LTE-Advanced e l’evoluzione verso sistemi beyond-4G · utilizzare reti radiomobili le cui...
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Scuola Politecnica e delle Scienze di Base Corso di Laurea in Ingegneria Informatica Elaborato finale in Protocolli per reti mobili LTE-Advanced e l’evoluzione verso sistemi beyond-4G Anno Accademico 2013/2014 Candidato: Luisana Rocco matr. N46001019
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Scuola Politecnica e delle Scienze di Base Corso di Laurea in Ingegneria Informatica Elaborato finale in Protocolli per reti mobili
LTE-Advanced e l’evoluzione verso sistemi beyond-4G
Anno Accademico 2013/2014 Candidato: Luisana Rocco matr. N46001019
A chi ha sempre creduto in me.
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Indice
Indice………………………………………………………………………………………………
Introduzione…………………………………………………………………………………….....
Capitolo 1: La tecnologia LTE…………………………………………………………………….
1.1 Architettura EPS……………………………………………………………………………
Capitolo2: Carrier Aggregation…………………………………………………………………...
2.1 Vantaggi…………………………………………………………………………………….
2.2 Stack di protocollo………………………………………………………………………….
2.3 Nuovi tipi di carrier (NTC)…………………………………………………………………
2.4 Multistream Aggregation…………………………………………………………………...
2.5 Evoluzione di CA…………………………………………………………………………...
Capitolo 3: MIMO………………………………………………………………………………...
3.1 Interfaccia radio……………………………………………………………………………..
3.1.1 OFDM…………………………………………………………………………………
3.2 Accesso radio multiplo………………………………………………………………………
Capitolo 4: CoMP………………………………………………………………………………...
4.1 Tecniche downlink CoMP…………………………………………………………………..
4.1.1 Scheduling Coordinato……………………………………………………………….
4.1.2 Selezione delpunto dinamico…………………………………………………………
4.1.3 Trasmissione Comune………………………………………………………………...
4.2 Uplink CoMP………………………………………………………………………………..
4.2.1 Scheduling coordinato………………………………………………………………...
4.2.2 Ricezione congiunta…………………………………………………………………..
Capitolo 5: Relay………………………………………………………………………………….
5.1 Vantaggi………………………………………………………………………………….....
5.2 Tipi di relay…………………………………………………………………………………
5.3 Architettura relay…………………………………………………………………………...
5.4 Stack di protocollo……………………………………………………………………….....
5.5 Relay Mobile………………………………………………………………………………..
5.6 Posizionamento Relay………………………………………………………………………
Capitolo 6: Reti eterogenee………………………………………………………………………..
6.1 Associazioni delle celle……………………………………………………………………..
6.2 Eliminare interferenza tra le celle ……………………………………………………….....
6.2.1 Schemi basati sul dominio del tempo………..…………………………………...….
6.2.2 Schemi basati sul dominio della frequenza………………………………………….
6.3 Gestione della mobilità……………………………………………………………………..
6.3.1 Miglioramento della scoperta/ identificazione piccola cella…………………………
6.4 Associazione cellulari ed annullamenti di interferenze tra le celle…………………………
6.5 Gestione della mobilità……………………………………………………………………..
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IV
Capitolo 7: Reti auto-organizzate………………………………………………………………...
7.1 La ricerca……………………………………………………………………………..…...
Capitolo 8: Comunicazione MTC………………………………………………………………..
8.1 Supporto interfaccia aerea per dispositivi MTC…………………………………………..
8.1.1 Allocazione di risorse radio…………………………………………………………..
8.1.2 Efficiente allocazione di risorse………………………………………………………
8.1.3 Risparmio energetico………………………………………………………………....
8.2 Controllo del sovraccarico………………………………………………………………...
8.2.1 Riduzione di segnalazione di mobilità per dispositivi low-mobili…………………...
Capitolo 9: Device to device ……………………………………………………………………..
9.1 Selezione modo ………………………………………………………………………...
9.2 Comunicazione di gruppo………………………………………………………………
9.3 Interferenze e gestione di risorse…………………………………………………….....
9.4 Comunicazione multi-hop………………………………………………………………
9.5 Altri aspetti della comunicazione ………………………………………………………
Conclusioni………………………………………………………………………………………..
Bibliografia………………………………………………………………………………………..
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Introduzione
Le recenti tecnologie di comunicazione mobili sono in continuo sviluppo ed evoluzione.
Sempre più insistente è la necessità di essere, continuamente, collegati in rete per lavoro,
svago o altro e ciò favorisce lo sviluppo di nuove applicazioni nonché servizi di rete idonei a
soddisfare al meglio le esigenze di tutti. Normale conseguenza di quanto appena detto è stata
l’aumento del numero di abbonati a servizi radiomobili. Un aumento dovuto in primis alla
genesi precoce dei servizi incentrati su contenuti multimediale quali, ad esempio, streaming
audio e video ad alta risoluzione; in secondo luogo, alle richieste sempre maggiori di utenti,
quanto mai esigenti in termini di efficienza e prestazioni sia per il traffico vocale, ma anche
e principalmente, per il traffico dati; in terzo luogo, alla necessità di avere, anche in
mobilità, collegamenti fruttuosi e qualitativi. La risposta a tali esigenze è Long Term
Evolution (LTE) e la sua evoluzione LTE ADVANCED, che rappresentano, dunque, il
futuro delle tecniche di comunicazione. Il principale obiettivo di performance prevede
un’ampia capacità di banda e bassi tempi di latenza. All’immissione sul mercato di UMTS
(universal mobile Telecomunincations system) nel 2001, si sono susseguite diverse proposte
di tecnologie che hanno riscontrato impieghi limitati alla sola zona comunitaria (Unione
Europea). Con LTE si è, invece, tornati ad un impiego universale. Lo standard LTE offre
agli operatori la possibilità di fornire, non solo capacità di banda molto elevata; ma anche
supporto per diverse tipologie di traffico; ancora, flessibili implementazioni; nonché
strategie di comunicazioni ad alta efficienza energetica (consentendo di impiegare notevoli
frazioni dell’infrastruttura di rete disponibile e di poter essere realizzata mediante l’aggiunta
graduale di componenti in modalità bottom-up, cioè lavorando in parte su bande già
impiegate, usufruendo di cavi esistenti etc.). Bisogna tuttavia ricordare che lo sviluppo
incessante di LTE è stato favorito dalla presenza di tariffe flat che incoraggiano gli utenti ad
utilizzare appieno i risvolti positivi di tale tecnologia e dalla diffusione sul mercato di
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apparecchiature sempre più semplici da utilizzare, più redditizie in termini di grafica e
velocità di utilizzo a prezzi vantaggiosi.
L’obiettivo di questo elaborato è quello di analizzare la tecnologia LTE, fornendo una
panoramica circa benefici che ha comportato. Benefici che hanno migliorato le prestazioni
della rete:
Carrier Aggregation; nuove estensioni della trasmissione multi-antenna; CoMP; viluppo di
reti eterogenee; supporto per il Relay, Machine to Machine Communication (MTC), Device-
to-Device Communication (D2D).
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Capitolo 1: La tecnologia LTE
La 3GPP (3rd GenerationPartnership Project), solo al termine del progresso della famiglia di
standard 3G, nel novembre del 2004 ha iniziato a lavorare sul Long Term Evolution (LTE).
Si propone come una nuova generazione per i sistemi di accesso mobile a banda larga
(Broadband Wireless Access) e si pone al confine tra le tecnologie 3G, come l’UMTS, e
quelle di quarta generazione, ancora in sviluppo.
L’idea di base, tuttavia, non è sostituire completamente le tecnologie preesistenti, bensì,
sfruttare gli investimenti effettuati e la conoscenza derivata dallo studio per le reti 3G,
accelerando i tempi per gli standard di quarta generazione 4G.
Data l’incessante richiesta da parte dell’utente di servizi ed applicazioni accessibili in
modalità wireless, diventa fondamentale e preponderante avviare servizi che possano
utilizzare reti radiomobili le cui prestazioni siano paragonabili a quelle delle reti cablate.
L’utente usufruendo delle attuali applicazioni, che spaziano da contenuti informativi ai
“social network” (specie per quest’ultimi) diventa, non solo fruitore di elementi distribuiti in
rete, ma a sua volta produttore, richiedendo, pertanto, una banda maggiormente simmetrica.
Tuttavia, le performances raggiunte da LTE non si conformavano ai requisiti tecnici definiti
da ITU-R (International Telecom-munication Union Radio Communication Sector) affinché
potesse essere classificata come componente della famiglia di standard IMT-Advanced.
Pertanto il 3GPP decise di dividere il suo lavoro in due fasi: la prima consisteva nella
standardizzazione di LTE (release 8)1 mentre la seconda avrebbe conformato la tecnologia
LTE ai requisiti di quarta generazione, attraverso la standardizzazione di un’ulteriore
tecnologia denominata LTE-Advanced (release 10).
1 Il termine Release concerne lo stato di “rilascio” delle specifiche tecniche che individuano lo standard. Costruttori e operatori
devono attenersi a tali specifiche per la progettazione e la realizzazione degli apparati di rete. L’inserimento di nuove specifiche
tecniche, che apportano miglioramenti all’interno dello standard, sono identificati con numeri progressivi.
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I principali requisiti dell’LTE rilasciati nella Release 8 sono:
Velocità di trasferimento dati in download fino a 300 Mbps;
Velocità di trasferimento dati in upload fino a 75 Mbps;
Minore consumo di potenza per i terminali mobili;
Architettura di rete semplificata;
Miglioramento del bit rate a bordo cella per garantire una maggiore uniformità del
servizio offerto;
Nello standard vengono anche indicate le tecnologie abilitanti per LTE:
Impiego della modulazione OFDMA per il downlink e Single-Carrier FDMA per
l'uplink;
Supporto di trasmissioni secondo la tecnica MIMO;
Supporto di tecniche di duplexing FDD e TDD, per dividere il traffico uplink (UL)
da quello downlink (DL);
Elasticità di banda dello spettro che prevede l'impiego di un minimo di 1.4 MHz ed
un massimo di 20 MHz di banda per ciascun canale;
Impiego di schemi di modulazione QPSK, 16 QAM e 64 QAM sia in UL che in DL;
LTE-Advanced osservando e soddisfacendo i requisiti richiesti dall’ITUR affinché si
potesse classificare la tecnologia come membro della famiglia di standard IMT-Advanced, è
stato approvato, nel 2010, come servizio 4G della 3GPP. Essa pur fondandosi sulla
tecnologia LTE ha apportato modifiche che consentissero di ottenere, mediante un
raggruppamento di blocchi di frequenza, una più ampia larghezza di banda. In particolare un
dispositivo LTE-Advanced può aggregare fino a 5 blocchi di frequenza ciascuno fino a 20
MHz consentendo di raggiungere in massima configurazione una banda totale di 100 MHz.
