Proposta di una tecnica adattiva di gestione delle risorse per reti cellulari UMTS/HSPA

Introduzione 
 
 
Universal Mobile Telecommunications System (UMTS) è la tecnologia di telefonia 
mobile di terza generazione (3G), successiva al GSM. Tale tecnologia impiega lo 
standard base W-CDMA come interfaccia di trasmissione, è compatibile con lo standard 
3GPP e rappresenta la risposta europea al sistema ITU di telefonia cellulare 3G. 
L'UMTS è a volte lanciato sul mercato con la sigla 3GSM per mettere in evidenza la 
combinazione fra la tecnologia 3G e lo standard GSM. 
Il sistema UMTS supporta un transfer rate (letteralmente: tasso di trasferimento) 
massimo di 1920 kb/s. Le applicazioni tipiche attualmente implementate, usate ad 
esempio dalla reti UMTS in Italia, sono tre: voce, videoconferenza e trasmissione dati a 
pacchetto. Ad ognuno di questi tre servizi è assegnato uno specifico transfer rate: in 
particolare per la voce 12,2 kb/s, 64 kb/s per la videoconferenza e 384 kb/s per 
trasmissioni di tipo dati (scarico suonerie, accesso al portale, ecc.). Tuttavia da misure 
in campo in mobilità su reti a basso carico si sono raggiunti 300 kb/s. In ogni caso 
questo valore è decisamente superiore ai 14,4 kb/s di un singolo canale GSM con 
correzione di errore ed anche al transfer rate di un sistema a canali multipli in HS-
DSCH. UMTS è quindi in grado di consentire per la prima volta l'accesso, a costi 
contenuti, di dispositivi mobili al World Wide Web di Internet. 
Le attuali reti UMTS sono state potenziate mediante i protocolli High-Speed Downlink 
Packet Access (HSDPA), e High-Speed Uplink Packet Access (HSUPA) con una 
velocità massima teorica di scaricamento dati in download di 14,4 Mb/s e in upload di 
7,2 Mb/s. Con il lancio di tariffe flat su tecnologia HSDPA, e con l'implementazione 
della tecnologia HSUPA (che migliore la velocità in upload), i servizi definiti "a banda
Introduzione 
  
 
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larga mobile" possono essere considerati come alternativa alle connessioni ADSL fisse, 
e concorrenti delle future reti WiMAX. 
High Speed Packet Access (HSPA) è una famiglia di già citati protocolli per la telefonia 
mobile che estendono e migliorano le prestazioni dell'UMTS. Include HSDPA per la 
trasmissione dati in downlink (verso l'utente) e HSUPA per la trasmissione dati in 
uplink (verso la rete). 
I protocolli HSPA sono una evoluzione dell’UMTS che, in termini di prestazioni, 
apporta miglioramenti analoghe a quelle introdotte dall'EDGE sullo standard GPRS. 
Recentemente l'HSPA è stato ulteriormente migliorato, introducendo nuove versioni 
indicate come HSPA Evolution (HSPA+), ed in grado di offrire velocità di accesso fino 
a circa 50 Mbps.  
In particolare in questa tesi è trattato il servizio Multimedia Broadcast Multicast Service 
(MBMS) per reti UMTS/HSPA. 
Alla fine del 2004 il 3GPP ha approvato l’introduzione di MBMS nelle specifiche 
tecniche della Release 6. MBMS è lo standard 3GPP che permette il supporto del 
Mobile Broadcasting, cioè di tutto l’insieme di servizi e applicazioni di tipo streaming  
o download and play ricevuti contemporaneamente da un insieme di utenti. L’opera di 
standardizzazione è stata imponente ed ha coinvolto quasi tutti i gruppi di lavoro del 
3GPP: 
 
• l’accesso UTRAN e GERAN (WG RAN e WG GERAN ); 
• la core network e i terminali (WG CT); 
• i servizi e l’architettura (WG SA1 e SA2); 
• le applicazioni ed i codec (WG SA4); 
• la sicurezza (WG SA3). 
 
