Il sistema UMTS - Architettura e livello fisico
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Capitolo 4
Il sistema UMTS – Architettura e
livello fisico
In questo capitolo viene descritta l’architettura di rete del sistema di
comunicazione mobile cellulare UMTS e ne viene analizzata la struttura
protocollare, approfondendo in modo particolare il livello fisico.
4.1 Evoluzione dalle reti GSM a quelle UMTS
La futura introduzione del sistema di comunicazione mobile UMTS è
considerata un evento rivoluzionario, in grado di raggiungere importanti
obiettivi come la convergenza tra reti fisse e reti mobili, l’offerta di un’ampia
gamma di servizi, comprendendo tra essi tutto ciò che attualmente viene
definito con il termine ‘comunicazione multimediale’, e una vasta disponibilità
di applicazioni accessibili sia in modo wired che wireless. Il raggiungimento di
tali obiettivi è possibile principalmente tramite lo sviluppo di un’interfaccia
radio innovativa, senza tuttavia trascurare la core network che supporta il
sistema di accesso alla rete. Le attuali core network dei sistemi di
telecomunicazione mobile sono principalmente ottimizzate per il trasporto
vocale tramite connessioni a circuito mentre, al contrario, per UMTS vi è la
necessità di supportare anche il trasferimento di dati nella modalità a pacchetto.
L’integrazione tra reti mobili e fisse ha come conseguenza la realizzazione di
un sistema in grado di fornire una singola piattaforma di servizi di
telecomunicazione. Le principali funzionalità richieste ad UMTS sono, quindi,
814 – Il sistema UMTS – Architettura e livello fisico
la capacità di supportare servizi dati a larga banda, comunicazioni di tipo
simmetrico e asimmetrico, traffico a commutazione di circuito con garanzia di
QoS, traffico a commutazione di pacchetto con diversi livelli di QoS, servizi
real time e non real time e l’introduzione di nuovi servizi basati su tariffazioni
flessibili. La nascita delle nuove reti UMTS è un’evoluzione delle attuali reti di
telefonia mobile numeriche (di seconda generazione), le quali presentano il
grande vantaggio di essersi diffuse ampiamente e velocemente in tutto il
mondo, divenendo uno standard ‘de facto’. Il passaggio da GSM a UMTS
risulta quindi un percorso costituito da un insieme di passi successivi
strettamente correlati tra di loro.
L’infrastruttura delle attuali reti mobili si è evoluta a partire da quella delle
reti di telecomunicazione pubbliche fisse, caratterizzate da ritardi di
trasferimento limitati, ereditando però da esse la bassa flessibilità
dell’architettura di rete e la difficoltà di sviluppare nuove caratteristiche. Infatti
l’infrastruttura delle reti mobili è strettamente legata alla scelta delle tecniche
di comunicazione sull’interfaccia radio, rendendo difficoltose le modifiche su
di essa senza ripercussioni sulla parte di rete fissa. Inoltre, l’interfaccia radio,
essendo ottimizzata per il traffico vocale, può dare luogo ad alcuni problemi
quando si intendono aggiungere nuovi servizi dati; infine la tariffazione, basata
sulla durata della connessione e sulla distanza, risulta essere scarsamente
flessibile. Molte di queste limitazioni sono state affrontate dai comitati di
standardizzazione internazionali e hanno portato a soluzioni che attualmente
stanno per essere introdotte. Una di queste soluzioni è l’evoluzione dalle reti
GSM verso il sistema General Packet Radio Service (GPRS) che fornisce agli
operatori la possibilità di offrire servizi dati notevolmente migliorati rispetto a
quelli supportati dal GSM, le cui velocità sono limitate a 9.6 kbit/s. Tali
miglioramenti sono dovuti all’utilizzo della commutazione di pacchetto che
permette di supportare le comunicazioni IP direttamente sull’interfaccia radio,
senza il bisogno di instaurare una connessione a circuito. Quindi, il sistema
GPRS rappresenta il primo passo verso l’introduzione della tecnica a
commutazione di pacchetto sull'interfaccia radio.
La tecnica di trasporto a commutazione di pacchetto, rispetto a quella a
commutazione di circuito, permette di trasferire contemporaneamente in modo
efficiente dati che richiedono bit rate variabili, ma anche informazioni di
segnalazione; questa tecnica è stata scelta per essere utilizzata all’interno dei
sistemi che rappresentano l’evoluzione delle reti GSM proprio perché permette
un migliore sfruttamento delle risorse della rete.
824 – Il sistema UMTS – Architettura e livello fisico
R reference Gi reference
point Um or Uu point
GPRS / UMTS packet PDNs or
TE MT domain network 1 other networks
MS Gp
GPRS / UMTS packet
domain network 2
Figura 4.1: Interfacce di accesso al dominio a pacchetto e punti di riferimento
Entrambi i sistemi GPRS e UMTS sono accomunati da un’evidente
separazione tra gli elementi della rete che si occupano delle gestione delle
risorse radio e che rendono possibile la comunicazione con i terminali mobili,
da quelli che invece regolano il flusso dei dati all’interno della rete fissa e che
realizzano l’interconnessione con altre reti. Ciò che rende diversi questi due
sistemi è principalmente il tipo di accesso radio utilizzato (radio subsystem); il
core network, invece, è mantenuto senza grandi variazioni. Il passaggio da
GPRS a UMTS è quindi un esempio di come la separazione tra i diversi
elementi della rete permetta di riutilizzare il network subsystem con diverse
tecnologie di accesso sull’interfaccia radio (fig. 4.1 e 4.2). Infatti è proprio
quest’ultima che influisce maggiormente sulla qualità dei servizi offerti delle
reti radiomobili, poiché la trasmissione sul canale radio è molto critica e
necessita di particolari accorgimenti per poter soddisfare, con adeguati livelli
qualitativi, la crescente richiesta di servizi ad alto bit rate. La parte della rete
denominata core network è basata su un sistema di trasporto di tipo ATM/IP. Si
è scelto di adottare una soluzione mista in quanto ATM è in grado di fornire
un’elevata velocità di commutazione e diversi parametri di QoS, mentre IP, a
causa della sua grande diffusione, permette un facile interworking con una
moltitudine di altri sistemi. In questo modo, i diversi livelli di qualità di
servizio permettono un efficiente trasferimento sia di traffico real-time
(trasferimento voce o video) che di quello non real-time (trasferimento di dati
intermittenti e a burst, occasionali trasmissioni di grandi quantità di dati), ma
anche di applicazioni basate su protocolli standard e di servizi di messaggistica
come gli SMS (short messages).
