Reti Radiomobili

Politecnico di Milano
Facoltà di Ingegneria
dell’Informazione
Reti Radiomobili
Prof. Antonio Capone
5 - Il sistema UMTS
Reti radiomobili
Sommario
‡ Introduzione
‡ Servizi ed applicazioni
‡ Rete d’accesso radio
‡ Core Network
‡ Cenni storici
A. Capone: Reti radiomobili
3
Introduzione
Il sistema UMTS
Evoluzione sistemi cellulari (1)
1G
Mobilità e servizi base, incompatibilità tra sistemi diversi
– FDM/FDMA
– NMT, AMPS, TACS
–
2G
Mobilità avanzata, roaming, servizi voce e dati a circuito
– TDM/TDMA, 10 Kbps
– GSM, DAMPS, IS-136, IS-95, PDC
–
2+ G
–
Introduzione servizi internet (WAP)
2.5G
Introduzione di servizi dati a pacchetto
– TDM/TDMA, 40-400 Kbps
– GPRS/EDGE
–
3G
Servizi dati a pacchetto, servizi avanzati ed espandibili, accesso radio globale
– WCDMA FDD/TDD, 0.4 – 2 Mbps
– UMTS, cdma2000
–
4G
–
100 Mbps, consentirà la telepresence
–
software radio (tecnica d’accesso programmabile)
A. Capone: Reti radiomobili
5
IMT2000 – Standard 3G
Requisiti chiave per IMT2000:
„ High Speed Packet Data
Œ144k - Vehicular
Π384 - Pedestrian
Π2Mb - Indoor
„ Global Roaming
ŒUIM - Based on GSM SIM
IMT-2000
CDMA
Direct Spread
UMTS/DoCoMo
IMT-2000
CDMA
Multi-Carrier
cdma2000
1X/3X
IMT-2000
CDMA
TDD
UTRA TDD
TD-SCDMA
IMT-2000
TDMA
Single Carrier
IMT-2000
FDMA/
TDMA
UWC-136/
EDGE
DECT
Gli standard che rispettano i requisiti IMT2000 sono più di uno
A. Capone: Reti radiomobili
6
Allocazione dello spettro
A. Capone: Reti radiomobili
7
Confronto tra tecniche di accesso radio
SOURCE: WASHINGTON UNIV.
A. Capone: Reti radiomobili
8
Accesso radio (1)
‡ Velocità di trasmissione
– 2 Mbps per utenti quasi-fermi e vicini alla stazione base (<10 kmph)
– 384 kbps in ambiente urbano (<120 kmph)
– 144 kbps in ambiente rurale (<500 kmph)
– velocità e QoS variabili dinamicamente
‡ Tecnica CS o PS in base al servizio
‡ Utilizzo di celle di differenti dimensioni (satellite, macro, micro, pico)
per ambienti out/ o indoor.
‡ Accesso radio con stazioni base non sincronizzate
‡ Gestione flessibile ed efficiente dello spettro radio
‡ Coesistenza di tecniche FDD e TDD
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9
Accesso radio (2)
Confronto tra i bitrate tipici di vari sistemi e loro evoluzioni
(SOURCE: Durlacher Research Ltd./EQVITEC Partners Oy, 2001)
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10
Accesso radio (3)
‡ Multiplazione di servizi a bit-rate e QoS differenti
SOURCE: NTTDOCOMO (JP)
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11
Accesso radio (4)
‡ Coesistenza di differenti tecniche e apparati di copertura
MACROCELLA
UTENTI
FAST-MOVING
PICOCELLA
MICROCELLA
UTENTI
SLOW-MOVING
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Classi QoS (1)
‡ Conversational
- Ritardo end-to-end basso, traffico simmetrico o quasi
– Voce, Video telefonia, …
‡ Streaming
- Flusso dati continuo, BER non stringente, asimmetrico
– Video/audio news, musica, movie-trailers, …
‡ Interactive
- Interazione tra utenti e apparati remoti
- Web browsing, machine-to-machine (es. tele-meccanica,..)
‡ Background
- traffico non real-time e a “best-effort”
- e-mail, SMS, MMS, …
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13
Classi QoS (2)
A. Capone: Reti radiomobili
14
Evoluzione dello standard (1)
‡ Ottime specifiche del sistema con con le principali interfacce
“aperte” e standard. Campo di validità mondiale.
‡ Compatibilità all’indietro con almeno GSM e ISDN.
‡ Supporto in tutte le parti costituenti il sistema per i servizi
multimediali
‡ L’accesso radio a larga banda deve essere specificato in modo
sufficientemente “generico” da poter essere adottato globalmente.
L’espressione “larga-banda” vuole sottolineare la differenza di
capacità tra i sistemi 2G e le reti fisse multimediali che deve essere
colmata.
‡ I servizi per gli utenti finali devono essere indipendenti dalla tecnica
di accesso radio; l’infrastruttura di rete non deve impedire lo
sviluppo di nuovi servizi. Questo significa che servizi disponibili e
piattaforma del sistema devono essere non vincolanti gli uni per
l’altra e viceversa.
A. Capone: Reti radiomobili
15
Evoluzione dello standard (2)
‡ Lo standard UMTS comprende attualmente varie versioni. La
versione che sarà utilizzata al lancio sarà la R99 ma altre due
versioni, la R4 e R5, sono già definite completamente. E’ già in fase
di definizione la R6
‡ L’obiettivo di fondo è quello di evitare la nascita di versioni locali
dello standard forzando gli operatori a condividere le prospettive sul
futuro delle reti e, attraverso l’evoluzione dello standard,
conservarne l’interoperabilità.