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L’aggregazione comporta oltre ad una maggiore larghezza di banda anche una riduzione di
interferenza tra le celle, un risparmio energetico, bilanciamento di carico e miglioramento di
handover.
1.1 Architettura EPS
L’architettura EPS (evolved Packet System), evoluta per ottimizzare le trasmissione dati a
larga banda, è composta da:
E-UTRAN (evolved –UTRAN): rete di accesso composta di uno o più eNB. Si occupa della
modulazione/demodulazione, controllo di potenza, controllo del carico, funzioni di accesso,
trasmissione dati sull’interfaccia radio, ed un terminale utente UE (un tablet, uno
smartphone etc.).
EPC: ultima evoluzione della rete di base effettuata dal 3GPP, la cui architettura risulta
essere piatta. In siffatta architettura, la gestione Del piano utente è separata da quello di
controllo. Gli elementi che caratterizzano la prima parte sono stazioni radio gateway, tra le
cui funzioni troviamo SGW e PGW. Ciò che caratterizza maggiormente la seconda è
l’MME.
L’EPC, progettata per trasmettere dati a commutazione di pacchetto, presenta alcune
innovazioni: architettura semplificata e l’utilizzo di packed switched (PS) (la commutazione
di pacchetto (in inglese packet switching) è una tecnica di accesso multiplo a divisione di
tempo, introdotta ad hoc per il trasporto di dati. Consente di condividere un canale di
comunicazione tra più nodi in modo dinamico, realizzando una divisione dell'informazione
da trasferire in pacchetti, che, saranno trasmessi individualmente e in sequenza.). Tale
packed switching non è più relativo solo al trasporto dati, bensì, includendo anche quello
voce, realizza un ALL-IP network (AIPN). Questo AIPN aiuta ad ottenere un throughput
elevato e una minore latenza per accesso e mobilità tra reti eterogenee. Esso si caratterizza
per:
Un‘architettura flat: cioè, una architettura semplificata, il cui fine è una minore
latenza realizzata attraverso una riduzione del numero di nodi che il traffico dati
deve attraversare. Essa, infatti, elimina il nodo RNC. La rete di accesso è composta
di un sola stazione di base, anche chiamata evolved NodeB (eNodeb o eNb), che si
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occupa di trasmettere segnali radio ai dispositivi utenti (UEs). Gli eNBs sono tra loro
connessi tramite interfacce dedicate X2; inoltre, ognuno di essi, si collega alla core
network attraverso un’interfaccia specifica S1. A differenza della rete di accesso, la
Core network è composta da due entità di commutazione: Serving Gateway (S-GW)
che rappresenta un’ancora di mobilità tra rete di accesso E-UTRAN e altre reti
3GPP, essa inoltra i pacchetti dati degli utenti; PDN Gateway (P-GW) consente
interconnessioni verso reti esterne ed effettua il filtraggio dei pacchetti degli utenti.
Una separazione di piani di controllo e trasporto. Tale separazione aumenta
l’efficienza in termini di distribuzione, ciò, in quanto, il traffico di segnalazione
risulta essere inferiore rispetto a quello dati. La separazione avviene attraverso la
definizione di MME. Quest’ultima costituisce il principale nodo di controllo della
core Network, è responsabile dell‘autenticazione dell’utente; assegna identità
temporanee ai singoli UE; tiene traccia della mobilità dell’utente.
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Capitolo 2: Carrier aggregation
Uno dei metodi maggiormente idonei a raggiungere notevoli quantità di dati trasmessi per
unità di tempo consiste nell’aumentare la larghezza di banda di trasmissione. Metodo meglio
noto come Carrier Aggregation (CA). Un dispositivo LTE-Advanced può raggruppare
blocchi di frequenza differenti, ciascuno di questi, fino a 20 MHz. Il numero di blocchi
aggregati può assumere un valore massimo pari a cinque. Scopo di questa metodologia è
quello di ottenere una banda di trasmissione totale molto ampia. Con la massima
configurazione, la larghezza di banda complessivamente utilizzata impone un limite
superiore pari a 100 MHz.
Da sottolineare che, un terminale LTE-Advanced riesce a sfruttare completamente la banda
ottenuta con l’aggregazione, a differenza di un terminale LTE che, invece, vede ogni vettore
elemento di cui è composta la banda complessiva come un singolo vettore LTE. LTE-
Advanced supporta due schemi di aggregazione di blocchi di frequenza: Intra-band ed Inter-
band.
Intra-band: questa forma di aggregazione si verifica quando si aggregano vettori della stessa
banda di frequenza. E’ possibile che i vettori componenti (CC) dell’aggregazione siano
contigui (è lo scenario più semplice da implementare, dal punto di vista tecnico, in cui i CC
si presentano adiacenti l’un l’altro. Il canale risultante può essere considerato dal terminale,
dal punto di vista di radio-frequenza, come un singolo canale ampio), o non contigui (non
sempre gli operatori dispongono di spettro contiguo. Pertanto, anche quello non contiguo è
supportato. Risulta, però, più complesso, in quanto non è possibile trattare l‘aggregazione
come un unico segnale).
Inter-band non contigui: questa forma di aggregazione si verifica quando si aggregano
vettori che non appartengono alla stessa banda di frequenza.
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Questi due tipi di CA, dunque, consentono agli operatori, che hanno spettro frammentato e
diverse bande di frequenza, di riutilizzare frammenti di spettro per fornire un servizio
migliore agli utenti.
2.1 Vantaggi
Come già accennato in precedenza, oltre a garantire un’ampia larghezza di banda il CA
presenta ulteriori vantaggi, quali: mitigazione di interferenza tra le celle; miglioramento di
handover; risparmio energetico e load balancing. CA è un ottimo strumento attraverso il
quale si riducono le interferenze tra le celle, in quanto ve ne sono di diverse dimensioni e
differenti aree di copertura. Pertanto da quanto si evince dalla figura sottostante la presenza
di due eNodeB, le cui aree di copertura risultano sovrapposte, garantiscono una copertura
continua con riduzione di interferenza. Da quanto è possibile notare dalla figura, un
terminale UE, inizialmente, risulta essere servito da CC1 e CC2; se si sposta verso eNB2 si
aggancia alla cella-bordo di eNB1 perdendo, dunque, la copertura CC1 pur mantenendo
quella ENb1 CC2. Ciò fino a quando l’utente, continuando a spostarsi verso la stazione di
base eNB2, perde completamente la copertura eNB1, utilizzando solo quella eNB2 CC2. Si
può constatare, pertanto, che la carrier aggregation consente di migliorare l’handover, in
quanto, il terminale mobile durante una comunicazione cambia canale, ma mantiene attiva la
comunicazione stessa. Il risparmio dell‘ energia può essere ottenuto disattivando i CCs nei
periodi di basso carico. Per bilanciare il carico, CA prevede di poter definire un ulteriore CC
nel caso in cui il traffico in una CC diviene troppo elevato.
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2.2 Stack di protocollo.
Per consentire il supporto di aggregazione carrier sono state apportate modifiche anche allo
stack di protocollo di accesso radio. In particolare le modifiche sono relative al protocollo di
controllo delle risorse radio RRC, al protocollo di controllo di accesso medio MAC e al
protocollo dello strato fisico. Più dettagliatamente al livello RCC si instaura una sola
connessione. Il vettore carrier utilizzato a tale scopo, prende il nome di cella primaria pcell.
Se però sono presenti altri CC, essi prendono il nome di celle secondarie Scell. E’ bene
sottolineare che pcell ed scell di diversi dispositivi utenti sono differenti, ovvero un pcell di
un UE può essere un Scell di un altro.
Le modifiche applicate a livello MAC concernono l’introduzione di un’unica antità ibrida-
ARQ (tecnica di recupero di errore che prevede, in caso di mancata conferma dal
ricevitore,una ritrasmissione del segnale. Nel caso ‘Hybrid’, ai dati è associata una piccola
quantità di codifica di canale che serve per riavere un numero minimo di errori sui bit che
consentono di non alla ritrasmissione.). Dal punto di vista dello scheduling, same-carrier e
cross-carrier sono supportati. Il primo è utilizzato per i sistemi LTE, il secondo dall’eNB e
consente di usare un CC per assegnare risorse contenute in CC diverse. Tuttavia il pcell è
l’unico che può schedulare risorse del pcell utilizzando il canale fisico downlink PDCCH. È
doveroso inoltre sottolineare che lo scheduling cross-carrier si utilizza solo quando il
PDCCH di un Scell non è stato configurato, ed è preferibile utilizzarlo, per ottenere ottime
prestazioni, nel caso in cui la larghezza di banda della cella risulta essere piccola, per
migliorare il CA si è introdotta la sincronizzazione multipla avanzata con la quale è
possibile per l’appunto sincronizzare le trasmissioni in modo autonomo favorendo la
riduzione del ritardo di propagazione.
2.3 Nuovo tipo di carrier
Un ulteriore oggetto di studio per la Rel-12 è il new carrier type (NTC). Generalmente la
stazione di base causa consumi di energia anche in assenza di carico. Proprio con l’obiettivo
di ridurre, se non eliminare del tutto questo problema, è stato sviluppato NTC. Per poterlo
introdurre si necessita di approcci graduali, e pertanto sono in fase di studio due tipi di
scenari. Nel primo NTC funge da Scell ed è sincronizzato con un vettore che agirebbe come
Pcell. Nel secondo si cerca di avere NTC in modalità Stand-alone.
