELECOMUNICAZIONI

COPERTURA

MOBILITA’

DATA RATE

WSN

4G

WiMax 2 802.16m

Advanced

LTE 10 LTE

8-9

4G: DL: 1 Gbps DL: 0,5 Gbps –

Mobilità 100 Mbps – Efficienza di Spettro: 15 bit/sec/Hertz (MIMO 4 X 4)

BANDA DL UL

GSM 900 880-915 925-960

UMTS CORE 1920-1980 2110-2170

GSM 1800 1710-1785 1805-1880

IMT Extension (Paired) 2500-2570 2620-2690

IMT Extension (Unpaired) 2570-2620

(800, 1800, 2000 e 2600)

Il 30 Settembre 2011 si è conclusa l’asta pubblica tra tutti gli Operatori Mobili interessati alla

acquisizione di frequenze nella gamma di 800, 1800, 2000 e 2600 MHz messe a disposizione per sistemi

mobili a larga banda. E’ stato previsto il refarming della gamma di 1800 MHz Assegnazione delle frequenze

Proroga delle licenze di 900 e 2100 MHz –

Obblighi in termini di «digital divide» agli aggiudicatari delle bande più pregiate a 800 Mhz.

Canali UHF 61-69 occupati fino al 2013 dalle TV locali (Piano RAI digitale terrestre ultimato a fine 2012)

ASTA PUBBLICA DELL’AGCOM (255 MHz di banda) PER LTE

TIPOLOGIA DI LOTTO

DUPLEX BLOCK SIZE

LOTTI TELECOM ITALIA

VODA PHONE

WIND 3 ITALIA TOTALE ENTRATE Mil - Euro

800_S S FDD 2 X 5 1 0 0 1 0 481,700

800_G G FDD 2 X 5 5 2 2 1 0 2.480,600

1800_G G FDD 2 X 5 3 1 1 0 1 477,000

2000_A S TDD 1 X 15 1 0 0 0 0 0

2600_B S TDD 1 X 15 1 0 0 0 1 37,200

2600_C S TDD 1 X 15 1 0 0 0 1 36,835

2600_G G FDD 2 X 5 11 3 3 3 2 398,140

2600_S S FDD 2 X 5 1 0 0 1 0 33,820

TOTALE 255 MHz 60 MHz 60 MHz 60 MHz

60 MHz 3.945,295

G=GENERICO – S=SPECIFICO

OFDM - OFDMA AAS - MIMO

AIR INTERFACE AIR INTERFACE

FORWARD ERROR CORRECTION

X

Y

MIGLIORA LA TOLLERANZA ALL’NLOS E DELAY SPREAD MIGLIORA LA EFFICIENZA DI SPETTRO

PROVVEDE ALLA CORREZIONE DI ERRORI EVITANDO LA RITRASMISSIONE DELLE FRAMES

HARQ – CHASE COMBINING HARQ – INCREMENTAL REDUNDANCY

IL FENOMENO DEL MULTIPATH

MOBILITA’

AREA METROPOLITANA

UFFICIO

INDOOR

OUTDOOR METROPOLITANO

OUTDOOR IN MOBILITA’

(Delay Spread Max 300 nsec)

(Delay Spread Max 5 μsec)

SPLITTER JOINER MATRIX B Basato su

Algoritmo

di Foschini

Spatial Multiplexing: Trasmissione di “Spatial Data Stream” simultanei su una stessa frequenza

Spatial Diversity: (Tx – Rx diversity) Space Time Coding

SISTEMI DI ANTENNA MIMO: SPATIAL DIVERSITY E SPATIAL MULTIPLEXING

MATRIX A Basato su

algoritmo

di Alamouti

Xmitter

Tx

Tx1

Tx2

Rx1

Rx2

Rx1

Rx2

Tx1

Tx2

Rx1

Rx2 Switched Receive Diversity

Rx Xmitter

Tx Rx1

Rx2 Maximum Ratio Combining Diversity

Signal Processor

Phase Shifter Attenuator

Signal Processor

Phase Shifter Attenuator

Receiver

Rx Gain: + 3 dbm

SISTEMI DI ANTENNA ADATTATIVI - BEAMFORMING (CLOSED LOOP) BS è a conoscenza della qualità del segnale ricevuto da ogni singola stazione

