LTE Long Term Evolution 3.9G – 4G · LTE Long Term Evolution 3.9G – 4G . UNIVERSITÀ DEGLI...

UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI CAGLIARI

Corso di Laurea Specialistica in Ingegneria delle Telecomunicazioni

Comunicazioni Mobili A.A. 2015-16

LTE

Long Term Evolution

3.9G – 4G




Introduzione Considerazioni - crescita complessiva negli ultimi 2 anni: 280% - già a dicembre 2009 è avvenuto il sorpasso del traffico dati rispetto al

traffico voce (140.000 Tbyte)

- Cisco Systems ha stimato una crescita anno su anno del 92% del traffico dati mobile globale tra il 2010 e il 2015 a 6.300.000 TByte al mese nel 2015

- nel 2010 il traffico mobile globale è cresciuto di 2,6 volte - gli smartphone rappresentano solo il 13% dei terminali radiomobili, ma

generano oltre il 78% del traffico - nel 2010 sono stati collegati alla rete mobile circa 3 milioni di tablet PC capaci

di generare in media 5 volte il traffico di uno smartphone - I laptop connessi alla rete mobile nel 2010 sono 94 milioni e mediamente

hanno determinato 22 volte il traffico di uno smartphone

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Introduzione Considerazioni -il traffico video stia crescendo nelle reti radiomobili del mondo, determinando il 40% del traffico nel 2010

-il 10% degli utenti sono responsabili dell’85% circa del traffico mobile.

-È importante sottolineare che la crescita del traffico dati mobile in futuro sarà fortemente impattata dallo sviluppo delle comunicazioni M2M (Machine to Machine) con un aumento importante del numero di terminali appositi (non accompagnato da grandi volumi di traffico).

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Introduzione Considerazioni

Il traffico Mobile è in costante aumento

Milioni di dispositivi collegati alla rete Servizi “affamati” di Bytes

Servizi video Applicazioni Real Time

Esperienza in mobilità =

Esperienza con le reti di casa

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La risposta è:

Standard LTE Confronto con la tecnologia esistente

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Architettura di rete

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Access Network

Core Network

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Access Network

modulazione/demodulazione misure di qualità sul canale radio controllo di potenza gestione della chiamata controllo del carico di cella gestione delle procedure di handover

Evolved Node B:integra le funzioni che in UMTS erano gestite separatamente dal Node B e dal Radio Network Control(RNC)

Cosa fa

UE

X2

X2

E-UTRAN

S1

MME/S-GW MME/S-GW

eNb

eNb

eNb

Uu UE

X2

X2

E-UTRAN

S1

MME/S-GW MME/S-GW

eNb

eNb

eNb

Composta da:

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Core Network

composta da

TRASFERIMENTO dei dati da e verso le reti a pacchetto esterne

Serving Gateway

PDN Gateway (P-GW): Mobility Management

Entity(MME)

Home Subscriber Server (HSS)

Cosa fa

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Mobility Management Entity(MME) Serving Gateway Home Subscriber Server (HSS) PDN Gateway (P-GW)




Larghezza di banda scalabile dai 1.25 MHz fino a 20 MHz

Data-rate con picchi variabili, fino a 100 Mb/s in donwlink e 75 Mb/s in uplink a 20MHz di

banda

Configurazioni multi antenna sia in ricezione che in trasmissione

Elevati livelli di qualità del servizio

Latenze ridotte <100 ms per il passaggio dallo stato idle allo stato active, < 5 ms per

piccoli pacchetti IP

Studiato per:

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Strato fisico




OFDMA e SC-FDMA

OFDMA in downlink

SC-FDMA in Uplink

assegna a ciascun utente un sottoinsieme delle portanti in cui viene suddivisa la banda disponibile per un determinato intervallo di tempo La banda disponibile è suddivisa in una serie di sotto-portanti ortogonali tra loro, che non sono più trasmesse in parallelo, come nella OFDMA, ma sequenzialmente

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OFDMA e SC-FDMA

Il flusso di ingresso (relativo ad un singolo utente) è suddiviso in blocchi di lunghezza M I dati sono dapprima mappati nel dominio della frequenza, attraverso una FFT su M punti e

successivamente riportati nel dominio del tempo, per la trasmissione sul canale, attraverso una IFFT calcolata su N>M punti.