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2.4 Multistream Aggregation
Obiettivo principale di CA era quello di consentire ad un unico eNB di poter servire i suoi
utenti che utilizzavano più CCs. Le reti cellulari, però, sono divenute eterogenee. Si
caratterizzano per la presenza di piccole celle distribuite in un’area di copertura di celle più
grandi. (Fig). Una simile composizione prevede, o meglio necessita, di un maggiore
coordinamento per evitare interferenze tra celle.
2.4 Evoluzione di CA
L’evoluzione di CA consente a più operatori di condividere i loro CCs, in modo da ottenere
una larghezza di banda più ampia determinando, dunque, una maggiore copertura di rete.
Lo sviluppo di CA dipende, però, dalla quantità di spettro disponibile da poter aggregare.
Esistono due approcci per ottenerlo: accesso esclusivo ed accesso condiviso. Il primo
prevede di ottenere una licenza che consenta agli operatori di essere gli unici utenti di una
banda di frequenza. Il secondo invece consente ad un operatore di sfruttare tempi ed aree
sottoutilizzate di uno spettro la cui licenza è di un differente operatore.
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Capitolo 3: MIMO
L’utilizzo di più antenne sia al trasmittente sia al ricevente è una tecnica conosciuta meglio
come MIMO, acronimo di multiple input multiple output. Tale tecnica di comunicazione,
divenuta necessaria per aumentare il flusso di dati, richiede una molteplicità di antenne in
trasmissione ed in ricezione.
3.1 Interfaccia radio
L’interfaccia radio in LTE, a differenza di quella utilizzata dall’UMTS che prevede
l’utilizzo di una sola portante, utilizza uno schema multi-portante per garantire una larga
banda di frequenza. Diretta conseguenza di ciò è la possibilità di disporre di una pluralità di
cammini contemporanei consentendo, pertanto, di spalmare i ritardi su quelli già esistenti tra
emettitore e ricevitore.
3.1.1 LTE orthogonal frequency su OFDM
OFDM (orthogonal Frequency Division Multiplexing) rappresenta le tecniche di accesso
impiegate dal sistema LTE in downlink ed uplink (DL UL). Essa richiede la suddivisione
della banda disponibile in sotto-bande, ravvicinate tra loro, utilizzate per trasmettere,
parallelamente, dati ed informazioni di controllo. L’utilizzo di tale tecnica comporta,
astrattamente, un’assenza di interferenze, in quanto, le sotto-bande risultano essere tra loro
ortogonali. I dati trasmessi in ciascuna di esse possono essere modulati mediante una delle
seguenti modulazioni (QPSK, 16QAM,64 QAM).
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3.2 Accesso radio multiplo
In LTE al fine di realizzare l’accesso multiplo al canale radio, si utilizzano due tecniche
differenti relative al DL ed UL. In particolare si utilizzano rispettivamente OFDMA e SC-
FDMA.
La prima, consente a più utenti un accesso multiplo, è fondato sulla modulazione OFDM, e
si realizza assegnando a ciascun utente un sottoinsieme di sotto-bande, in cui è stata divisa la
banda disponibile, e quindi, consentendo di trasmettere parallelamente dati in un
determinato intervallo di tempo. Ciò permette di poter modificare, in base alla necessità, la
potenza di trasmissione necessaria per comunicare con ciascun utente. Analogamente, la
qualità del servizio (QoS) può essere adattata al tipo di applicazione di cui l’utente desidera
usufruire (voce, video etc.).
La seconda impiega, ugualmente all‘OFDMA, un insieme di sotto-bande ortogonali. In
questo caso, però, i dati sono trasmessi in sequenza. Inoltre, a differenza dell’OFDMA, in
cui ogni sotto-banda è modulata indipendentemente dalle altre, in SC-DFMA il segnale
trasmesso è il frutto di una combinazione di tutti i simboli trasmessi nello stesso istante. Per
ogni intervallo di trasmissione l’assegnazione di una sotto-portante al singolo utente è
effettuata dallo scheduler della stazione di base. E’ possibile allocare secondo modalità
differenti le sotto-portanti in SC-FDMA: il modo localizzato LCDFMA e quello distribuito
(IFDMA).
LCFDMA: le sotto-portanti assegnate si presentano adiacenti;
IFDMA: le sotto-portanti allocate sono poste alla stessa distanza sull’intera banda;
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Capitolo 4: CoMP
Durante il processo di standardizzazione di LTE-Advanced sono state proposte numerose
tecniche destinate ad aumentare le prestazioni in termini di velocità. Tuttavia, è palese che
l’interferenza tra le celle ostacola la possibilità di ottenere un elevato tasso di dati. La
crescente domanda di alta qualità del servizio offerto presso il terminale utente, richiede
tecniche avanzate che migliorino la comunicazione con conseguente riduzione delle
interferenze tra le celle, ed aumentino il throughput di bordo cella. A tal proposito il 3GGP
ha sviluppato uno strumento che prende il nome di CoMP acronimo di “coordinata
trasmissione e ricezione multipunto”. Fulcro portante di tale sistema consiste nel trasformare
le interferenze tra le celle ICI, riguardanti specialmente quelle di bordo, in segnale utile per
gli UEs, migliorando, così, la qualità del servizio offerto. LTE CoMP richiede uno stretto
coordinamento tra più eNBs geograficamente separati. Un insieme di antenne rappresentano
una cella. Un terminale utente si connette alla cella da cui riceve massima potenza di
segnale. Si può trasmettere e ricevere da più antenne che possono non appartenere alla stessa
cella fisica. Pertanto, sul bordo di una cella, si può essere serviti da due o più eNbs differenti
con conseguente riduzione dell‘interferenza spaziale. A seconda del tipo di cooperazione
che sussiste all’interno di un singolo ENb o tra più eNBs è possibile definire quattro scenari
differenti:
Scenario 1: Intra-eNB CoMP con distribuzione omogenea. Il coordinamento tra celle con
uguale area di copertura, è controllato da un medesimo eNB.
Scenario 2: Inter-eNB CoMP con distribuzione omogenea. L’area di cooperazione è estesa
ad altre macro-celle. Vi è un coordinamento tra RRHs (remote radio head, con potenza
paragonabile a quella della stazione di base, controllati dalla stessa eNB.
Scenario 3: Inter-cell COMP con distribuzione eterogenea. L’area di copertura della stazione
di base sovrappone quella di low-power RRH, caratterizzate da una proprio cella ID.
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Scenario 4: L’area di copertura della stazione di base sovrappone quella di low-power RRH,
caratterizzate da un’unica cella ID.
La tecnica CoMP presenta una serie di vantaggi tra cui si può, sicuramente riscontrare:
un migliore utilizzo di reti poiché collegandosi a più stazioni di base contemporaneamente
aiuta a migliorare l’utilizzo delle risorse; ancora, migliori prestazioni di ricezione poiché si
utilizzano più celle per ogni connessione con conseguente riduzione del numero di cadute di
linea; una maggiore potenza ricevuta in virtù del gran numero di stazioni di base che
ricevono congiuntamente; una minore interferenza dovuta all’utilizzo di tecniche
specializzate che comportano bassi livelli di interferenza.
4.1 Tecniche downlink CoMP
Per il downlik il lavoro si è concentrato principalmente su schemi di trasmissione, controllo
del segnale, misura delle interferenze.
La trasmissione downlink COMP è realizzata mediante il coordinamento di più eNBs,
separati geograficamente, per trasmettere contemporaneamente a più utenti. Due sono gli
approcci di coordinamento: Pianificazione/beamforming coordinato; Selezione di un punto
dinamico.
4.1.1 Scheduling Coordinato
La pianificazione /beamformig coordinato (CS/BS) si caratterizza per il fatto che i dati sono
trasmessi ad ogni UE da una singola cella nota come “cella ancora”. Tuttavia, astrattamente,
le decisioni di pianificazione ed il beamforming (o filtraggio spaziale, cioè una tecnica che
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consente di gestire ‘angolo di trasmissione o ricezione mediante l’utilizzo di antenne
multiple) relative ad ogni eNB devono essere coordinate tra più eNBs, al fine di ridurre
l’interferenza che può essere generata. Sul piano pragmatico, quanto detto risulta essere
decisamente complesso. Pertanto per ovviare a tale problematica, si fa uso di uno scheduling
che consenta di implementare CS/BS. Ogni cella può essere aggiornata sulle decisioni prese
da altre celle in una precedente interazione, e ciò contribuisce a massimizzare l’utilità
globale (ad esempio il throughput è ponderato sull’intera area di coordinamento).
4.1.2 Selezione del punto dinamico
La selezione punto dinamico (DPS), detta anche selezione del punto di trasmissione (TPS), è
uno schema che prevede la trasmissione del segnale,all‘UE, da un singolo punto di
trasmissione, scelto all’interno del set collaborativo CoMP. Sulla base delle risorse
disponibili e stato del canale viene dinamicamente selezionato il TP con la migliore qualità
di collegamento e condizioni di canale. Si avrà, così, un passaggio da un sub-frame ad un
altro, senza la necessità di una procedura di handover elaborata. Dal momento che trasmette
un singolo eNB, ne consegue che non risulta essere necessario avere strette sincronizzazioni;
si ottiene, dunque, un bilanciamento del carico poiché all’UE sono inviati segnali
provenienti da un punto di trasmissione con poco carico.
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4.1.3 Trasmissione Comune
La trasmissione comune (JT) è una tecnica di funzionamento CoMP che prevede l’invio
simultaneo di dati, sulla stessa risorsa tempo-frequenza, ad un terminale UE da più siti
cooperanti. La trasmissione, il cui obiettivo è una migliore qualità del segnale complessivo
ricevuto, agevola l’annullamento delle interferenze dovute a trasmissioni dirette ad altri
UEs. Essa potrebbe essere coerente o non coerente. Le stazioni base che trasmettono
contemporaneamente a quella mobile sono raggruppati in clauster (o gruppi celle i quali si
dividono la banda radio dedicata in modo da ottenere che le celle adiacenti non trasmettano
con la stessa frequenza portante). Nell’approccio coerente la rete necessita di conoscere tutte
le informazioni relative allo stato del canale (CSI) in modo tale da poter combinare,
coerentemente, i segnali provenienti da punti di trasmissione differenti. Avendo conoscenza
di tutte le informazioni dei canali, aiuta ad eliminare le interferenze. La trasmissione non
coerente al contrario non ha alcuna informazione riguardo CSI, pertanto non è in grado di
elidere le interferenze.