NOTA: MIMO E BEAMFORMING SONO MUTUAMENTE ESCLUSIVI

user 1

Interference 1

top view (horizontal)

user 2

Interference 2

Adaptive array

WiMAX in ITALIA

3.4 a 3.6 GHz

Max Potenza trasmessa

In Italia: 36 dbm 4 W ETSI: 43 dbm Xmt 20 W

RETI 3G in ITALIA

0.800 - 2.1 GHz

Max Potenza trasmessa

Emax: 6 V/m

GSM UMTS LTE (R8) LTE (R9)

GPRS HSDPA (R5) HSPA (R6) LTE Advanced (R10)

EDGE HSUPA (R6) HSPA+ (R7)

1990 2000 2011 2012

VOICE BASED MOBILE NETWORKS EVOLUTION

METROPOLITAN AREA NETWORKS EVOLUTION

LA CORSA VERSO LA 4G

1990 2000 2011 2012

SIAMO QUI

SIAMO QUI

(2-04-2011)

Multi Accesso OFDM vs OFDMA

2048 SC

Riuso Frazionale dei canali e delle bande di frequenze CELLE SETTORIZZATE CELLE CIRCOLARI

FRACTIONAL FREQUENCY REUSE

SUPPORTA LA MOBILITA’

E’ IMPIEGABILE NELLA BANDA NON LICENZIATA DI 5 GHz

Banda: 5 – 10 – 10+10

Capacità con MIMO A:

13 – 27 – 54 Mbps

Capacità con MIMO B:

32 – 65 Mbps

Antenna integrata

con 1 o 2 settori

Antenna esterna

1024 Subcarrier

HANDOVER: di tipo Hard e Soft

HANDOVER di Livello 2

(BS sotto lo stesso ASN GW)

di Livello 3

(Tramite Mobile IP)

Flessibilità di spettro • Duplexing TDD-FDD

• 1,25 – 2,5 – 5,0 – 10,0 – 20,0

Velocità di picco • DL: 100 – 300 Mbps (canale da 20 MHz)

• UL: 50 – 100 Mbps

Configurazioni di antenna supportate • DL: 4X2 - 2X2 - 1X2 - 1X1

• UL: 1X2 - 1X1

Efficienza di spettro • DL: da 3 a 4 volte l’HSDPA Rel. 6

• UL: 2 a 3 volte HSUPA Rel. 6

Latenza • <50 – 100 msec (U-plane a U-plane)

• <10 msec (U-plane to server)

Mobilità • per basse velocità (<15 km/hr)

• elevate prestazioni a velocità fino a 120 km/hr

• mantiene il collegamento a velocità fino a 350 km/hr

Copertura • Prestazioni massime fino a 5 km

• Leggero degrado tra i 5 km ed i 30 km

• Il funzionamento fino a 100 km non è precluso dallo standard.

Soluzioni di sistemi avanzati di antenna • Diversity

• Beam-forming

• Multi-layer transmission (MIMO)

Nuovo sistema di accesso radio • Downlink: OFDM

• Uplink: SC-FDMA

3G LTE – ELEMENTI CHIAVE DELLA AIR INTERFACE Banda Scalabile

MIMO - Beamforming

DL: OFDMA – UL: SC FDMA

TDD FDD

One Resource Element: QPSK: 2 bits 16 QAM: 4 bits 64QAM: 6 bits

One Resource Block: 180 KHz X 0,5 msec.

