Guida rapida LTE

LTE è l'acronimo di Long Term Evolution ed è stato avviato come progetto nel 2004 dall'ente di telecomunicazioni noto come Third Generation Partnership Project (3GPP). SAE (System Architecture Evolution) è la corrispondente evoluzione dell'evoluzione della rete core a pacchetto GPRS / 3G. Il termine LTE viene generalmente utilizzato per rappresentare sia LTE che SAE.

LTE si è evoluto da un precedente sistema 3GPP noto come Universal Mobile Telecommunication System (UMTS), che a sua volta si è evoluto dal Global System for Mobile Communications (GSM). Anche le specifiche correlate erano formalmente note come accesso radio terrestre UMTS evoluto (E-UTRA) e rete di accesso radio terrestre UMTS evoluto (E-UTRAN). La prima versione di LTE è stata documentata nella versione 8 delle specifiche 3GPP.

Un rapido aumento dell'utilizzo dei dati mobili e l'emergere di nuove applicazioni come MMOG (Multimedia Online Gaming), TV mobile, Web 2.0, contenuti in streaming hanno motivato il 3 ° Generation Partnership Project (3GPP) a lavorare sulla Long-Term Evolution (LTE) verso la quarta generazione di dispositivi mobili.

L'obiettivo principale di LTE è fornire un'elevata velocità di trasmissione dati, una bassa latenza e una tecnologia di accesso radio ottimizzata per i pacchetti che supporti le implementazioni flessibili della larghezza di banda. Allo stesso tempo la sua architettura di rete è stata progettata con l'obiettivo di supportare il traffico a commutazione di pacchetto con mobilità continua e grande qualità del servizio.

LTE Evolution

Anno Evento
Marzo 2000 Versione 99 - UMTS / WCDMA
Marzo 2002 Rel 5 - HSDPA
Marzo 2005 Rel 6 - HSUPA
Anno 2007 Rel 7 - DL MIMO, IMS (IP Multimedia Subsystem)
Novembre 2004 Sono iniziati i lavori sulle specifiche LTE
Gennaio 2008 Specifiche finalizzate e approvate con la versione 8
2010 Prima implementazione mirata

Fatti su LTE

  • LTE è la tecnologia successore non solo dell'UMTS ma anche del CDMA 2000.

  • LTE è importante perché porterà un miglioramento delle prestazioni fino a 50 volte e un'efficienza spettrale molto migliore alle reti cellulari.

  • LTE introdotto per ottenere velocità di trasmissione dati più elevate, downlink di picco di 300 Mbps e uplink di picco di 75 Mbps. In una portante da 20 MHz, è possibile ottenere velocità di trasmissione dati superiori a 300 Mbps in condizioni di segnale molto buone.

  • LTE è una tecnologia ideale per supportare velocità di trasmissione dati elevate per servizi quali voice over IP (VOIP), streaming multimediale, videoconferenza o anche un modem cellulare ad alta velocità.

  • LTE utilizza la modalità TDD (Time Division Duplex) e FDD (Frequency Division Duplex). In FDD la trasmissione uplink e downlink utilizzava frequenze diverse, mentre in TDD sia uplink che downlink utilizzano la stessa portante e sono separate nel tempo.

  • LTE supporta larghezze di banda portanti flessibili, da 1,4 MHz fino a 20 MHz, nonché FDD e TDD. LTE progettato con una larghezza di banda portante scalabile da 1,4 MHz fino a 20 MHz, la cui larghezza di banda viene utilizzata dipende dalla banda di frequenza e dalla quantità di spettro disponibile con un operatore di rete.

  • Tutti i dispositivi LTE devono supportare (MIMO) trasmissioni Multiple Input Multiple Output, che consentono alla stazione base di trasmettere più flussi di dati contemporaneamente sullo stesso vettore.

  • Tutte le interfacce tra i nodi di rete in LTE sono ora basate su IP, inclusa la connessione di backhaul alle stazioni radio base. Si tratta di una grande semplificazione rispetto alle tecnologie precedenti che erano inizialmente basate su collegamenti E1 / T1, ATM e frame relay, la maggior parte delle quali a banda stretta e costosa.

  • Il meccanismo di qualità del servizio (QoS) è stato standardizzato su tutte le interfacce per garantire che il requisito delle chiamate vocali per un ritardo e una larghezza di banda costanti possa ancora essere soddisfatto quando vengono raggiunti i limiti di capacità.

  • Funziona con i sistemi GSM / EDGE / UMTS che utilizzano lo spettro 2G e 3G esistente e il nuovo spettro. Supporta il trasferimento e il roaming alle reti mobili esistenti.

Vantaggi di LTE

  • High throughput:È possibile ottenere velocità di trasferimento dati elevate sia in downlink che in uplink. Ciò causa un rendimento elevato.

  • Low latency: Il tempo necessario per connettersi alla rete è compreso tra poche centinaia di millisecondi e gli stati di risparmio energetico possono ora essere inseriti e chiusi molto rapidamente.

  • FDD and TDD in the same platform: Duplex a divisione di frequenza (FDD) e Duplex a divisione di tempo (TDD), entrambi gli schemi possono essere utilizzati sulla stessa piattaforma.