4.2 Uplink CoMP
Uplink CoMP è una tecnica adottata da LTE-A che si differenzia dalle altre tecniche
convenzionali, in quanto, sfrutta l’interferenza tra le celle (ICI), in specie quelle di bordo, al
fine di migliorare la produttività in direzione uplink. L’interferenza rappresenta un problema
tipico negli utilizzi del sistema di comunicazione basato su wireless. E’ proprio la crescente
domanda di maggiore throughput, nonché, la presenza di interferenze comportate
dall’utilizzo di tecniche convenzionali, che ha favorito uno studio profondo della tecnica
CoMP, la quale si fonda su un coordinamento multipunto per migliorare il throughput delle
celle di bordo. Così come per il downlink, anche l’uplink prevede una trasmissione multipla
ed una ricezione del segnale trasmesso da più antenne geograficamente separate. Le due
principali tecniche utilizzate in uplink CoMP sono: scheduling coordinato (CS) e ricezione
congiunta (JR).
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4.2.1 Scheduling coordinato
Ugualmente a downlink CS /CB, lo scheduling coordinato uplink determina un clauster
cellulare coordinato che serve un determinato UE per ottenere un throughput di cella
maggiore. Le decisioni pre-codifica sono effettuate tra più siti di ricezione per ridurre
l’interferenza. Il carico della rete backhaul2 risulta ridotto, in quanto, devono essere
condivise solo, necessariamente, informazioni relative allo stato del canale ed alle risorse.
4.2.2 Ricezione congiunta.
La ricezione congiunta (JR) prevede che i segnali trasmessi dal terminale utente siano
ricevuti in più punti riceventi (receiving point) ed elaborati, contemporaneamente, per
ottenere il risultato finale. Allo scopo di eliminare le interferenze e migliorare le prestazioni,
si utilizza un collegamento backhaul in modo da consentire lo scambio di dati che, se
elaborati prima dello scambio, riducono il carico. Campioni di banda quantizzati
trasmettono informazioni più complete ma aumentano il carico di backhual. Lavorare i
segnali prima dell’invio aiuta a ridurre il carico. C’è pertanto un trade-off tra il guadagno
CoMP ed il backhaul.
.
2 Il backhaul, porzione di rete usata come mezzo di trasporto per l’accesso della rete radiomobile (RAN), utilizzato per realizzare la
tecnica CoMP comporta latenze in quanto non ideale. Ne consegue, pertanto, la necessità di sviluppare per sistemi futuri schemi che
consentano di limitare le latenze dovute al backhaul ed al contempo sfruttare le ottime prestazioni ottenuti mediante l’uso di CoMP.
22
Capitolo 5: Relay
Gli utenti, compresi quelli delle celle bordo, si attendono un alto data-rate. Necessaria,
pertanto, è una distribuzione efficiente in termini di capacità in tutta la cella. In architetture
convenzionali, per garantire ottime prestazioni, si potrebbe pensare di replicare gli eNobeB.
Questa scelta, tuttavia, potrebbe risultare infruttuosa, dati i costi elevati dovuti al fatto che
gli eNodeB richiedono fibra per accedere all’infrastruttura backbone; inoltre, non meno
importante è tener presente che questa rappresenterebbe una scelta complessa. LTE-
Advanced introduce, mediante, l’utilizzo di relay, wireless multi-hopping al fine di utilizzare
risorse radio OFDM in modo più efficiente. Questa scelta risulta essere più vantaggiosa in
quanto, in primo luogo i relay hanno costi non elevati; in secondo luogo presentano meno
funzionalità, e ciò contribuisce, dunque, a semplificare il tutto. Da ciò si può desumere che
l’uso di relay rappresenta la scelta più economica per incrementare la copertura ed efficienza
delle celle. Un nodo relay (RN) si interpone tra l’UE ed eNB. Esso è pertanto visto dall’UE
come una stazione base, mentre rappresenta dal punto di vista dell’eNB, un UE. Presenta
entrambe le funzionalità: infatti, da un lato, riceve informazioni in modalità wireless e,
dall’altro, le trasferisce in ugual modo al donatore eNB (DeNB) attraverso un’interfaccia
Un, nonché all’UE stesso, attraverso, l’interfaccia Uu. I nodi relay, a differenza di ripetitori
che non fanno altro che amplificare ed inoltrare la forma d’onda d’ingresso, decodificano ed
inoltrano il segnale ricevuto.
5.1 Vantaggi
Il 3gpp ha individuato ulteriori vantaggi, oltre quelli già enunciati nel paragrafo precedente,
che deriverebbero dall’introduzione del relay:
Copertura in nuove aree: i relay, a differenza di link bakhaul, che in alcuni casi possono non
essere disponibili o non utilizzati poiché comportano costi elevati, possono essere impiegati
in più aree.
23
Inoltre il relay, come si evince dalla figura sottostante, raggiunge più luoghi con meno
problemi rispetto all‘eNB. In particolare, ciò avviene nei casi a e b in cui ci sono aree con
forti effetti di ombreggiamento.
Implementazione di rete temporanea: gli RNs possono essere distribuiti e rimossi con molta
semplicità ed in tempi rapidi. Ne consegue, pertanto, che essi possono essere utilizzati per
estendere una rete temporanea.
Throughput cella di bordo: se si impiega RN in prossimità delle celle di bordo il throughput
può essere migliorato. Facendo sempre riferimento alla fig., è possibile riscontrare questo
vantaggio nel caso c.
Maggiore velocità di trasmissione dei dati: gli RN possono contribuire a migliorare la
qualità del segnale fornito ad UE, se posizionati in prossimità di aree con bassi livelli di
segnale. Un esempio pratico di tale impiego lo si evince nel caso d, in cui si usa il relay per
servire aree sotterranee, nonché, quello in cui, invece, migliora la potenza del segnale in
ambienti coperti.
Mobilità di gruppo: nei casi in cui più UEs si muovono in gruppo (ad esempio in un treno),
un relay collocato in quelle prossimità migliora le prestazioni in termini di mobilità.
5.2 Tipi di relay
Per lungo tempo sono stati oggetto di studio diversi tipi di relay. In particolare, sono stati
selezionati alcuni schemi da inserire in LTE. Il 3gpp ha considerato, dettagliatamente, due
principali tipi di nodi relay che ha definito relay di tipo 1 e tipo 2.
Il relay di tipo 1 presenta le seguenti caratteristiche:
- le risorse utilizzate per il collegamento backhaul al DeNB sono le stesse utilizzate per
comunicare con gli UEs. ( relay intraband).
- ogni cella possiede un proprio id fisico, simboli di riferimento ecc. Le celle degli UE sono
differenti da quelle della DeNB
24
I backhaul e i link di accesso, utilizzati per le trasmissioni, interferiscono l’uno con l’altro.
Un RN di tipo 1, al fine di evitare questa interferenza, usufruisce di differenti intervalli di
tempo per ogni trasmissione. Pertanto, è un relay half-duplex, che in quanto tale comporta
prestazioni ridotte. Per ovviare a tale problema, la 3ggp ha introdotto ulteriori tipi di relay
relativi a RN1 denominati: tipo 1a ed 1b. Questi, presentano le stesse caratteristiche di RN1
eccezion fatta per quelle quelle riguardanti il backhaul. Più dettagliatamente, il backhaul di
tipo 1a opera fuori banda, mentre, quello di tipo 1b, opera in banda con un adeguato
isolamento tra collegamenti di accesso e backhaul. Entrambi consentono il funzionamento
full-duplex. RN di tipo 2 presenta, invece, le seguenti caratteristiche:
- non crea celle proprie, pertanto, non ha una fisica cella id;
- le UEs non sono al corrente della presenza di un RN di tipo 2;
Tra tutti i relay, precedentemente menzionati, il 3GGP ha optato per quello di tipo 1 e quello
di tipo 1a come parte di LTE-Advanced. Considerando un’architettura di rete con una
configurazione di livello di due-hop, è facile evincere che, gli utenti siano in circostanze più
vantaggiose in simili trasmissioni, poiché collegati ai soli nodi relay. Non devono, dunque,
affrontare direttamente la DeNB. I nodi RN non possono ricevere e trasmettere
contemporaneamente utilizzando la stessa frequenza in virtù del fatto che, ciò
comporterebbe intense interferenze. Il 3gpp, per far fronte a questo problema, ha effettuato
un multiplexing temporale sia in trasmissioni downlink che in uplink, consentendo, dunque,
di inviare e trasmettere, secondo un sistema alternato, segnali differenti su un percorso
condiviso, avvalendosi di interruttori sincronizzati.
Affinché il multiplexing abbia impatti minimi sulla struttura LTE, si è deciso di optare per il
frame MBSFN (multicast/ broadcast isofrequenza) in link di accesso durante la
comunicazione tra RN e DeNB.
Nel caso FDD l’accesso ed il bakchaul utilizzano risorse di frequenza differenti e tempi
sovrapposti. In particolare: RN comunica con eNB utilizzando bande di frequenza DL. Nelle
trasmissioni eNB-to-RN si usano bande di frequenza UL. Nel caso TDD l’accesso ed il
bakchaul hanno piena disponibilità di spettro, ma, la separazione, avviene nel dominio del
tempo in comunicazioni eNB-to-RN di subframe DL. Nelle trasmissioni RN-To-eNB si
usano subframe UL. Il backhaul è supportato per entrambe le configurazioni FDD e TDD.
Allo scopo di facilitare l’assegnazione delle risorse, il 3GPP ha introdotto nuovi canali di
dati e controlli. Nel nuovo canale di controllo fisico (R-PDCCH) assegna risorse per il
canale fisico di dati backhaul per il downlink (R-PDSCH) ed uplink ( R-PUSCH).