834 – Il sistema UMTS – Architettura e livello fisico
SMS-GMSC
SMS-IWMSC SM-SC
E C
Gd
MSC/VLR HLR
D
Gs
A Iu Gc
Gr
R Uu Iu Gi
TE MT UTRAN SGSN GGSN PDN TE
Gn
Ga
Gb Ga
TE MT BSS Gp
Gn Billing
R Um CGF System
GGSN
SGSN Gf EIR
Other PLMN
Signalling Interface
Signalling and Data Transfer Interface
Figura 4.2: Architettura logica del dominio a pacchetto GPRS - UMTS
Un'altra caratteristica importante è determinata dall’introduzione di una
tariffazione flessibile che può dipendere dalla durata della connessione, ma
anche dalla quantità di dati trasferiti o dalla qualità di servizio richiesta. Dal
punto di vista dell’utente, ciò che rende diverso il sistema UMTS da GPRS è
una maggiore disponibilità di servizi ed una maggiore velocità di trasferimento
dati; essa è resa possibile da un’allocazione delle risorse radio molto flessibile
ed efficiente, in quanto per la trasmissione di dati a pacchetto, a seconda del
livello di attività di un terminale mobile, possono essere allocati dalla rete
canali comuni a contesa o canali dedicati.
4.2 I servizi e le classi di Quality of Service
Dovendo ospitare un’ampia gamma di servizi con caratteristiche molto diverse,
è indispensabile che la rete UMTS associ ad ognuno di essi una certa qualità di
servizio (QoS) che permetta di identificare in modo univoco i requisiti del
servizio di trasporto (Radio Bearer) da utilizzare. Nel definire le diverse classi
844 – Il sistema UMTS – Architettura e livello fisico
di QoS in UMTS, è necessario tenere in considerazione le limitazioni e le
restrizioni proprie dell’interfaccia radio, le quali richiedono l’introduzione di
meccanismi appropriati per garantire la QoS necessaria. Sono definite quattro
diverse classi di qualità di servizio in base alla sensibilità ai ritardi di
trasferimento:
• Conversational class: è la classe più sensibile ai tempi di trasferimento e
viene utilizzata per il trasporto di traffico real time. Uno degli utilizzi più
conosciuto di questa classe è la telefonia, ma con gli sviluppi di Internet e
dei servizi multimediali, un’ampia gamma di nuove applicazioni rientrerà
in questa categoria, come il trasporto della voce tramite il protocollo IP e il
trasferimento di immagini e audio (videoconferenza). I servizi principali
della Conversational class, quindi, sono costituiti dalle comunicazioni tra
due o più persone; proprio per il fatto che i requisiti qualitativi sono
strettamente determinati dalle percezioni umane, essi devono sottostare a
vincoli più severi rispetto a tutte le altre classi di qualità del servizio.
Infatti, le caratteristiche principali della Conversational class sono il basso
ritardo di trasferimento, la limitata variazione di esso ed il mantenimento
delle relazioni temporali tra le varie entità che compongono il flusso dati.
• Streaming class: viene utilizzata per il trasporto di un flusso dati real time
e unidirezionale sia di tipo video che audio. Questa classe, come la
Conversational class, è caratterizzata dal mantenimento delle relazioni
temporali tra le varie entità che compongono il flusso dati e da una limitata
variazione dei ritardi del flusso end-to-end. La variazione ammessa per i
ritardi di trasferimento, però, risulta essere molto più grande di quella data
dai limiti della percezione umana e quindi da quella richiesta al punto
precedente.
• Interactive class: viene applicata al caso in cui l’utente finale richieda dati
ad un apparato remoto. Alcuni esempi possono essere il Web Browsing, la
ricerca su data base e l’accesso ad un determinato server. Questa classe è
caratterizzata dal fatto che l’utente finale attende un messaggio in risposta
all’interrogazione effettuata all’apparato remoto. Risulta quindi di primaria
importanza il round trip delay che deve essere contenuto in tempi
ragionevoli; inoltre è necessario che il trasferimento dei dati avvenga in
modo trasparente, con basso tasso d’errore.
• Background class: viene utilizzata nel caso in cui l’utente finale, in genere
un computer, stia effettuando un trasferimento di file in background. Alcuni
esempi possono essere l’utilizzo della E-mail, oppure la spedizione di SMS
854 – Il sistema UMTS – Architettura e livello fisico
Traffic Conversational Streaming Interactive Background
class class class class Background best effort
Conversational RT streaming RT Interactive best
effort
Fundam - Preserve time -Preserve time - Request - Destination is not expecting
ental relation (variation) relation response pattern the data within a certain
characte between information (variation) time
ristics entities of the stream between - Preserve
information payload content - Preserve payload content
- Conversational entities of the
pattern (stringent and stream
low delay )
Exampl -voice -streaming - Web browsing - background download of
e of the video emails
applicati
on
Tabella 4.1: Classi di QoS
Traffic class Conversation Streaming Interactive Background
al class class class class
Maximum bit rate < 2048 < 2048 < 2048 – < 2048 –
(kbps) overhead overhead
Delivery order Yes/No Yes/No Yes/No Yes/No
Maximum SDU size4 – Il sistema UMTS – Architettura e livello fisico
CN
Iu
UTRAN
Uu
UE
UTRAN UMTS Terrestrial Radio Access Network
CN Core Network
UE User Equipment
Figura 4.3: Architettura generale del sistema UMTS
Al contrario, la Background class richiede la massima affidabilità e
integrità sulla trasmissione dei dati e necessita quindi di un basso tasso
d’errore.
Mentre le prime due classi sono adatte al trasporto dei flussi di traffico real
time, le ultime due sono quelle più adatte per le tradizionali applicazioni
Internet come WWW, E-mail, FTP, Telnet, ecc. A causa dei bassi requisiti di
ritardo rispetto alla classe conversazionale e quella streaming, la background
class e la interactive class offrono un minor error rate tramite opportuni
schemi di codifica e di ritrasmissione. Il traffico della interactive class ha una
priorità più alta rispetto al traffico background e quindi quest’ultimo può
utilizzare soltanto le risorse lasciate libere dal traffico interactive. Tale
caratteristica è importante nelle reti wireless, poiché la larghezza di banda a
disposizione è di gran lunga inferiore a quella utilizzata nelle reti fisse. La
tabella 4.1 mostra le caratteristiche delle classi di QoS, mentre la tabella 4.2
mette in evidenza per ogni classe i parametri del radio access bearer.
4.3 Architettura generale
Se si osserva la figura 4.3, si può notare come la struttura della rete UMTS
possa essere essenzialmente suddivisa in 3 elementi principali:
874 – Il sistema UMTS – Architettura e livello fisico
Non-Access Stratum
GC Nt DC GC Nt DC
Access Stratum
UE UTRAN Core Network
Radio
Iu
(Uu)
Figura 4.4: Suddivisione in Access Stratum e Non Access Stratum
• UE (User Equipment): è il terminale mobile di cui si serve l’utente per
usufruire di tutti i servizi offerti dalla rete. Come per GPRS, sono previsti
diversi tipi di user equipment, in base alla modalità operativa supportata. E’
infatti prevista la possibilità di utilizzare solo i servizi a commutazione di
circuito, solo quelli a commutazione di pacchetto o entrambi. Un UE
comunica con l’UTRAN tramite l’interfaccia radio Uu.
