LTE (sia l’evoluzione della rete radio che del core) è ora sul mercato. La release 8 è stata congelata nel dicembre 2008 e questa è stata la base per la prima ondata di apparecchiature LTE. Le specifiche LTE sono molto stabili, con l’ulteriore vantaggio che i miglioramenti sono stati introdotti in tutte le successive release 3GPP.
La motivazione dell’LTE
- Necessità di garantire la continuità della competitività del sistema 3G per il futuro
- Richiesta degli utenti di velocità di dati più elevate e qualità del servizio
- Packet Switch ottimizzato sistema
- Continua richiesta di riduzione dei costi (CAPEX e OPEX)
- Bassa complessità
- Evitare l’inutile frammentazione delle tecnologie per il funzionamento in banda accoppiata e non accoppiata
Panoramica LTE
Autore: Magdalena Nohrborg, per 3GPP
LTE (Long Term Evolution) o E-UTRAN (Evolved Universal Terrestrial Access Network), introdotto in 3GPP R8, è la parte di accesso dell’Evolved Packet System (EPS). I requisiti principali per la nuova rete di accesso sono un’alta efficienza spettrale, alte velocità di picco dei dati, breve tempo di andata e ritorno e flessibilità nella frequenza e nella larghezza di banda.
Il GSM è stato sviluppato per trasportare servizi in tempo reale, in un modo a commutazione di circuito (blu nella figura 1), con servizi dati possibili solo su una connessione modem a commutazione di circuito, con velocità dati molto basse. Il primo passo verso una soluzione a commutazione di pacchetto basata su IP (verde nella figura 1) è stato fatto con l’evoluzione del GSM a GPRS, usando la stessa interfaccia aerea e lo stesso metodo di accesso, TDMA (Time Division Multiple Access).
Per raggiungere velocità di dati più elevate nell’UMTS (Universal Mobile Terrestrial System) è stata sviluppata una nuova tecnologia di accesso WCDMA (Wideband Code Division Multiple Access). La rete di accesso nell’UMTS emula una connessione a commutazione di circuito per i servizi in tempo reale e una connessione a commutazione di pacchetto per i servizi datacom (nero in figura 1). Nell’UMTS l’indirizzo IP viene assegnato all’UE quando viene stabilito un servizio datacom e rilasciato quando il servizio viene rilasciato. I servizi datacom in entrata fanno quindi ancora affidamento sul nucleo a commutazione di circuito per il paging.
L’Evolved Packet System (EPS) è puramente basato su IP. Sia i servizi in tempo reale che i servizi datacom saranno trasportati dal protocollo IP. L’indirizzo IP viene assegnato quando il cellulare viene acceso e rilasciato quando viene spento.
La nuova soluzione di accesso, LTE, è basata su OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access) e in combinazione con una modulazione di ordine superiore (fino a 64QAM), grandi larghezze di banda (fino a 20 MHz) e la multiplazione spaziale nel downlink (fino a 4×4) si possono raggiungere alte velocità di dati. Il più alto picco teorico di velocità di dati sul canale di trasporto è di 75 Mbps in uplink, e in downlink, usando la multiplazione spaziale, la velocità può essere fino a 300 Mbps.
La rete di accesso LTE è semplicemente una rete di stazioni di base, NodeB evoluti (eNB), che genera un’architettura piatta (figura 2). Non c’è un controller intelligente centralizzato, e gli eNB sono normalmente interconnessi con l’interfaccia X2 e con la rete centrale tramite l’interfaccia S1 (figura 2). La ragione per distribuire l’intelligenza tra le stazioni base nell’LTE è quella di accelerare la creazione della connessione e ridurre il tempo richiesto per un handover. Per un utente finale il tempo di configurazione della connessione per una sessione di dati in tempo reale è in molti casi cruciale, specialmente nel gioco online. Il tempo per un handover è essenziale per i servizi in tempo reale dove gli utenti finali tendono a terminare le chiamate se l’handover richiede troppo tempo.
Un altro vantaggio della soluzione distribuita è che il livello del protocollo MAC, che è responsabile della programmazione, è rappresentato solo nell’UE e nella stazione base, il che porta ad una comunicazione e decisioni veloci tra l’eNB e l’UE. Nell’UMTS il protocollo MAC, e lo scheduling, si trova nel controller e quando è stato introdotto l’HSDPA un ulteriore sottolivello MAC, responsabile dello scheduling HSPA è stato aggiunto nell’NB.
Lo scheduler è un componente chiave per il raggiungimento di una risorsa radio regolata velocemente e utilizzata in modo efficiente. Il Transmission Time Interval (TTI) è impostato a solo 1 ms.
Durante ogni TTI l’eNB scheduler deve:
– considerare l’ambiente radio fisico per UE. Gli UE riportano la loro qualità radio percepita, come input allo scheduler per decidere quale schema di modulazione e codifica usare. La soluzione si basa su un rapido adattamento alle variazioni del canale, utilizzando HARQ (Hybrid Automatic Repeat Request) con soft-combining e adattamento del tasso.
