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UMTS Universal Mobile Telecommunication System

a cura di Luca R.

 

Architettura

UMTS UMTS (Universal Mobile Telecommunications System) è la sigla data al nuovo sistema di comunicazione radiomobile di terza generazione. Sistema che si ripromette di rivoluzionare l'attuale concezione di comunicazione wireless, infatti le innovative scelte tecniche adottate permetteranno di accedere a tutta una serie di servizi fino ad oggi impensabili e con prestazioni sempre più simili a quelli messi a disposizione dai sistemi fissi, sia in termini di qualità sia di velocità di trasmissione. La prima lettera dell'acronimo dà già un buon indizio sulla "rivoluzione" che si vuole mettere in atto, infatti è previsto che il sistema possa essere impiegato in ogni zona del globo e non soltanto più in regioni circoscritte.

Sebbene lo scopo iniziale dell'ITU fosse quello di definire un unico sistema di terza generazione, la presenza di interessi diversi, ha reso impossibile raggiungere questo traguardo. L'IMT-2000, sigla che sta ad indicare l'insieme dei nuovi standard di comunicazione, di fatto è formato da una famiglia di sistemi tra cui l'UMTS, caratterizzati da una buona compatibilità e in grado di garantire il roaming mondiale attraverso terminali multimodo.

Il dispiegamento dell'UMTS avverrà in fasi successive, caratterizzate da un progressivo aumento delle funzionalità; l'obiettivo è quello di fornire servizi con velocità pari a 2 Mbit/s per utenti a bassa mobilità, di 384 kbit/s per applicazioni dove è richiesta mobilità limitata all'interno di micro e macro celle e fino a 144 kbit/s per utenti con velocità pari a 500 km/h. Dato il grande successo avuto dal GSM e poiché l'avvio commerciale comincerà nel 2002, è prevista una graduale migrazione tra i due sistemi; questo implica che i terminali possano operare anche come terminali GSM.

La banda messa a disposizione è quella compresa tra 1885-2025 MHz e 2110-2200 MHz; in Europa i primi 15 MHz coincidono con parte della porzione di spettro assegnata al DECT, spetta agli organismi regolatori nazionali prendere provvedimenti perché le bande siano effettivamente disponibili. La restante porzione di spettro relativa al segmento terrestre è stata suddivisa in una "appaiata", da 1920 a 1980 MHz in uplink e da 2110 a 2170 MHz in downlink, dove si impiegherà la modalità FDD, e in una parte non appaiata, da 1900 a 1920 MHz e da 2010 a 2025 MHz dove sarà impiegata la modalità TDD. Le bande 1980-2010 MHz e 2170-2200 MHz sono state riservate al segmento satellitare così da consentire l'effettiva copertura globale.

Bande UMTS

Architettura di rete

L'architettura complessiva del sistema UMTS può essere diviso in due segmenti principali: la rete di accesso UTRAN (UMTS Terrestrial Radio Access Network) e l'infrastruttura di commutazione e routing Core Network (CN).

UTRAN

La rete di accesso è delimitata da due interfacce: da un lato l'interfaccia Uu collega l'UTRAN con il terminale mobile, dall'altro l'interfaccia Iu connette l'UTRAN alla Core Network. La rete è formata da un insieme di Radio Network Subsytems (RNS), composte a loro volta da un controllore (RNC Radio Network Controller) e da un numero variabile di entità chiamate Nodes B, connesse all'RNC tramite l'interfaccia Iub. Compito dei Nodes B è quello di sovrintendere ad un gruppo di celle che possono essere FDD, TDD o miste. Gli RNC possono essere collegati fra loro tramite l'interfaccia Iur, così da facilitare le procedure di handover.

I protocolli di trasporto sulle interfacce Iu, Iub e Iur si basano su ATM. Per adattare il flusso delle informazioni vengono implementati l'ATM Adaptation Layer di tipo 2 (AAL2) per il trasporto dei protocolli radio (Iub e Iur) e dei flussi d'utente verso il Circuit Service (Iu), e IP su AAL5 per i flussi verso il Packet Service (Iu).

Core Network

La Core Network mette in comunicazione le varie sezioni della rete di accesso che raccoglie il traffico dalle varie stazioni radio e realizza il controllo di chiamata e le funzioni di mobilità e sicurezza di livello elevato.

