Appunti Communication Technologies (parte 6)

Standard globali, LTE-Advanced e 5G

A livello globale, enti e standard devono soddisfare requisiti pratici e stabiliscono nella generazione concreta un insieme di requisiti. Chi implementa concretamente questi requisiti sono gli enti di standardizzazione, ovvero: il 3GPP sviluppa gli standard per le reti mobili; l’IEEE sviluppa standard per tecnologie radio wireless, ad esempio Wi-Fi.

Il caso standardizzato nel mobile è rappresentato da LTE-Advanced, vero standard 4G, standardizzato dal 3GPP nella Release 10, a marzo 2011. Una versione evoluta è chiamata LTE-A Pro, spesso indicata come Release 13.

Scelta della spaziatura tra subportanti

Nei sistemi LTE-A, la scelta della spaziatura tra le subportanti non è casuale, ma deriva da un compromesso, cioè da un tradeoff, tra due effetti fondamentali del canale: time selectivity, cioè variazioni nel tempo, e frequency selectivity, cioè variazioni in frequenza.

La scelta ottimale deve soddisfare:

f_D << Δf << B_coh, dove:

• Doppler Spread: misura quanto velocemente il canale varia nel tempo.
• Subcarrier spacing Δf: spaziatura tra le frequenze delle subportanti.
• Coherence bandwidth B_coh: intervallo di frequenze in cui il canale è circa costante.

Questa doppia disuguaglianza garantisce che il sistema sia robusto sia nel tempo sia in frequenza.

LTE-A è progettato per supportare velocità fino a 350 km/h, con frequenza portante fino a 3,5 GHz.

Il Doppler spread è: f_D = v/c f₀ = 1,1 kHz.

Per evitare perdita di ortogonalità tra subportanti, cioè ICI, la spaziatura deve valere molto di più del Doppler spread.

Nel caso della frequency selectivity, il canale introduce ritardi dovuti al multipath, caratterizzati dal delay spread. Da questo si ricava la coherence bandwidth. Nel caso considerato, il delay spread è circa 4 μs e B_coh si ricava dal suo inverso.

Per mantenere il canale “piatto”, ogni subcarrier deve risultare più stretta di B_coh, cioè ogni portante deve vedere un canale quasi costante.

Una buona scelta è Δf = 15 kHz. Con questa scelta si ottiene T₀ = 1/Δf = 66,7 μs.

Questa scelta non è arbitraria, ma è il risultato di un compromesso che garantisce: ortogonalità delle subportanti, riduzione dell’ICI, buona approssimazione di canale piatto per ogni subcarrier.

Resource block e struttura della griglia LTE

Il Resource Block, RB, è l’unità base di allocazione in LTE. È formato da 12 subcarriers nel dominio della frequenza, ciascuna separata di 15 kHz, quindi con larghezza totale di 180 kHz. Nel dominio del tempo comprende 7 simboli OFDM.

Il singolo elemento della griglia che trasporta un simbolo modulato è il RE, modulato con QPSK, 16-QAM o 64-QAM.

Allocare RB anziché singole subcarrier riduce la complessità e l’overhead di controllo.

Frame structure FDD e TDD

Per quanto riguarda la frame structure, il sistema 4G supporta due modalità di duplexing: FDD e TDD.

FDD, Frequency Division Duplexing, utilizza due bande di frequenza: una per uplink e una per downlink. La trasmissione avviene simultaneamente nei due versi e questo permette comunicazione continua, ma richiede più spettro.

TDD, Time Division Duplexing, utilizza la stessa banda di frequenza per uplink e downlink, trasmettendo in istanti diversi nel dominio del tempo. Quindi la separazione avviene nel tempo e non nella frequenza; non si trasmette contemporaneamente nei due versi, ma si alternano i versi nel tempo.

Nel TDD il tempo è suddiviso in subframe, che possono essere di 3 tipi:

• UL, Uplink: utilizzati per la trasmissione dal terminale alla base station.
• DL, Downlink: utilizzati per la trasmissione dalla base station al terminale.
• Special subframe: servono per gestire la transizione tra DL e UL, garantire la sincronizzazione ed evitare interferenze tra downlink e uplink.

Le tipiche opzioni supportate, anche nella larghezza di banda, sono flessibili. Ai bordi di queste bande si aggiungono guard bands, necessarie a proteggere la banda. Questa flessibilità permette al sistema di adattare capacità e risorse ai requisiti disponibili.

Architettura LTE

L’architettura è divisa in due grandi parti, ovvero User Equipment e rete.