25
5.3 Architettura relay
Di facile intuizione è che, l’introduzione di un relay nel LTE-Advanced, ha determinato
diversi cambiamenti, non solo relativi all’accesso radio, ma in generale a tutta la rete. Il
3gpp ha studiato due differenti architetture relative a rete di accesso radio e core network:
Architettura A e B. Nel tipo di architettura A, sia il piano utente che quello di controllo
dell’interfaccia S1, terminano in RN. All’interno di questa architettura ci si è dedicati allo
studio di tre alternative: ALT1, ALT2 ed ALT3. Esse differiscono l’un l’altra per le
funzionalità attribuite al DeNB per supportare RNs. Nel tipo di architettura B, il DeNB
termina le connessioni S1 verso EPC. La RN al resto della rete sembra un’ulteriore cella
sotto il controllo del DeNB. Pertanto si è aggiunta un’alternativa ALT4. Il 3gpp tra le tante
ha scelto l‘alternativa 2 che è rappresentata nella figura sottostante. Dalla figura si evince
che, il DeNB fornisce funzionalità proxy alle interfacce S1 ed X1 tra il resto della rete ed
RN, lasciando poi a quest’ultimo, la terminazione di tali interfacce. Per l‘interfaccia X2
l’RN vede il DeNB come ENB. Analogamente, nell’interfaccia S1-U, RN vede il DeNB
come S-HW. Invece per l’interfaccia S1-MME il DeNB è visto dalla RN come MME.
5.4 Stack di protocollo
L’idea portante su cui si fonda la struttura che utilizza il relay è che gli elementi della CN e
RAN considerano il DeNB come eNB, al quale si attacca l’UE. Conseguenza di ciò è che, il
traffico diretto all’UE è inviato al DeNB, il quale, lo mappa al portatore radio competente
consentendo pertanto di raggiungere il RN.
In figura si illustra lo stack di protocollo per piano utente con l’introduzione del relay. Per
ogni portatore UE EPS vi è un unico tunnel GTP tra DeNB e il S-GW (per S1-U), e tra il
DeNB e altri eNBs (per X2). Il DeNB mappa ogni tunnel GTP ad uno diverso che va dalla
DeNB ad RN.
26
Nella figura si mostra lo stack di protocollo del piano di controllo. Tra RN e DeNB vi è una
singola interfaccia S1 ed una X2. Analogamente vi è una singola relazione tra DeNb ed
MME. Si potrebbero verificare relazioni X2 tra DeNB e gli altri eNBs. Per gli UE dedicati
S1-AP e X2-AP i messaggi vengono elaborati e trasmessi dal DeNB tra RN ed MME (per
S1-AP) e tra RN ed eNBs (per X2-AP). Per gli Ue-non dedicati S1-AP e X2-AP sono gestiti
dal DeNB. Il messaggio può pertanto essere gestito localmente tra DeNB ed RN, tra DeNB
ed MME (per S1-AP) o tra DeNB ed altri eNBs (X2-AP). Così come per il piano utente, i
messaggi sono mappati tramite l’interfaccia Un. Per effettuare una connessione tra RN e
DeNB, l’RN impiega gli stessi protocolli che gli UEs utiizzano per comunicare con eNB.
Particolare attenzione merita lo studio della sicurezza di questi sistemi in seguito all’impatto
di queste nuove tecniche. Da quanto affermato fino a questo momento, è semplice dedurre
che, un qualsiasi RN gode di accesso illimitato al core network dell’operatore. Ne consegue
che se, un attaccante riuscisse ad impersonificare un RN, creerebbe elevati rischi. Per far
fronte a tale minaccia si è deciso che, il legame tra un RN ed USIM sia uno-a-uno. Il legame
può essere ottenuto, mediante, l’utilizzo di Pre-shared key (PSK) o l’uso di certificati
digitali. Entrambi sono fonti di importanti vantaggi, in quanto il primo, non richiede
27
un’infrastruttura con chiave pubblica (PKI) e le procedure risultano essere più semplici. Il
secondo, invece, consente una distribuzione molto più flessibile.
5.5 Relay Mobile
Il relay mobile (MR) fa riferimento alla distribuzione di relay in sistemi di trasporto ad alta
velocità, quali ad esempio i treni. In tale situazione si presenta uno scenario caratterizzato
dalla presenza di: alta velocità; UEs stazionari o in movimento rispetto al treno. Una siffatta
situazione comporta diversi svantaggi rappresentati dall’aumento di consumo di potenza,
tassi di successo di handover minori, effetti Doppler causati dalla velocità elevata. Per
ovviare a questi problemi, l’idea è quella di installare un dispositivo sul treno in modo tale
da garantire una connessione backahul wireless (mediante antenna esterna) agli eNBs ed
accesso wireless agli utenti (mediante antenna interna). Diretta conseguenza di quanto
appena esposto è che, gli utenti riescono ad avere una connessione continua dal MR, il quale
provvede a gestire tutti i passaggi di consegna al DeNB. L’innovazione apportata nel mobile
relay, fondato, comunque, sul relay di base, sta nel consentire efficaci transazioni tra i
DeNBs. Al raggiungimento di tale obiettivo, il 3GPP ha proposto tre architetture di base che
si differenziano per il punto scelto per posizionare l’ancora di mobilità. Da sottolineare è che
un importante fattore che, si è avuto modo di riscontrare, è la compatibilità di MRNs con
RN fissi. Tuttavia, sono ancora in corso studi volti ad individuare quale sia l’architettura più
appropriata per il mobile relay.
5.6 Posizionamento Relay
Il relay, da quanto affermato finora, risulta essere un ottimo mezzo, attraverso il quale, poter
estendere la copertura e migliorare il throughput a costi vantaggiosi. Uno degli aspetti
rilevanti concerne la scelta di allocazione, in quanto, la giusta scelta aumenta la possibilità di
ottenere miglioramenti. Ciò è possibile evincerlo dalla figura.
28
In questo caso, l’RN è servito dall’eNB più vicino (eNB1), mentre l’interferenza è
rappresentata da eNB2.
Si può facilmente notare che alcuni collegamenti tra gli eNB ed i relays risultano essere
colpiti da ombre di dissolvenza, a causa della presenza di un ostacolo, rappresentato nel caso
specifico dall’edificio. Questo semplice esempio chiarisce quanto una corretta scelta della
posizione di RN, possa comportare collegamenti molto più proficui rispetto ad un
posizionamento random degli stessi. In particolare RN1 ed RN4 hanno una migliore qualità
del segnale, ma per ottimizzare il SINR, è possibile selezionare una posizione RN
caratterizzata da ombra relativa all’eNB2 che potrebbe interferire. Ancor meglio se si
riuscissero ad unire questi due approcci, ed in particolare dalla figura, si evince che, il nodo
relay 4, risulta essere rappresentanza di quanto detto. Esso, infatti, presenta un collegamento
diretto con eNB, e si scherma dalle interferenza dell’eNB2 grazie alla presenza dell’edificio.
29
Capitolo 6: Reti eterogenee
La necessità di garantire una maggiore capacità del sistema, ha portato LTE-Advanced ad
inserire, in un luogo in cui vi sono eNb omogenei tra loro, altri dissimili da quelli già
esistenti. Lo scopo è quello di realizzare celle con raggio di copertura differente. In realtà
diretta conseguenza di quanto detto, è stata la formazione di diversi tipi di celle con
potenzialità decrescenti (basti pensare ad es. a picocelle, macrocelle, femtocelle ecc.)
utilizzate in ambienti differenti. Questa rete che è composta da diversi strati di celle prende
il nome di rete eterogenea (HetNet). Essa rappresenta solo una particolare strategia di
distribuzione volta ad aumentare le capacità dell’intero sistema. Infatti, la rete si compone di
diverse aree tra cui distinguiamo: eNb macro ed Enb pico. In particolare le prime
trasmettono con potenza maggiore rispetto agli altri nodi della e-UTRAN; i secondi, dotati
di potenza minore, sono impiegati, semplicemente, per coprire anche quelle aree non coperte
in eNb macro. Risulta doveroso chiedersi quale fosse il vantaggio di una siffatta strategia.
La risposta sta nel fatto che ci si garantisce, in tal modo, la possibilità di distribuire in
maniera più conveniente il carico sulla cella. Ciò accade se la decisione di handover è presa
combinando le potenze ricevute dai vari eNB, sia in downlink che in uplink, e non solo sul
downlink (così come avviene in una rete eterogenea). Questo risulta necessario perché,
altrimenti, non farebbe altro che restringere automaticamente l’associazione alla stazione
che emette maggior potenza. Per raggiungere tale obiettivo sono state messe in atto varie
sfide tra cui si ricorda: associazioni celle, gestione delle interferenze tra le celle, problemi di
mobilità.
6.1 Associazioni delle celle
Nel caso in cui la rete prevede una distribuzione omogenea delle celle non risulta
particolarmente complesso assegnare una stazione base ad utenti, in quanto, si assegna a
quest’ultimo la stazione di base con la potenza di segnale di downlink maggiore. Nel caso in
30
cui si presentano situazioni eterogenee, risulta molto più complesso effettuare tali
associazioni, in virtù del fatto che ciò dipende da diversi fattori del sistema. Se si necessita
di aumentare la velocità relativa ad uplink, allora si opta per il collegamento ad una base con
perdita di percorso minima. Se invece si volesse aumentare la capacità della rete, risulterà
doveroso, in caso di carico elevato, assegnare utenti a piccole stazioni di base. Molti altri
fattori determinano le associazioni delle celle agli utenti, tutto ancora oggetto di studio.
6.2 Eliminare interferenza tra le celle
Gran parte delle politiche di associazione delle celle, possono determinare un aumento
dell’interferenza. Questo in virtù del fatto che, qualsiasi tipo di associazione che non sia
basata sulla potenza del segnale ricevuto in downlink, si traduce, quasi sempre, in
interferenza che incide sulle prestazioni, provocata dalla stazione di base che presenta il
segnale più alto. Dalla fig. si evince che nello scenario a l’UE1 è collegato ad eNB, ma
riceve interferenza da SC1. In quello b UE2 è collegato alla eNB e provoca interferenza a
SC2. In quello c UE3 è collegato a SC3 ma riceve interferenza da SC2.