• UTRAN (UMTS Terrestrial Radio Access Network): è l’entità dedicata
al controllo dell’accesso alla rete tramite la gestione delle risorse radio
disponibili. L’UTRAN è l’unità che maggiormente differenzia il sistema
UMTS rispetto a GPRS, principalmente a causa dell’introduzione della
tecnica di multiplazione a divisione di codice al posto di quella a divisione
di tempo utilizzata nei sistemi cellulari GSM/GPRS. La connessione con la
core network avviene tramite l’interfaccia Iu.
• CN (Core Network): è l’entità che si occupa di fornire agli utenti i vari
servizi richiesti: può essere connessa con reti di tipo diverso che supportano
svariati protocolli di comunicazione. Sarà compito dei diversi operatori di
rete definire e negoziare le interconnessioni con quelle esterne (PDN o
altro).
La figura 4.4 mette in evidenza le stratificazioni all’interno dell’architettura di
UMTS, ovvero la suddivisione della rete in Access Stratum (AS) e Non
Access Stratum (NAS). L’Access Stratum comprende un insieme di elementi
funzionali di cui fanno parte tutti i livelli appartenenti all’URAN (UMTS
Radio Access Network) e parte dei livelli all’interno dello User Equipment.
884 – Il sistema UMTS – Architettura e livello fisico
GC Nt DC GC Nt DC
Relay
GC Nt DC DC GC Nt DC DC
GC Nt GC Nt
Uu Stratum Iu Stratum
UE UTRAN Core Network
Radio
Iu
(Uu)
Figura 4.5: Rappresentazione del modello dell’UTRAN
GC Nt DC GC Nt DC
RRC RRC
bearers
RLC/MAC/PHY RLC/MAC/PHY
UE UTRAN
Radio
(Uu)
Figura 4.6: Modello dell’Uu Stratum
894 – Il sistema UMTS – Architettura e livello fisico
Il confine tra AS e NAS è determinato dalla separazione tra livelli dipendenti
dalla particolare tecnica di accesso radio utilizzata e quelli totalmente
indipendenti da essa. Questo confine si trova all’interno dell’UE (mobile
boundary) e in particolari nodi della rete (fixed boundary). Questa suddivisione
è necessaria affinché la riconfigurazione della rete di accesso o le modifiche
apportate ad essa abbiano il minimo impatto sulle funzionalità della core
network (e viceversa). Inoltre una particolare Access Network, attraverso
l’interfaccia Iu, può offrire l’accesso a diversi tipi di core network e deve
risultare trasparente ai diversi servizi supportati. L’ Access Stratum offre i
servizi attraverso i seguenti Services Access Points (SAP), che saranno meglio
descritti nel paragrafo 4.5.1, al Non Access Stratum:
• General Control (GC) SAP
• Notification (Nt) SAP
• Dedicated Control (DC) SAP
Questa stratificazione può essere ridefinita per distinguere le entità finali
dell’Access Stratum, che forniscono i servizi ai livelli superiori, dalle entità
locali, che forniscono servizi rispettivamente sull’interfaccia Uu e Iu. La figura
4.5 mostra tali caratteristiche. Il blocco Uu Stratum comprende le entità
descritte in figura 4.6, in cui si nota come il livello RRC svolga un ruolo di
supervisione sui livelli protocollari RLC/MAC e fisico dell’interfaccia radio.
I protocolli di comunicazione riguardanti le interfacce di rete Uu e Iu, a cui si
è fatto riferimento precedentemente, possono essere divisi in due gruppi:
• Protocolli del piano utente: sono i protocolli che supportano i servizi
RAB, ovvero Radio Access Bearer, trasportando i dati d’utente
attraverso l’Access Stratum
• Protocolli del piano di controllo: sono i protocolli utilizzati per il
controllo dei vari RAB e delle connessioni tra il terminale mobile UE e
la rete. Tra i vari compiti vi sono anche la richiesta dei vari servizi, la
gestione delle risorse per le trasmissioni e l’organizzazione degli
handover. E’ anche presente un particolare meccanismo per il
trasferimento in modalità trasparente dei messaggi riguardanti il Non
Access Stratum.
904 – Il sistema UMTS – Architettura e livello fisico
Core Network
Iu Iu
RNS RNS
Iur
RNC RNC
Iub Iub Iub Iub
Node B Node B Node B Node B
Figura 4.7: Architettura dell’UTRAN
Core Network
Iu
DRNS SRNS
Iur
Cells
UE
Figura 4.8: Serving RNS e Drift RNS
4.4 UTRAN
4.4.1 Architettura dell’UTRAN
L’UTRAN è costituito da un insieme di Radio Network Subsystem connessi
alla core network attraverso l’interfaccia Iu. Un Radio Network Subsystem,
come mostrato in figura 4.7, comprende due elementi fondamentali: un Radio
Network Controller ed uno o più Node B. Un Node B è connesso al RNC
attraverso l’interfaccia Iub e può supportare entrambe le modalità di
trasmissione FDD (Frequency Division Duplex) e TDD (Time Division
Duplex). Un RNC è l’entità responsabile della gestione delle risorse all’interno
delle celle di cui esso è a capo, ma anche degli handover che richiedono lo
914 – Il sistema UMTS – Architettura e livello fisico
scambio di messaggi di segnalazione verso l’UE; all’interno dell’UTRAN i
diversi RNC del Radio Network Subsystem possono essere connessi tra di loro
attraverso l’interfaccia Iur. Quest’ultima può essere realizzata tramite una
connessione diretta tra i diversi RNC oppure tramite reti virtuali utilizzando
opportuni sistemi di trasporto. Se esiste una connessione tra UE e UTRAN,
allora esiste un particolare RNS definito Serving RNS, il cui compito è quello
di instaurare e gestire la connessione tra il mobile e la rete; inoltre, come
mostra la figura 4.8, se viene richiesto è anche possibile che il Serving RNS sia
supportato da un altro RNS, il quale prende il nome di Drift RNS. Quest’ultimo
può ad esempio fornire un certo numero di risorse radio al primo,
permettendogli di sopperire alla temporanea carenza di risorse.
4.4.2 Funzioni dell’UTRAN
In questo paragrafo vengono elencate e descritte le principali funzioni svolte
dall’UTRAN.
• Funzioni relative al controllo dell’accesso al sistema: permettono
all’utente di connettersi alla rete UMTS per poter usufruire dei servizi
offerti. L’accesso al sistema può essere effettuato sia dal terminale mobile
(in seguito ad una chiamata originata dal mobile) che dalla rete (chiamata
verso il mobile):
• Controllo dell’accesso: svolge il compito di accettare o rifiutare nuovi
utenti, cercando di evitare situazioni di sovraccarico sulla base di
misurazioni di interferenza e valutazione delle risorse utilizzate. Questa
funzione è svolta dal Serving RNC attraverso l’interfaccia Iu e viene
utilizzata ogni volta che un utente effettua un accesso alla rete, oppure
durante gli handover e durante l’assegnazione o riconfigurazione dei
Radio Bearer.
• Controllo della congestione: svolge il compito di monitorare, rilevare
e gestire situazioni in cui il sistema è prossimo alla congestione. Per
questo motivo dovranno essere decise in breve tempo contromisure in
grado di riportare il sistema ad uno stato di stabilità.