Il risultato complessivo di questa operazione è quello di distribuire il contenuto informativo su una banda di frequenze più ampia (operazione simile allo spreading nella multiplazione CMDA)

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Trama

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Trama

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MIMO Per raggiungere gli obiettivi di performance richiesti una parte essenziale in LTE è data da: MIMO(Multiple Input Multiple Out).

Esistono tre tipi di modalità: 1. Spatial multiplexing 2. Transmit diversity 3. Beamforming

Scelte in base Caratteristiche del canale

di trasmissione

Scopi di MIMO in LTE sono: 1. Aumentare la velocità dei dati 2. Migliorare la copertura cellulare 3. Migliorare il throughput delle celle

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MIMO Spatial Multiplexing

permette di trasmettere flussi di dati diversi

contemporaneamente

AUMENTA LA VELOCITÀ DELLA TRASMISSIONE

AUMENTA LA CAPACITÀ COMPLESSIVA DEL CANALE

Si divide in: SU-MIMO

se i flussi di dati appartengono a

un singolo utente

MU-MIMO

se i flussi di dati appartengono a utenti

diversi

Transmit Diversity

Ogni antenna di trasmissione trasmette lo stesso flusso di dati, in questo modo il

ricevitore riceve repliche dello stesso segnale

AUMENTA LA ROBUSTEZZA DELLA TRASMISSIONE

AUMENTA IL RAPPORTO SEGNALE RUMORE

SUL LATO DEL RICEVITORE

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Beamforming Utilizza antenne multiple per controllare la direzione di un fronte d'onda ponderando opportunamente l'ampiezza e la fase dei singoli segnali d'antenna

migliore copertura su aree specifiche lungo i bordi delle celle

Se la posizione di UE è nota, i coefficienti di beamforming possono essere adattati di conseguenza per ottimizzare la trasmissione per questo UE

MIMO

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Modalità di downlink in LTE

Closed-loop spatial multiplexing, è richiesto feedback dall' UE

Open loop spatial multiplexing, non è richiesto feedback da parte dell'UE

Transmit diversity

Beamforming

Multi User MIMO (più UE vengono assegnati allo stesso blocco di risorse)

MIMO

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Closed-Loop Spatial Multiplexing

Per supportare la spatial multiplexing i segnali vengono moltiplicati per una matrice di precoding W scelta tra un insieme conosciuto sia alla stazione trasmittente eNb che all’UE

Il precoding ottimale è scelto dall’UE in base ad una stima del canale “feedback” fornita dall’ eNodeB

MIMO

Precoding

W

Feedback

x0

xm-1

y0

ym-1




MIMO Open Loop Spatial Multiplexing

Quando non è possibile avere un “feedback”

precoding e codebook PREDEFINITI si utilizzano

NxM Precoding

W(i)

x0(i)

xm-1(i)

y0(i)

yn-1(i)

MxM large delay CDD D(I)

MxM DFT

precoding U

M layers N antennas




Transmit diversity

Ogni antenna trasmette lo stesso flusso informazioni, ma con una codifica diversa

Il segnale viene inviato sul canale in maniera ridondante utilizzando dei particolari algoritmi e delle particolari matrici di precoding

MIMO

d(1) d(0)

Data Symbol

s

d(1) d(0)

-d(1

)* d(

0)*

Antenna 1

Antenna 2

t

t

f

f




Multi User MIMO

E’ simile alla Spatial multiplexing

Il eNodeB può programmare UE multipli nella stessa risorsa tempo-frequenza utilizzando differenti matrici precoding.