Per superare l’interferenza tra le celle (ICI), sono stati proposti vari metodi di cancellazione
ICI. Tra i tanti, quello oggetto di maggior utilizzo, prevede l’impiego di diverse frequenze in
diversi strati. È semplice dedurre, però, che questo aiuta a mitigare tale problema
richiedendo, al tempo stesso, l’utilizzo di più risorse di frequenza.
Con i miglioramenti apportati dalle Rel-10 e Rel-11 in livello fisico, sono stati sviluppati
metodi avanzati per ICIC classificati come: schemi basati sul dominio del tempo e schemi
basati sul dominio della frequenza.
31
6.2.1 schemi basati sul dominio del tempo
Lo schema ICIC basato sul dominio del tempo prevede di interrompere, periodicamente,
l’attività di trasmissione di tutti i subframe del nodo macro che comportano forti
interferenze su quelli pico. Ciò dà la possibilità, dunque, all’utente pico-eNB di essere
servito. Tale cambiamento, però, non è completo, in quanto, segnali di controllo sono
ugualmente inviati. Dal momento che questi canali non sono completamente vuoti,
prenderanno il nome di almost blank subframes (ABS). Il concetto di base dell’ABS è,
dunque, possedere dei subframe ausiliari in cui la stazione macro non può trasmettere. Ciò al
fine di consentire a quelle pico di avere trasmissioni affette da minor disturbo. Infatti, dalla
figura, è possibile notare che il subframe vittima deve essere servito durante il periodo
dell’ABS, mentre il resto dei segnali, che non subiscono alcuna interferenza, possono anche
essere serviti in un non-ABS subframe.
Lo schema basato sul dominio del tempo prevede, inoltre, che i vari strati di celle si
scambino informazioni relative agli ABS. Ciò può essere ottenuto mediante l’interfaccia
X2.
6.2.2 Schemi basati sul dominio della frequenza
Tra tutti, il principale metodo utilizzato da LTE-Advanced per ridurre interferenza in schemi
basati su domino della frequenza è il carrier aggregation. Siffatto sistema consente di poter
utilizzare vettori separati per dati e controllo. L’interferenza in downlink è, così, attenuata.
La figura mostra l’applicazione di tale schema. L’obiettivo è dividere lo spettro disponibile
in due vettori differenti: vettore componente primario f1 e vettore componente secondario
f2. In particolare, come si evince in figura, nel caso macrocella solo f1 consente
32
informazioni di controllo; al tempo stesso sia f1 che f2 consentono di comunicare dati.
Viceversa nel caso picocella, f2 contiene informazioni per il controllo mentre f1 ed f2
trasmettono dati. Tale tecnica è impiegata per minimizzare le interferenze. Tuttavia anche in
questo caso è necessaria una temporizzazione.
6.3 Gestione della mobilità
Una robusta mobilità della rete hetnet rappresenta, sicuramente, una sfida molto più
complessa rispetto ad una rete omogenea. Si può facilmente immaginare che, in queste reti,
le prestazioni di mobilità mostrano alti tassi di fallimento handover causati da fattori
differenti. Uno dei fattori più importanti è quello di tener conto, oltre alla contabilizzazione
per parametri, anche delle caratteristiche della rete. Inoltre risulta particolarmente
importante, riuscire a trovare piccole celle su diversi vettori per consentire il traffico anche
alle picocelle, riducendo, di conseguenza, il sistema complessivo. Dato che in reti
eterogenee si verificano più hop, sarà necessario sviluppare procedure di recupero più
robuste. Di conseguenza, possiamo dire che, primaria necessità, sarà quella di soddisfare
obiettivi volti a migliorare la mobilità. Essi sono: identificazione e valutazione delle
prestazioni di mobilità utilizzando schemi ICIC avanzati; definire miglioramenti con
aggregazione carrier; identificare e valutare piccole celle; identificare meccanismi di
recupero avanzati.
6.3.1 Miglioramento della scoperta/identificazione piccola cella
Come quanto detto in precedenza, lo scenario tipico di una rete eterogenea è caratterizzato
da strati di celle differenti con frequenze portanti diverse. L’utente effettua delle misurazioni
di frequenza in vettori che sono destinati all’utilizzo di piccole celle. Risulterà ottimo il
33
meccanismo che prevede di minimizzare i consumi di energia durante tali misurazioni, o
meglio minimizzare le interruzioni dovute alla misurazioni. Nonostante tutto si è potuto
dimostrare che le misurazioni inter-frequenza aumentano solo il consumo della batteria ma
non i guadagni offload. Si sono proposti, pertanto, ulteriori miglioramenti.
Configurazione inter-frequenza relaxed: lo scopo è quello di salvare la batteria, operando
con misurazioni poco performanti.
Misurazione basata su scoperta di piccole celle: le macrocelle usano i segnali che ricercano
celle intra-frequenza e le misurano.
Piccole celle basate sul controllo di misurazione: se gli utenti rilevano un piccolo segnale di
cella con forza sufficiente, non effettuano ulteriori misurazioni.
6.4 Associazione cellulare ed annullamenti di interferenze tra le celle
L’introduzione di piccole celle, allo scopo di aumentare il numero di utenti serviti, richiede
l’aumento di area servita dalla cella stessa. Diretta conseguenza di ciò è, necessariamente,
un aumento di interferenze tra le celle.
Sia lo schema ICIC basato sul dominio del tempo e sia quello sulla frequenza prevedono di
sincronizzare le stazioni di base sovrapposte. Al fine di ridurre al minimo la quantità di
segnalazione che gli eNBs sovrapposti si inviano, sono stati proposti nuovi modelli ICIC. In
un ambiente omogeneo, scegliere quali utenti devono essere collegati ad una stazione di
base risulta essere un problema semplice selezionando il SINR più alto. In reti eterogenee,
basarsi su di un approccio simile significherebbe sottoutilizzare le piccole celle, poiché
comporterebbe un numero molto basso di utenti ad esse collegate. Nel caso in cui l’accesso
ad Internet è effettuato mediante approcci beamforming che richiedono informazioni sullo
stato del canale, la perdita di velocità di scambio dati è dovuta ad un feedback limitato ed
informazioni ristrette sull‘allocazione della larghezza di banda per scambiare informazioni.
Tuttavia, risulterà necessaria un’unione tra le interferenze, le celle e le associazioni delle
stesse poiché alcune soluzioni riguardanti le associazioni (come ad esempio l’introduzione
di un fattore di polarizzazione) sebbene comportino molti vantaggi in riferimento alla
produttività, indirettamente presentano maggiore probabilità di interferenze.
34
6.5 Gestione della mobilità
A causa della variazione della qualità di collegamento backhaul che può portare ad una
congestione della rete, sono stati proposti nuovi schemi di handover. Si è, infatti, ipotizzato
un sistema con una base di ancoraggio locale per piccole celle. Tuttavia,queste sono ancora
oggi in fase di studio. Inoltre è doveroso studiare ed assegnare in modo sagace il routing di
paging a poche celle piccole selezionate in modo da evitare continui aggiornamenti dovuti a
copertura ridotta o mancanza di restrizione sul carico di segnalazione. Una soluzione
proposta in tale ambito è per l’appunto un ancoraggio locale che tiene traccia della posizione
degli utenti.
35
Capitolo 7: Reti auto-organizzate
Le tecnologie cellulari sono al giorno d’oggi sempre più complesse. Necessaria risulta
essere una pianificazione di rete facilitata. E’ in questo scenario che prende forma, si
sviluppa e cresce di interesse il concetto di reti auto-organizzate (SON). L’indice
percentuale di comunicazione cellulare si presenta in notevole aumento. L’utilizzo crescente
di dati rende la pianificazione e manutenzione della rete molto più complesse da effettuare
paragonata a quelle effettuate nei primi tempi di utilizzo di comunicazioni mobili. Le reti
auto-organizzate sono state introdotte per semplificare la gestione, garantire l’ottimizzazione
delle reti di comunicazione mobile, delle prestazioni, la riduzione di spese ottimizzando, al
tempo stesso, le risorse disponibili. LTE ed LTE-Advanced sono state le prime tecnologie
che hanno tratto vantaggio da tali SON. Il concetto di reti auto-organizzanti (SON) è stato
introdotto nel Rel-8 con lo scopo di automatizzare i processi in rete. Esso ha comportato una
pluralità di vantaggi. Astrattamente una stazione di base che va ad inserirsi in una rete
esistente configurandosi automaticamente (operazioni prima fatte manualmente) riduce i
costi operativi, in quanto diminuisce il coinvolgimento manuale nell’esecuzione dei
processi. Le stazioni di base inoltre adattano i parametri in risposta al loro carico e questo
consente alla rete di agire rapidamente.
Le soluzioni SON possono essere divisi in tre categorie: auto-configurazione; auto-
ottimizzazione; auto-guarigione.
Auto-configurazione: configurazione automatica dei parametri è una configurazione del tipo
plug-and-play (auto-configurazione) dell’eNBs. Una configurazione denominata DRC
(dinamic radio configuration) consente alla stazione di base di adattarsi dinamicamente alla
tipologia di rete corrente. Esso sarà in grado di configurare da solo frequenza di trasmissione
e potenza. Le interfacce S1 e X2, l’indirizzo IP e la connessione all’IP backhaul sono
configurati dinamicamente. Tutto ciò allo scopo di ridurre il lavoro manuale. Quando una
stazione di base è posizionata in un luogo è previsto che vi siano apportate modifiche per
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ottimizzare le prestazioni. Tuttavia risulta possibile che i parametri stimati siano ben diversi
da quelli misurati realmente. Ne consegue, dunque, che l’utilizzo di questa configurazione
aiuta, non solo a risparmiare tempo, ma al tempo stesso a ridurre eventuali errori.
- ANR: una delle principali attività di manodopera per gli operatori consiste nell’aggiornare
continuamente i rapporti di vicinato al fine di facilitare passaggi di consegne, evitando
pertanto cadute di chiamate causate da scorrette informazioni. A tal proposito è utilizzato
ANR (scoperta di rapporti di vicinato) che crea la lista dei vicini eNBs. La configurazione
dinamica prevede la configurazione di identità fisica della cella (PCI). Sono disponibili per
LTE 504 id fisici che possono essere assegnati in modo centralizzato o distribuito. Se si
utilizza un’assegnazione centralizzata l’OAM possiederà una conoscenza e un controllo
completo dei PCI; se invece è distribuita, essa assegna all’eNB una lista di possibili PIC.