• Trasmissione delle informazioni di sistema: questa funzione fornisce
ai vari terminali mobili tutte le informazioni riguardanti l’Access
Stratum ed il Non Access Stratum di cui ogni UE si serve per svolgere
le operazioni all’interno della rete.
924 – Il sistema UMTS – Architettura e livello fisico
Core Network Core Network
Iu Iu
DRNS SRNS SRNS RNS
Iur
Cells
UE UE
Before SRNS Relocation After SRNS Relocation
Figura 4.9: Rimpiazzo del SRNS
• Cifratura e decifratura dei canali radio: svolge il compito di proteggere i
dati trasmessi sull’interfaccia radio da intercettazioni non autorizzate.
• Funzioni relative alla mobilità:
• Handover: è la funzione che gestisce la mobilità degli utenti
sull’interfaccia radio: si basa sulle misurazioni dei livelli di potenza
ricevuti e serve a garantire il mantenimento della qualità di servizio
richiesta dalla core network. L’handover può essere controllato dalla
rete ma anche dal mobile.
• Rimpiazzo del SRNS: coordina le attività della rete quando il ruolo di
un SRNS sta per essere preso da un altro RNS e gestisce la connessione
sull’interfaccia Iu nel passaggio da un RNS ad un altro (fig. 4.9).
• Funzioni relative alla gestione e al controllo delle risorse radio:
• Configurazione delle risorse radio: gestisce le risorse radio della rete
all’interno delle singole celle.
• Monitoraggio dei canali radio: questa funzione effettua misurazioni
sui canali radio della cella di interesse e su quelle adiacenti (livelli di
potenza ricevuti, stima del BER, livelli di interferenza, spostamento
Doppler, ecc.) e le traduce in stime della qualità del canale.
• Controllo della divisione e della ricombinazione dei flussi
informativi: permette la trasmissione e la ricezione dello stesso flusso
di informazioni attraverso più canali fisici da o verso un determinato
terminale mobile, introducendo quindi nel sistema la macrodiversità e
la possibilità di effettuare soft-handover. La macrodiversità è supportata
soltanto per il trasferimento voce, mentre non è prevista per il
934 – Il sistema UMTS – Architettura e livello fisico
Radio Control Plane User Plane
Network
Layer Application Data
Protocol Stream(s)
Transport Transport Network Transport Network Transport Network
Network User Plane Control Plane User Plane
Layer
ALCAP(s)
Signalling Signalling Data
Bearer(s) Bearer(s) Bearer(s)
Physical Layer
Figura 4.10: Modello protocollare generale per le interfacce UTRAN
trasferimento dati. A seconda del contesto, questa funzione può essere
svolta da diverse entità come i SRNS, i DRNS e i Node B.
• Instaurazione e rilascio dei Radio Bearer: lo scopo di questa
funzione è contribuire all’instaurazione ed al rilascio delle connessioni
end-to-end.
• Allocazione e deallocazione dei Radio Bearer: permette di gestire i
canali fisici in base alla QoS del Radio Access Bearer.
• Funzioni dei protocolli radio: forniscono la possibilità di trasferire
dati d’utente e segnalazione attraverso l’interfaccia radio della rete
UMTS adattando il servizio alla trasmissione radio. Questa funzione
include la multiplazione dei diversi servizi e dei diversi utenti sui Radio
Bearer, la segmentazione ed il riassemblaggio dei dati e la trasmissione
in modalità acknowledged o unacknowledged a seconda della QoS
richiesta.
• Controllo della potenza sui canali radio: realizza il controllo dei
livelli di potenza sul canale per minimizzare i segnali interferenti e
garantire un’adeguata qualità della trasmissione.
• Codifica e decodifica di canale: la codifica introduce informazione
ridondante nel flusso dei dati che devono essere trasmessi sul canale
radio, in modo da permettere il rilevamento in ricezione degli errori
944 – Il sistema UMTS – Architettura e livello fisico
introdotti dal mezzo di trasmissione non ideale. La decodifica utilizza le
informazioni ridondanti per rilevare e correggere gli eventuali errori.
• Controllo della codifica di canale: questa funzione genera
informazioni di controllo (schema di codifica, rate del codice, ecc.)
richieste dalle funzioni di codifica e decodifica.
• Gestione dell’accesso random alla rete: si occupa di rilevare i vari
tentativi di accesso alla rete di un particolare mobile e di rispondere a
tali richieste in modo adeguato risolvendo eventuali contese verificatesi
sul canale radio. Nel caso in cui l’accesso vada a buon fine, a tale
risposta seguirà, a seconda delle necessità di trasmissione del mobile, la
richiesta di allocazione delle risorse.
4.4.3 Modello protocollare generale per le interfacce UTRAN
La rappresentazione grafica del modello protocollare è mostrata in figura 4.10.
La struttura ha come obiettivo l’indipendenza, dal punto di vista logico, dei
diversi livelli dai vari piani, cercando quindi di rendere semplice la modifica
delle pile protocollari per soddisfare le eventuali future necessità di sviluppo e
miglioramento. E’ possibile individuare due livelli orizzontali principali, il
Radio Network Layer ed il Transport Network Layer. Quest’ultimo rappresenta
la tecnologia di trasporto che è stata scelta per essere utilizzata dall’UTRAN.
Vi è anche una suddivisione in piani verticali, quello di controllo e quello
d’utente. Il piano di controllo include i protocolli applicativi come RANAP
(Radio Access Network Application Part) sull’interfaccia Iu, RNSAP (Radio
Network System Application Part) sull’interfaccia Iur, NBAP (Node B
Application Part) sull’interfaccia Iub ed i signalling bearer, ovvero canali di
trasporto utilizzati per i messaggi di controllo di tali protocolli, i quali vengono
anche utilizzati per l’instaurazione dei bearer all’interno del Radio Network
Layer. Il piano d’utente include i Data Stream (flussi di dati) e Data Bearer
(canali di trasporto per le informazioni d’utente). E’ visibile inoltre il modulo
denominato ALCAP (Access Link Control Application Protocol) che si occupa
della gestione delle procedure di segnalazione. Le figure 4.11 e 4.12 mostrano,
invece, in modo più dettagliato l’intera struttura protocollare di UMTS tra lo
User Equipment e la Core Network nel piano d’utente e nel piano di controllo,
in cui si nota la presenza del protocollo ATM.