L'architettura UMTS consiste di due domini di rete: il dominio a Commutazione di Circuito, incentrato intorno alle centrali di commutazione MSC (Mobile Switching Centre) e il dominio a Commutazione di Pacchetto incentrato intorno ai nodi GSN (GPRS Support Node). I due domini si riferiscono quindi a due backbone di rete separati e paralleli, il primo derivato da tecnologie ISDN trasporta traffico voce, mentre il secondo basato su tecnologia IP si occupa del traffico dati. I due domini sono collegati alla rete di accesso tramite l'interfaccia Iu. Mentre la rete di accesso è completamente nuova e separata rispetto a quella adottata nel sistema GSM, l'infrastruttura di rete rappresenta invece una sua evoluzione diretta così che nelle prime fasi di introduzione del servizio UMTS gli operatori GSM possano condividere l'infrastruttura di rete fra i due accessi.

Con l'introduzione della nuova interfaccia radio il BSS (Base Station Subsystem) è stato sostituito dall'UTRAN e l'MSC, ribattezzato UMSC, è ora dotato di funzionalità di commutazione sia a circuito sia a pacchetto; le interfacce principali e l'architettura di controllo invece sono rimaste le stesse. Anche per la parte a commutazione di pacchetto la novità principale consiste nell'adozione di una nuova interfaccia radio che consente una maggiore velocità di trasmissione garantendo una migliore flessibilità.

Evoluzioni future

Dopo la prima fase di coesistenza con l'infrastruttura GSM, è previsto l'abbandono della struttura a doppio backbone per passare ad un'infrastruttura di rete unica in cui anche il traffico voce viene gestito tramite commutazione di pacchetto. Per la realizzazione di questo si provvederà a migliorare l'attuale rete GPRS introducendo nuovi elementi di rete:

Sarà anche necessario incrementare le funzionalità degli attuali elementi di rete come i nodi GSN e HLR in maniera da consentire la gestione dei servizi su IP. Oltre all'UTRAN è prevista anche un'ulteriore rete di accesso basata su accesso EDGE (Enhanced Data rate for GSM Evolution), che tramite un nuovo schema di modulazione nella struttura radio GSM aumenta il bit rate offerto, denominata ERAN (EDGE Radio Access Network).

Accesso radio

L'accesso è la vera novità introdotta dall'UMTS, l'interfaccia radio è definita secondo una cornice in cui le funzioni di accesso sono separate dalle funzioni di livello più elevato. Queste ultime riguardano tipicamente la relazione diretta tra il terminale mobile e la Core Network Le funzioni di segnalazione e di controllo attive tra la stazione mobile (MS) e la Rete di Accesso (RAN) tendono ad essere dipendenti dalla tecnologia radio, mentre quelle attive tra la stazione mobile e la Core Network ne sono indipendenti.

Le alternative esaminate dall'ETSI per la sua realizzazione erano inizialmente quattro: la tecnica W-CDMA (Wideband-Code Division Multiple Access); la tecnica TD-CDMA (Time Division-Code Division Multiple Access); una tecnica basata sulla trasmissione a divisione di tempo W-TDMA (Wideband-Time Division Multiple Access) simile a quella impiegata nel GSM, ma con una velocità di trasmissione molto maggiore; una tecnica multiportante chiamata OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access). Nel gennaio 1998 l'ETSI ha deciso di basare l'UTRAN sulle due proposte W-CDMA e TD-CDMA. In particolare si prevede che:

La soluzione TD-CDMA è una combinazione di una tecnica di accesso a divisione di tempo e di una a divisione di codice. La trasmissione è organizzata in trame suddivise in intervalli temporali (time slot), ma a differenza del GSM, ciascun intervallo di tempo invece di essere dedicato ad un solo collegamento viene impiegato da più collegamenti che comunicano sfruttando la tecnica a divisione di codice. Poiché il rapporto fra la chip rate e la velocità di trasferimento dell'informazione nei singoli canali è fisso, per realizzare canali con capacità diverse occorre affasciare più canali elementari; per servizi con velocità asimmetrica basta dedicare una parte dei time slot ad un verso di trasmissione e la parte rimanente al verso opposto.

Assegnazione delle sequenze di spreading
Per trasmettere segnali con velocità di sorgente variabile occorrono sequenze di spreading di lunghezza variabile, infatti la velocità di trasmissione in aria è costante (3.84 Mchip/s). Nel caso FDD la lunghezza può variare tra un minimo di 4 e un massimo di 512, mentre nel caso TDD la lunghezza varia tra 1 e 16.