Con MBMS è possibile usare al meglio le risorse radio, quando il numero degli utenti in 
una cella supera una certa soglia, per offrire diversi servizi (download di file video e 
audio, messaggistica di vario tipo e potenzialmente anche mobile TV) sfruttando un 
solo canale condiviso da tutti, senza quindi impiegare tanti canali radio dedicati, uno per 
ogni utente. Inoltre MBMS può essere usato in caso di emergenza pubblica per 
veicolare la stessa informazione ad una platea molto ampia nel più breve tempo 
possibile.
Introduzione 
  
 
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Per poter offrire MBMS è necessario aggiornare molti nodi della rete radiomobile 2G e 
3G (BSC, RNC, SGSN, GGSN) ed introdurre anche un nuovo elemento, il BM-SC 
(Broadcast Multicast- Service Center). 
Visto quindi il numero di nodi di rete coinvolti, la tecnologia MBMS non farà la sua 
comparsa prima della metà del 2008, ed in ogni caso per poterne usufruire occorrerà 
avere un terminale di Release 6 che supporti MBMS. La sua completa diffusione tra gli 
utenti richiederà alcuni anni, considerando il normale tasso di sostituzione dei cellulari. 
In questo progetto è stato simulato un sistema cellulare con il supporto del canale di 
trasporto High-Speed Downlink Shared Channel (HS-DSCH) e attraverso l’ausilio di 
canali DCH (Dedicated Channel), attraverso l’ausilio di un simulatore implementato in 
C++. 
Lo scopo delle simulazioni è stato quello di implementare una nuova tecnica di Radio 
Resource Managment con lo scopo di aumentare la capacità del canale HS-DSCH e di 
conseguenza avere un miglioramento generale del sistema in termini di numero 
massimo di utenti gestiti e di qualità del sistema (QoS) per reti cellulari UMTS\HSPA. 
Inoltre la tecnica proposta permetterà un risparmio in termini di potenza di trasmissione. 
Nel primo capitolo viene fornita una descrizione del sistema UMTS e l’evoluzione dei 
sistemi radiomobili in generale.  
Nel secondo capitolo viene descritto il servizio MBMS per reti UMTS. 
Il terzo capitolo presenta una panoramica generale dei canali che possono essere usati 
nei sistemi radiomobili, suddivisi per diverse tipologie e caratteristiche. 
Nel quarto capitolo vengono presentate le diverse tecniche di Radio Resource 
Managment (RRM). 
Il quinto capito presenta la descrizione della tecnica di RRM proposta nella tesi. 
Nel sesto capitolo vengono descritti i risultati delle simulazioni in termini di Probabilità 
di Blocco, QoS, guadagno di potenza e BLER.
Capitolo 1 
 
 
La Rete UMTS 
1.1 Introduzione 
Il panorama delle Telecomunicazioni mondiali sta subendo in questi anni profondi 
cambiamenti che si manifestano anche nelle continue evoluzioni dei sistemi 
radiomobili. I servizi offerti dalle reti fisse sono sempre più evoluti e molteplici, 
discostandosi molto dalle sole telefonate voci tradizionali.  I sistemi radiomobili di terza 
generazione nascono per allineare le proprie prestazioni a quelle delle reti fisse, con 
l’obbiettivo di consentire una convergenza dei servizi offerti. 
L’UMTS è la tecnologia di telefonia mobile di terza generazione (3G), successore del 
GSM. Tale tecnologia impiega lo standard base W-CDMA come interfaccia di 
trasmissione, è compatibile con lo stardard 3GPP e rappresenta la riposta europea al 
sistema ITU di telefonia cellulare 3G. 
In Figura 1.1 è mostrata l’architettura semplificata di una rete radiomobile. Tramite 
telefonini e stazioni radio base, dotate di apparecchiature ricetrasmittenti, si possono 
istaurare le comunicazioni che permettono agli utenti l’accesso ai servizi di rete. Il 
territorio che si desidera servire viene suddiviso in tante aree di copertura, o celle; in 
ognuna di esse è presente una stazione radio base che consente la comunicazione con i 
terminali mobili all’interno di tale area. 
Come illustrato in figura la rete è costituita da Rete d’Accesso (Access Network) e Rete 
di Commutazione (Core Network). La prima è composta da tutti gli elementi, tra cui la 
stazione radio base, che consentono la gestione della comunicazione radio con i 
terminali mobili. La seconda è la Rete di Commutazione, che si interconnette da un lato 
con la Rete d’Accesso, dall’altro con le altre reti, telefoniche o IP, consentendo 
l’instaurazione e la terminazione delle chiamate, sia voce sia dati.
1. La Rete UMTS  
  
 
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Figura 1.1 - Architettura semplificata di una rete radiomobile. 
 