954 – Il sistema UMTS – Architettura e livello fisico
Application
E.g., IP, E.g., IP,
PPP, PPP,
OSP OSP
Relay Relay
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 L1 ATM ATM L1 L1
Uu Iu-PS Gn Gi
MS UTRAN 3G-SGSN 3G-GGSN
Figura 4.11: Architettura protocollare di UMTS nel piano utente
GMM / GMM /
SM / SMS SM / SMS
Relay
RRC RRC RANAP RANAP
RLC RLC SCCP SCCP
MAC MAC Signalling Signalling
Bearer Bearer
AAL5 AAL5
L1 L1
ATM ATM
Uu Iu-Ps
MS RNS 3G SGSN
Figura 4.12: Architettura protocollare di UMTS nel piano di controllo
4.5 Architettura protocollare dell’interfaccia radio
L’interfaccia radio è costituita principalmente da tre livelli protocollari:
• Livello fisico (L1)
• Livello Data Link (L2)
• Livello rete (L3)
964 – Il sistema UMTS – Architettura e livello fisico
C-plane signalling U-plane information
GC Nt DC
Duplication avoidance
GC Nt DC
L3 UuS boundary
control
RRC
PDCP
PDCP L2/PDCP
control
control
control
control
BMC L2/BMC
RLC RLC L2/RLC
RLC RLC
RLC RLC
RLC RLC
Logical
Channels
MAC L2/MAC
Transport
Channels
PHY L1
Figura 4.13: Stratificazione protocollare dell’interfaccia radio Uu
Il livello 2 è diviso nei seguenti sottolivelli: Medium Access Control
(MAC), Radio Link Control (RLC), Packet Data Convergence Protocol
(PDCP) e Broadcast/Multicast Control (BMC). Il livello 3 ed il RLC sono
suddivisi nei piani di utente (U) e di controllo (C). I livelli PDCP e BMC
esistono soltanto nel piano d’utente. Nel piano di controllo, il livello 3 è diviso
in sottolivelli di cui fa parte anche il Radio Resource Control (RRC) che si
interfaccia con il livello 2 e termina nell’UTRAN. Il livello 3 termina
all’interno della Core Network, ma fa ancora parte dell’Access Stratum: esso
fornisce i servizi dell’Access Stratum ai livelli superiori. I livelli superiori
come il Mobility Management (MM) e il Call Control (CC) non dipendono
dall’Access Stratum e non saranno qui descritti. La figura 4.13 mostra
l’architettura dei protocolli dell’interfaccia radio. Ogni blocco nella figura
rappresenta un’istanza del rispettivo protocollo.
974 – Il sistema UMTS – Architettura e livello fisico
Radio Resource Control (RRC)
Layer 3
Medium Access Control
Layer 2
(MAC)
CPHY primitives PHY primitives
Layer 1
Physical Layer
Figura 4.14: Interfacce con il livello fisico
I SAP tra il livello fisico e il MAC forniscono i canali di trasporto, mentre
quelli tra MAC e RLC forniscono i canali logici. Nel piano di controllo,
l’interfaccia tra il livello che funge da “Duplicate Avoidance” ed i sottolivelli
più alti del livello 3 (CC, MM) è costituita dai SAP GC, Nt e DC. Sono inoltre
visibili le connessioni tra i livelli RRC e MAC, tra RRC e fisico, tra RRC e
RLC, tra RRC e PDCP, tra RRC e BMC. Queste interfacce permettono al RRC
di controllare la configurazione dei livelli sottostanti attraverso Control Service
Access Point (C-SAP) separati.
Il sottolivello RLC fornisce funzionalità di ARQ strettamente accoppiate
con la tecnica di trasmissione radio utilizzata. Non esistono differenze tra le
istanze di RLC all’interno del piano di controllo o all’interno del piano
d’utente.
Ogni livello fornisce servizi, intesi come insieme di primitive, al livello
superiore. I servizi di controllo (C-SAP), permettono al RRC di esercitare
un’azione di controllo su tutti i livelli sottostanti. Le primitive dei servizi di
controllo possono superare uno o più livelli senza attraversarli.
4.6 Livello fisico
4.6.1 Servizi
Il livello fisico è il più basso livello all’interno del modello di riferimento
ISO OSI e supporta tutte le funzionalità necessarie alla trasmissione del flusso
di bit sul mezzo fisico. Come si può vedere dalla figura 4.14, esso si interfaccia
con il Medium Access Control (MAC) e con il Radio Resource Control (RRC)
984 – Il sistema UMTS – Architettura e livello fisico
e offre servizi di trasferimento delle informazioni al MAC ed ai livelli
superiori. Le primitive di comunicazione con il MAC (PHY-primitives)
forniscono il trasferimento di transport block sull’interfaccia radio e
l’indicazione dello stato del livello fisico al MAC, mentre le primitive di
comunicazione con il RRC (CPHY-primitives) forniscono il controllo della
configurazione del livello 1.
I servizi di trasporto di questo livello sono definiti da quante risorse e con
quali caratteristiche i dati sono trasferiti sull’interfaccia radio. Il trasferimento
dati dal livello fisico al MAC e viceversa avviene tramite i canali di trasporto
(Transport Channels). Le caratteristiche di un determinato canale di trasporto
sono definite da un formato di trasporto o da un insieme di formati di trasporto.
Ad ogni canale di trasporto con rate fisso o lentamente variabile può essere
associato un Transport Format mentre ad ogni canale con rate fortemente
variabile può essere associato un Transport Format Set. Un formato di
trasporto è definito come una combinazione di codifica, interleaving e bit rate
da applicare alle informazioni da trasmettere. Un Transport Format Set è un
gruppo di formati di trasporto.
L’unità temporale di riferimento per il livello fisico è pari alla durata di una
trama radio (frame) che corrisponde a 10 ms. Il Transmission Time Interval
(TTI), invece, può durare quanto una trama radio, ma può anche essere un
multiplo del tempo di trama e rappresenta l’intervallo temporale in cui un
transport block o, più in generale, un transport block set (inteso come un
insieme di transport block da trasmettere contemporaneamente sfruttando lo
stesso transport channel) viene passato dal livello 2 al livello 1 per la
trasmissione sul canale radio. Tipicamente un transport block corrisponde ad
una PDU di livello RLC.
Un UE può avere contemporaneamente attivi uno o più canali di trasporto,
ognuno con le proprie caratteristiche di trasporto; il multiplexing di tali canali
su di uno o più canali fisici è compito del livello fisico. Il flusso dati ottenuto in
seguito alle operazioni di multiplexing e codifica è definito Coded Composite
Transport Channel (CCTrCH) e viene trasferito su uno o più canali fisici. In
downlink per ogni UE possono essere utilizzati contemporaneamente più
CCTrCH e per la modalità FDD i diversi CCTrCH possono sottostare a diversi
requisiti di C/I in modo da fornire diverse QoS. In uplink, invece, può essere
utilizzato un solo CCTrCH nella modalità FDD. Ad ogni CCTrCH viene
associato un Transport Format Combination Indication (TFCI) che serve per
994 – Il sistema UMTS – Architettura e livello fisico
identificare in modo univoco il Transport Format Combination (TFC), definito
come la combinazione dei transport format utilizzati dai canali di trasporto del
Coded Composite Transport Channel all’interno della durata dell’attuale trama
radio. Il TFC può essere scelto dal MAC tra una serie di combinazioni di
formati di trasporto fornita dal livello RRC, definita come Transport Format
Combination Set (TFCS).
Per meglio mettere in evidenza l’importanza dei parametri che permettono ai
dati provenienti dai canali di trasporto di essere trasmessi sull’interfaccia radio,
è necessario sintetizzare nel seguente elenco le loro caratteristiche.