  • Superior end-user experience:La segnalazione ottimizzata per la creazione della connessione e altre procedure di interfaccia aerea e di gestione della mobilità hanno ulteriormente migliorato l'esperienza dell'utente. Latenza ridotta (a 10 ms) per una migliore esperienza utente.

  • Seamless Connection: LTE supporterà anche la connessione senza interruzioni alle reti esistenti come GSM, CDMA e WCDMA.

  • Plug and play:L'utente non deve installare manualmente i driver per il dispositivo. Invece il sistema riconosce automaticamente il dispositivo, carica nuovi driver per l'hardware se necessario e inizia a lavorare con il dispositivo appena connesso.

  • Simple architecture: A causa della semplice architettura bassa spesa operativa (OPEX).

LTE - QoS

L'architettura LTE supporta hard QoS,con qualità del servizio end-to-end e bit rate garantito (GBR) per portatori radio. Proprio come Ethernet e Internet hanno diversi tipi di QoS, ad esempio, vari livelli di QoS possono essere applicati al traffico LTE per diverse applicazioni. Poiché il MAC LTE è completamente programmato, QoS è una scelta naturale.

Le portanti Evolved Packet System (EPS) forniscono corrispondenza uno-a-uno con le portanti radio RLC e forniscono supporto per Traffic Flow Templates (TFT). Esistono quattro tipi di supporti EPS:

  • GBR Bearer risorse assegnate permanentemente dal controllo di ammissione

  • Non-GBR Bearer nessun controllo di ammissione

  • Dedicated Bearer associato a TFT specifico (GBR o non GBR)

  • Default Bearer Non GBR, catch-all per traffico non assegnato

Questa sezione riassume i parametri di base dell'LTE:

Parametri Descrizione
Intervallo di frequenze Bande FDD UMTS e bande TDD definite in 36.101 (v860) Tabella 5.5.1, riportata di seguito
Duplex FDD, TDD, FDD semiduplex
Codifica dei canali Codice Turbo
Mobilità 350 km / h
Larghezza di banda del canale (MHz)
  • 1.4
  • 3
  • 5
  • 10
  • 15
  • 20
Configurazione della larghezza di banda di trasmissione NRB: (1 blocco di risorse = 180 kHz in 1 ms TTI)
  • 6
  • 15
  • 25
  • 50
  • 75
  • 100
Schemi di modulazione

UL: QPSK, 16QAM, 64QAM (opzionale)

DL: QPSK, 16QAM, 64QAM

Schemi di accesso multiplo

UL: SC-FDMA (Single Carrier Frequency Division Multiple Access) supporta 50 Mbps + (spettro 20 MHz)

DL: OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiple Access) supporta 100 Mbps + (spettro 20 MHz)

Tecnologia multi-antenna

UL: MIMO collaborativo multiutente

DL: TxAA, multiplexing spaziale, CDD, array max 4x4

Velocità di trasmissione dati massima in LTE

UL: 75 Mbps (larghezza di banda 20 MHz)

DL: 150 Mbps (categoria 4 UE, 2x2 MIMO, larghezza di banda 20 MHz)

DL: 300 Mbps (categoria UE 5, 4x4 MIMO, larghezza di banda 20 MHz)

MIMO

(Multiple Input Multiple Output)

UL: 1 x 2, 1 x 4

DL: 2 x 2, 4 x 2, 4 x 4

Copertura 5 - 100 km con lieve degrado dopo 30 km
QoS E2E QOS che consente la prioritizzazione di diverse classi di servizio
Latenza Latenza dell'utente finale <10 mS

Bande operative E-UTRA

Di seguito è riportata la tabella per le bande operative E-UTRA tratta da LTE Sepecification 36.101 (v860) Tabella 5.5.1:

L'architettura di rete di alto livello di LTE è composta dai seguenti tre componenti principali:

  • L'attrezzatura utente (UE).

  • L'evoluzione della rete di accesso radio terrestre UMTS (E-UTRAN).

  • L'Evolved Packet Core (EPC).

Il packet core evoluto comunica con le reti di dati a pacchetto nel mondo esterno come Internet, le reti aziendali private o il sottosistema multimediale IP. Le interfacce tra le diverse parti del sistema sono indicate con Uu, S1 e SGi come mostrato di seguito:

L'equipaggiamento utente (UE)

L'architettura interna dell'apparecchiatura utente per LTE è identica a quella utilizzata da UMTS e GSM che in realtà è un'apparecchiatura mobile (ME). L'apparecchiatura mobile comprendeva i seguenti importanti moduli:

  • Mobile Termination (MT) : Gestisce tutte le funzioni di comunicazione.

  • Terminal Equipment (TE) : Questo termina i flussi di dati.

  • Universal Integrated Circuit Card (UICC): Questa è anche conosciuta come la carta SIM per le apparecchiature LTE. Esegue un'applicazione nota come USIM (Universal Subscriber Identity Module).

UN USIMmemorizza i dati specifici dell'utente in modo molto simile alla scheda SIM 3G. Conserva le informazioni sul numero di telefono dell'utente, l'identità della rete domestica e le chiavi di sicurezza, ecc.

