SMARTPHONE: Italiano | Gruppo TIM
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44 notiziariotecnico anno 29 1/2020 45
DENTRO LO
SMARTPHONE:
BANDA BASE E
PROTOCOLLI RADIO
Bruno Melis, Damiano Rapone, Giovanni Romano
Questo articolo descrive
i blocchi funzionali di uno
smartphone: la catena di rice-
trasmissione, dove sono espli-
citate le principali funzionalità
introdotte da 5G NR, ed i pro-
tocolli radio necessari per con-
sentire la comunicazione tra
“telefonino” e rete.
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Introduzione Tutti i telefoni cellulari si basano su selettivo in frequenza, ovvero di
quanto definito da questo ente. In semplice equalizzazione. NR intro-
Il nostro smartphone è ormai parte particolare, il gruppo RAN1 speci- duce alcune migliorie rispetto alla
integrante del nostro modo di vive- fica il livello fisico, ovvero le tecni- tecnica OFDM adottata per LTE:
re tanto che si dà ormai per scon- che di modulazione, i codici per la • Numerologia flessibile con
tata tutta la tecnologia che si cela correzione degli errori introdotti dal spaziatura in frequenza Δf del-
dietro di esso: ma cosa permette canale di trasmissione, il numero di le sottoportanti OFDM confi-
alle nostre app di funzionare in Ita- risorse utilizzabili (nel tempo e nel- gurabile da 15 kHz (valore fisso
lia e nel resto del globo? la frequenza) per la trasmissione utilizzato da LTE) fino a Δf=120
Tutto questo è possibile grazie dei dati e dei segnali di controllo. kHz per i canali di traffico. L’u-
allo sforzo congiunto dell’industria tilizzo di una spaziatura in fre-
che ha riconosciuto l’importanza La gestione delle risorse radio (Ra- quenza maggiore è utile per
di creare un unico standard per dio Resource Management, RRM), frequenze portanti elevate, ad
la telefonia cellulare e di investire le misure e le procedure per la mo- esempio ad onde millimetriche
fortemente nella ricerca di nuove bilità nonché i protocolli che rego- sopra i 20 GHz, per rendere il
soluzioni per ottimizzare l’uso del- lano il funzionamento del termina- sistema più robusto rispetto 1
Schema a blocchi funzionale di un ricevitore
le risorse radio.Uno smartphone è le sono invece definiti dal RAN2. alle caratteristiche del canale
NR per la parte di livello fisico
un insieme di molte tecnologie: lo di propagazione e per ridurre
schermo, le fotocamere, il sistema Nel seguito sono descritte le princi- la durata del simbolo OFDM
operativo e le applicazioni che for- pali caratteristiche di quanto speci- (TS) e quindi la latenza a livello
niscono i servizi sono solo alcuni ficato dal 3GPP RAN1 e RAN2. fisico (vale infatti la relazione
esempi. Tutto questo però non fun- fondamentale TS=1/Δf). Inol- La tecnica MIMO svolge un ruolo tecnica MU-MIMO, dove due o più di raggiungere velocità dell’ordine
zionerebbe senza la componente tre, una spaziatura elevata fondamentale per NR. utenti condividono le stesse risor- di molti Gbit/s.
di comunicazione, ovvero la capa- permette di utilizzare canali se trasmissive ma i relativi segnali
cità di operare in una rete cellu- La banda base: con banda maggiore (fino a Essa consiste nell’utilizzo di anten- sono separati trasmettendoli in di- Lo schema a blocchi funzionale
lare. A tale scopo, questo articolo la catena rice- 400 MHz per frequenze sopra ne multiple al trasmettitore ed al rezioni diverse mediante antenne del ricevitore NR per la parte di li-
intende spiegare il funzionamento trasmissiva 24.25 GHz) utilizzando un nu- ricevitore al fine di aumentare sia attive. vello fisico è illustrato in figura 1. I
della banda base di uno smartpho- mero N di sottoportanti gesti- la velocità di trasmissione sia la co- segnali ricevuti dalle varie anten-
ne ed i protocolli di comunicazio- Il livello fisico di NR è descritto nelle bile in termini di complessità pertura radio del sistema. Il MIMO Il 3GPP ha inoltre definito alcu- ne sono prima convertiti in banda
ne radio. Nell’articolo “Dentro lo specifiche del 3GPP RAN1, in parti- (il numero N di sottoportanti in NR è stato progettato nativa- ni vincoli per garantire un livello base e poi digitalizzati.