‡ Le differenze tra le varie attuali versioni riguardano principalmente
la rete di trasporto e la Core Network
‡ Nella Release 5 il sistema UMTS può dirsi pienamente maturo; R5
infatti realizza in pieno l’integrazione della rete UMTS con la rete IP
(è infatti detta anche “All-IP”)
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16
Servizi ed applicazioni
Il sistema UMTS
Servizi e applicazioni
‡ Universalità attraverso l’interazione diretta o indiretta con il
mondo Internet
‡ Caratteristiche del trasporto variabili a seconda dell’ambiente di
servizio e delle caratteristiche di mobilità
‡ Bit rate variabile e in funzione anche del livello di asimmetria
tra up e down-link
‡ Possibilità di offrire servizi basati sulla localizzazione dell’utente
con una ragionevole approssimazione (es. <125m)
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18
Servizi e applicazioni (1)
Mobile Office
• Internet / Intranet
Access
• Personal Organizer
(business)
8,7% 11.7%
24,9%
28,0%
26,7%
Commerce
• Booking & Reservation
• Micropayment
• Product & Price Locator
• Online Banking
• Online Shopping
Entertainment
• Audio/Video Download
consumer
• Lottery and Betting
• Online Games
Information
• Location Info
• Traffic Info
• Internet Access
(consumer)
• Online News
Communication
• Video telephony
• Multimedia
Messaging
• Video Conferencing
• Control of Household
Devices
Assumption: 70% of all users are residential users, 30% are business users.
Source: Siemens End User Survey
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19
Servizi e applicazioni (2)
‡ Servizi d’informazione
– shopping interattivo
– stampati disponibili on-line (e-books)
– servizi broadcast locali
‡ Istruzione
– biblioteca on-line
– e-learning
‡ Intrattenimento
– audio on demand
– giochi on demand
‡ Utilità pubblica
– gestione emergenze
– e-government
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20
Servizi e applicazioni (3)
‡ Servizi speciali
– tele-medicina
– telecontrollo
– assistenza personale
‡ Servizi di comunicaizione
– video telefonia
– video conferenza
– localizzazione utente
‡ Servizi affari e finanziari
– mobile office
– virtual banking
– on-line billing
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21
Servizi e applicazioni (4)
‡ Confronto tra il tempo di trasferimento per vari servizi su rete mobile e fissa
Tempo di trasferimento
Tipo di servizio
e volume dati
2G (GSM – GPRS)
9,6 kbps
Rete fissa (PSTN/ ISDN)
< 64 kbps
50 kbps
3G (UMTS)
128 kbps
384 kbps 2 Mbps
E-mail
5 kbyte
8s
1,7 s
1,6 s
1,2 s
0,5 s
<0,5s
SMS with photogr.
5 kbyte (JPEG 2000)
8s
1,7 s
1,6 s
1,2 s
0,5 s
<0,5s
Web page
20 kbyte
20 s
4,5 s
4s
2,4 s
0,8 s
<0,5s
Document
100 kbyte
2 min
35 s
25 s
12 s
4s
<1s
3 min Audio CD
2 Mbyte MP3
40 min
9 min
6,5 min
3 min
---1)
---1)
10s Videoclip
600 kbyte MPEG4
10 min
2,5 min
1,5 min
45 s
15 s2)
Qualità ritenuta accettabile dall‘utente
A. Capone: Reti radiomobili
1)
Qualità ottimale CD
Streaming = 128 kbps
2)
Videostreaming
22
Servizi e applicazioni (5)
‡ Ulteriore classificazione servizi UMTS
Intranets
Internet
Services
Customized
Internet
Access
Intranet Access
Infotainment
Business
User
Laptop
Business +
Consumer
PDA
Laptop
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Consumer
Mobile Phone
Mobile Internet
PSTN
Multimedia
Messaging
Location
Based Service
Business +
Consumer
Business +
Consumer
SmartPhone
SmartPhone
PDA
Voice
Mobile Phone
23
Servizi di telecomunicazione
‡ Bearer service
– servizio di telecomunicazione in grado di fornire la trasmissione di
informazione tra access points
‡ Teleservice
– consente agli utenti di comunicare attraverso l’utilizzo di protocolli
accordati tra operatori. Alcuni teleservice sono standardizzati in quanto
sono considerati fondamentali
‡ Supplementary service
– Modifica o completa un teleservice. Non può essere offerto come
servizio stand-alone
A. Capone: Reti radiomobili
24
Parametri dei servizi
‡ Maximum transfer delay
– E’ il tempo che intercorre tra la richiesta di trasferimento
dell’informazione fatta all’access point e il suo arrivo ad un altro access
point
‡ Delay variation
– La variazione del ritardo dell’informazione ricevuta deve essere
controllata per supportare servizi real-time
‡ Bit error ratio
– Rapporto tra bit di informazione trasmessi ricevuti errati e quelli totali
‡ Data rate
– E’ la quantità di informazione trasmessa tra due access point in un dato
intervallo di tempo
A. Capone: Reti radiomobili
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Bearer Services
‡ Consentono la trasmissione di informazione tra access point e coinvolgono
solo funzionalità a basso livello
‡ A livello superiore, l’utente può scegliere qualunque tipo protocollo per la
comunicazione
‡ Il link di comunicazione può interessare varie reti
‡ I bearer services sono caratterizzati da un’insieme di caratteristiche end-to-
end con differenti requisiti sulla QoS ma è la QoS end-to-end percepita
dall’utente a qualificare il servizio
‡ Requisiti dei Bearer Services
– Information transfer
Œ
Traffic type: guaranteed/constant bit rate, non-guarantied/dynamic variable
bit rate, real time dynamic variable bit rate con minimum guaranteed bit rate
– Traffic characteristics
Œ
Pont-to-point: uni-directional, bi-directional: symmetric, asymmetric.
Œ
Uni-directional point-to-multipoint: multicast,broadcast.