• Transport Block: è l’unità base di informazione trasferita tra il livello
MAC ed il livello 1. Un transport block corrisponde in genere ad una PDU
di livello RLC al quale il livello fisico aggiunge il campo CRC per
l’eventuale indicazione della presenza di errori al MAC in ricezione.
• Transport Block Set: è definito come l’insieme di un certo numero di
transport block che sono trasferiti nello stesso TTI tra MAC e livello 1 (e
viceversa) utilizzando lo stesso canale di trasporto.
• Transport Block Size: è il numero di bit contenuti in un transport block. Il
transport block size è sempre costante all’interno di ogni transport block
set, quindi tutti i transport block di un determinato transport block set
hanno la stessa dimensione.
• Transport Block Set Size: è il numero di bit contenuto in un transport
block set.
• Transmission Time Interval (TTI): è definito come il tempo di
interarrivo dei transport block set ed è uguale al periodo con cui un
transport block set è trasferito dal livello fisico sull’interfaccia radio. La sua
durata è sempre multipla del minimo periodo di interleaving (10 ms) e
corrisponde all’intervallo di tempo con cui un transport block set viene
trasferito tra MAC e livello 1.
• Transport Format: è il formato offerto dal livello fisico al MAC (e
viceversa) per la consegna di un transport block set durante un TTI su di un
transport channel. Il transport format è costituito da due parti, una dinamica
e una semi statica. Per la modalità FDD, la prima comprende il transport
block size e il transport block set size, mentre la seconda comprende il TTI,
il tipo di codice da applicare, il rate del codice, i parametri di rate matching
e le dimensioni del campo CRC.
1004 – Il sistema UMTS – Architettura e livello fisico
• Transport Format Set (TFS): è l’insieme dei transport format associati ad
un canale di trasporto. Le parti semi statiche dei transport format sono le
stesse per tutti i TF all’interno di un transport format set. Gli attributi della
parte dinamica di un transport format determinano il bit rate istantaneo di
un canale di trasporto, quindi è possibile soddisfare la necessità di un bit
rate variabile cambiando semplicemente tali parametri da un TTI a quello
successivo: ad esempio può essere variato solo il transport block set size
oppure anche il transport block size.
• Transport Format Combination (TFC): il livello fisico multipla uno o
più canali di trasporto; ad ognuno di essi è associata una lista di formati di
trasporto che possono essere applicati. Tuttavia, in un certo TTI non tutte le
combinazioni di transport format possono essere utilizzate, ma soltanto
alcune di esse, che vengono definite transport format combination. Ognuna
di queste rappresenta una combinazione autorizzata di formati di trasporto
scelta tra tutte quelle che possono essere utilizzate dal livello fisico per la
trasmissione su di un CCTrCH.
• Transport Format Combination Set (TFCS): è definito come l’insieme
di un certo numero di transport format combination su di un CCTrCH ed è
ciò che viene dato al livello MAC dal livello 3 per il controllo. Il MAC
infatti sceglie una tra le differenti combinazioni di formati di trasporto
contenute nel TFCS e la utilizza per la trasmissione. Il livello fisico, in base
alla parte semi statica dei transport format ed al valore obiettivo di potenza
che deve raggiungere il controllo ad anello chiuso, ha il compito di
soddisfare i requisiti per la trasmissione in termini di qualità (Bit Error
Rate) e ritardo di trasferimento. E’ compito del livello 3 controllare che il
livello fisico soddisfi tali richieste. Un TFCS non contiene tutte le possibili
combinazioni dei formati di trasporto e inoltre sono ammesse soltanto
quelle specificate. La possibilità di scegliere una diversa combinazione
all’interno di un TFCS per ogni TTI permette quindi di ottenere una veloce
variazione del bit rate senza la necessità di un’esplicita segnalazione da
parte del livello 3.
• Transport Format Indicator (TFI): è l’identificativo di un determinato
formato di trasporto. Esso viene utilizzato per le comunicazioni tra il livello
fisico ed il MAC ogni volta che un transport block viene trasferito tra i due
livelli su di un canale di trasporto.
• Transport Format Combination Indicator (TFCI): è l’identificativo di
una determinata combinazione di formati di trasporto. Il TFCI viene
1014 – Il sistema UMTS – Architettura e livello fisico
utilizzato per comunicare al ricevitore quale TFC si sta utilizzando e quindi
come decodificare, demultiplare e consegnare i dati ricevuti
sull’appropriato canale di trasporto. Il MAC indica al livello 1 il TFI per
ogni transport block set su tutti i canali di trasporto ed il livello fisico
costruisce il TFCI in base a tutti i TFI, processa in modo appropriato tutti i
transport block ed inserisce il TFCI nella parte del messaggio di controllo
di livello fisico. Gli esatti schemi di multiplexing e adattamento del rate
seguono regole predefinite e possono quindi essere dedotti dal trasmettitore
e dal ricevitore senza la necessità di segnalazione sull’interfaccia radio.
4.6.1.1 I canali di trasporto
I canali di trasporto possono essere suddivisi in due gruppi:
• Canali di trasporto comuni (Common Transport Channels): su di essi è
necessaria l’identificazione di ogni UE.
• Canali di trasporto dedicati (Dedicated Transport Channels): ogni UE
è identificato dal particolare canale fisico (codice e frequenza per la
modalità FDD e codice, timeslot e frequenza per la modalità TDD).
Vi sono diversi tipi di canali di trasporto comuni:
• Random Access Channel (RACH): è un canale a contesa presente solo
in uplink ed è utilizzato per la trasmissione di una quantità di dati
relativamente ridotta come nel caso di accesso iniziale alla rete e per il
trasferimento di informazioni di controllo dedicate non real time o dati
d’utente. Questo canale è caratterizzato dal rischio di collisione con la
trasmissione di altri UE e da un controllo di potenza ad anello aperto.
• Common Packet Channel (CPCH): è un canale a contesa utilizzato per
la trasmissione di dati intermittenti. Il CPCH esiste soltanto per la
modalità FDD in uplink ed, essendo una risorsa comune, è condiviso da
tutti gli utenti di una cella. E’ caratterizzato dal rilevamento delle
collisioni e dalla possibilità di cambiare rapidamente la velocità di
trasmissione.
• Forward Access Channel (FACH): è un canale comune utilizzato in
downlink senza controllo di potenza ad anello chiuso per la trasmissione
di una quantità di dati relativamente ridotta con la possibilità di
cambiare rapidamente la velocità di trasmissione (ogni 10 ms) e di
utilizzare antenne a fascio sagomato.
1024 – Il sistema UMTS – Architettura e livello fisico
• Downlink Shared Channel (DSCH): è un canale utilizzato in downlink
ed è condiviso da più UE per il trasporto di dati utente o di segnalazione
dedicata. Questo canale, nella modalità FDD è sempre associato ad un
DCH.
• Broadcast Channel (BCH): è un canale in downlink utilizzato per
trasmettere le informazioni di sistema a bit rate fisso non elevato
all’interno dell’intera cella.
