Dentro lo smartphone: banda base e protocolli radio

Dentro lo smartphone: banda base e protocolli radio
 

Questo articolo descrive i blocchi funzionali di uno smartphone: la catena di rice-trasmissione, dove sono espli­citate le principali funzionalità introdotte da 5G NR, ed i pro­tocolli radio necessari per con­sentire la comunicazione tra “telefonino” e rete.

 

Introduzione

Il nostro smartphone è ormai parte integrante del nostro modo di vive­re tanto che si dà ormai per scon­tata tutta la tecnologia che si cela dietro di esso: ma cosa permette alle nostre app di funzionare in Ita­lia e nel resto del globo?

Tutto questo è possibile grazie allo sforzo congiunto dell’industria che ha riconosciuto l’importanza di creare un unico standard per la telefonia cellulare e di investire fortemente nella ricerca di nuove soluzioni per ottimizzare l’uso del­le risorse radio.Uno smartphone è un insieme di molte tecnologie: lo schermo, le fotocamere, il sistema operativo e le applicazioni che for­niscono i servizi sono solo alcuni esempi. Tutto questo però non fun­zionerebbe senza la componente di comunicazione, ovvero la capa­cità di operare in una rete cellu­lare. A tale scopo, questo articolo intende spiegare il funzionamento della banda base di uno smartpho­ne ed i protocolli di comunicazio­ne radio. Nell’articolo “Dentro lo smartphone - SoC e testing” [1] si affrontano invece gli aspetti più implementativi e propedeutici alla commercializzazione.

La standardizzazione tecnica

Il 3GPP è l’ente di riferimento per le tecnologie radiomobili.

Tutti i telefoni cellulari si basano su quanto definito da questo ente. In particolare, il gruppo RAN1 speci­fica il livello fisico, ovvero le tecni­che di modulazione, i codici per la correzione degli errori introdotti dal canale di trasmissione, il numero di risorse utilizzabili (nel tempo e nel­la frequenza) per la trasmissione dei dati e dei segnali di controllo.

La gestione delle risorse radio (Ra­dio Resource Management, RRM), le misure e le procedure per la mo­bilità nonché i protocolli che rego­lano il funzionamento del termina­le sono invece definiti dal RAN2.

Nel seguito sono descritte le princi­pali caratteristiche di quanto speci­ficato dal 3GPP RAN1 e RAN2.

La banda base: la catena rice-trasmissiva

Il livello fisico di NR è descritto nelle specifiche del 3GPP RAN1, in parti­colare in [2][3]. La tecnica OFDM è stata scelta dal 3GPP come forma d’onda per la trasmissione del se­gnale 5G NR.

La modulazione OFDM suddivide il flusso di dati ad elevato bit rate in N flussi ciascuno dei quali modula una delle N sottoportanti a banda stretta del segnale OFDM.

Il risultato è che ciascuna sottopor­tante OFDM vede un canale non selettivo in frequenza, ovvero di semplice equalizzazione. NR intro­duce alcune migliorie rispetto alla tecnica OFDM adottata per LTE:

Numerologia flessibile con spaziatura in frequenza Δf del­le sottoportanti OFDM confi­gurabile da 15 kHz (valore fisso utilizzato da LTE) fino a Δf=120 kHz per i canali di traffico. L’u­tilizzo di una spaziatura in fre­quenza maggiore è utile per frequenze portanti elevate, ad esempio ad onde millimetriche sopra i 20 GHz, per rendere il sistema più robusto rispetto alle caratteristiche del canale di propagazione e per ridurre la durata del simbolo OFDM (TS) e quindi la latenza a livello fisico (vale infatti la relazione fondamentale TS=1/Δf). Inol­tre, una spaziatura elevata permette di utilizzare canali con banda maggiore (fino a 400 MHz per frequenze sopra 24.25 GHz) utilizzando un nu­mero N di sottoportanti gesti­bile in termini di complessità (il numero N di sottoportanti corrisponde alla dimensione dell’operazione di FFT che è alla base della generazione del segnale OFDM).

Tecniche di filtraggio per con­tenere lo spettro del segnale OFDM. Il contenimento spet­trale del segnale NR permette di raggiungere un utilizzo del canale radio allocato fino al 98%, rispetto a LTE che si fer­ma invece al 90%.

La tecnica MIMO svolge un ruolo fondamentale per NR.

 

Figura 1 - Schema a blocchi funzionale di un ricevitore NR per la parte di livello fisico

Essa consiste nell’utilizzo di anten­ne multiple al trasmettitore ed al ricevitore al fine di aumentare sia la velocità di trasmissione sia la co­pertura radio del sistema. Il MIMO in NR è stato progettato nativa­mente per supportare il beamfor­ming in trasmissione e ricezione.

Il beamforming consente di indiriz­zare il segnale radio verso direzioni preferenziali in cui sono localizzati gli utenti con il risultato di aumen­tare il raggio di copertura e l’effi­cienza spettrale.

Inoltre, il beamforming è fonda­mentale per l’applicazione della tecnica MU-MIMO, dove due o più utenti condividono le stesse risor­se trasmissive ma i relativi segnali sono separati trasmettendoli in di­rezioni diverse mediante antenne attive.

Il 3GPP ha inoltre definito alcu­ni vincoli per garantire un livello di prestazioni elevate nella tratta downlink come l’utilizzo di 4 anten­ne riceventi nel terminale.

Al contrario non è previsto un vin­colo sul numero di antenne tra­smittenti nel terminale.

Un’ulteriore innovazione di NR è l’u­tilizzo dei codici di canale LDPC che grazie alla loro particolare struttura di decodifica parallela permettono di raggiungere velocità dell’ordine di molti Gbit/s.