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26
Teleservices
‡ Può essere visto come un insieme di livelli che sfruttano le potenzialità di
livelli più bassi
‡ Può essere un servizio single o multi-media
‡ I servizi multimediali sono così classificabili
– multimedia conference
– multimedia conversational
– multimedia distribution
– multimedia retrieval
– multimedia messaging
– multimedia collection
‡ Il terminale e la rete devono supportare il servizio
‡ L’obiettivo del progetto di rete deve essere quello di rendere i livelli superiori
e inferiori quanto più indipendenti possibile (i livelli sono intesi secondo il
modello OSI)
A. Capone: Reti radiomobili
27
Supplementary services
‡ In accordo con gli standard GSM e ISDN sono stati proposti
– Number Identification (es. filtro chiamate entranti, CLI)
– Call Forwarding (es. deviazione in base a particolari eventi)
– Call Termination (es. call holding)
– Multiparty communications (es. conference call)
– Group communication (es. reti aziendali chiuse)
– Billing
– Call Rejection (es. blocco di tutte le chiamate entranti)
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Servizi a valore aggiunto
‡ Personal mobility
– Con l’utilizzo di una smart card, l’utente può trasferire le informazioni
immagazzinate da un terminale ad un altro.
‡ Virtual Home Environment
– L’utente può usufruire del portfolio di servizi offerti dalla rete di
provenienza in tutte le altre reti visitate. I servizi non disponibili nella
nuova rete saranno emulati in modo trasparente
‡ Bandwidth-on-demand
– Allo scopo di venire incontro alle esigenze di banda dell’utente che
utilizza servizi con caratteristiche molto variabili (dal video all’sms) la
banda disponibile viene allocata in modo flessibile (ed economico)
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29
Potenzialità dell’UE secondo 3GPP (1)
La specifica UMTS R99 impone che la UE supporti le seguenti UE Service
Capabilities
‡ Tele services
–Speech
–Emergency call
–Short Message Service
–Cell Broadcast service CBS
‡Bearer Services
–Circuit-switched data
–Packet-switched data
–Defined by their attributes
ŒInformation
transfer rate
ŒInformation
quality attributes
–Bit error ratio, Maximum transfer delay Delay variation … .
A. Capone: Reti radiomobili
30
Potenzialità dell’UE secondo 3GPP (2)
‡ Supplementary services:
– Defined in GSM R'99. Examples
Œ
Call Forwarding
Œ
Advice of Charge.
Œ
Explicit Call transfer.
– Service capabilities
Œ
Mobile Service Execution Environment
Œ
Location Services
Œ
SIM application toolkit
‡ GSM systems features:
– Network identity and time zone
– Unstructured supplementary service data
A. Capone: Reti radiomobili
31
Architettura di rete
‡ User Equipment Domain
– La USIM contiene tutte le informazioni necessarie alla autenticazione e criptazione
all’interno della rete 3G
‡ Access Network Domain
– Consente l’accesso alla rete UMTS agli utenti. E’ costituita dall’UTRAN o dal BSS-
GSM
‡ Core Network Domain
– Consiste di varie reti di trasporto quali PDN (es. Internet), GSM, B-ISDN, collegate
fra di loro attraverso dei gateway di rete (IWU, Interworking Unit)
– E’ ulteriormente divisa in
Œ
SDN – Serving Network Domain
Œ
HND – Home Network Domain
Œ
TND – Transit Network Domain
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32
Utenti
‡ Utenti UMTS
– mercato di massa (paragonabile a quello del 2G)
– utilizzo di standard comuni consente
Œ
produzione di apparati consumer a basso costo
Œ
interfacce aperte
– standard globale
– utenza per reti pubbliche e private
– fruiscono degli stessi servizi ovunque
A. Capone: Reti radiomobili
33
Terminali
‡ I terminali UMTS consentono
– mobilità del terminale
– mobilità dell’ utente
– mobilità del servizio
– espansibilità
– programmabilità
A. Capone: Reti radiomobili
34
Domini ed loro interfacce
Uu
Cu
Home
Network
Domain
Iu
Zu
Yu
USIM
Domain
Mobile
Equipment
Domain
Access
Network
Domain
Serving
Network
Domain
Transit
Network
Domain
Core Network Domain
User Equipment Domain
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Infrastructure Domain
35
Architettura di rete per GSM/GPRS
To other
BTS’s
Um
Base Station
Subsystem
(BSS)
To
other
MSC’s
To
other
BSC’s
AC
Abi
EIR
A
s
E
H
F
F
External Networks
Um
Base
Transceiver
Station
(BTS)
Abi
s
Base
Station
Controller
(BSC)
A
PSTN
Mobile
Switching
Center
(MSC)
E
Gateway
ISDN
MSC
Internet
...
B
Um
Abi
A
s
C
VLR
C
HLR
B
VLR
D
D
G
To other
BTS’s
GPRS Network
Components
A. Capone: Reti radiomobili
To
other
BSC’s
Packet
Control
Unit
(PCU)
Serving GPRS
Service Node
(SGSN)
Gateway GPRS
Service Node
(GGSN)
External Data
Network
IP / X.25
36
Architettura di rete per WCDMA/UMTS
UMTS Terrestrial Radio Access Network
(UTRAN)
Core Network
(CN)
AC
To
other
MSC’s
EIR
E
Radio Network
Subsystem
(RNS)
H
F
F
Uu
External Networks
Node B
Iub
RNC
Iu
(BTS)
PSTN
Mobile
Switching
Center
(MSC)
Gateway
E
MSC
ISDN
Internet
...
B
Iu
Uu
C
C
VLR
Iur
HLR
B
VLR
D
D
G
Iu
Uu
Node B
(BTS)
RNC
Iub
Uu
Iu
Iu
Gateway GPRS
Service Node
(GGSN)
Serving GPRS
Service Node
(SGSN)
External Data
Network
IP / X.25
GPRS Network
Components
To other
RNC’s
A. Capone: Reti radiomobili
37
Servizi basati
sulla localizzazione
Il sistema UMTS
38
Interfaccia radio
WCDMA
Il sistema UMTS
39
Introduzione (1)
‡ La fase di specifica dell’UTRAN ha impegnato gran parte del tempo
necessario per creare lo standard UMTS
‡ Le difficoltà incontrate sono dipese essenzialmente dalla necessità di definire
lo standard per un sistema d’accesso
– orientato ai dati a pacchetto
– flessibile
– ad alta capacità
– globale
‡ Attraverso l’utilizzo della tecnica W-CDMA, il livello fisico UMTS consente di
multiplare sulla stesso spettro radio connessioni con
– bit rate variabile
– QoS variabile
– a circuito e a pacchetto
A. Capone: Reti radiomobili
40
Introduzione (2)
‡ L’utilizzo della tecnica WCDMA è stata sviluppata a partire da quella
CDM/CDMA già impiegata nei sistemi 2G in USA e America Latina.