User Equipment, UE, User Side: il terminale dell’utente. Al suo interno compaiono:

• USIM.
• ME, Mobile Equipment.

La parte radio appartiene alla RAN, Radio Access Network, con gli eNodeB con cui gli utenti comunicano. La RAN gestisce:

• Scheduling.
• Radio Resource Handling.
• Ritrasmissioni.
• Coding schemes.
• Multi-antenna.

Dietro la parte radio c’è l’EPC, Evolved Packet Core, cioè la Core Network, che contiene entità come:

• MME.
• HSS.
• S-GW.
• P-GW.

L’EPC gestisce le funzioni di rete più ampie:

• Autenticazione.
• Accounting.
• Setup end-to-end delle connessioni.
• Accesso verso Internet.

Quindi si può distinguere in modo semplice:

• RAN: parte radio.
• EPC: parte di rete core.

Bande LTE e standard globale

Le bande LTE possono cambiare da una regione del mondo all’altra. Le allocazioni FDD e TDD non sono identiche ovunque. Il sistema è progettato non per funzionare con frequenze identiche, ma comunque in modo coerente su scala globale. In questo senso il 4G rappresenta il primo vero standard mobile globale, capace di adattarsi a bande diverse assegnate nei vari Paesi.

Interferenza tra celle

Quando si usano frequenze più alte e la distanza diventa più importante, l’attenuazione cresce e il problema dell’interferenza tra celle cresce.

La cella viene trattata in due regioni:

• Inner Region.
• Outer Region.

Nell’Outer Region, cioè vicino al bordo della cella, conviene proteggere maggiormente dall’interferenza delle celle vicine, dove l’interferenza è più critica.

Nell’Inner Region, invece, l’interferenza è meno critica e si può riusare lo spettro in modo più aggressivo.

Questa tecnica permette di migliorare la robustezza contro l’interferenza mantenendo una buona efficienza spettrale. Nel sistema LTE-A il coordinamento tra base stations può essere realizzato attraverso l’interfaccia X2.

Lecture 120: evoluzione verso il 5G

Il cambiamento di termini e di velocità rappresenta semplicemente l’evoluzione del 4G verso il 5G. La cosa più importante è che il 5G non introduce soltanto un modo diverso di guardare la rete mobile, ma un miglioramento simultaneo di parametri fondamentali. Non conta solo il bitrate massimo, contano più prestazioni insieme.

In questa immagine possiamo vedere quali sono le principali richieste del sistema 5G:

• User experienced data rate, cioè la velocità effettivamente percepita dall’utente.
• Connection density, quindi il numero di dispositivi collegati per unità di superficie, direttamente collegato al concetto di IoT.
• Latency, che deve arrivare al livello del millisecondo.
• Mobility, cioè la capacità di supportare il servizio anche in presenza di utenti ad alta velocità.
• Peak data rate, cioè il picco di trasmissione.
• Traffic density, cioè la quantità di traffico sostenibile per unità di volume o area.

A questi si aggiungono due aspetti che nel 5G diventano centrali ed espliciti: cost efficiency ed energy efficiency. Questo significa che il sistema deve non solo trasmettere di più, ma deve farlo in modo economicamente sostenibile ed energeticamente efficiente.

Un altro concetto centrale è quello dello spectrum efficiency.

Livello fisico e continuità con il 4G

Dal punto di vista tecnico del physical layer, il 5G resta simile al 4G, perché continua a essere basato su OFDM. Quindi il 5G introduce molti requisiti in più, però l’idea non è stravolgere completamente il livello fisico, ma renderlo più flessibile, più potente e molto più adatto a scenari diversi.

Tre grandi pilastri del 5G

I tre grandi pilastri del 5G sono:

• Network densification, cioè rete più densa e più celle.
• Massive MIMO, con antenne più massive e fasci, cioè beams, più selettivi.
• Mm-wave technology, cioè tecnologie a onde millimetriche.

A questi si affiancano anche altre tecnologie previste dal sistema, ma non sempre implementate finché non sono complete.

Spectrum sharing permette a un dispositivo di utilizzare una certa porzione di spettro in modo flessibile. In questo modo l’uso delle risorse radio diventa più efficiente ed evita che una parte di spettro resti occupata o non utilizzata.

D2D communication permette a due dispositivi di comunicare direttamente tra loro senza attraversare tutta l’infrastruttura di rete. Questo può ridurre i ritardi, alleggerire la rete e migliorare alcune comunicazioni locali.