smartphone - SoC e testing” [1] colare in [2][3]. La tecnica OFDM è corrisponde alla dimensione mente per supportare il beamfor- di prestazioni elevate nella tratta
si affrontano invece gli aspetti più stata scelta dal 3GPP come forma dell’operazione di FFT che è ming in trasmissione e ricezione. downlink come l’utilizzo di 4 anten- I segnali sono quindi soggetti alla
implementativi e propedeutici alla d’onda per la trasmissione del se- alla base della generazione del ne riceventi nel terminale. demodulazione OFDM e poi sono
commercializzazione. gnale 5G NR. segnale OFDM). Il beamforming consente di indiriz- inviati al MIMO decoder che elabo-
La modulazione OFDM suddivide il • Tecniche di filtraggio per con- zare il segnale radio verso direzioni Al contrario non è previsto un vin- ra il segnale ricevuto e ricostruisce
flusso di dati ad elevato bit rate in tenere lo spettro del segnale preferenziali in cui sono localizzati colo sul numero di antenne tra- il flusso dati trasmesso.
N flussi ciascuno dei quali modula OFDM. Il contenimento spet- gli utenti con il risultato di aumen- smittenti nel terminale.
La standardizzazione una delle N sottoportanti a banda trale del segnale NR permette tare il raggio di copertura e l’effi- L’utilizzo della tecnica OFDM con-
tecnica stretta del segnale OFDM. di raggiungere un utilizzo del cienza spettrale. Un’ulteriore innovazione di NR è l’u- giuntamente alla tecnica MIMO è
canale radio allocato fino al tilizzo dei codici di canale LDPC che particolarmente interessante per-
Il 3GPP è l’ente di riferimento per Il risultato è che ciascuna sottopor- 98%, rispetto a LTE che si fer- Inoltre, il beamforming è fonda- grazie alla loro particolare struttura ché permette di separare nel ricevi-
le tecnologie radiomobili. tante OFDM vede un canale non ma invece al 90%. mentale per l’applicazione della di decodifica parallela permettono tore l’operazione di equalizzazione
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del canale da quella di decodifica di LTE e la nuova interfaccia radio La comunicazione di AS interessa
della trasmissione MIMO. NR. sia il Control Plane (CP, ossia la se-
La separazione di queste due ope- gnalazione di rete) che lo User Pla-
razioni permette di semplificare Entrambe le tecnologie costitui- ne (UP, ossia i dati d’utente).
la struttura del ricevitore con una scono la Next Generation Radio
conseguente riduzione della com- Access Network (NG-RAN) attra- Le procedure di CP prevedono il
plessità. Le successive operazioni di verso la quale il terminale (UE) si protocollo di Radio Resource Con-
demodulazione, de-interleaving e connette alla rete tramite sia nodi trol (RRC) che consente ad es. l’in-
decodifica di canale servono a mi- di rete LTE (ng-eNB) che NR (gNB) vio a tutti i terminali presenti nell’a-
gliorare l’affidabilità dei segnali rice- [5] [6]. rea di copertura di un sito delle
vuti correggendo gli errori introdotti informazioni (System Information)
dal canale di propagazione. La comunicazione tra la rete di necessarie allo UE per stabilire una
accesso NG-RAN e lo UE è gestita comunicazione.
dalla pila protocollare di Access 3
Opzioni di connettività con la
Stratum (AS), implementata sia Altre funzionalità tipiche del pro- core network
La pila protocollare lato nodo di rete sia lato terminale. tocollo RRC sono la gestione della
radio 5G mobilità del terminale (procedure
La pila protocollare del 5G è stata di cell reselection e di handover) e
Nel sistema 5G coesistono due specificata dal 3GPP in Release 15 la configurazione delle misure ad
tecnologie di accesso: l’evoluzione ed è illustrata in Figura 2. essa associate, il controllo di con- nessione (procedure di creazione/ stante parte della pila protocollare La comunicazione NAS, invece, è
modifica/rilascio di una connes- delle interfacce radio LTE e NR. esclusivamente di CP ed è gestita
sione RRC, attivazione delle pro- dal relativo protocollo implemen-
cedure di security, configurazione I protocolli di Layer-2 – Packet Data tato nello UE e nell’entità Access
2 dei radio bearers, recupero della Convergence Protocol (PDCP), Ra- and mobility Management Fun-
Pila protocollare del 5G connessione conseguente la Radio dio Link Control (RLC), Medium Ac- ction (AMF) della 5GC. Il protocol-
(AS e NAS) e diagramma di Link Failure (RLF), ecc.), il trasfe- cess Control (MAC) – interagiscono lo NAS gestisce la segnalazione
transizione tra stati RRC del
terminale 5G rimento della segnalazione che si quindi con la catena rice-trasmis- di procedure come network regi-
richiude esclusivamente tra lo UE siva descritta precedentemente. stration, authentication, security,
e la core network (segnalazione di Lo UP è gestito dalla stessa pila paging, location update e session
Non Access Stratum, NAS) ed in- protocollare radio, con le seguenti management.