‡ Sfruttando codici a lunghezza (o chip-rate) variabile (Rc) è possibile
offrire agli utenti canali a bit-rate variabile (Ru), mantenendo
costante il prodotto che indica il bit rate finale trasmesso
sull’interfaccia radio (Rs)
R u * Rc = R s
A. Capone: Reti radiomobili
41
UMTS e UTRAN
GSM/GPRS Core Network (CN)
PSTN
ISDN
Internet
GPRS
Service Node
MSC
Iu
Iu
UMTS
Terrestrial
Radio Access
Network
Node B
RNS
Iur
RNC
Iub
Iu
u
RNS
UTRAN
I
RNC
Iub
Iub
Node B
Node B
Iub
Node B
Uu
User Equipment
(UE)
A. Capone: Reti radiomobili
42
Elementi e definizioni
‡ RNS (Radio Network Subsystem)
–
Parte della rete che consente l’accesso dell’UE alla Core Network
–
Contiene almeno un RNC
‡ RNC (Radio Network Controller)
–
Elemento dell’RNS che gestisce le risorse fisiche radio
‡ Node B
–
Nodo che controlla la trasmissione e ricezione da una o più celle
‡ Uu Interface
–
Interfaccia tra UE e Node B
‡ Iu Interface
–
Interfaccia tra CN e RNS
‡ Iur Interface
–
Interfaccia tra RNS e un altro RNS
‡ Iub Interface
–
Interfaccia tra RNC e Node B
A. Capone: Reti radiomobili
43
Funzionalità (parziali)
‡ Functionalità relative al controllo di tutto il sistema d’accesso
–
Admission Control, Congestion Control
–
System information broadcasting
–
Radio channel ciphering and deciphering
‡ Functionalità relative alla gestione delle mobilità
–
Handover
–
SRNS Relocation
‡ Functionalità relative alla gestione e controllo delle risorse radio
–
Initial (random) access detection and handling
–
Radio resource configuration and operation
–
combining/splitting control
–
Radio bearer connection set-up and release (Radio Bearer Control)
–
Allocation and deallocation of Radio Bearers
–
Radio protocols function
–
RF power control
–
Radio channel coding
–
Radio channel decoding
A. Capone: Reti radiomobili
44
Modello OSI
Layer 3
Radio Resource Control
(RRC)
Logical channels
Layer 2
Medium Access Control (MAC)
- raggruppati per contenuto
dell’informazione
- User Data
- Control and signaling
Transport channels
- raggruppati per metodo di trasporto
Layer 1
Physical layer
Physical channels
Controllo diretto del livello
fisico da parte dell’RRC
A. Capone: Reti radiomobili
Air Interface
Suddivisi per
- Frequenza RF
- Channelization Code
- Spreading Code
- Fase di modulazione (I/Q) (uplink)
- Timeslot (TDD mode)
45
Funzionalità del livello fisico
‰ Elaborazione dati ed RF
• FEC encoding/decoding dei canali di trasporto
• Error detection sui transport channels e notifica ai livelli superiori
• Adattamento del bitrate tra canali di trasporto codificati e canali fisici
• Bilanciamento e combinazione dei canali fisici
• Controllo di potenza “Closed-loop”
• Modulazione/demodulazione e spreading/de-spreading dei canali fisici
• Multiplexing/de-multiplexing deicanali di trasporto combinati e codificati
• Mapping dei canali di trasporto sui canali fisici
• Combinazione/distribuzione per macrodiversity
‰ Funzionalità operative
• Funzionalità di cell search
• Sincronizzazione (chip, bit, slot, trama)
• Supporto per il Soft Handover
• Misure caratteristiche radio (FER, SIR, Interference Power, ecc.) e notifica ai
livelli superiori
• Gestione del timing advance (uplink TDD mode)
A. Capone: Reti radiomobili
46
Canali fisici WCDMA
Channels broadcast a tutti gli UE nella cella
P-CCPCH- Primary Common Control Physical Channel
SCH - Sync Channel
P-CPICH - Primary Common Pilot Channel
S-CPICH - Secondary Common Pilot Channel(s)
Paging Channels
S-CCPCH - Secondary Common Control Physical Channel
PICH - Page Indication Channel
Random Access e Packet Access Channels
Node B
PRACH - Physical Random Access Channel
AICH - Acquisition Indication Channel
UE
PCPCH - Common Physical Packet Channel
AP-AICH - Acquisition Preamble Indication Channel
CD/CA-AICH - Collision Detection Indication Channel
CSICH - CPCH Status Indication Channel
Dedicated Connection Channels
DPDCH - Dedicated Physical Data Channel
DPCCH - Dedicated Physical Control Channel
F-PDSCH - Physical Downlink Shared Channel
A. Capone: Reti radiomobili
47
Canali fisici in downlink
‡ Common Downlink Physical Channels
– P-CCPCH Common Control Physical Channel (Primary)
Œ
Broadcast delle informazioni della cella
Œ
Broadcast della SFN e Timing reference per tutti i canali DL
– SCH
Œ
Synchronization Channel
Fast Synch. codes 1 and 2; time-multiplexed con P-CCPCH
– S-CCPCH Common Control Physical Channel (Secondary)
Œ
Trasmette l’informazione di segnalazione e controllo per gli UE in idle-mode
– P-CIPCH
Common Pilot Channel
– S-CIPCH
Secondary Common Pilot Channel (for sectored cells)
– PDSCH
Physical Downlink Shared Channel
Œ
Trasmette dati ad alta velocità a più utenti
‡ Dedicated Downlink Physical Channels
– DPDCH
Dedicated Downlink Physical Data Channel
– DPCCH
Dedicated Downlink Physical Control Channel
Œ
Trasmette la segnalazione e il controllo per i mobili in connessione
A. Capone: Reti radiomobili
48
Canali fisici in downlink (2)
‡ Downlink Indication Channels