LTE NETWORK REFERENCE MODEL

IL RESOURCE BLOCK COME UNITA’ ELEMENTARE DI BANDA E DI TEMPO DELL’LTE

Gestione RF Misure radio

Selezione MME CAC - Cifratura

Home Subscriber Server

Base Dati Utenze Restrizioni

roaming

Policies & Charging Rules Function

Criteri di roaming Classi di servizio

Interfaccia IMS Apps

Routing e Forwarding tra

eNodeB e PDN GW Anchor Point UE

UE IP address assign Anchor Point per

reti esterne Default router-GW

Accesso Autenticazione Chiavi sicurezza Selezione S-GW

SGW PGW

Mobility Mgt Entity

Evolved Packet Core

ASN GW

A

GW

A

GW

eNodeB

eNodeB

BS

BS

LTE

WiMAX

VOICE

GW

WiFi

DSLAM BAS

ADSL NGN - PON

PSTN

ISC INTERFACE VISITED NETWORK

SIP GATEWAY

RETE

IP

SIP

PROXY

CIRCUIT

SWITCHING

NETWORKS

M

O

B

I

L

E

F

I

S

S

O

SKYPE

VOLTE - MMTel Provider

Google Over the Top

VOLGA

LTE

LTE

LTE

Soluzione provvisoria per gli Operatori Mobili per voce – SMS ed MMS

LTE

IP Multimedia Subsystem

VANC

LA CRITICITA’ DEI SERVIZI VOCE ED SMS-MMS

I Servizi Voce – SMS ed MMS dovranno essere trasferiti sulla rete Full IP (MMTel – VoIP su IMS).

I servizi voce sono disponibili su Internet - OTT (Skype – Google ed altri Operatori VoIP).

E’ ipotizzabile l’impiego di telefoni multibanda per fare voce-SMS in 3G ed accesso Internet in LTE.

Scenario Fisso Mobile con IP Multimedia Subsystem (IMS)

ASN GW

A

GW

A

GW

BS

BS

LTE

WiMAX

SIP

PROXY

WiFi

DSLAM BAS

PSTN

HSS

SIP

SERVER

P-CSCF

ISC INTERFACE VISITED NETWORK

APPLICATION

SERVER

SIP GATEWAY

I-CSCF

RETE

IP

SIP

PROXY

CIRCUIT

SWITCHING

NETWORKS

M

O

B

I

L

E

F

I

S

S

O

I-BCF

VIDEO

SERVER

S-CSCF

eNodeB

eNodeB

MMTEL

IP

Multimedia

Subsystem

ADSL NGN - PON

•Indipendenza dalla tecnologia di accesso •Servizi VoIP basati sul protocollo SIP •Presence Server - Unified Messaging •Enhanced Voice Mail - Interactive Voice Response (IVR) •Instant Messaging •Web/Audio/Video Conferencing •Full Duplex Video Telephony •Converged Push-To-Talk over Cellular (Converged PoC) •Audio and Video streaming

LTE – Multiple Operator Core Network (CONDIVISIONE DELLA INFRASTRUTTURA DA PIU’ OPERATORI MOBILI)

PLMN ID1 PLMN ID2 PLMN ID3 PLMN ID4

ACCESS NETWORK SERVICE PROVIDER

Mobile

User

Equipments

Multiple

Public Land

Network Provider

eNodeB

Core Service

Network 1

Core Service

Network 2

Core Service

Network 3

Core Service

Network 4

Supporto VLAN

Una o più VLAN

dedicate per ogni

Operatore

DHCP

Istanze multiple

On Operator

Basis

Radio Bandwidth

Backhaule

Bandwidth

MOCN

BANDWIDTH AGGREGATION

LTE MIMO SCENARIOS

Channel 2

Channel 3

Channel 1

BS

Data 1

Data 2

Data 3

User 1

User 2

User 3

Channel 2

Channel 3

Channel 1

BS

Data 1

Data 2

Data 3

User 1

User 2

User 3

Single-user MIMO Multi-user MIMO Collaborative MIMO

1 BS 1 UE

MULTIPLE DL STREAMS

ALLO STESSO UE

1 BS MOLTI UE

MULTIPLE DL STREAMS

VERSO UE MULTIPLI

MULTI DL STREAMS

DA PIU’ BS

ALLO STESSO UE

MBMS – MULTICAST - BROADCAST

MULTIHOP RELAY - FEMTOCELL

MBFSN AREAS

MULTI STREAMS

DA PIU’ BS

ALLO STESSO UE

1 BS MOLTI UE

MULTIPLE STREAMS

VERSO UE MULTIPLI

INCREMENTO DEI PUNTI BS-RS DI CIRCA 16 VOLTE RISPETTO ALLA SITUAZIONE ATTUALE

20 canali TV a velocità di 256 kbps in un canale a 5 MHz.