MIMO

2 2

1 1

Stazione di base

UE1

UE2

h11

h22




QUALITY OF SERVICE E BEARERS A ciascun flusso informativo è associata una specifica classe di QoS e il flusso IP con la sua specifica classe costituisce un bearer.

Bearer

Minimum guaranteed bit rate (GBR) Non-GBR

Hanno risorse dedicate durante per tutta la durata della trasmissione

Alti data rate Ritardi contenuti Tassi d’errore contenuti

possono essere utilizzati per applicazioni che non richiedono bit rate particolarmente elevati

web browsing

trasferimenti FTP

Flussi ad elevata priorità

VoIP

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Bearer QoS Class Indetifier (QCI)

Allocation and Retention Priority (ARP)

Classi di Servizio

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QUALITY OF SERVICE E BEARERS




Handover

(Intra-pool) X2-Handover Il terminale si sposta tra eNB

gestiti dallo stesso MMG,all’interno della stessa TA (TrackingArea).

L’handover avviene attraverso l'interfaccia X2 e il target eNB di destinazione.

L’handover tramite l’interfaccia S1 è quello si verifica quando il terminale si sposta da una pool area o TA ad un'altra

(Inter-pool) S1-Handover

Detached: si instaurano tutte le operazioni necessarie alla registrazione presso un eNB – IL DISPOSITIVO NON E' CONNESSO ALLA RETE

Active: il terminale è connesso alla rete e può svolgere le operazioni permesse

Idle: il terminale è in pausa per un determinato intervallo di tempo

UE

X2

X2

E-

S1

MME/S-

eNb

eNb

eNb

Uu UE

X2

X2

E-UTRAN

S1

MME/S-GW MME/S-GW

eNb

eNb

eNb

MOBILITÀ E HANDOVER




Le caratteristiche dello standard LTE migliorano in maniera sostanziale i servizi esistenti e rendono possibili alcuni servizi che finora non hanno avuto lo sviluppo previsto.

Servizio Situazione attuale Miglioramenti con LTE

P2P messaging SMS, MMS, e-mail a bassa

priorità VoIP Videoconferenza di alta qualità

Browsing

L'accesso ai servizi di informazione on-line, per che gli utenti che pagano tariffe di rete standard.Le reti GPRS e 3G

Navigazione Super-veloce. Foto, messaggi IM e-mail mobile Video messaging

Informazioni a pagamento

Contenuto per il quale gli utenti pagano oneri al di sopra di quelli per i servizi di rete standard. Principalmente basata su testo informazioni.

Streaming audio di alta qualità

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SERVIZI




Le più importanti novità in termini di servizi che possono avere un notevole incremento grazie a LTE sono

MBMS – Multimedia Broadcast Multicast Service

M2M – Machine to Machine

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SERVIZI





Più utenti contemporaneamente possono avere la possibilità di ricevere gli stessi dati.

Broadcast:il servizio offerto può essere ricevuto da qualsiasi abbonato si trovi nella zona in cui il servizio è attivo

Multicast:il servizio può essere offerto solo agli abbonati che hanno sottoscritto un abbonamento multicast

due diversi servizi

Entrambi i servizi sono UNIDIREZIONALI di tipo POINT-TO-MULTIPOINT dal BMSC(broadcast multicast service center agli utenti)

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SERVIZI





MCE ( Multi-cell/multicast Coordinator Entity) responsabile della ripartizione del tempo e di risorse frequenziali per una trasmissione MBMS multicella programma sull'interfaccia radio può essere integrato come parte dell' eNodeB

MBMS GW (MBMS Gateway) è il punto di entrata del traffico in entrata broadcast / multicast trasmette i pacchetti a tutti i eNodeBs all'interno di un'area di servizio gestione delle sessioni MBMS responsabile della tariffazione del traffico MBMS

BMSC (Broadcast Multicast Service Centre)

Esisteva anche in 2G/3G Autorizza i terminali che chiedono di attivare un servizio MBMS. Pianifica le sessioni di broadcast e multicast. responsabile dell’integrità e tutela della riservatezza dei dati MBMS. Annuncia la sessione MBMS