ANR aiuta a ridurre il lavoro richiesto per la configurazione, in particolare una lista di vicini
corretta ed aggiornata riduce il numero di chiamate cadute e contribuisce ad aumentare il
numero di consegne corrette.
Auto-ottimizzazione: Quando un utente aggancia una cella, bisogna garantire che essa operi
con la massima efficienza. Le tecniche di auto-ottimizzazione richiedono un’analisi delle
prestazioni e la conseguente modifica di funzionamento per ottimizzare le consegne, la
capacità, la copertura. Ciò al fine di soddisfare al meglio i bisogni dell’utente. In un
ambiente si possono verificare diversi cambiamenti, ed è in tali circostanze che risulta
opportuna l’applicazione della auto-ottimizzazione. I fattori di cambiamento possono essere
molteplici. Cambiamenti in termini di caratteristiche di propagazione (riscontrabili ad
esempio in movimento, quando si modificano gli edifici, si sale o scende ecc.), potrebbero
modificarsi i modelli di traffico (poiché ci si potrebbe trovare in luoghi con maggiore
concentrazione di utenti, quali ad esempio scuole, luoghi di vacanza), o ancora ci potrebbero
essere variazioni di distribuzioni dovute ad inserimenti di nuove stazioni di base che
potrebbero influenzare quelle già esistenti. Alla luce di quanto affermato, è di semplice
intuizione la necessità di diverse funzionalità per ottimizzare il tutto. Tra esse si ricorda: il
bilanciamento del carico di mobilità; l’ottimizzazione della robustezza in mobilità; il
risparmio energetico. Diversi fattori potrebbero influenzare l’ottimizzazione della
robustezza in mobilità. Tra questi merita menzione la presenza di handover inutili, che
comportano numerosi ed inutili salti causando un effetto ping-pong tra due celle,
aumentando il tempo di consegna ed il rischio di cadute di chiamata. Si dovrebbe pertanto
ottimizzare il bordo delle celle per comprendere meglio dove si verificano questi problemi,
37
migliorare, così, la capacità di misura delle auto-ottimizzazioni per prendere decisioni più
accurate.
Con l’aumento esponenziale di utilizzo di dati è possibile poter verificare in una rete le celle
caricate maggiormente rispetto ad altre. La gestione del traffico è un elemento chiave della
categoria SON auto-ottimizzazione. Il bilanciamenti di carico di mobilità (MLB) è una
funzione che, per l’appunto, consente alle celle che sono affette da sovraccarico di trasferire
il carico ad altre celle. Periodicamente, si effettuano segnalazioni che contengono
informazioni sullo stato delle risorse. Al fine di garantire una ottimizzazione della
distribuzione del carico necessario sarà il bilanciamento handover. E’ possibile, però,
imbattersi nuovamente in celle congestionate. Affinché ciò non accada può essere necessario
modificare i parametri in entrambe le celle per lasciare inalterate le impostazioni di
handover. Per evitare ciò gli eNbs devono valutare quanto spostare il bordo della cella.
Per quanto concerne l’aspetto relativo al risparmio energetico, motivato dalla necessità di
ridurre emissione di anidride carbonica ed ottenere risparmi in termini di costi, la SON auto-
ottimizzazione si è posta l’obiettivo di attuare strategie che consentano di soddisfare tale
requisito. Tra le tante soluzioni offerte, si è proposto di ridurre il numero di vettori, utilizzati
per soddisfare i requisiti in termini di capacità di dati, nei tempi non di punta. Analogamente
si cerca di aumentare la modalità sleep di stazioni di base in fasce notturne (o in determinati
periodi) in cui il numero di utenti risulta essere molto inferiore rispetto a quello del giorno,
garantendo ugualmente un’ottima copertura di rete.
Auto-guarigione: In una rete cellulare ampia e soprattutto complessa, come quella
analizzata, non è difficile (anzi risulterò quanto mai semplice) imbattersi in errori, molti dei
quali possono essere notati anche dagli utenti. In un simile scenario risulta fondamentale la
presenza di un’auto-guarigione che consenta di garantire il corretto funzionamento. Diverse
sono le aree trattate dalle reti di auto-guarigione: possibilità di poter recuperare il software in
modo da tornare automaticamente alla versione precedente senza imbattersi in problemi;
possibilità di rilevare a distanza un problema con una particolare cella. Uno degli aspetti
importanti dell’auto-guarigione consiste nell’individuare e gestire la degradazione cellulare:
cioè rilevare guasti e correggerli. Quando è rilevato un fallimento, questo è immediatamente
segnalato alla centrale operativa.
7.1 La ricerca
La rel-12 è incentrata sul miglioramento dell’amministrazione della rete. Nella maggior
parte dei casi gli operatori cercano di ottenere più obiettivi contemporaneamente che, però,
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il più delle volte, entrano in conflitto l’uno con l’altro. Esempio pratico di quanto appena
detto è, come accennato nel paragrafo precedente, la scelta di spegnere gli eNBs per il
risparmio energetico. Questa scelta entra in conflitto con l’obiettivo di aumentare la capacità
complessiva della rete proprio perché in tal modo altro non si fa che ridurla. Un altro fattore
importante è che la funzionalità SON non deve essere limitata al solo LTE-Advanced in
quanto i benefici che essa offre non possono essere raggiunti in virtù della rigidità delle loro
reti esistenti. Pertanto le funzioni SON devono essere estese per migliorare non solo LTE-
Advanced, ma anche le reti legacy (GSM, UMTS, HSPA, WIMAX).
E’ inoltro doveroso ricordare che le funzioni SON possono essere eseguite in tempi e luoghi
diversi a causa dei diversi obiettivi degli operatori che possono concernere tanto lo spazio
che il tempo. L’obiettivo della SON non è ottenuto mediante l’utilizzo di una sola
tecnologia, bensì attraverso l’unione di caratteristiche delle varie tecnologie fino a questo
momento trattate, quali: carrier aggregation, relay etc.
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Capitolo 8: Comunicazione MTC
In un ambiente caratterizzato da una grande presenza di utenti ed una rapida tendenza ad
automatizzazione si inserisce il concetto di machine-type comunication (MTC) o Machine-
to–machine (M2M), che va in netto contrasto col tradizionale tipo di comunicazione
progettato per le reti 3g HTC (human type comunication).
La comunicazione MTC non si fonda su una interazione dell’uomo; ma prevede che le
macchine comunichino automaticamente tra loro. Ciò non esclude la possibilità di far
coesistere entrambe le comunicazioni. L’apparecchiatura utente MTC consiste nel
trascorrere la maggior parte del tempo in modalità off ed attivarsi solo in caso in cui si
debbano inviare dati. La rete LTE supporta MTC attraverso un accesso random (RA).
Pertanto, è previsto che le apparecchiature utente HMT ricevano in primis la possibilità di
effettuare una connessione per trasmettere dati alla stazione base, per converso a quella
MTC è consentito opportunisticamente mediante accesso casuale.
I dispositivi MTC risultano ulteriormente vantaggiosi poiché consentono di selezionare la
eNodeB per la trasmissione di dati ed inoltre sono in grado di aggregarsi per contribuire a
ridurre il sovraccarico della rete ed effettuare trasmissioni relay, con l’unico scopo di
migliorare le prestazioni e ridurre il consumo energetico. Un MTC UE cerca mediante
accesso casuale di collegarsi all’ eNB. Mentre attende che ciò sia possibile passa ad una
modalità inattiva. Se i pacchetti in coda alla stazione raggiungono una certa soglia, ritorna in
modalità attiva per ridurre il sovraccarico della rete. In un ambiente caratterizzato da celle
eterogenee è possibile migliorare le prestazioni affidando le piccole celle al dispositivo
MTC. Ed inoltre quest’ultimi possono coalizzarsi e trasmettere riducendo il carico della rete
complessiva.
Dalla figura è possibile riscontrare la suddivisione effettuata dalla 3GPP in due scenari di
comunicazione M2M: la comunicazione tra MTC e uno o più server MTC; la
comunicazione tra più MTC senza alcun necessità di utilizzo di server MTC.
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I dispositivi possono aggregarsi formando gruppi e forniscono attività simili agli utenti per
consentire la comunicazione con la stazione di base. Il core network LTE-Advanced è
connesso ad un server MTC che è controllato da utenti MTC. Nel primo scenario un utente
MTC controlla più dispositivi MTC attraverso il server MTC. Ne consegue dunque che la
comunicazione avviene tra utente e server. Nel secondo, invece, i dispositivi comunicano tra
loro in modo diretto. Il 3gpp propone diverse sfide sia a livello di interfaccia che di rete. In
particolare nel caso LTE-A la presenza di MTC risulterebbe essere nell’ordine di milioni,
ognuna delle quali richiede una frazione di larghezza di banda al fine di effettuare una
trasmissione di dati. Ciò potrebbe comportare una riduzione di risorse disponibili per altri
dispositivi che necessitano di comunicazione ad alti tassi di dati. Oggetto di sfida del 3ggp
riguarda in particola modo migliorare il supporto MTC relativo all’interfaccia LTE-A.
8.1 Supporto interfaccia aerea per dispositivi MTC
Si ritiene che per ottenere i requisiti richiesti sia necessario migliorare l’interfaccia aerea. I
punti di lavoro sviluppati nella release 11 si classificano come segue.
- efficiente allocazione di risorse radio;
- risparmio energetico;
- Modelli di traffico per applicazioni MTC;
8.1.1 Allocazione di risorse radio
L’elevato numero di dispositivi MTC che attendono di accedere allo spettro radio sommato
agli utenti che lo utilizzano potrebbe comportare un sovraccarico, da cui deriverebbero
perdite di pacchetti, rallentamenti, e più in generale svantaggi relativi alle performances. Per
ovviare a tale problematica sono stati realizzati meccanismi che siano in grado di garantire
una consegna di dati garantita anche in relazione a carichi elevati di MTC.