L'E-UTRAN (La rete di accesso)

Di seguito è illustrata l'architettura dell'UMTS Terrestrial Radio Access Network (E-UTRAN) evoluta.

L'E-UTRAN gestisce le comunicazioni radio tra il mobile e il packet core evoluto e ha solo un componente, le stazioni base evolute, chiamato eNodeB o eNB. Ogni eNB è una stazione base che controlla i cellulari in una o più celle. La stazione base che sta comunicando con un cellulare è nota come eNB di servizio.

LTE Mobile comunica con una sola stazione base e una cella alla volta e ci sono le seguenti due funzioni principali supportate da eNB:

  • L'eNB invia e riceve trasmissioni radio a tutti i cellulari utilizzando le funzioni di elaborazione del segnale analogico e digitale dell'interfaccia aerea LTE.

  • L'eNB controlla il funzionamento a basso livello di tutti i suoi cellulari, inviando loro messaggi di segnalazione come i comandi di handover.

Ogni eNB si connette all'EPC tramite l'interfaccia S1 e può anche essere collegata alle stazioni base vicine tramite l'interfaccia X2, utilizzata principalmente per la segnalazione e l'inoltro dei pacchetti durante l'handover.

Un eNB domestico (HeNB) è una stazione base che è stata acquistata da un utente per fornire una copertura femtocell all'interno della casa. Un eNB domestico appartiene a un gruppo di abbonati chiusi (CSG) ed è accessibile solo dai cellulari con una USIM che appartiene anche al gruppo di abbonati chiusi.

The Evolved Packet Core (EPC) (La rete centrale)

L'architettura di Evolved Packet Core (EPC) è stata illustrata di seguito. Ci sono pochi altri componenti che non sono stati mostrati nel diagramma per mantenerlo semplice. Questi componenti sono come il sistema di allarme terremoto e tsunami (ETWS), il registro di identità dell'attrezzatura (EIR) e la funzione delle regole di controllo e tariffazione (PCRF).

Di seguito è una breve descrizione di ciascuno dei componenti mostrati nell'architettura di cui sopra:

  • Il componente Home Subscriber Server (HSS) è stato trasferito da UMTS e GSM ed è un database centrale che contiene informazioni su tutti gli abbonati dell'operatore di rete.

  • Il gateway (P-GW) Packet Data Network (PDN) comunica con il mondo esterno, ad es. reti di dati a pacchetto PDN, utilizzando l'interfaccia SGi. Ogni rete di dati a pacchetto è identificata da un nome del punto di accesso (APN). Il gateway PDN ha lo stesso ruolo del nodo di supporto GPRS (GGSN) e del nodo di supporto GPRS di servizio (SGSN) con UMTS e GSM.

  • Il gateway di servizio (S-GW) funge da router e inoltra i dati tra la stazione base e il gateway PDN.

  • L'entità di gestione della mobilità (MME) controlla il funzionamento di alto livello del cellulare mediante messaggi di segnalazione e Home Subscriber Server (HSS).

  • La funzione di controllo delle politiche e regole di addebito (PCRF) è un componente che non è mostrato nel diagramma precedente ma è responsabile del processo decisionale di controllo delle politiche, nonché del controllo delle funzionalità di addebito basate sul flusso nella funzione di applicazione del controllo delle politiche ( PCEF), che risiede nel P-GW.

L'interfaccia tra i gateway di servizio e PDN è nota come S5 / S8. Questo ha due implementazioni leggermente diverse, vale a dire S5 se i due dispositivi si trovano nella stessa rete e S8 se si trovano in reti diverse.

Scissione funzionale tra E-UTRAN e EPC

Il diagramma seguente mostra la divisione funzionale tra E-UTRAN e EPC per una rete LTE:

2G / 3G contro LTE

La tabella seguente mette a confronto vari importanti elementi di rete e protocolli di segnalazione utilizzati in 2G / 3G e LTE.

2G / 3G LTE
GERAN e UTRAN E-UTRAN
SGSN / PDSN-FA S-GW
GGSN / PDSN-HA PDN-GW
HLR / AAA HSS
VLR MME
SS7-MAP / ANSI-41 / RADIUS Diametro
DiameterGTPc-v0 e v1 GTPc-v2
MIP PMIP

Una rete gestita da un operatore in un paese è nota come PLMN (Public Land Mobile Network) e quando un utente abbonato utilizza il PLMN del suo operatore, si dice Home-PLMN ma il roaming consente agli utenti di spostarsi al di fuori della propria rete domestica e di utilizzare le risorse dalla rete di un altro operatore. Quest'altra rete si chiama Visited-PLMN.

Un utente in roaming è connesso a E-UTRAN, MME e S-GW della rete LTE visitata. Tuttavia, LTE / SAE consente di utilizzare il P-GW della rete visitata o di quella domestica, come mostrato di seguito:

Il P-GW della rete domestica consente all'utente di accedere ai servizi dell'operatore domestico anche quando si trova in una rete ospitante. Un P-GW nella rete ospitante consente un "breakout locale" a Internet nella rete ospitante.