COLLABORATIVE MIMO

Supporto del Roaming - Plug and Play Potenza impostata automaticamente

Connessa al gateway centrale via Internet ADSL-NGN

PUBLIC WARNING SYSTEM

Early Warning System

della Protezione

Civile

1 Sistema di rilevazione

2

Informazioni generali su area riservata UE

3

Misure di sicurezza su area riservata UE

SISTEMA DI RADIOLOCALIZZAZIONE OTDOA - AOA

Observed Time Difference of Arrival - Angle Of Arrival SELF ORGANIZING NETWORK

Dual Layer Beamforming

Coordinated MultiPoint Transmission/Reception

Dual Layer Beamforming

Le NGN in F.O. provvederanno al

backhauling per le celle delle reti mobili 4G.

NGAN è un forte driver per le NGMN.

4G Richiede una densità di celle maggiore

di 10-20 volte rispetto alle reti 3G attuali.

LA NGAN COME RETE DI BACKHAULING PER LE RETI MOBILI NGMN

SPLITTER

OTTICO

SPLITTER

OTTICO

FIBER

PUNTO DI DIRAMAZIONE RETI OTTICHE PASSIVE

SPLITTER

OTTICO

SPLITTER

OTTICO

Samsung SCH-i510 - HTC ThunderBolt – Motorola Atrix - Samsung Galaxy II

CATEGORIA 1 2 3 4 5

PEAK RATE Mbps

DL 10 50 100 150 300

UL 5 25 50 50 75

CAPABILITIES FOR PHYSICAL FUNCTIONALITIES

RF BANDWIDTH 20 MHz

MODULATION

DL QPSK, 16QAM, 64QAM

UL QPSK, 16QAM QPSK

16QAM 64QAM

MULTI-ANTENNA

2 x Rx DIVERSITY

Assumed in Performance Requirement

2 x 2 MIMO Mandatory Not Supported

4 x 4 MIMO Not Supported Mandatory

LTE SMARTPHONES – VARIE CLASSI/CATEGORIE 6 7 8

300 300 1200

50 150 (100)

600

UL: 4 X 10

2 X 20

UL: 4 X 10

2 X 20

8 X 4

TELE – MEDICINA FITNESS

AUTOMAZIONE

OSPEDALE

BUILDING

AUTOMATION

AGRICOLTURA

ANTINCENDIO

TRASPORTI

INQUINAMENTO

TELEMETRIA

RISPARMIO

ENERGETICO

REAL TIME SMART BUILDING MANAGEMENT

P Parking

Garden

IMPIEGO DELLO STANDARD WiFi

INDOOR OUTDOOR

Intel® Centrino

Ultimate N-6300

I throughput della banda di 2.4 GHz e 5 GHz sono cumulabili assumendo che siano

presenti stazioni Client in grado di operare su entrambe le bande.

BANDA 2.4 GHz: 802.11b/g - 802.11n Max 3 X AP nella stessa area su canali diversi

Throughput totale nella stessa area

802.11b: 33 Mbps (3 X 11)

802.11g: 162 Mbps (3 X 54)

802.11n: 324 Mbps (3 X 108)

BANDA 5 GHz: 802.11a - 802.11n Max 8 X AP nella stessa area su canali diversi

Throughput totale nella stessa area

802.11a: 432 Mbps (8 X 54)

802.11n: 864 Mbps (8 X 108)

Stesso SSID Stesso SSID

Throughput aggregato di una cella

WIRELESS LAN

CONTROLLER 1

LIGHTWEIGHT

ACCESS POINT n

INTERNET

VRRP

HSRP

CAPWAP TUNNEL

WIRELESS

MANAGER

LOCATION

APPLIANCE DHCP

CAPWAP

CAPWAP

EVOLUZIONE MODELLO WIRELESS AP DA UNO A DUE LIVELLI CON WIRELESS CONTROLLER

Gestione LWAPP o CAPWAP

Gestione Beacon e Probe Response

Fragmentation – Defragmentation

Power Management – Packet Buffering

802.11e/WMM Scheduling – Queuing

MAC Layer Encryption/Decryption

Analisi Spettro RF disponibile

LWAPP Discovery

Gestione Risorse RF (Assegnazione Canali)