SERVIZI

M1

Broadcast Multicast Source

BMSC

MBMS-GW

ENB MCE

M3

M2

SGMb SGiMb




si riferisce a tecnologie ed applicazioni di telemetria e telematica che utilizzano le reti wireless

coinvolgono numerosi settori industriali e dei servizi

Tantissimi clienti potenziali

M2M – Machine to Machine Campo di Applicazione Applicazioni MTC

Sicurezza

Sistemi di sorveglianza

Sistemi di sicurezza per auto e conducenti

Posizionamento e tracciabilità

Sistemi di navigazione avanzati

Informazioni sul traffico

Gestione di ordinativi e consegne

Salute

Monitoraggio real time di parametri vitali

Accesso web per la telemedicina

Diagnosi a distanza

Controllo a distanza di apparecchiature

Sensori

Valvole

Diagnosi a distanza per automobili

Fatturazione a distanza di Servizi Acqua

Energia

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SERVIZI




M2M – Machine to Machine

M2M Device: Un dispositivo autonomo in grado di rispondere alla richiesta di dati contenuti all'interno di questi dispositivi o in grado di trasmettere dati contenuti in tali dispositivi

M2M Gateway:Utilizza le funzionalità M2M per assicurare ai dispositivi M2M il lavoro e l'interconnessione alla rete di comunicazione

M2M Application: Contiene lo strato di middleware in cui i dati passano attraverso diverse applicazioni e servizi e viene utilizzata dalle specifiche attività di elaborazione del processo


SERVIZI




2. M2M – Machine to Machine

Architettura in LTE

MTC: Machine Type Communication MTCu: fornisce alla MTC accesso alla rete ai dispositivi LTE per il trasporto del traffico utente. MTCi: è il punto di riferimento per la MTC server a cui connettersi alla rete tramite i servizi LTE MTCsms: è il punto di riferimento per MTC server a cui connettersi alla rete tramite LTE SMS

MTC Device

MTC Server

3GPP bearer sevices/ SMS/IMS

MTC Server

MTCu

MTCsms

MTCi

SERVIZI




SCENARI FUTURI Quale futuro per LTE?

LTE ADVANCED "REAL 4G"

Aumento della velocità di picco dei dati, DL 3 Gbps, UL 1.5 Gbps Maggiore efficienza spettrale, da un massimo di 16bps/Hz in R8 a 30 bps/Hz a R10 Aumento del numero di abbonati attivi contemporaneamente Miglioramento delle prestazioni ai bordi delle celle, per es DL per la 2x2 MIMO

almeno 2.40 bps / Hz / cell.

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Le principali funzionalità di LTE Advanced (1/3)

Aggregation Carrier (CA)

Celle di servizio

Component carrier (max 5 portanti aggregate)

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SCENARI FUTURI




Nuovi ordini MIMO

Le principali funzionalità di LTE Advanced 2/3

8 x 8 in download 4 x 4 in upload

Da usarsi solo con un alto rapporto S/N

Tecniche alternative come la transmit diversity

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SCENARI FUTURI




Le principali funzionalità di LTE Advanced 3/3

Relay Nodes

Stazione a bassa potenza

Migliora la copertura ai bordi delle celle

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SCENARI FUTURI



Comunicazioni Mobili A.A. 2015-16 37

CONCLUSIONI

Lo sviluppo degli standard mobili dovuto al costante aumento del traffico dati mobile

Nascita di LTE le cui caratteristiche sono: Banda scalabile fino a 20 MHz Trasferimento dati fino a 100MBps Latenza di 5 msec Supporto multiantenna

LTE Advanced che caratterizzeranno il futuro con: Velocità di trasferimento dati fino a 3Gbps Maggiore efficienza spettrale Nuovi sistemi MIMO




Countries with commercial LTE service Countries with commercial LTE network deployment on-going or planned Countries with LTE trial systems (pre-commitment)

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