– AICH (Acquisition Indication Channel)
Œ
Acknowledges that BS has acquired a UE Random Access attempt
Œ
(Echoes the UE’s Random Access signature)
– PICH (Page Indication Channel)
Œ
Informs a UE to monitor the next paging frame
– AP-AICH (Access Preamble Indication Channel
Œ
Acknowledges that BS has acquired a UE Packet Access attempt
Œ
(Echoes the UE’s Packet Access signature)
– CD/CA-ICH
Œ
Confirms that there is no ambiguity between UE in a Packet Access attempt
Œ
(Echoes the UE’s Packet Access Collision Detection signature)
Œ
Optionally provides available Packet channel assignments
– CSICH
Œ
Broadcasts status information regarding packet channel availability
A. Capone: Reti radiomobili
49
Canali fisici in uplink
‡ Common Uplink Physical Channels
– PRACH
Œ
Used by UE to initiate access to BS
– PCPCH
Œ
Physical Random Access Channe
Physical Common Packet Channel
Used by UE to send connectionless packet data
‡ Dedicated Uplink Physical Channels
– DPDCH
Dedicated Uplink Physical Data Channel
– DPCCH
Dedicated Uplink Physical Control Channel
Œ
Transmits connection-mode signaling and control to BS
A. Capone: Reti radiomobili
50
Tipi di codice per WCDMA
‡ Channelization Codes (Orthogonal Codes)
Œ
Used to orthogonally code different data channels from BS, UE
‡ Scrambling Codes (Spread Spectrum Codes)
Œ
BS Scrambling Codes:
Used by UE to distinguish the desired BS
Œ
UE Scrambling Codes:
Used by BS to distinguish the desired UE
‡ Synchronization Codes
Œ
Primary Sync. Code:
Fixed 256-bit code
Helps UE identify the presence of a WCDMA BS
Helps UE achieve Slot Synchronization
Œ
Secondary Sync. Codes:
Group of 256-bit codes
Helps UE achieve Frame Synchronization
‡ Pilot Codes
Œ
A full-time common Pilot (CPICH) provides coherent reference for UE
receiver
Œ
Pilot data bits are embedded into each timeslot of the Dedicated Data
Channel
‡ Random Access Preamble Codes
Œ
Preamble Signatures; Used by BS to distinguish between UE making
access attempts
A. Capone: Reti radiomobili
51
WCDMA Downlink (FDD)
Logical Channels
(Layers 3+)
Transport Channels
(Layer 2)
Physical Channels
(Layer 1)
CPICH
Common Pilot Channel
BCCH
Broadcast Control Ch.
BCH
Broadcast Ch.
PCCH
Paging Control Ch.
PCH
Paging Ch.
CCCH
Common Control Ch.
CTCH
Common Traffic Ch.
DCCH
Dedicated Control Ch.
DTCH
Dedicated Traffic Ch.
P-CCPCH(*)
Primary Common Control Physical Ch.
S-CCPCH
Secondary Common Control Physical Ch.
FACH
Forward Access Ch.
DPCH (Dedicated Physical Channel)
CCTrCH One per UE
DCH
Dedicated Ch.
DCH
Dedicated Ch.
DPDCH (one or more per UE)
Dedicated Physical Data Ch.
Pilot, TPC, TFCI bits
SHCCH
DSCH Control Ch.
DSCH
Downlink Shared Ch.
Access Indication data
Paging Indication bits
Access Preamble Indication bits
DPCCH (one per UE)
Dedicated Physical Control Ch.
PDSCH
Physical Downlink Shared Channel
AICH
(Acquisition Indication Channel)
PICH
(Paging Indication Channel )
AP-AICH
(Access Preamble Indication Channel )
CPCH Status Indication bits
CSICH
(CPCH Status Indication Channel )
CPCH Status Indication bits
CD/CA-ICH
(Collision Detection/Channel Assignment )
A. Capone: Reti radiomobili
52
Canali logici in downlink
‡ Common Downlink Logical Channels
Œ
BCCH (Broadcast Control Channel)
– Broadcasts cell site and system identification to all UE
Œ
PCCH (Paging Control Channel)
– Transmits paging information to a UE when the UE’s location is unknown
Œ
CCCH (Common Control Channel)
– Transmits control information to a UE when there is no RRC Connection
Œ
SHCCH (Shared Channel Control Channel)
– Control channel associated with shared traffic channels (TDD mode only)
Œ
CTCH (Common Traffic Channel)
– Traffic channel for sending traffic to a group of UE’s.
‡ Dedicated Downlink Logical Channels
Œ
DCCH (Dedicated Control Channel)
– Transmits control information to a UE when there is a RRC Connection
Œ
DTCH (Dedicated Traffic Channel)
– Traffic channel dedicated to one UE
A. Capone: Reti radiomobili
53
Canali di trasporto in downlink
‡ Common Downlink Transport Channels
Œ
BCH (Broadcast Channel)
– Continuous transmission of system and cell information
Œ
PCH (Paging Channel)
– Carries control information to UE when location is unknown
– Pending activity indicated by the PICH (paging indication channel)
Œ
FACH (Forward Access Channel)
– Used for transmission of idle-mode control information to a UE
– No closed-loop power control
Œ
DSCH (Downlink Shared Channel)
– Carries dedicated control and/or traffic data; shared by several UE’s
‡ Dedicated Downlink Transport Channels
Œ
DCH (Dedicated Channel)
– Carries dedicated traffic and control data to one UE
A. Capone: Reti radiomobili
54
WCDMA Uplink (FDD)
Logical Channels
(Layers 3+)
Transport Channels
(Layer 2)
CCCH
Common Control Ch.
RACH
Random Access Ch.
Physical Channels
(Layer 1)
PRACH
Physical Random Access Ch.
RACH Control Part
DTCH (packet mode)
Dedicated Traffic Ch.
CPCH
Common Packet Ch.
PCPCH
Physical Common Packet Ch.