Controllo di potenza

A causa della scelta di usare come tecnica di accesso la tecnica CDMA, assume particolare importanza il controllo di potenza per far sì che la potenza trasmessa sia la minima indispensabile creando la minor interferenza possibile. Sono impiegate tre procedure di controllo di potenza: controllo ad anello aperto, controllo ad anello chiuso e controllo ad anello esterno. Il controllo ad anello aperto è presente solo in uplink, in fase di inizio della chiamata. La potenza con cui è trasmesso il Physical Random Access Channel è calcolata sulla base della potenza ricevuta su un canale di controllo comune predefinito irradiato dalla base. Si stima così l'attenuazione della tratta downlink che si suppone essere uguale a quella dell'uplink. Però la distanza in frequenza tra le due tratte è tale da rendere poco correlati i fenomeni di propagazione. Si è introdotta così la procedura ad anello chiuso che si basa sull'invio di comandi di incremento-decremento della potenza trasmessa ogni time slot. Una volta misurato il rapporto segnale/interferente (C/I) sulla tratta controllata lo si confronta con un valore di soglia.

Il controllo ad anello esterno provvede al calcolo della soglia che viene aggiornata in base ad un continuo controllo della qualità del collegamento. Nella componente TDD grazie alla tecnica TDMA i segnali trasmessi su time slot diversi non si interferiscono, tuttavia vengono ugualmente impiegate le tre modalità sopra descritte.

I canali logici

I canali di trasporto possono essere suddivisi in due categorie: canali comuni, dove l'informazione è trasmessa indistintamente a tutti i terminali mobili, e canali dedicati, dove la comunicazione avviene verso un singolo terminale. Il numero di canali di trasporto è più elevato che nel sistema GSM in quanto il sistema UMTS non è stato ottimizzato solo per il servizio voce, ma deve essere in grado di fornire contemporaneamente servizi con caratteristiche di qualità differenti. Canali dedicati. È previsto un solo canale dedicato, il Dedicated Channel (DCH). Esso è utilizzato sia in up-link sia in down-link per trasportare informazione d'utente e di controllo tra il terminale mobile e la rete.

Canali comuni

Sono previsti i seguenti canali comuni:

Canali fisici

I canali fisici per il trasporto di informazione e segnalazione sono basati sulla seguente struttura:

Stratificazione e protocolli

Per quanto riguarda l'architettura dei protocolli dell'UTRAN vi è una prima suddivisione fra piano di controllo, dove transita l'informazione di segnalazione, e piano utente riguardante l'informazione d'utente. Essi possono poi essere suddivisi su tre livelli: livello fisico (1), livello Data Link (2) e livello Network (3).

Il livello 3 si occupa della gestione della segnalazione all'interno dell'UTRAN ed è collocato interamente nel Piano Controllo. I livelli 1 e 2 offrono una base di trasporto sia alla segnalazione sia all'informazione di utente quindi sono trasversali sia ai piani Controllo e Utente.

Il livello 2 è suddiviso in due sottolivelli: MAC (Medium Access Control) e RLC (Radio Link Control). Il MAC riceve servizi dal livello fisico mediante canali di trasporto e fornisce servizi al sottolivello RLC mediante canali logici. I canali di trasporto indicano la modalità con cui vengono trasmesse le informazioni, i canali logici rivelano quale tipo di informazione viene trasportata. Compito del MAC è regolare l'accesso di più utenti alle stesse risorse radio su indicazione del Radio Resource Control. Il livello MAC offre al livello RLC i seguenti servizi:

La modulazione e il ricevitore

Nella modalità FDD sono usati due diversi schemi di modulazione per le tratte uplink e downlink. Nella tratta downlink è impiegata una modulazione QPSK (Quadrature Phase Shift Key), il flusso d'informazione ottenuto multiplando nel tempo i canali DPDCH (Dedicated Physical Data Channel) e DPCCH (Dedicated Physical Control Channel) è suddiviso tra le due componenti del modulatore, fase I e quadratura Q. I due flussi ottenuti vengono quindi moltiplicati per la sequenza di spreading e trasmessi.

Nella tratta uplink lo schema adottato è denominato dual code BPSK (Binary PSK). Il DPDCH ed il DPCCH sono trasmessi in modo indipendente rispettivamente sulla componente I e sulla componente Q del modulatore; i due flussi vengono moltiplicati per due sequenze di spreading diverso (Ci e Cq) con uno spreading factor diverso. Infatti lo spreading factor del canale DPCCH è sempre pari a 256, mentre quello del DPDCH è dipendente dalla velocità di trasmissione dell'informazione. Il canale DPCCH è poi moltiplicato per un fattore minore di uno così da ridurre l'interferenza sul canale DPDCCH e le fluttuazioni dell'inviluppo del segnale trasmesso. La componente TDD utilizza la tecnica QPSK sia per l'uplink sia per il downlink.