• Paging Channel (PCH): è un canale in downlink utilizzato per
trasmettere le informazioni di controllo all’interno della cella come i
messaggi di paging o la notifica di una variazione delle informazioni
diffuse sul BCH.
Il canale di trasporto dedicato è:
• Dedicated Channel (DCH): è un canale presente sia in uplink che in
downlink dedicato ad un particolare utente e caratterizzato dalla
possibilità di cambiare la velocità di trasmissione ogni 10 ms.
4.6.2 Funzioni
Il livello fisico realizza le seguenti funzioni:
• Gestione della macrodiversità ed esecuzione degli handover (soft-
handover).
• Rilevamento degli errori sui canali di trasporto e indicazione ai livelli
superiori.
• Codifica e decodifica FEC (Forward Error Correction), interleaving e
deinterleaving dei canali di trasporto.
• Multiplexing dei canali di trasporto e demultiplexing dei Coded
Composite Transport CHannel (CCTrCH).
• Adattamento della velocità di trasmissione.
• Mappatura dei CCTrCH sui canali fisici.
• Modulazione e demodulazione, spreading e despreading dei canali
fisici.
• Sincronizzazione di tempo e frequenza (chip, bit, slot, frame).
• Misurazioni ed indicazione ai livelli superiori.
• Controllo di potenza ad anello chiuso.
• Processamento a radio frequenza.
1034 – Il sistema UMTS – Architettura e livello fisico
4.6.2.1 Canali fisici
I canali fisici sono organizzati in una particolare struttura di trame e timeslot.
Per il sistema UMTS una trama corrisponde a 10 ms ed è costituita da 15 time
slot. Il timeslot è l’unità temporale che contiene una serie di bit suddivisi in
diversi campi. Il numero di bit per timeslot non è fisso e dipende dal particolare
tipo di canale fisico. L’insieme di 72 trame viene denominato multitrama e ha
una durata di 720 ms. Nella modalità FDD la trasmissione avviene per tutti i
time slot di una trama e i canali fisici sono individuati da un codice e da una
frequenza; inoltre, per l’uplink, diversi flussi di informazioni possono essere
trasmessi sui due rami I e Q del segnale e quindi differiscono soltanto per la
fase relativa (0 o /2). Nella modalità TDD, invece, un canale fisico sarà
caratterizzato anche da un particolare timeslot.
Come accade per i canali di trasporto, anche per i canali fisici è possibile
distinguere tra canali dedicati e canali comuni. I canali comuni sono:
• Physical Random Access Channel (PRACH): è un canale comune in
uplink utilizzato per trasportare il RACH. La trasmissione ad accesso
casuale è di tipo slotted ALOHA con rapida indicazione di acquisizione.
• Physical Common Packet Channel (PCPCH): è un canale in uplink
utilizzato per trasportare il CPCH. La trasmissione è di tipo DSMA-CD con
rapida indicazione di acquisizione.
• Common Pilot Channel (CPICH): è un canale fisico in downlink che
trasporta una sequenza di bit predefinita ad una velocità di bit e di simbolo
fissa (30kbps, SF = 256).
• Primary Common Control Physical Channel (P-CCPICH): è un canale
in downlink a velocità fissa (30 kbps, SF = 256) utilizzato per trasportare il
BCH.
• Secondary Common Control Physical Channel (S-CCPICH): è un
canale in downlink utilizzato per trasportare il FACH e il PCH.
• Physical Downlink Shared Channel (PDSCH): è un canale presente solo
in downlink utilizzato per trasportare il DSCH ed è condiviso da più utenti
in base alla multiplazione di codice. Questo canale è sempre associato ad
un DPCH.
• Synchronisation Channel (SCH): è un canale presente in downlink
utilizzato per la ricerca della cella.
1044 – Il sistema UMTS – Architettura e livello fisico
Transport Channels Physical Channels
DCH Dedicated Physical Data Channel (DPDCH)
Dedicated Physical Control Channel (DPCCH)
RACH Physical Random Access Channel (PRACH)
CPCH Physical Common Packet Channel (PCPCH)
Common Pilot Channel (CPICH)
BCH Primary Common Control Physical Channel (P-CCPCH)
FACH Secondary Common Control Physical Channel (S-CCPCH)
PCH
Synchronisation Channel (SCH)
DSCH Physical Downlink Shared Channel (PDSCH)
Acquisition Indicator Channel (AICH)
Access Preamble Acquisition Indicator Channel (AP-AICH)
Paging Indicator Channel (PICH)
CPCH Status Indicator Channel (CSICH)
Collision-Detection/Channel-Assignment Indicator
Channel (CD/CA-ICH)
Figura 4.15: Corrispondenza tra canali di trasporto e canali fisici
• Acquisition Indicator Channel (AICH): è un canale in downlink che
trasporta gli indicatori di acquisizione (AI) come risposta ai tentativi di
accesso effettuati dagli UE.
• Page Indicator Channel (PICH): è un canale a rate fisso (SF = 256)
utilizzato per trasportare gli indicatori di page (PI). Il PICH è sempre
associato ad un S-CCPCH sul quale viene mappato il canale di trasporto
PCH.
I canali fisici dedicati sono i seguenti:
• Dedicated Physical Data Channel (DPDCH): è un canale utilizzato per
trasportare i dati trasferiti dai livelli superiori attraverso il DCH. Possono
esistere uno, nessuno o più DPDCH per ogni connessione di livello 1.
1054 – Il sistema UMTS – Architettura e livello fisico
DCH model FAUSCH model RACH model
DCH DCH DCH FAUSCH RACH
Coding and
multiplexing Coding
Coded Composite
Transport Channel Transport
(CCTrCH) Format Combination
Indicator
Demultiplexing/
(TFCI)
splitting
Physical Channel
Data Streams
Phy CH Phy CH TPC→Phy CH Phy CH Phy CH
CPCH model USCH model
CPCH USCH USCH
Coding Coding and
multiplexing
Coded Composite
Demultiplexing/ Transport Channel
(CCTrCH)
splitting
Demultiplexing/
splitting
Physical Channel Phy CH Phy CH (note 1)
Physical Channel
Data Streams
TFCI →Phy CH Phy CH Data Streams
Figura 4.16: Modello di livello fisico lato UE – uplink
• Dedicated Physical Control Channel (DPCCH): viene utilizzato per il
trasporto delle informazioni di controllo generate dal livello 1; tali
informazioni consistono principalmente in sequenze di bit pilota (Pilot) per
la stima del canale e in comandi per il controllo di potenza (TPC).
In uplink il DPDCH e il DPCCH sono multiplati in codice sui due rami I/Q
del segnale in ogni radio frame, mentre in downlink risultano multiplati nel
tempo in un Dedicated Physical Channel (DPCH). La figura 4.15 mostra
graficamente la corrispondenza tra canali di trasporto e canali fisici. Le figure
4.16 e 4.17 mostrano invece alcuni esempi di modelli di livello fisico,
evidenziando le operazioni che permettono di associare i canali di trasporto a
quelli fisici.