fine la gestione delle feature sup- differenze:
portate dallo UE (capability), dato • Il protocollo RRC non è coinvol-
che non tutti gli smartphone im- to, agendo esclusivamente sul
plementano tutte le funzionalità CP Gli stati RRC e la
standardizzate dal 3GPP. • Ai protocolli di Layer-2 prima gestione delle risorse
menzionati si aggiunge, al di radio
Le funzionalità di CP definite nel sopra del PDCP, il nuovo proto-
protocollo RRC vengono realizzate collo Service Data Adaptation L’attività del terminale e la gestione
sfruttando i servizi messi a dispo- Protocol (SDAP) che gestisce delle risorse (RRM) è distinta sulla
sizione dai protocolli di Layer-2, il nuovo modello di qualità del base degli stati RRC (Figura 2).
gerarchicamente posti al di sotto servizio della core network 5G Uno smartphone 5G, infatti, può
dell’RRC e che compongono la re- (5GC). trovarsi in uno dei seguenti stati,50 notiziariotecnico anno 29 1/2020 51
a cui sono associate funzionalità e passerà allo stato RRC_CON- non è necessaria l’interfaccia tra le finito dalle funzionalità di livello
procedure distinte [6]: NECTED semplicemente riat- due core network. fisico (es. numero di antenne nel-
• RRC_IDLE – il terminale non ri- tivando la sua connessione. Il la tecnica MIMO), la latenza è in-
ceve né trasmette dati. Lo UE comportamento e la mobilità Tuttavia, per migliorare le presta- fluenzata dalla durata di simbolo
è in uno stato ‘dormiente’ per sono simili a RRC_IDLE ma la zioni di mobilità, il terminale po- OFDM e dalla “velocità” con cui lo
ridurre il consumo di batteria, posizione del terminale è nota trebbe dover implementare una smartphone riesce a passare da
tranne per ricevere le System a livello di rete di accesso NG- doppia catena rice-trasmissiva. uno stato logico all’altro.
Information o per monitorare RAN su base RAN Notification
le richieste di connessione (pa- Area. I diversi stati logici impattano la
ging). La mobilità si basa sulle durata della batteria in quanto agi-
procedure di cell (re)selection Conclusioni scono sulla segnalazione di Control
per identificare la cella migliore Plane ed ottimizzano il tempo in cui
sulla quale accamparsi. La po- Opzioni di connettività Il nostro “telefonino” funziona gra- lo smartphone è attivo
sizione del terminale è nota alla verso la core network zie alle funzionalità ed ai protocolli
reta a livello di core network su radio standardizzati dal 3GPP.
base Tracking Area e lo UE tra- Il 3GPP ha definito diverse configu-
smette solo per indicare il cam- razioni di rete 5G [7], che prevedo- Grazie allo standard, il cliente può
bio di Tracking Area e quando no un interlavoro in rete di accesso scegliere tra molteplici brand di
esegue la procedura di Random – Dual Connectivity tra LTE e NR – e smartphone ed è sicuro di fruire del
Access per il passaggio allo in core network (Figura 3). servizio in qualsiasi parte del mon-
stato RRC_CONNECTED. do.
• RRC_CONNECTED – il termina- Quest’ultimo si verifica nei casi di
le riceve e trasmette dati. La architetture 5G di tipo standalone Questo articolo ha descritto le prin-
rete può configurare funziona- in cui LTE ed NR operano in manie- cipali funzionalità definite dal 3GPP
lità di Discontinuous Reception ra indipendente l’una dall’altra. per quanto riguarda il livello fisico
(DRX) per ridurre il consumo di ed i protocolli radio.
batteria nei casi di traffico dati Il terminale deve poter supportare
particolarmente variabile. La sia il NAS della Evolved Packet Core Sono state evidenziate le principali
posizione del terminale è nota (EPC) sia il NAS della 5GC e sono innovazioni introdotte da 5G NR in
a livello cella e la mobilità è possibili i casi di single e dual regi- termini di modulazione, codici per
controllata dalla rete (hando- stration [8]. la correzione degli errori introdotti
ver) sulla base di misure fornite dal canale radio e utilizzo della tec-
dal terminale. Uno UE in single registration si re- nica MIMO.