L'interfaccia tra i gateway di servizio e PDN è nota come S5 / S8. Questo ha due implementazioni leggermente diverse, vale a dire S5 se i due dispositivi si trovano nella stessa rete e S8 se si trovano in reti diverse. Per i cellulari che non sono in roaming, i gateway di servizio e PDN possono essere integrati in un unico dispositivo, in modo che l'interfaccia S5 / S8 scompaia del tutto.

Ricarica roaming LTE

Le complessità dei nuovi meccanismi di tariffazione necessari per supportare il roaming 4G sono molto più abbondanti che in un ambiente 3G. Di seguito sono riportate alcune parole sull'addebito prepagato e postpagato per il roaming LTE:

  • Prepaid Charging- Lo standard CAMEL, che abilita i servizi prepagati in 3G, non è supportato in LTE; pertanto, le informazioni sui clienti prepagate devono essere reindirizzate alla rete domestica anziché essere gestite dalla rete ospitante locale. Di conseguenza, gli operatori devono fare affidamento su nuovi flussi contabili per accedere ai dati dei clienti prepagati, ad esempio attraverso i loro gateway P in ambienti IMS e non IMS o tramite il loro CSCF in un ambiente IMS.

  • Postpaid Charging- L'addebito postpagato sull'utilizzo dei dati funziona allo stesso modo in LTE come in 3G, utilizzando le versioni TAP 3.11 o 3.12. Con il breakout locale dei servizi IMS, è richiesto TAP 3.12.

Gli operatori non hanno la stessa visibilità sulle attività degli abbonati come negli scenari di home routing in caso di scenari di breakout locale perché le sessioni dei dati degli abbonati sono mantenute all'interno della rete ospitante; pertanto, affinché l'operatore domestico possa acquisire informazioni in tempo reale sia sui clienti prepagati che postpagati, deve stabilire un'interfaccia Diametro tra i sistemi di tariffazione e il P-Gateway della rete ospitante.

In caso di breakout locale dello scenario dei servizi ims, la rete ospitante crea record di dettagli delle chiamate (CDR) dagli S-Gateway, tuttavia, questi CDR non contengono tutte le informazioni necessarie per creare una sessione mobile o messaggistica TAP 3.12 record di eventi per l'utilizzo del servizio. Di conseguenza, gli operatori devono correlare i CDR della rete dati principale con i CDR IMS per creare record TAP.

Un'area di rete LTE è suddivisa in tre diversi tipi di aree geografiche spiegate di seguito:

SN Area e descrizione
1

The MME pool areas

Questa è un'area attraverso la quale il cellulare può muoversi senza cambiare il servizio MME. Ogni area della piscina MME è controllata da una o più MME sulla rete.

2

The S-GW service areas

Si tratta di un'area servita da uno o più gateway di servizio S-GW, attraverso i quali il mobile può muoversi senza cambiare gateway di servizio.

3

The Tracking areas

Le aree piscina MME e le aree di servizio S-GW sono entrambe costituite da unità più piccole e non sovrapposte note come aree di tracciamento (TA). Sono simili alla posizione e alle aree di instradamento di UMTS e GSM e verranno utilizzate per tracciare le posizioni dei cellulari in modalità standby.

Quindi una rete LTE comprenderà molte aree pool MME, molte aree di servizio S-GW e molte aree di tracciamento.

Gli ID di rete

La rete stessa sarà identificata utilizzando Public Land Mobile Network Identity (PLMN-ID) che avrà un codice di paese mobile (MCC) a tre cifre e un codice di rete mobile (MNC) a due o tre cifre. Ad esempio, il codice del paese mobile per il Regno Unito è 234, mentre la rete britannica di Vodafone utilizza un codice di rete mobile di 15.

Gli ID MME

Ogni MME ha tre identità principali. Un codice MME (MMEC) identifica in modo univoco l'MME all'interno di tutte le aree della piscina. A un gruppo di MME viene assegnata una MME Group Identity (MMEGI) che funziona insieme a MMEC per creare l'identificatore MME (MMEI). Un MMEI identifica in modo univoco l'MME all'interno di una particolare rete.

Se combiniamo PLMN-ID con MMEI, arriviamo a un identificatore MME univoco globale (GUMMEI), che identifica un MME in qualsiasi parte del mondo:

Gli ID dell'area di tracciamento

Ogni area di tracciamento ha due identità principali. Il codice dell'area di tracciamento (TAC) identifica un'area di tracciamento all'interno di una particolare rete e se lo combiniamo con il PLMN-ID, arriviamo a un'identità globale di tracciabilità unica (TAI).

Gli ID cella

Ogni cella della rete ha tre tipi di identità. L'identità della cella E-UTRAN (ECI) identifica una cella all'interno di una particolare rete, mentre l'identificatore globale della cella E-UTRAN (ECGI) identifica una cella in qualsiasi parte del mondo.

L'identità della cellula fisica, che è un numero compreso tra 0 e 503 e distingue una cellula dai suoi vicini immediati.

L'ID apparecchiatura mobile

L'identità internazionale delle apparecchiature mobili (IMEI) è un'identità univoca per l'apparecchiatura mobile e l'IMSI (International Mobile Subscriber Identity) è un'identità univoca per UICC e USIM.