– dare priorità ai requisiti di servizio QoS tra gli UE. LTE supporta sia i servizi in tempo reale sensibili al ritardo sia i servizi datacom che richiedono elevate velocità di picco dei dati.
– informa gli UE delle risorse radio assegnate. L’eNB programma gli UE sia in downlink che in uplink. Per ogni UE pianificata in un TTI i dati utente saranno trasportati in un blocco di trasporto (TB). DL ci può essere un massimo di due TB generati per TTI per UE – se viene usato lo spatial multiplexing. Il TB è consegnato su un canale di trasporto. In LTE il numero di canali è diminuito rispetto all’UMTS. Per il piano utente c’è solo un canale di trasporto condiviso in ogni direzione. Il TB inviato sul canale, può quindi contenere bit da un certo numero di servizi, multiplexati insieme.
Per ottenere un’alta efficienza spettrale radio e permettere una programmazione efficiente nel dominio del tempo e della frequenza, il 3GPP ha scelto un approccio multicarrier per l’accesso multiplo. Per il downlink, è stato scelto l’OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access) e per l’uplink l’SC-FDMA (Single Carrier – Frequency Division Multiple Access) conosciuto anche come DFT (Discrete Fourier Transform) spread OFDMA (figura 3).
OFDM è una tecnologia multicarrier che suddivide la larghezza di banda disponibile in una moltitudine di sottoportanti reciproche ortogonali a banda stretta. In OFDMA queste sottoportanti possono essere condivise tra più utenti. La soluzione OFDMA porta ad un alto rapporto di potenza Peak-to-Average Power Ratio (PAPR) che richiede costosi amplificatori di potenza con elevate esigenze di linearità, aumentando il consumo di energia per il mittente. Questo non è un problema per l’eNB, ma porterebbe a telefoni molto costosi. Quindi è stata scelta una soluzione diversa per l’UL. Come illustrato nella figura 3, la soluzione SC-FDMA genera un segnale con caratteristiche di singola portante, quindi con un basso PAPR.
Per permettere una possibile implementazione in tutto il mondo, supportando il maggior numero possibile di requisiti normativi, LTE è sviluppato per un certo numero di bande di frequenza – bande operative E-UTRA – che attualmente vanno da 700 MHz fino a 2,7GHz. Anche le larghezze di banda disponibili sono flessibili, a partire da 1,4 MHz fino a 20 MHz. LTE è sviluppato per supportare sia la tecnologia time division duplex (TDD) che la frequency division duplex (FDD). Nella R8 ci sono 15 bande specificate per FDD e otto bande per TDD. Nella R9 sono state aggiunte quattro bande per FDD. Nella R9 sono stati aggiunti anche il Multimedia Broadcast Multicast Service (MBMS) e l’Home eNB (HeNB), vedi figura 4. MBMS è usato per fornire informazioni broadcast a tutti gli utenti, per esempio pubblicità, e multicast a un gruppo chiuso che si abbona a un servizio specifico, per esempio lo streaming TV. Gli HeNB sono stati introdotti principalmente per fornire copertura all’interno delle abitazioni o degli uffici. L’HeNB è un eNB a bassa potenza che sarà usato in piccole celle – femtocelle. Normalmente sarà di proprietà del cliente, distribuito senza alcuna pianificazione di rete e connesso all’operatore EPC (Evolved Packet Core).
Figura 4 Novità in LTE R9: a) MBMS, b) HeNB.
Altra lettura
– TS 36.211 Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA); Physical channels and modulation
– TS 36.212 Accesso radio universale terrestre evoluto (E-UTRA); multiplazione e codifica dei canali
– TS 36.213 Accesso radio universale terrestre evoluto (E-UTRA); procedure del livello fisico
– TS 36.300 Accesso radio universale terrestre evoluto (E-UTRA) e rete di accesso radio universale terrestre evoluto (E-UTRAN); descrizione generale; fase 2
– TS 36.321 Accesso radio universale terrestre evoluto (E-UTRA); specifica del protocollo MAC (Medium Access Control)
– TS 36.331 Accesso radio universale terrestre evoluto (E-UTRA); Controllo delle risorse radio (RRC); Specifica del protocollo
– TS 36.413 Rete di accesso radio universale terrestre evoluto (E-UTRAN); Protocollo di applicazione S1 (S1AP)
– TS 36.423 Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network (E-UTRAN); X2 Application Protocol (X2AP)
LTE Historical Information
Il documento tecnico UTRA-UTRAN Long Term Evolution (LTE) e 3GPP System Architecture Evolution (SAE) è un buon punto di partenza.
Iniziato nel 2004, il progetto Long Term Evolution (LTE) si è concentrato sul miglioramento dell’Universal Terrestrial Radio Access (UTRA) e sull’ottimizzazione dell’architettura di accesso radio del 3GPP.
La serie di specifiche 3GPP 36, copre l'”Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA)”.
Vedi anche – la pagina delle tecnologie su LTE-Advanced, che descrive il lavoro oltre LTE Release 8/9.
…Ottieni dettagli su come usare i loghi LTE e LTE-Advanced