• RRC_INACTIVE – nuovo stato gistra ad una sola delle due core
introdotto per gestire la tra- network (EPC o 5GC) e la gestione Sono stati descritti i protocolli radio
smissione frequente di picco- della mobilità intersistema richiede e gli stati logici in cui si può trova-
le quantità di dati. Se per un un‘interfaccia dedicata tra le due re un terminale, illustrando anche
certo tempo il terminale non core network. come è specificata la connettività
scambia dati con la rete esso con la Core Network.
può sospendere la sua sessione Nel caso di dual registration, lo UE
senza però perdere la connes- si registra contemporaneamente L’impatto di queste funzionalità è
sione verso la rete; il terminale sia alla EPC che alla 5GC per cui visibile a tutti: il throughput è de-52 notiziariotecnico anno 29 1/2020 53
Bibliografia
Bruno Melis bruno1.melis@telecomitalia.it
[1] D. Arena, C. Carlini, M. Ubicini, “Dentro lo smartphone [7] TR 38.801, “Study on new radio access technology: Ingegnere Elettronico, è entrato in azienda nel 1995 occupandosi delle tecniche di trasmissione a livello fisico
per i sistemi radiomobili. Attualmente è nella funzione Technology Innovation. Si è occupato dell’analisi delle
- SoC e testing”, Notiziario Tecnico anno 29 - 1/2020 Radio access architecture and interfaces”. Release prestazioni e del dimensionamento dei sistemi radio tramite tecniche di simulazione numerica applicate a
[2] TS 38.211, “NR - Physical channels and modulation”. 14, V14.0.0 (2017-03) diversi sistemi fra i quali il GSM, UMTS/HSDPA, LTE e recentemente per il sistema 5G NR. È coautore di diversi
brevetti relativi ad algoritmi di elaborazione del segnale e a tecniche di trasmissione/ricezione basate su
Release 15, V15.8.0 (2019-12) [8] TS 23.501, “System architecture for the 5G System antenne multiple
[3] TS 38.212, “NR - Multiplexing and channel coding”. (5GS)”. Release 16, V16.3.0 (2019-12)
Release 15, V15.8.0 (2019-12)
[4] TS 38.306, “NR - User Equipment (UE) radio access
capabilities”. Release 15, V15.8.0 (2019-12)
Damiano Rapone damiano.rapone@telecomitalia.it
[5] TS 38.300, “NR - Overall description (Stage-2)”.
Laureato con lode all’Università degli Studi di Roma “Tor Vergata” in Ingegneria Elettronica nel 2011,
Release 15, V15.8.0 (2019-12) specializzazione Elettronica a Radio Frequenza. Nel 2013 ottiene il Master di II° livello “Innovazione di reti e
[6] TS 38.401, “NG-RAN - Architecture description”. servizi nel settore dell’ICT”, con lode, presso il Politecnico di Torino. Nello stesso anno entra in Telecom Italia
nel gruppo Wireless Access Innovation con sede a Torino (TILAB) per occuparsi di analisi di prestazioni dei
Release 15, V15.7.0 (2019-12) sistemi LTE/LTE-A. Dal 2016 è delegato Telecom Italia nel 3GPP RAN2 che standardizza i protocolli Layer 2 e
Layer 3 delle tecnologie radio 5G (NR ed evoluzione di LTE). Dal 2019 è delegato in 5G Automotive Association
(5GAA), nel WG3, dove segue tematiche di interoperabilità e di conformance testing dei dispositivi C-V2X. Dal
2020 è delegato nel WG5 di O-RAN Alliance che definisce i profili di interoperabilità delle interfacce di rete (X2,
Xn, F1, W1, E1) in ottica multi-vendor. È coinvolto attivamente in vari progetti finanziati dall’Unione Europea
Acronimi
Giovanni Romano giovanni.romano@telecomitalia.it
3GPP Third Generation Partnership Project NR New Radio
Ingegnere elettronico, si occupa del coordinamento delle attività di standardizzazione tecnica su accesso
5GC 5G Core network OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing radio, terminali mobili e frequenze. Rappresenta Telecom Italia in 3GPP RAN, con incarico della gestione dei
AMF Access and mobility Management Function PDCP Packet Data Convergence Protocol rapporti tra 3GPP ed ITU-R. Dal 2013 al 2017 ha inoltre rivestito la carica di vice presidente del 3GPP RAN;
dal 2016 rappresenta TIM come Alternate Board Director in NGMN. Ha iniziato a lavorare nel mondo degli
AS Access Stratum SoC System on Chip standard nel 1996, partecipato ai lavori di ETSI, 3GPP, ITU-R e NGMN.
CP Control Plane RAN Radio Access Network Fino al 2004 è stato project manager per le attività radio su UMTS e nel 1999-2001 è stato responsabile
DRX Discontinuous Reception RAN1 RAN Working Group 1 tecnico del trial UMTS a Torino
EPC Evolved Packet Core RAN2 RAN Working Group 2
FFT Fast Fourier Transform RLC Radio Link Control
LDPC Low Density Parity Check RLF Radio Link Failure
LTE Long Term Evolution RRC Radio Resource Control
MAC Medium Access Control RRM Radio Resource Management
MIMO Multiple Input Multiple Output SDAP Service Data Adaptation Protocol
MU-MIMO Multi User MIMO UE User Equipment
NAS Non Access Stratum UP User Plane
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