L'identità dell'abbonato mobile temporaneo M (M-TMSI) identifica un cellulare nella sua MME servente. L'aggiunta del codice MME in M-TMSI risulta in un'identità di abbonato mobile temporanea S (S-TMSI), che identifica il cellulare all'interno di un'area di pool MME.

Infine aggiungendo l'identità del gruppo MME e l'identità PLMN con S-TMSI si ottiene l'identità temporanea univoca globale (GUTI).

L'architettura del protocollo radio per LTE può essere separata in control plane architettura e user plane architettura come mostrato di seguito:

Sul lato del piano utente, l'applicazione crea pacchetti di dati che vengono elaborati da protocolli come TCP, UDP e IP, mentre nel piano di controllo, il protocollo di controllo delle risorse radio (RRC) scrive i messaggi di segnalazione che vengono scambiati tra la stazione base e il mobile. In entrambi i casi, le informazioni vengono elaborate dal protocollo PDCP (packet data convergence protocol), dal protocollo di controllo del collegamento radio (RLC) e dal protocollo MAC (Medium Access Control), prima di essere trasmesse al livello fisico per la trasmissione.

Piano utente

Lo stack di protocollo del piano utente tra l'e-Node B e l'UE è costituito dai seguenti sottolivelli:

  • PDCP (Packet Data Convergence Protocol)

  • RLC (controllo collegamento radio)

  • Controllo di accesso medio (MAC)

Sul piano utente, i pacchetti nella rete centrale (EPC) sono incapsulati in uno specifico protocollo EPC e incanalati tra il P-GW e l'eNodeB. Diversi protocolli di tunneling vengono utilizzati a seconda dell'interfaccia. GPRS Tunneling Protocol (GTP) viene utilizzato sull'interfaccia S1 tra l'eNodeB e S-GW e sull'interfaccia S5 / S8 tra S-GW e P-GW.

I pacchetti ricevuti da un livello sono chiamati SDU (Service Data Unit) mentre l'output del pacchetto di un livello è indicato da Protocol Data Unit (PDU) e pacchetti IP al flusso del piano utente dagli strati superiori a quelli inferiori.

Piano di controllo

Il piano di controllo include inoltre il livello di controllo delle risorse radio (RRC) che è responsabile della configurazione dei livelli inferiori.

Il piano di controllo gestisce la funzionalità specifica della radio che dipende dallo stato dell'apparecchiatura utente che include due stati: inattivo o connesso.

Modalità Descrizione
Inattivo L'apparecchiatura utente si accampa su una cella dopo un processo di selezione o riselezione della cella in cui vengono considerati fattori come la qualità del collegamento radio, lo stato della cella e la tecnologia di accesso radio. La UE controlla anche un canale di paging per rilevare le chiamate in arrivo e acquisire le informazioni di sistema. In questa modalità, i protocolli del piano di controllo includono procedure di selezione e riselezione delle celle.
Collegato La UE fornisce all'E-UTRAN la qualità del canale verso valle e le informazioni sulla cella adiacente per consentire all'E-UTRAN di selezionare la cella più adatta per l'UE. In questo caso, il protocollo del piano di controllo include il protocollo RRC (Radio Link Control).

Di seguito è mostrato lo stack di protocollo per il piano di controllo tra UE e MME. La regione grigia dello stack indica i protocolli dello strato di accesso (AS). I livelli inferiori svolgono le stesse funzioni del piano utente con l'eccezione che non esiste una funzione di compressione dell'intestazione per il piano di controllo.

Diamo uno sguardo ravvicinato a tutti i livelli disponibili in E-UTRAN Protocol Stack che abbiamo visto nel capitolo precedente. Di seguito è riportato un diagramma più elaborato dello stack del protocollo E-UTRAN:

Livello fisico (Livello 1)

Physical Layer trasporta tutte le informazioni dai canali di trasporto MAC sull'interfaccia aerea. Si occupa dell'adattamento del collegamento (AMC), del controllo dell'alimentazione, della ricerca delle celle (per scopi di sincronizzazione iniziale e handover) e altre misurazioni (all'interno del sistema LTE e tra i sistemi) per lo strato RRC.

Livello di accesso medio (MAC)

Il livello MAC è responsabile della mappatura tra canali logici e canali di trasporto, multiplexing di MAC SDU da uno o diversi canali logici su blocchi di trasporto (TB) da consegnare al livello fisico sui canali di trasporto, de multiplexing di MAC SDU da una o diverse logiche canali da blocchi di trasporto (TB) forniti dal livello fisico sui canali di trasporto, Scheduling information reporting, Error Correction through HARQ, Priority handling between UEs by through dynamic scheduling, Priority handling between logic channels of one EU, Logical Channel prioritization.

Controllo del collegamento radio (RLC)

RLC opera in 3 modalità di funzionamento: modalità trasparente (TM), modalità non riconosciuta (UM) e modalità riconosciuta (AM).

RLC Layer è responsabile del trasferimento delle PDU di livello superiore, della correzione degli errori tramite ARQ (solo per il trasferimento dati AM), della concatenazione, della segmentazione e del riassemblaggio di RLC SDU (solo per trasferimento dati UM e AM).