PCPCH Control Part
CCTrCH
DCCH
Dedicated Control Ch.
DCH
Dedicated Ch.
DTCH
Dedicated Traffic Ch. 1
DCH
Dedicated Ch.
DPDCH #1
Dedicated Physical Data Ch.
DPDCH #3 (optional)
Dedicated Physical Data Ch.
DPDCH #5 (optional)
Dedicated Physical Data Ch.
DPDCH #2 (optional)
Dedicated Physical Data Ch.
DPDCH #4 (optional)
Dedicated Physical Data Ch.
DPDCH #6 (optional)
Dedicated Physical Data Ch.
Pilot, TPC, TFCI bits
A. Capone: Reti radiomobili
DPCCH
Dedicated Physical Control Ch.
55
Canali di trasporto in uplink
‡ Common Uplink Transport Channels
– RACH
Random Access Channel
Œ
Carries access requests, control information, short data
Œ
Uses only open-loop power control
Œ
Subject to random access collisions
– CPCH
Œ
Uplink Common Packet Channel
Carries connectionless packet data to PCPH
‡ Dedicated Uplink Transport Channels
– DCH
Œ
Dedicated Channel
Carries dedicated traffic and control data from one UE
A. Capone: Reti radiomobili
56
Core Network
Il sistema UMTS
Core Network – Release ‘99
‰ La Core Network dell’UMTS R99 è una diretta evoluzione della CN del
GSM/GPRS. Esistono quindi due differenti sotto-domini che gestiscono i
due principali tipi di servizi
‰ Circuit domain per traffico sensibile al ritardo (conversational services, voice, video
conference,..)
‰ Packet domain traffico sensibile agli errori (background, interactive e streaming
services)
‰ Le funzionalità di transcoding sono nell’MSC
‰ La mobilità dell’utente/terminale sono gestite dall’HLR/VLR per entrambi I
domini
‰ In base alle specifiche 3GPP l’accesso radio GSM e W-CDMA possono
essere supportate in modo trasparente dalla Core Network UMTS
‰ Garantisce il roaming e l’handover tra rete GSM e UMTS
A. Capone: Reti radiomobili
58
Architettura UMTS R99
SERVICES & APPLICATIONS
CAP/INAP
HLR
MAP
IP
GSM
3G-SGSN
3G-GGSN
PS
ME
UTRAN
U-MSC
G-MSC
CORE NETWORK
A. Capone: Reti radiomobili
CS
PSTN
59
Core Network UMTS R99
Gi
PSTN
GMSC
GGSN
AuC
C
Gc
H
HLR
PSTN
VLR
B
Gf
Gs
B
MSC
Gr
EIR
F
G
Gn
PSTN
D
VLR
Gp
SGSN
MSC
E
CN
A
Gb
IuPS
IuCS
RNS
BSS
Iur
BSC
RNC
Abis
BTS
RNC
Iubis
BTS
Node B
Node B
cell
Um
Uu
ME
SIM-ME i/f
SIM
or
Cu
USIM
MS
A. Capone: Reti radiomobili
60
Interfaccia Iu
UTRAN
Core Network (CN)
CS
Domain
Node B
RNC
“Iu-CS”
Node B
PS
Domain
“Iu-PS”
Node B
RNC
BC
Domain
Node B
“Iu-BC”
Iu Interface
A. Capone: Reti radiomobili
61
Stack protocolli per Iu-cs
Radio
Network
Layer
Transport
Network
Layer
Control Plane
User Plane
RANAP
Iu UP Protocol
Layer
Transport Network
User Plane
Transport Network
Control Plane
Transport Network
User Plane
Q.2630.1
SCCP
Q.2150.1
MTP3b
MTP3b
SSCF-NNI
SSCF-NNI
SSCOP
SSCOP
AAL5
AAL5
AAL2
RANAP:
SCCP:
MTP3b:
SSCF-NNI:
Radio Access Network Application Part
Signalling Connection Control Part
Message Transfer Protocol 3
Service Specific Coordination
Function – Network Node Interface
SSCOP:
Service Specific Connection
Oriented Protocol
AAL5:
ATM Adaptation Layer 5
ATM:
Asynchronous Transfer Mode
Q.2630.1:
AAL Type Signalling Protocol
Q.2150.1:
AAL Type 2 signalling transport
converter on broadband MTP
SSCOP:
Service Specific Connection
Oriented Protocol
SSCF-NNI: Service Specific Coordination
Function – Network Node Interface
AAL2:
ATM Adaptation Layer 2
ATM
Physical Layer
A. Capone: Reti radiomobili
62
Stack protocolli per Iu-ps
Radio
Network
Layer
Control Plane
User Plane
RANAP
Iu UP Protocol
Layer
Transport
Network
Layer
Transport Network
User Plane
Transport Network
Control Plane
Transport Network
User Plane
SCCP
M3UA
MTP3-B
SCTP
SSCF-NNI
SSCF-NNI
UDP
IP
SSCOP
GTP-U
RANAP:
Radio Access Network Application Part
SCCP:
Signalling Connection Control Part
SSCF-NNI: Service Specific Coordination
Function – Network Node Interface
SSCOP:
Service Specific Connection
Oriented Protocol
M3UA:
MTP3-User Adaptation Layer
SCTP:
Simple Computer Telephony Protocol
IP:
Internet Protocol
AAL5:
ATM Adaptation Layer 5
ATM:
Asynchronous Transfer Mode
GTP-U:
General Tunneling Protocol-U plane
UDP:
User Datagram Protocol
AAL5
IP
AAL5
ATM
ATM
Physical Layer
Physical Layer
A. Capone: Reti radiomobili
63
Stack protocolli per Iu-bc
Radio
Network
Layer
SA Broadcast Plane
Transport
Network
Layer
Transport Network
User Plane
SABP Protocol
Layer
TCP:
IP:
AAL5:
ATM:
Transport Control Protocol;
Internet Protocol
ATM Adaptation Layer 5
Asynchronous Transfer Mode
TCP
IP
AAL5
ATM
Physical Layer
A. Capone: Reti radiomobili
64
Modello OSI per inter-networking
‰ L’inter-network connette varie sub-networks
‰ Terminali collegati su varie reti possono comunicare tra loro
‰ Ciascuna sottorete (es. PSTN, ISDN, GSM, etc.) può essere
considerata dai livelli di inter-network come un livello fisico