La risorsa fisica che permette la mobilità wireless in un sistema radiomobile è il canale 
radio. Dal momento che lo spettro radio viene impiegato per tanti altri servizi come 
televisione, radio, comunicazioni satellitari, tale risorsa deve essere sfruttata con la 
massima efficienza possibile; questo, infatti, è stato uno dei requisiti base per la 
creazione del nuovo standard. Per consentire l’accesso radio ai terminali, i sistemi 
radiomobili impiegano due tecniche: 
 
• Tecnica di accesso multiplo alla risorsa radio; 
• Tecnica di copertura cellulare. 
 
In questo capitolo verrà presentata una breve introduzione dell’evoluzione dei sistemi 
radiomobili nel paragrafo 1.2; le caratteristiche generali della rete UMTS sono riportate 
nel paragrafo 1.3; mentre nei paragrafi 1.4 e 1.5 vengono brevemente descritte 
rispettivamente l’architettura di rete e l’architettura dei servizi. 
 
1.2 Evoluzione dei sistemi radiomobili 
 
A livello mondiale esiste attualmente un gran numero di sistemi radiomobili adottati. I 
sistemi analogici, per esempio il TACS, detengono ormai una bassissima percentuale di 
mercato; tra quelli digitali di seconda generazione ci sono i GSM, utilizzato in Europa e 
nel Mondo, in più di 200 nazioni, il PDC prevalentemente in Giappone, il cdmaOne in 
America e nelle altre parti del mondo, l’US-TDMA, prevalentemente in America. Tra
1. La Rete UMTS  
  
 
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queste tecnologie emerge il GSM come leader mondiale con una quota di mercato, 
intesa come numero di clienti, di circa il 75%[1]. 
Tali standard sono in grado di offrire prevalentemente servici voce e dati a bassa 
velocità; lo sviluppo tecnologico e la rapida crescita degli accessi ad Internet a banda 
larga, con i quali è possibile avere servizi multimediali evoluti, hanno messo in luce i 
limiti e le inadeguatezze dei sistemi di seconda generazione ad offrire i nuovi servizi. A 
livello mondiale si è deciso, quindi, di investire molto in questo settore giacché la 
straordinaria crescita della telefonia degli ultimi anni ha portato il numero di clienti 
della rete radiomobile a raggiungere quello dei clienti di linee fisse. Inoltre il forte 
sviluppo di internet degli ultimi anni sta determinando la nascita di una grande varietà di 
servizi di comunicazione. 
Un altro sistema evolutosi dal 2G è il GPRS, conosciuto anche come 2.5G. Il GPRS 
supporta un transfer-rate nettamente più alto del GSM (fino ad un massimo di 140,8 
kb/s), e può essere talvolta utilizzato insieme al GSM. 
Lo standard EDGE (Enhanced Data Rates for GSM Evolution.) è un’evoluzione della 
norma GSM, che modifica il tipo di modulazione. Esattamente come la norma GSM, lo 
standard EDGE è utilizzato come transizione verso la terza generazione di telefonia 
mobile (3G). Si parla quindi di 2.75G per designare lo standard EDGE. 
EDGE utilizza una modulazione differente rispetto a quella usata dal GSM (EDGE 
utilizza la modulazione 8-PSK), il che implica una modifica delle stazioni di base e dei 
terminali mobili. 
L’EDGE permette così di moltiplicare per un fattore 3 la capacità di banda dei dati con 
una copertura più ridotta. In teoria l’EDGE permette di raggiungere delle capacità di 
banda che arrivano fino a 384 kbit/s per le stazioni fisse (pedoni e veicoli lenti) fino a 
144 kbit/s per le stazioni mobili (veicoli rapidi).  
La terza generazione, per la telefonia radiomobile, sorge quindi con l’intento di 
unificare gli standard per dare roaming mondiale e al tempo stesso fornire innovative 
forme di comunicazione realizzando una convergenza tra mobile e fisso nei servizi 
multimediali e dati. 
Il processo di standardizzazione ha incominciato a muoversi quando, nel 1992, l’ente 
WARC-92 (1992 World Administrative Radio-communications Conference) dell’ITU 
(International Telecommunication Union) ha identificato le frequenze disponibili per i 
sistemi radiomobili di terza generazione nella banda intorno ai 2 GHz, sia per i sistemi 
terrestri, sia per quelli satellitari: 1885-2025 e 2110-2200 MHz.