RLC è anche responsabile della risegmentazione delle PDU dati RLC (solo per il trasferimento dati AM), del riordino delle PDU dati RLC (solo per trasferimento dati UM e AM), rilevamento duplicati (solo per trasferimento dati UM e AM), eliminazione RLC SDU (Solo per trasferimento dati UM e AM), ripristino RLC e rilevamento errori di protocollo (Solo per trasferimento dati AM).

Radio Resource Control (RRC)

I servizi e le funzioni principali del sottolivello RRC includono la trasmissione delle informazioni di sistema relative allo strato di non accesso (NAS), la trasmissione di informazioni di sistema relative allo strato di accesso (AS), il cercapersone, la creazione, la manutenzione e il rilascio di una connessione RRC tra l'UE e E-UTRAN, funzioni di sicurezza tra cui gestione delle chiavi, istituzione, configurazione, manutenzione e rilascio di portatori radio punto a punto.

Packet Data Convergence Control (PDCP)

Il livello PDCP è responsabile della compressione dell'intestazione e della decompressione dei dati IP, del trasferimento dei dati (piano utente o piano di controllo), manutenzione dei numeri di sequenza PDCP (SN), consegna in sequenza delle PDU del livello superiore al ripristino dei livelli inferiori, duplicato eliminazione di SDU di livello inferiore al ripristino di livelli inferiori per portanti radio mappati su RLC AM, cifratura e decifrazione dei dati del piano utente e dei dati del piano di controllo, protezione dell'integrità e verifica dell'integrità dei dati del piano di controllo, eliminazione basata su timer, eliminazione dei duplicati, PDCP viene utilizzato per SRB e DRB mappati su canali logici di tipo DCCH e DTCH.

Protocolli NAS (Non Access Stratum)

I protocolli NAS (non-access stratum) costituiscono lo strato più alto del piano di controllo tra l'apparecchiatura utente (UE) e l'MME.

I protocolli NAS supportano la mobilità dell'UE e le procedure di gestione della sessione per stabilire e mantenere la connettività IP tra l'UE e un PDN GW.

Di seguito è riportato un digramma logico dei livelli del protocollo E-UTRAN con una rappresentazione del flusso di dati attraverso vari livelli:

I pacchetti ricevuti da un livello sono chiamati Service Data Unit (SDU) mentre l'output del pacchetto di un livello è indicato da Protocol Data Unit (PDU). Vediamo il flusso di dati dall'alto verso il basso:

  • Il livello IP invia PDCP SDU (pacchetti IP) al livello PDCP. Il livello PDCP esegue la compressione dell'intestazione e aggiunge l'intestazione PDCP a queste SDU PDCP. Il livello PDCP invia le PDU PDCP (RLC SDU) al livello RLC.

    PDCP Header Compression: PDCP rimuove l'intestazione IP (minimo 20 byte) dalla PDU e aggiunge un token di 1-4 byte. Il che fornisce un enorme risparmio nella quantità di intestazione che altrimenti dovrebbe andare in onda.

  • Il livello RLC esegue la segmentazione di questi SDUS per creare le PDU RLC. RLC aggiunge l'intestazione in base alla modalità di funzionamento RLC. RLC invia queste PDU RLC (MAC SDU) al livello MAC.

    RLC Segmentation: Se una SDU RLC è grande o la velocità di trasmissione dati radio disponibile è bassa (con conseguenti piccoli blocchi di trasporto), la SDU RLC può essere suddivisa tra diverse PDU RLC. Se l'RLC SDU è piccolo o la velocità di trasmissione dei dati radio disponibile è alta, diversi RLC SDU possono essere raggruppati in una singola PDU.

  • Il livello MAC aggiunge l'intestazione e fa il riempimento per adattarsi a questa SDU MAC in TTI. Il livello MAC sottopone la MAC PDU al livello fisico per la trasmissione sui canali fisici.

  • Il canale fisico trasmette questi dati negli slot del sub frame.

I flussi di informazioni tra i diversi protocolli sono noti come canali e segnali. LTE utilizza diversi tipi di canali logici, di trasporto e fisici, che si distinguono per il tipo di informazioni che trasportano e per il modo in cui le informazioni vengono elaborate.

  • Logical Channels : Definisci whattype delle informazioni vengono trasmesse via etere, ad esempio canali di traffico, canali di controllo, trasmissione di sistema, ecc. I messaggi di dati e di segnalazione vengono trasmessi su canali logici tra i protocolli RLC e MAC.

  • Transport Channels : Definisci howisqualcosa trasmesso via etere, ad esempio quali sono le opzioni di codifica e interleaving utilizzate per trasmettere i dati. I messaggi di dati e di segnalazione vengono trasportati sui canali di trasporto tra il MAC e il livello fisico.

  • Physical Channels : Definisci whereisqualcosa trasmesso via etere, ad esempio i primi N simboli nel frame DL. I dati e i messaggi di segnalazione vengono trasportati su canali fisici tra i diversi livelli del livello fisico.

Canali logici

I canali logici definiscono il tipo di dati trasferiti. Questi canali definiscono i servizi di trasferimento dati offerti dal livello MAC. I messaggi di dati e di segnalazione vengono trasportati su canali logici tra i protocolli RLC e MAC.