‰ I terminali hanno lo stesso stack protocollare di inter-network sui
livelli di differenti sub-networks (es. IP, X.75)
A. Capone: Reti radiomobili
65
Packet domain: control plane
GMM/SM
GMM/SM
LLC
LLC
Relay
GSM/GPRS
RLC
RLC
BSSGP
BSSGP
MAC
MAC
Network
Service
Network
Service
GSM RF
GSM RF
L1bis
L1bis
Um
Gb
MS
BSS
2G-SGSN
GMM /
SM / SMS
GMM /
SM / SMS
Relay
UMTS
RRC
RRC
RANAP
RANAP
RLC
RLC
SCCP
SCCP
MAC
MAC
Signalling
Bearer
Signalling
Bearer
L1
L1
AAL5
AAL5
ATM
Uu
MS
A. Capone: Reti radiomobili
ATM
Iu-Ps
RNS
3G SGSN
66
Packet domain: user plane
Application
IP
IP
Relay
SNDCP
SNDCP
GSM/GPRS
LLC
GTP-U
GTP-U
UDP
UDP
LLC
Relay
RLC
RLC
BSSGP
BSSGP
IP
IP
MAC
MAC
Network
Service
Network
Service
L2
L2
GSM RF
L1bis
L1bis
L1
GSM RF
Um
Gb
MS
BSS
L1
Gn
Gi
SGSN
GGSN
Application
E.g., IP,
PPP
E.g., IP,
PPP
Relay
UMTS
PDCP
PDCP
GTP-U
GTP-U
GTP-U
GTP-U
RLC
RLC
UDP/IP
UDP/IP
UDP/IP
UDP/IP
MAC
MAC
AAL5
AAL5
L2
L2
L1
ATM
ATM
L1
L1
Uu
MS
A. Capone: Reti radiomobili
Relay
Iu-PS
UTRAN
L1
Gn
3G-SGSN
Gi
3G-GGSN
67
Packet Domain: funzionalità
Function
Network Access Control:
Registration
Authentication and Authorisation
Admission Control
Message Screening
Packet Terminal Adaptation
Charging Data Collection
Packet Routeing & Transfer:
Relay
Routeing
Address Translation and Mapping
Encapsulation
Tunnelling
Compression
Ciphering
2G-MS
X
X
3G-MS
X
X
X
UTRAN
X
2GSGSN
X
X
3GSGSN
GGSN
HLR
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
Mobility Management:
X
X
Logical Link Management:
Logical Link Establishment
Logical Link Maintenance
Logical Link Release
X
X
X
Radio Resource Management:
X
A. Capone: Reti radiomobili
BSS
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
68
Rete di trasporto per UMTS R99
MSC
ISUP
Iub
BTS
Iu(CS)
RNC
TDM o ATM
MSC
Iub
Iu(PS)
BTS
Iub
Gn
ATM
BG
Gn
GGSN
SGSN
BTS
IP
A. Capone: Reti radiomobili
69
Core Network – Release 4
‰ Restano ancora i due domini PS e CS come in R99
‰ Nel nuovo elemento U-MSC viene introdotta una separazione tra
funzionalità di trasporto e controllo presenti in MSC utilizzando due
differenti elementi
-
MGW (Media GateWay) per il controllo del trasporto (ATM, IP, TDM)
-
MSC-Server implementa le funzionalità di Call Controll e Mobility Management
‰ L’MSC-Server controlla il/i MGW attraverso il protocollo standard
MEGACO (ITU H.248)
A. Capone: Reti radiomobili
70
Core Network – R4
Gi
PSTN
PSTN PSTN
T-SGW
R-SGW
MGW Mc GMSC
server
GGSN
Mh
C
Gc
HSS(HLR) H AuC
Nc
PSTN
Nb
F
G
VLR
Gf
Gs
B
B
MSC server
Gn
Gr
EIR
D
VLR
Gp
SGSN
MSC server
E
Mc
Mc
CN
MGW
MGW
Nb
A
IuPS
IuCS
Gb
RNS
BSS
Iur
BSC
RNC
Abis
BTS
RNC
Iubis
BTS
Node B
Node B
cell
Um
Uu
ME
SIM-ME i/f
SIM
or
Cu
USIM
MS
A. Capone: Reti radiomobili
71
Core Network Release 5
‰ Possono rimanere I due domini CS e PS visti nelle versioni
precedenti
‰ Introduzione di nuovi nodi per IP Multimedia nel dominio PS
-
CSCF
HSS
MGCF
MGW
Call State Control Function
Home Subscriber Register
Media Gateway Control Function
equivalente all’omonimo elememento del dominio CS
‰ Da questa versione anche i servizi conversational possono
essere forniti dal dominio PS come applicazioni IP
A. Capone: Reti radiomobili
72
Core Network R5
Nc
MSC
Server
Iu(cs)
C
Mc
C
MGW
Nb
MSC
Server
T-SGW
Mc
PSTN
ISDN
MGW
Internet
Mm
H
UTRAN
Gs
HSS
AuC
Cx
Gi
CSCF
Mr
Gr
Gc
Gi
Mg
MRF
MGCF
Mc
Gi
Iu(ps)
SGSN
Gn
GGSN
Gi
MGW
T-SGW
PSTN
ISDN
Transport Interface
Control Interface
A. Capone: Reti radiomobili
73
Piattaforma servizi
Application
Application
Application Server
VHE/OSA
Application
Interface
CSCF
MGCF
CSE
HLR
QoS Enabled
GPRS network
MGW
MM Core
Network
GGSN
SGSN
Applications
A. Capone: Reti radiomobili
Applications
74
Piattaforma servizi - OSA
Application
server
Application
discovery
OSA API
Open
Service
Architecture
Interface
class
framework
User Location Call control
Service capability server(s)
HLR
OSA internal API
A. Capone: Reti radiomobili
CSE
WGW
WPP
Servers
E.g. Location server
MExE server
SAT server
75
Piattaforma servizi - Multimedia Messaging
MMS User
Agent
MMS
Server
2G Radio
Network
Subscription
Database
Profile
MMS
Relay
Internet
MMS User
Agent
HLR
MMS
Server
(e.g. E-Mail)
E-Mail
Client
3G Radio
Network
MMSE
A. Capone: Reti radiomobili
76
Piattaforma servizi – Servizi di localizzazione
LMU
Type A
CBC
Note 1)
Uu
3GSGSN
IuBC
HLR
Lh
UE
Node B
Iub SRNC
(LMU
Type B)
(SMLC
functionality)
Iur
Node B
(LMU
Type B)
Iub
RNC
Iu
3GLg
MSC/VLR
Lg
Le
Gateway
MLC
External
LCS client
Lc
Gateway
MLC
gsmSCF
Other PLMN
A. Capone: Reti radiomobili
77
Appendice
Cenni storici
Cenni storici (1)
‡
Il RACE Mobile Definition project definì il termine UMTS nell’86.
