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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
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Comunicazioni Mobili A.A. 2015-16
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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Architettura di rete
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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Architettura di rete
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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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Architettura di rete
Mobility Management Entity(MME) Serving Gateway Home Subscriber Server (HSS) PDN Gateway (P-GW)
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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MBMS – Multimedia Broadcast Multicast Service
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
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MBMS – Multimedia Broadcast Multicast Service
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
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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
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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
Architettura di rete
SERVIZI
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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
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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
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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
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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
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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
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Countries with commercial LTE service Countries with commercial LTE network deployment on-going or planned Countries with LTE trial systems (pre-commitment)