I canali logici possono essere suddivisi in canali di controllo e canali di traffico. Il canale di controllo può essere un canale comune o un canale dedicato. Un canale comune significa comune a tutti gli utenti in una cella (Point to multipoint) mentre canali dedicati significano che i canali possono essere utilizzati solo da un utente (Point to Point).

I canali logici si distinguono per le informazioni che trasportano e possono essere classificati in due modi. In primo luogo, i canali di traffico logico trasportano dati nel piano utente, mentre i canali di controllo logico trasportano messaggi di segnalazione nel piano di controllo. La tabella seguente elenca i canali logici utilizzati da LTE:

nome del canale Acronimo Canale di controllo Canale di traffico
Canale di controllo della trasmissione BCCH X  
Canale di controllo del cercapersone PCCH X  
Canale di controllo comune CCCH X  
Canale di controllo dedicato DCCH X  
Canale di controllo multicast MCCH X  
Canale dedicato al traffico DTCH   X
Canale di traffico multicast MTCH   X

Canali di trasporto

I canali di trasporto definiscono come e con che tipo di caratteristiche i dati vengono trasferiti dal livello fisico. I messaggi di dati e di segnalazione vengono trasportati sui canali di trasporto tra il MAC e il livello fisico.

I canali di trasporto si distinguono per il modo in cui il processore del canale di trasporto li manipola. La tabella seguente elenca i canali di trasporto utilizzati da LTE:

nome del canale Acronimo Downlink Uplink
Canale di trasmissione BCH X  
Downlink del canale condiviso DL-SCH X  
Canale cercapersone PCH X  
Canale multicast MCH X  
Canale condiviso di uplink UL-SCH   X
Canale ad accesso casuale RACH   X

Canali fisici

I messaggi di dati e di segnalazione vengono trasportati sui canali fisici tra i diversi livelli del livello fisico e di conseguenza sono divisi in due parti:

  • Canali dati fisici

  • Canali di controllo fisico

Canali di dati fisici

I canali di dati fisici si distinguono per i modi in cui il processore del canale fisico li manipola e per i modi in cui sono mappati sui simboli e sottoportanti usati dal multiplexing a divisione di frequenza ortogonale (OFDMA). La tabella seguente elenca i filephysical data channels che vengono utilizzati da LTE:

nome del canale Acronimo Downlink Uplink
Canale condiviso in downlink fisico PDSCH X  
Canale di trasmissione fisico PBCH X  
Canale multicast fisico PMCH X  
Canale condiviso di uplink fisico PUSCH   X
Canale di accesso casuale fisico PRACH   X

Il transport channelIl processore compone diversi tipi di informazioni di controllo, per supportare il funzionamento a basso livello del livello fisico. Questi sono elencati nella tabella seguente:

Nome campo Acronimo Downlink Uplink
Informazioni di controllo del downlink DCI X  
Indicatore del formato di controllo CFI X  
Indicatore ARQ ibrido CIAO X  
Informazioni di controllo uplink UCI   X

Canali di controllo fisico

Il processore del canale di trasporto crea anche informazioni di controllo che supportano il funzionamento a basso livello del livello fisico e invia queste informazioni al processore del canale fisico sotto forma di canali di controllo fisici.

Le informazioni viaggiano fino al processore del canale di trasporto nel ricevitore, ma sono completamente invisibili agli strati superiori. Allo stesso modo, il processore del canale fisico crea segnali fisici, che supportano gli aspetti di livello più basso del sistema.

I canali di controllo fisico sono elencati nella tabella seguente:

nome del canale Acronimo Downlink Uplink
Canale indicatore formato controllo fisico PCFICH X  
Canale indicatore ARQ ibrido fisico PHICH X  
Canale di controllo downlink fisico PDCCH X  
Relè canale di controllo downlink fisico R-PDCCH X  
Canale di controllo uplink fisico PUCCH   X

La stazione base trasmette anche altri due segnali fisici, che aiutano il cellulare ad acquisire la stazione base dopo la prima accensione. Questi sono noti come il segnale di sincronizzazione primario (PSS) e il segnale di sincronizzazione secondario (SSS).

Per superare l'effetto del problema di dissolvenza multi percorso disponibile in UMTS, LTE utilizza il multiplexing a divisione di frequenza ortogonale (OFDM) per il downlink, ovvero dalla stazione base al terminale per trasmettere i dati su molte carriere a banda stretta di 180 KHz ciascuna invece di diffondere un segnale sull'intera larghezza di banda della carriera a 5 MHz, ovvero. OFDM utilizza un gran numero di sottoportanti strette per la trasmissione multi-portante per trasportare i dati.

Il multiplexing a divisione di frequenza ortogonale (OFDM), è uno schema di multiplexing a divisione di frequenza (FDM) utilizzato come metodo di modulazione digitale multi-portante.