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- Schema basato su Blocco di accesso di classe (ABC): questo schema è utilizzato per
eseguire il controllo di accesso per il canale RACH (random Access channel) per utenti e
dispositivi MTC. È composto da 16 classi di accesso (AC) scomposte come segue: classe 0-
9 utenti regolari, classe 10 chiamata di emergenza, classe 11-15 servizi ad alta priorità.
L’accesso casuale del dispositivo utente o MTC prevede che, definita con p la probabilità di
accesso e definito il tempo di blocco AC trasmessi da una stazione base appartenente alla
classe 0-9, e definito un valore locale q, la connessione avviene se q ≤ p. Se ciò non dovesse
verificarsi il dispositivo attende un tempo pari a quello di blocco prima di ritentare ad
instaurare una connessione. Impostando tali parametri si riesce a ridurre il rischio di
collisioni RACH. Si deduce inoltre che un valore basso di p comporta ritardi di accesso al
canale.
- Allocazione dinamica di risorse RACH: le risorse sono allocate dinamicamente in base al
carico sulla rete;
- Schema di accesso a slot: ogni dispositivo MTC, a cui è assegnato uno slot, accede solo
durante uno di questi.
8.1.2 Efficiente allocazione di risorse
Diversi fattori, tra cui limitazioni hardware dei dispositivi MTC, trasmissioni di piccole
quantità di dati, mettono in evidenza la crescente necessità di algoritmi che consentano di
gestire in modo efficiente le risorse radio. L’idea è quella di raggruppare i dispositivi MTC
in cluster a seconda delle loro caratteristiche. Pertanto, l’allocazione delle risorse è assegnata
sulla base delle caratteristiche dei vari cluster. Si contribuisce in tal modo a ridurre la
complessità.
8.1.3 Risparmio energetico
I sistemi LTE-A grazie alla ricezione discontinua e al funzionamento in modalità IDLE
consentono di ridurre il risparmio energetico dei dispositivi. Dobbiamo tuttavia sottolineare
che questa tecnica è, in realtà, progettata per dispositivi con comunicazione uomo-a-uomo e,
di conseguenza, non è ottimizzata per comunicazioni di tipo macchina-a-macchina (che,
comunque al pari di altri dispositivi possiede vincoli di energia di batteria). Considerando
che i dispositivi M2M generano traffico in modo meno frequente e essendo low-mobile
necessitano di poche informazioni di mobilità, sono stati studiati metodi per ridurne il
consumo. Una particolare strategia, particolarmente efficace, si fonda sull’idea di
incrementare il tempo in cui M2M passa allo stato di funzionamento a basso consumo, che
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in LTE simboleggia lo stato IDLE. Il risparmio energetico si può, così, ottenere portando a
limiti massimi la durata (DRX). Quest’ultima rappresenta il numero di fotogrammi
radiofonici nel ciclo paging per cui l’utente è in modalità sleep durante uno stato IDLE.E’
facile dedurre che il risparmio energetico si ottiene poiché l ‘utente impiega molto più tempo
prima di svegliarsi.
8.2 Controllo del sovraccarico
Gli approcci esistenti riguardanti il controllo del sovraccarico non sono idonei a risolvere
definitivamente la problematica del sovraccarico stesso, soprattutto con la presenza di
numerosi dispositivi MTC. Questi, al fine di ridurre la collisione, sono costretti ad attendere
lunghi tempi prima di accedere al canale. Tuttavia, numerosi sono gli studi a riguardo. Da
questi è possibile evincere che la cooperazione tra dispositivi eNB sembra essere un metodo
appropriato per ridurre i ritardi di accesso. In particolare, a tal proposito, è stata introdotta
una classe di accesso di avvicinamento ACB. In quest’ultima gli eNBs cooperano per
calcolare la probabilità di accesso vettoriale ⃗p.
Altro rilevante problema riguarda il caso in cui la sessione utente è di tipo mobile. Questo
perché l’ENB ignora la volontà delle apparecchiature utente di inviare i dati assegnandogli
un intervallo con conseguente aumento di attesa media.
8.2.1 Riduzione di segnalazione di mobilità per dispositivi low-mobili
Al fine di ridurre il consumo energetico è possibile introdurre una tecnica volta a limitare la
segnalazione ridondante come ad esempio quella relativa a continui aggiornamenti di utenti
low-mobile oppure le segnalazioni inviate durante lo stato IDLE per rilevare posizioni,
misurazioni dei vicini e quant’altro. I dispositivi LTE-A proprio per determinare la cella più
forte a cui potersi agganciare effettuano periodicamente misurazioni. Sicuramente in
presenza di un numero notevole di celle è facile indursi in un altrettanto numero elevato di
misurazioni che comportano uno spreco di batteria. Effettuare tutte le operazioni appena
elencate induce in un forte, quanto inutile spreco. Si necessita pertanto di soluzioni che
possano ridurre al minimo segnalazioni soprattutto per dispositivi poco mobili seppur
mantenendo compatibilità coi dispositivi legacy. Per ovviare a queste problematiche sono
stati introdotti stati di sospensione intermedia in grado di mantenere attiva la segnalazione
anche durante operazione di rimozione di ridondanza. In particolare sono stati introdotti due
nuovi stati oltre allo stato IDLE e stato CONNESSO per minimizzare la segnalazione
relativa alla mobilità.
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Capitolo 9: Device to device
Un’altra tecnologia chiave di LTE-A, inserita nella Rel-12, prevede la possibilità di una
comunicazione tra dispositivo e dispositivo senza la necessità di accedere alla rete. In realtà
bisogna ricordare che esistono già tecnologie che consentono di avere questo tipo di
comunicazione, basti pensare ad esempio al Bluetooth. Occorre tuttavia sottolineare che
quest’ultime non consentono di assicurare l’attività utente ed inoltre a differenza del D2D
impattano sulla rete poiché integrati al suo interno.
Gli utenti sono sempre più interessati ad applicazioni del tipo contex-aware, utilizzate per
soddisfare le esigenze sulla base del contesto in cui si trovano e, al tempo stesso, sono in
grado di modificare il loro comportamento ed informazioni offerte. Danno indicazioni
stradali, informazioni sul meteo: un esempio pratico è rappresentato dal tom tom plus. Vi è
la volontà di controllare dal proprio dispositivo cellulare il consumo senza sovraccaricare la
rete. Il D2D si inserisce in questo scenario come la possibilità di poter scaricare il traffico di
reti congestionate. Esso presenta alcune similitudini con la rete mobile. A differenza di
queste però D2D può richiedere un'assistenza limitata dalla rete sia per funzioni di controllo
che per comunicare. Il collegamento diretto tra UEs può essere stabilito su una varietà di
interfacce aeree incluso sia spettro con licenza che senza.
9.1 Selezione modo
I dispositivi D2D si sono sin da subito inseriti con grande preminenza nella rete. Tuttavia,
occorre ricordare che sono ancora oggetto di studio nel campo della ricerca. Tali dispositivi
possono operare in numerosi modi, basandosi sulla disponibilità delle risorse della rete. Se
manca la disponibilità delle risorse, i nodi possono rimanere in modalità silenziosa; oppure
possono trasmettere in modalità di utilizzo in cui lo spettro è condiviso con utenti; o ancora
in modalità dedicata che prevede la presenza di risorse dedicate per poter effettuare una
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comunicazione diretta; possono essere infine, anche, utilizzati in modalità cellulare
consentendo di inoltrare il traffico dati localmente attraverso gli eNBs.
9.2 Comunicazione di gruppo
Una seconda sfida riguardante la D2D prevede la possibilità di instaurare delle
comunicazioni di gruppo efficienti, in cui poter inserire un numero vario di dispositivi e
poter scegliere differenti approcci di comunicazione. Risulterà necessaria l’attivazione di
approcci di tipo uno-a-molti, molti-a-molti e stabilire come poter creare il gruppo. Si è
proposto l’utilizzo del clustering o di associazione utenti ma, in tali casi, sorge la
problematica riguardante la modalità con cui attivare la comunicazione.
9.3 Interferenze e gestione di risorse
Un altro aspetto rilevante prevede la possibilità di far coesistere il D2D con gli utenti
regolari in rete. Ne consegue che la sfida in atto per apportare miglioramenti prevede di
gestire le interferenze e le risorse al fine di non perturbare le qualità del servizio.
9.4 Comunicazione multi hop
Per aumentare l’efficienza delle risorse in comunicazioni D2D si potrebbe pensare di
trasformare ogni nodo intermedio in un relè al fine di consentire comunicazione multi-hop.
9.5 Altri aspetti della comunicazione
In conclusione è doveroso sottolineare ulteriori ricerche il cui scopo è risolvere
problematiche ancora incombenti, riguardanti in particolare procedure e servizi. Tra queste
però la più importante è la funzionalità relativa alla scoperta del prossimo che può essere
ulteriormente distinta in scoperta limitata e aperta a seconda se sia necessaria o meno
l’autorizzazione. Sono necessarie molte altre soluzioni a problemi quali classificare gli
scenari che si differenziano per area di copertura; la sicurezza; la garanzia di connessione tra
i dispositivi.
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Conclusioni
LTE, ed in particolare la sua evoluzione LTE-A hanno rappresentato una grandissima svolta
nell’ambito delle reti cellulari. Le caratteristiche richieste dall’ITUR sono state raggiunte a partire
dalla Rel-10 e col tempo, anche superate con grande soddisfazione. Il lavoro relativo a questa
tecnologia è, nonostante gli ottimi risultati ottenuti, ancora in corso ed è indirizzato in particolar
modo al miglioramento delle tecniche quali ad esempio MIMO, CoMP ma anche e soprattutto
quelle D2D, M2M volte ad aumentare la velocità di accesso ai dati per far fronte alle incessanti
richieste degli utenti di poter comunicare tramite dispositivo in mobilità e poter caricare in rete o
salvare contenuti più velocemente possibile. In questa tesi sono state illustrate le principali
innovazioni che LTE-A ha comportato sottolineando, quanto la linea di sviluppo sia incentrata sulla
ricerca di tecniche volte ad aumentare la velocità di trasmissione e ricezione. Per gli utenti LTE si
tradurrà in un utilizzo di nuovi servizi, per i venditori in un aumento di profitti.
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