Gestione Mobilità – Fast Secure Roaming

Gestione Sicurezza – EAP – 802.1X – Gestione Chiavi

Quality of Service

Configurazione centralizzata – Aggiornamento microcode e SW

Associazione – Disassociazione – Riassociazione

Integrazione servizi Wireless – Wired

Mobile IP – Proxy Mobile IP per Layer 3 roaming

Gestione LWAPP o CAPWAP

VLAN Management – Client Localization

WIRELESS LAN

CONTROLLER 2

LIGHTWEIGHT

ACCESS POINT 1

LIGHTWEIGHT

ACCESS POINT 2

LIGHTWEIGHT

ACCESS POINT 3

LIGHTWEIGHT

ACCESS POINT 4

ANALISI IN REAL TIME DI:

• SPETTRO RF

• COPERTURA AREA

• CANALI ASSEGNATI

• AP INDESIDERATI

• PREVENZIONE INTRUSIONI

• LOCALIZZAZIONE DEL CLIENT

AP Channel: 6 SSID “laptop” = VLAN 1 SSID “pda” = VLAN 2 SSID “phone” = VLAN 3

Supporto VLAN (multiple SSID)

Consente ad ogni singola rete

virtuale WLAN di gestire

tipologie differenti

di dispositivi con diversi livelli

di sicurezza e QoS.

E’ possibile supportare fino a

16 VLAN indipendenti.

- Copertura senza zone d’ombra con sovrapposizione delle aree coperte da microcelle adiacenti;

- VLAN dedicata con QoS predisposto e configurato per traffico Real Time;

- Apparati con certificazione WiFi - 802.11e - WMM per la gestione efficiente della QoS;

- 802.11r Fast Roaming – Fast Authentication possibilmente con Wireless controller centralizzato.

CAPWAP

802.1Q wired network w/ VLANs

WIRELESS

CONTROLLER RADIUS

10 Chiamate contemporanee

100 Conversazioni contemporanee

RETE IP

VLAN - Supporto VoIP SU RETI WiFi – Certificazione WMM

SSID: IP phone Security: LEAP + WEP

SSID: laptop Security: PEAP + AES

SSID: pda Security: LEAP + TKIP

VLAN 1

VLAN 2

VLAN3

Lo Standard 802.11n e l’incremento di prestazioni per il MultiMedia.

Tempo per il Download di uno

Show TV da 30-minute in HD

LO SVILUPPO DELLO STANDARD 802.11ac nella banda di 5 GHz.

Estensione ampiezza di banda: 80 MHz e 160 MHz (Max 40 MHz nell’802.11n);

Ampiezza di banda di 80 MHz per le stazioni di lavoro;

Supporto di 8 Spatial Streams (Max 4 nell’802.11n) – Impiega la modulazione OFDM;

Supporto di Downlink Multi-user MIMO (Single-user Mimo nell’802.11n);

Supporto della modulazione 256-QAM (8 bit/simbolo) come possibilità opzionale;

Correzione di errori con Code Rate ¾ e 5/6 per 256 QAM;

Beamforming opzionale;

Meccanismi di coesistenza per bande di 20/40/80/160 su 802.11ac, 802.11a ed n;

Disponibilità sul mercato intorno alla metà del 2013.

Sviluppi dell’IEEE 802.11ad (da WiGig)

Target Speed: 7 Gbps;

Banda non licenziata di 60 GHz;

Ampiezza di banda maggiore dell’802.11ac;

Distanze limitate: da 1a 10 metri;

Applicazioni: Multimedia HD e Gigabit LAN;

Antenne: sistemi attivi e beamforming ;

La tecnologia si presenta complessa;

Elevata complessità tecnologica e costi.

Gat

eway

1Gateway 2

STANDARD 802.11S

MP MP

MP MP

INTERNET

MAP

MAP

MP: Mesh Point

MAP: Mesh Access Point