OFDM soddisfa i requisiti LTE per la flessibilità dello spettro e consente soluzioni convenienti per operatori molto ampi con velocità di picco elevate. La risorsa fisica di downlink LTE di base può essere vista come una griglia tempo-frequenza, come illustrato nella figura seguente:

I simboli OFDM sono raggruppati in blocchi di risorse. I blocchi di risorse hanno una dimensione totale di 180 kHz nel dominio della frequenza e 0,5 ms nel dominio del tempo. Ogni intervallo di tempo di trasmissione di 1 ms (TTI) è costituito da due slot (Tslot).

A ogni utente viene assegnato un numero di cosiddetti blocchi di risorse nella griglia time.frequency. Più blocchi di risorse ottengono un utente e maggiore è la modulazione utilizzata negli elementi di risorsa, maggiore è la velocità in bit. Quali blocchi di risorse e quanti blocchi l'utente ottiene in un dato momento dipendono da meccanismi di pianificazione avanzati nelle dimensioni di frequenza e tempo.

I meccanismi di pianificazione in LTE sono simili a quelli utilizzati in HSPA e consentono prestazioni ottimali per diversi servizi in diversi ambienti radio.

Vantaggi dell'OFDM

  • Il vantaggio principale dell'OFDM rispetto agli schemi a portante singola è la sua capacità di far fronte a condizioni di canale severe (ad esempio, attenuazione delle alte frequenze in un lungo filo di rame, interferenza a banda stretta e dissolvenza selettiva in frequenza dovuta al multipath) senza filtri di equalizzazione complessi.

  • L'equalizzazione del canale è semplificata perché OFDM può essere visto come l'utilizzo di molti segnali a banda stretta modulati lentamente piuttosto che un segnale a banda larga a modulazione rapida.

  • Il basso symbol rate rende conveniente l'uso di un intervallo di guardia tra i simboli, rendendo possibile l'eliminazione dell'interferenza inter-simbolo (ISI).

  • Questo meccanismo facilita anche la progettazione di reti a frequenza singola (SFN), in cui diversi trasmettitori adiacenti inviano lo stesso segnale simultaneamente alla stessa frequenza, poiché i segnali di più trasmettitori distanti possono essere combinati in modo costruttivo, piuttosto che interferire come accadrebbe tipicamente in un tradizionale sistema a portante singolo.

Inconvenienti di OFDM

  • Rapporto picco-medio elevato

  • Sensibile all'offset di frequenza, quindi anche allo spostamento Doppler

Tecnologia SC-FDMA

LTE utilizza una versione precodificata di OFDM chiamata Single Carrier Frequency Division Multiple Access (SC-FDMA) nell'uplink. Questo per compensare un inconveniente con il normale OFDM, che ha un rapporto di potenza medio-picco (PAPR) molto alto.

Un PAPR elevato richiede amplificatori di potenza costosi e inefficienti con elevati requisiti di linearità, il che aumenta il costo del terminale e scarica la batteria più velocemente.

SC-FDMA risolve questo problema raggruppando i blocchi di risorse in modo tale da ridurre la necessità di linearità, e quindi il consumo di energia, nell'amplificatore di potenza. Un PAPR basso migliora anche la copertura e le prestazioni a bordo cella.

Termine Descrizione
3GPP Progetto di partnership di terza generazione
3GPP2 Progetto di partenariato di terza generazione 2
ARIB Associazione delle industrie e delle imprese radiofoniche
ATIS Alliance for Telecommunication Industry Solutions
AWS Servizi wireless avanzati
CAPEX Spese in conto capitale
CCSA China Communications Standards Association
CDMA Accesso multiplo a divisione di codice
CDMA2000 Code Division Multiple Access 2000
TAMPONARE Trasmissione audio digitale
DSL Linea di abbonamento digitale
DVB Trasmissione video digitale
eHSPA accesso evoluto ai pacchetti ad alta velocità
ETSI Istituto europeo per le norme di telecomunicazione
FDD Duplex a divisione di frequenza
FWT Terminale wireless fisso
GSM Sistema globale per la comunicazione mobile
HSPA Accesso ai pacchetti ad alta velocità
HSS Server abbonato domestico
IEEE Istituto degli ingegneri elettrici ed elettronici
IPTV Televisione a protocollo Internet
LTE Evoluzione a lungo termine
MBMS Servizio Multicast di trasmissione multimediale
MIMO Multiple Input Multiple Output
MME Ente per la gestione della mobilità
NGMN Reti mobili di nuova generazione
OFDM Multiplexing a divisione di frequenza ortogonale
OPEX Spese operative
PAPR Rapporto di potenza da picco a medio
PCI Interconnessione dei componenti periferici
PCRF Funzione regole di polizia e tariffazione
PDSN Nodo di servizio dati a pacchetto
PS Packet Switched
QoS Qualità del servizio
CORSE Rete di accesso radio
SAE Evoluzione dell'architettura di sistema
SC-FDMA Accesso multiplo a divisione di frequenza della portante singola
SGSN Nodo di supporto GPRS al servizio
TDD Duplex a divisione di tempo
TTA Associazione per la tecnologia delle telecomunicazioni
TTC Comitato per la tecnologia delle telecomunicazioni
TTI Intervallo di tempo di trasmissione
UTRA Accesso radio terrestre universale
UTRAN Rete di accesso radio terrestre universale
WCDMA Accesso multiplo a divisione di codice a banda larga
WLAN Rete locale senza fili