1064 – Il sistema UMTS – Architettura e livello fisico
FACH & PCH BCH DCH
model model model
PCH FACH FACH BCH DCH DCH DCH
Decoding and
Decoding and
demultiplexing Decoding demultiplexing
Coded Composite
Coded Composite Transport Channel
Transport Channel (CCTrCH)
CCTrCH) MUX
Physical Channel
Data Streams
PI ←Phy CH TFCI ←Phy CH Phy CH Cell 1 Phy CH Phy CH →TPC stream 1, TFCI
Cell 2 Phy CH Phy CH →TPC stream 2, TFCI
Cell 3 Phy CH Phy CH →TPC stream 3, TFCI
DSCH
DCH model
model
DSCH DSCH
DCH DCH DCH
Decoding and
Decoding and
demultiplexing
demultiplexing
Coded Composite
Coded Composite
Transport Channel Transport Channel
(CCTrCH) (CCTrCH)
MUX MUX
Physical Channel Physical Channel
Data Streams Data Streams
→
Cell 1 Phy CH Phy CH →TPC stream 1, TFCI1 Cell 1 Phy CH Phy CH TPC stream 1, TFCI2
Cell 2 Phy CH Phy CH →TPC stream 2, TFCI1 →
Cell 3 Phy CH Phy CH →TPC stream 3, TFCI1
Note (1) – TFCI1 indicates the DCH specific
TFC and TFCI2 indicates the DSCH specific
DCH associated with DSCH TFC and also the PDSCH channelisation
code(s)
Figura 4.17: Modello di livello fisico lato UE – downlink (FDD)
4.6.3 Spreading e scrambling
La caratteristica distintiva che il sistema UMTS introduce rispetto al sistema
GSM è la multiplazione a divisione di codice e quindi risulta importante
analizzare quali sono le operazioni che permettono ai dati di utilizzare le
sequenze di spreading e di scrambling. L’operazione di spreading è costituita
essenzialmente da due fasi. La prima è la canalizzazione che trasforma ogni
simbolo in un certo numero di chip, espandendo così la larghezza di banda del
segnale. Il numero di chip per simbolo viene chiamato Spreading Factor (SF).
1074 – Il sistema UMTS – Architettura e livello fisico
c4,1 = (1,1,1,1) C8,1
c2,1 = (1,1) C8,2
c4,2 = (1,1,-1,-1) C8,3
c1,1 = (1) C8,4
c4,3 = (1,-1,1,-1)
c2,2 = (1,-1)
c4,4 = (1,-1,-1,1)
SF = 1 SF = 2 SF = 4
Figura 4.18: Albero dei codici OVSF
La seconda fase è l’operazione di scrambling, tramite la quale alla sequenza di
chip precedentemente ottenuta viene ancora applicato un codice di scrambling.
Questo tipo di codice può essere usato per distinguere celle diverse,
permettendo l’utilizzo multiplo dello stesso codice di spreading. In uplink i
codici di scrambling sono assegnati dai livelli superiori all’interno dell’UE.
Con la prima fase (la canalizzazione) i simboli sui rami I e Q (rispettivamente
parte reale e parte immaginaria del segnale) vengono moltiplicati in modo
indipendente per un codice OVSF (Orthogonal Variable Spreading Factor),
mentre con la seconda, i segnali risultanti vengono ulteriormente moltiplicati
per un codice di scrambling complesso. I codici OVSF hanno la caratteristica
di essere non correlati e preservano quindi l’ortogonalità tra i diversi canali
fisici degli utenti anche a velocità e spreading factor differenti. Tali codici
possono essere definiti tramite l’albero presente in figura 4.18. Ogni codice
Cch,SF,k è caratterizzato dallo spreading factor e dal numero di codice k con quel
determinato SF, dove 0 ≤ k ≤ SF-1. Ogni livello dell’albero dei codici definisce
i codici di lunghezza SF. I codici di canalizzazione per tutti i canali fisici
vengono assegnati dall’UTRAN. Essendo la velocità di chip in aria fissata a
3.84 Mcps, è possibile trasmettere dati di sorgenti a rate variabile
semplicemente variando il valore di SF e di conseguenza la lunghezza del
codice. Tuttavia la scelta dei codici risulta essere critica in quanto essi risultano
non correlati soltanto se derivanti da radici diverse dell’albero; inoltre il
numero delle sequenze che possono essere utilizzate non è illimitato. Se si
1084 – Il sistema UMTS – Architettura e livello fisico
utilizzasse un’assegnazione di tipo casuale dei codici con SF elevato per canali
con basso bit rate, si potrebbe precludere l’utilizzo di un gran numero di codici
con SF ridotto, limitando in modo inefficiente il numero dei codici rimanenti
per gli altri utenti. Al contrario, sarebbe vantaggioso assegnare i codici a flussi
dati con basso bit rate in modo da minimizzare il numero di quelli non
disponibili con SF ridotto. Inoltre è vantaggioso assegnare agli utenti, operativi
con un certo data rate, codici strettamente correlati (vicini nell’albero dei
codici) in modo da minimizzare il numero di quelli con basso SF non
disponibili. Per questi motivi è necessario utilizzare opportuni algoritmi di
allocazione dei codici che siano in grado di sfruttare le risorse di sistema in
modo efficiente. La scelta del codice opportuno deve dipendere così dalla
particolare strategia di allocazione, ma anche dalle caratteristiche dell’UE. I
vari utenti possono generalmente richiedere differenti tipi di servizio con
diversi rate di trasmissione e ogni mobile ha la possibilità di usare più di un
codice per supportare tali bit rate. L’allocazione dei codici può seguire i
seguenti criteri:
• Utilizzazione: l’utilizzazione è definita come il rapporto tra la banda
utilizzata e quella disponibile. Uno schema di allocazione che preservi un
maggior numero di codici con basso SF ha più possibilità di fornire una
maggiore utilizzazione. Ad esempio, con riferimento alla figura 4.18, i
codici C4,1 e (C8,1 , C8,3 ) siano quelli disponibili utilizzando due diversi
schemi di allocazione. Il primo (equivalente alla coppia (C8,1 , C8,2)) può
supportare un symbol rate fino a 960 kbps. Anche gli altri due codici C8,1 e
C8,3 possono supportare congiuntamente lo stesso symbol rate, ma il C4,1
può supportare la velocità di 960 kbps usando solo una sequenza. Quindi,
lasciando libero questo codice, si lasciando liberi un maggior numero di
sequenze a basso SF e si garantisce un’utilizzazione maggiore.
• Complessità: la complessità del sistema cresce all’aumentare del numero
dei codici. In alcuni casi vi è più di un modo per soddisfare i requisiti
esposti al punto precedente. Per esempio, nel caso in cui il mobile possa
utilizzare sia uno che due codici, viene scelto lo schema che richiede il
minor numero di sequenze.
4.6.4 Il controllo di potenza
Il controllo di potenza è una delle procedure più importanti nel sistema
UMTS, in quanto utilizzando la tecnica CDMA è necessario tenere sotto stretta
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