Introduzione al sistema UMTS

Dipartimento di ElettronicaInformatica e Sistemistica

Marina Barbiroli – Propagazione M

Introduzione al sistema UMTS(Universal Mobile Telecommunications Service)



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



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



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




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




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



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



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



Spreading factor: esempio• Spreading factor FISSO (chip-rate variabile):

• Spreading factor VARIABILE (chip-rate fissa):

Slot

SF = 2 => 2 chips perslot

Slot


Br1 Br2

SlotSlot



Br1Br2



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.



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



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



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



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



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



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



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



Soft vs. hard handover

BTS 1 BTS 2

connection

measurement

BTS 1 BTS 2

connection

measurement

Soft Handover Hard Handover



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’



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



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



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



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



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



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



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



UMTS vs. GSM



UMTS vs. IS-95



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



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)




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)




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”)




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)




ORE 0:00ORE 0:0011 MARZO 199911 MARZO 1999

Cell BreathingCell Breathing

Esempio





Esempio



Architettura di retedel sistema UMTS



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



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”



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



I canali del sistema UMTS ed il loroutilizzo per il trasporto

dell’informazione



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



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



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



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



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



• 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



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



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



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



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)



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



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



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



Service Multiplexing

Time multiplexing to one (or several) DPDCHs

TimeMux

Outercoding/interl.

TimeMux

Innercoding/interl.

TimeMux

ParallelServices DPDCH

Service #1 Service #2 Service #3



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



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).



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)



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)



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



I servizi e la QoS



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



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



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



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



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



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

Introduzione al sistema UMTS

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Transcript of Introduzione al sistema UMTS