‡
L’ ACTS FRAMES project (‘95/’99) propose una tecnica di accesso
multiplo per l’interfaccia radio dell’UMTS chiamata FMA (FRAMES
Multiple Access)
‡
L’FMA consisteva di due modalità
–
FMA1: TDMA (Time Division Multiple Access)
–
FMA2: DS-CDMA (Direct-Sequence Code Division Multiple Access)
A. Capone: Reti radiomobili
79
Cenni storici (2)
‡
Nel 1997, il comitato SGM2 dell’ETSI (European Telecommunication
Standards Institute) confrontò cinque proposte alternative per
l’accesso multiplo sull’interfaccia radio per l’UMTS.
Concept group
Tecnica di accesso multiplo
Alpha
Wideband code division multiple access (W-CDMA)
Beta
Orthogonal frequency division multiple access (OFDM)
Gamma
Wideband time division multiple access (Wideband -TDMA )
Delta
Time division/code division multiple access (TD-CDMA )
Epsilon
Opportunity driven multiple access (ODMA)
A. Capone: Reti radiomobili
80
Cenni storici (3)
„
L’armonizzazione delle tecniche TDD e FDD ha prodotto l’ UTRA (UMTS
Terrestrial Radio Access)
Parametri iniziali dell’UTRA
Tecnica accesso multiplo
Spaziatura portanti
Chip rate
Modulazione
Maschera filtro
Durata della trama
Timeslots per trama
A. Capone: Reti radiomobili
FDD
TDD
W-CDMA
TD-CDMA
4.4-5.2 MHz
5 MHz
4.096 Mchip/s (Mcps)
QPSK
Root raise cosine, roll-off = 0.22
10 ms
16
81
Cenni storici (4)
‡
Nel giugno 1998, nell’ottica del progetto l’IMT-2000
dell’ITU, cioè di armonizzare a livello mondiale gli standard
3G, i vari enti di standardizzazione “locali” furono invitati a
sottoporre le loro proposte per le tecnologie di trasmissione
(RTT, radio transmission technologies)
A. Capone: Reti radiomobili
82
Cenni storici (5)
Proposta
Descrizione
Ente
DECT
Digital Enhanced Cordless
Telecommunications
ETSI Project DECT (Europe)
UWC-136
Universal Wireless Communications
TIA TR-45.3 (USA)
WIMS W-CDMA
Wireless Multimedia and Messaging
Services W-CDMA
TIA TR-46 (USA)
TD-SCDMA
Time Division Synchronous CDMA
CATT (China)
W-CDMA
Wideband CDMA
ARIB (Japan)
DMA II
Asynchronous DS-CDMA
TTA (South Korea)
UTRA
UMTS Terrestrial Radio Access
ESTI SMG2 (Europe)
NA: W-CDMA
North American: Wideband CDMA
ATIS T1P1 (USA)
cdma2000
Wideband CDMA (IS-95)
TIA TR-45.5 (USA)
CDMA I
Multiband Synchronous DS-CDMA
TTA (South Korea)
A. Capone: Reti radiomobili
83
Cenni storici (6)
‡
Nel dicembre ’98, fu fondato il 3GPP (Third Generation Partnership
Project) per armonizzare le proposte basate sulla tecnica W-CDMA
‡
Le proposte europea (dell’ETSI) e quella giapponese (dell’ARIB)
confluirono infatti in uno standard comune grazie al 3GPP
‡
Il 3GPP2 nacque con con l’obiettivo di armonizzare invece le proposte
vicine alla proposta cdma2000
‡
Nel giugno 1999, un altro nuovo ente, l’OHG (Operator Hamonisation
Group) intraprese le attività di armonizzazione dei principi del 3GPP and
3GPP2. Il progetto G3G (Global Third Generation) consentirà finalmente
l’interconnessione tra UTRA e cdma2000
A. Capone: Reti radiomobili
84
Cenni storici (7)
‡ L’OHG ha prodotto uno standard con tre modalità operative
– CDMA-DS (CDMA-Direct Sequence) basato sull’UTRA FDD
– CDMA-MC (CDMA-Multi Carrier) basato sul cdma2000
– CDMA-TDD basato sull’ UTRA TDD.
A. Capone: Reti radiomobili
85
Cenni storici (8)
‡
Nel novembre ‘99, l’ITU-R ha formalmente adottato gli standard
della famiglia IMT-2000. Dalle originarie dieci proposte, si è arrivati
a sei, raggruppate in cinque modalità.
Modalità
Descrizione
Standard(s)
IMT-MC
Multcarrier
cdma200
IMT-SC
Single carrier
UWC-136
IMT-DS
Direct sequence
UTRA FDD
IMT-TC
TDMA/CDMA
UTRA TDD, TD-SCDMA
IMT-FT
FDMA/TDMA
DECT
A. Capone: Reti radiomobili
86