IL RICEVITORE
Nei sistemi radiomobili il canale radio è caratterizzato dalla propagazione su cammini multipli dovuta alla riflessione e diffrazione delle onde elettromagnetiche, questo comporta che al ricevitore si rivela una sequenza di impulsi con ampiezza, fase e ritardo variabili, creando interferenza intersimbolica con i simboli successivi. Nei sistemi a larga banda la dispersione nel tempo dell'energia trasmessa non rappresenta un problema perché è possibile separare i vari echi e ricombinare la loro energia. Poiché le ampiezze dei vari echi sono statisticamente indipendenti, aumenta, tramite la ricombinazione costruttiva, la probabilità che il segnale sia ricevuto con un'ampiezza sufficiente per una corretta ricezione, questa caratteristica, denominata "diversità di cammino", può essere sfruttata mediante il ricevitore Rake Receiver.

Idealmente il ricevitore è composto da tanti ricevitori indipendenti (fig. 4) ciascuno sintonizzato su una differente replica del segnale. Effettuata l'operazione di despreading per ciascun "ramo" si ha un segnale con cadenza pari al periodo del simbolo di informazione. Si procede al recupero dello sfasamento dovuto al canale, dopodiché il dispositivo di ricombinazione effettua una somma pesata dei segnali uscenti e fornisce un unico valore del simbolo di informazione.

Handover e macrodiversità

Oltre alle funzioni legate all'attivazione e al rilascio dei canali radio la rete radiomobile deve garantire una serie di funzionalità legate alla mobilità. La principale è quella che permette la continuità della connessione al di là della frammentazione della copertura radio. Nel caso del CDMA la distanza tipica per il riuso di frequenza è pari ad 1 dato che tutti i terminali utilizzano la stessa frequenza radio; ciò comporta una sostanziale innovazione anche nell'interconnessione tra il terminale e la rete. Infatti un sistema di tipo CDMA può realizzare le funzioni di handover in modo completamente asincrono. Questa funzionalità, detta di soft handover, è resa possibile dal meccanismo della macrodiversità.

Il mobile non si limita a rimanere collegato ad una sola Base Station , ma coinvolge tutte le BS da cui riceve un segnale sufficientemente buono. L'insieme di BS da cui il mobile riceve costituisce l'Active Set (AS). In downlink i segnali possono provenire da celle appartenenti a Node B e RNC diversi; essi vengono allineati così da poter essere combinati tra loro. In uplink il segnale trasmesso dal mobile viene decodificato da tutte le BS dell'AS. Nella fase di cambio canale la continuità della connessione è garantita dai molteplici cammini tra il terminale e il punto di controllo nella rete; il meccanismo di macrodiversità permette di superare gli stretti vincoli di ritardo che caratterizzano il cambio di canale nei sistemi TDMA.

Handover e macrodiversità possono essere gestite a livello di Node B, nel caso di celle appartenenti allo stesso Node B, oppure possono essere gestiti a livello RNC mediante l'interfaccia Iub, per celle di Node B differenti, ma controllati dallo stesso RNC, o della Iur, per celle di diversi RNS. Grazie all'interfaccia Iur la rete di accesso è in grado di gestire l'handover senza il coinvolgimento dell'MSC, ottenendo una procedura più semplice e rapida. Si ha un iniziale "prolungamento" dell'interfaccia UMSC-RNC tramite la Iur che consente il raggiungimento della nuova RNC. Solo in un secondo momento verrà instaurata la connessione verso la nuova RNC e rilasciato il prolungamento tramite la Iur. La procedura di ridirezione dell'interfaccia Iu, detta streamlining, serve ad ottimizzare le risorse una volta che l'handover è consolidato.

Servizi UMTS

I servizi dati e multimediali sono un requisito fondamentale per lo sviluppo di un sistema di terza generazione. La gestione da parte del terminale radio di più servizi contemporaneamente è supportata da una serie di caratteristiche a livello di protocollo radio:

Poiché le velocità di trasferimento dati permesse dall'interfaccia radio potranno andare da qualche bit fino a 2 Mbit/s, servizi classici quali la telefonia e nuovi servizi di tipo multimediali saranno disponibili sia tramite commutazione di pacchetto sia tramite commutazione di circuito. Per questo il Call Control, cioè la funzionalità che presiede al controllo della chiamata, deve poter gestire più componenti duranti una conversazione, ad esempio dovrà durante una telefonata poter aggiungere il video. Per ottenere questo si è provveduto all'integrazione del Call Control GSM con lo standard più diffuso per la gestione di applicativi multimediali, l'H.323. Il controllo di chiamata GSM si occuperà di instaurare una connessione tra chiamante e chiamato, e H.323 consentirà di aggiungere/rimuovere i vari media, utilizzando il collegamento instaurato. Per il sistema UMTS sono previste le seguenti classi di servizio di QoS:

  1. Conversazionale. Viene utilizzata per conversazioni real time fra utenti come i tradizionali servizi voce, voce su IP e videoconferenza, nei servizi dove il tempo di trasferimento deve essere basso e costante.
  2. Streaming. Viene impiegata nel caso di flussi video/audio real time. Il servizio trasmissivo è sempre unidirezionale, da un server in rete verso l'utente. Non sono necessari particolari requisiti di basso ritardo di trasferimento, infatti il flusso viene riallineato in ricezione. È importante però che la relazione temporale fra le varie componenti del flusso rimanga costante.
  3. Interattiva. Viene utilizzata nel caso in cui l'utente richieda dati a un apparato remoto come il web-browising e l'accesso a server di rete. Il requisito più stringente è l'integrità dei dati trasmessi, cioè la garanzia di un basso tasso di errore.
  4. Background. Viene impiegata nei casi in cui l'utente richieda l'invio o attenda la ricezione di file di dati come processo di background, quindi secondario rispetto agli altri processi a priorità più alta. In questo caso l'applicazione non è sensibile al ritardo, mentre risulta molto importante l'integrità dei dati, applicazioni di questo tipo sono la trasmissione di e-mail.

Virtual Home Environment e servizi forniti

Il Virtual Home Environment è un ambiente virtuale definito per garantire all'utente l'accesso ai servizi sottoscritti nelle stesse modalità da lui impostate a prescindere dal terminale e dalla rete impiegati. È come se l'abbonato si trovasse nella sua rete originaria anche quando è in roaming su un altro operatore. Il VHE deve permettere di negoziare le funzionalità con la rete di accesso consentendo di effettuare il download di software che fornisca le funzionalità e i servizi della rete nativa di appartenenza in completa sicurezza e trasparenza.

Servizi multimediali
I servizi multimediali rappresentano una delle caratteristiche più innovative dell'UMTS. Le principali applicazioni della trasmissione video possono essere:

Servizi Internet-Intranet
La telefonia mobile e l'accesso Internet sono state le due tecnologie che hanno maggiormente caratterizzato il mercato degli ultimi anni. L'obiettivo è quello della loro integrazione. Tuttavia poiché il terminale avrà caratteristiche diverse da un computer da scrivania, al momento dell'accesso il fruitore del servizio dovrà presentare le proprie caratteristiche, come la dimensione del display, la capacità di calcolo, la capacità di elaborazione grafica,... Verranno così introdotti nuovi linguaggi per la definizione delle informazioni e della loro rappresentazione grafica. Per quando riguarda i servizi di messaggistica l'obiettivo è quello di poter associare contenuti multimediali ai messaggi trasmessi; si può ipotizzare di trasmettere messaggi direttamente in forma di filmati.

Servizi vocali
I servizi basati sul riconoscimento e controllo vocale ricopriranno un ruolo importante. A tal scopo si sta pensando a un linguaggio di mark-up vocale denominato VoXML col quale gli utenti saranno in grado di accedere i vari servizi tramite semplici comandi vocali.

Sicurezza ed identificazione dell'utente
La tecnologia delle smart card, già usate nel GSM, consente l'identificazione dell'utente. Grazie alla rapida evoluzione delle tecnologie che consentono di aumentare le capacità di memoria, di interfacciamento, di calcolo, sarà possibile introdurre personalizzazioni e algoritmi di sicurezza sempre più efficaci. Nell'UMTS sarà presente un modulo di identificazione detto USIM in cui inserire e memorizzare applicazioni, certificazioni, firme digitali, algoritmi di cifratura,.... Le carte potrebbero non richiedere contatto permettendo un utilizzo più semplice e ampio, perché sarà possibile effettuare operazioni senza richiedere di essere inserite nel terminale.

Servizi basati su localizzazione
I servizi basati sul concetto di localizzazione rappresentano un settore in sviluppo. Alcune delle applicazioni possibili con UMTS sono:

Tratto da: "Le comunicazioni mobili del futuro- UMTS: il nuovo sistema del 2001", a cura di Flavio Muratore, ed. CSELT