Lo schema a blocchi funzionale del ricevitore NR per la parte di li­vello fisico è illustrato in figura 1. I segnali ricevuti dalle varie anten­ne sono prima convertiti in banda base e poi digitalizzati.

I segnali sono quindi soggetti alla demodulazione OFDM e poi sono inviati al MIMO decoder che elabo­ra il segnale ricevuto e ricostruisce il flusso dati trasmesso.

L’utilizzo della tecnica OFDM con­giuntamente alla tecnica MIMO è particolarmente interessante per­ché permette di separare nel ricevi­tore l’operazione di equalizzazione del canale da quella di decodifica della trasmissione MIMO.

La separazione di queste due ope­razioni permette di semplificare la struttura del ricevitore con una conseguente riduzione della com­plessità. Le successive operazioni di demodulazione, de-interleaving e decodifica di canale servono a mi­gliorare l’affidabilità dei segnali rice­vuti correggendo gli errori introdotti dal canale di propagazione.

 

La pila protocollare radio 5G

Nel sistema 5G coesistono due tecnologie di accesso: l’evoluzione di LTE e la nuova interfaccia radio NR.

Entrambe le tecnologie costitui­scono la Next Generation Radio Access Network (NG-RAN) attra­verso la quale il terminale (UE) si connette alla rete tramite sia nodi di rete LTE (ng-eNB) che NR (gNB) [5] [6].

La comunicazione tra la rete di accesso NG-RAN e lo UE è gestita dalla pila protocollare di Access Stratum (AS), implementata sia lato nodo di rete sia lato terminale.

La pila protocollare del 5G è stata specificata dal 3GPP in Release 15 ed è illustrata in Figura 2.

La comunicazione di AS interessa sia il Control Plane (CP, ossia la se­gnalazione di rete) che lo User Pla­ne (UP, ossia i dati d’utente).

Le procedure di CP prevedono il protocollo di Radio Resource Con­trol (RRC) che consente ad es. l’in­vio a tutti i terminali presenti nell’a­rea di copertura di un sito delle informazioni (System Information) necessarie allo UE per stabilire una comunicazione.

 

Figura 2 - Pila protocollare del 5G (AS e NAS) e diagramma di transizione tra stati RRC del terminale 5G

Altre funzionalità tipiche del pro­tocollo RRC sono la gestione della mobilità del terminale (procedure di cell reselection e di handover) e la configurazione delle misure ad essa associate, il controllo di con­nessione (procedure di creazione/modifica/rilascio di una connes­sione RRC, attivazione delle pro­cedure di security, configurazione dei radio bearers, recupero della connessione conseguente la Radio Link Failure (RLF), ecc.), il trasfe­rimento della segnalazione che si richiude esclusivamente tra lo UE e la core network (segnalazione di Non Access Stratum, NAS) ed in­fine la gestione delle feature sup­portate dallo UE (capability), dato che non tutti gli smartphone im­plementano tutte le funzionalità standardizzate dal 3GPP.

Le funzionalità di CP definite nel protocollo RRC vengono realizzate sfruttando i servizi messi a dispo­sizione dai protocolli di Layer-2, gerarchicamente posti al di sotto dell’RRC e che compongono la re­stante parte della pila protocollare delle interfacce radio LTE e NR.

I protocolli di Layer-2 – Packet Data Convergence Protocol (PDCP), Ra­dio Link Control (RLC), Medium Ac­cess Control (MAC) – interagiscono quindi con la catena rice-trasmis­siva descritta precedentemente.

Lo UP è gestito dalla stessa pila protocollare radio, con le seguenti differenze:

Il protocollo RRC non è coinvol­to, agendo esclusivamente sul CP

Ai protocolli di Layer-2 prima menzionati si aggiunge, al di sopra del PDCP, il nuovo proto­collo Service Data Adaptation Protocol (SDAP) che gestisce il nuovo modello di qualità del servizio della core network 5G (5GC).

La comunicazione NAS, invece, è esclusivamente di CP ed è gestita dal relativo protocollo implemen­tato nello UE e nell’entità Access and mobility Management Fun­ction (AMF) della 5GC. Il protocol­lo NAS gestisce la segnalazione di procedure come network regi­stration, authentication, security, paging, location update e session management.

 

Figura 3 - Opzioni di connettività con la core network

Gli stati RRC e la gestione delle risorse radio

L’attività del terminale e la gestione delle risorse (RRM) è distinta sulla base degli stati RRC (Figura 2).

Uno smartphone 5G, infatti, può trovarsi in uno dei seguenti stati,

 

a cui sono associate funzionalità e procedure distinte [6]:

  • RRC_IDLE – il terminale non riceve né trasmette dati. Lo UE è in uno stato ‘dormiente’ per ridurre il consumo di batteria, tranne per ricevere le System Information o per monitorare le richieste di connessione (paging). La mobilità si basa sulle procedure di cell (re)selection per identificare la cella migliore sulla quale accamparsi. La posizione del terminale è nota alla reta a livello di core network su base Tracking Area e lo UE trasmette solo per indicare il cambio di Tracking Area e quando esegue la procedura di Random Access per il passaggio allo stato RRC_CONNECTED.
  • RRC_CONNECTED – il terminale riceve e trasmette dati. La rete può configurare funzionalità di Discontinuous Reception (DRX) per ridurre il consumo di batteria nei casi di traffico dati particolarmente variabile. La posizione del terminale è nota a livello cella e la mobilità è controllata dalla rete (handover) sulla base di misure fornite dal terminale.
  • RRC_INACTIVE – nuovo stato introdotto per gestire la trasmissione frequente di piccole quantità di dati. Se per un certo tempo il terminale non scambia dati con la rete esso può sospendere la sua sessione senza però perdere la connessione verso la rete; il terminale passerà allo stato RRC_CONNECTED semplicemente riattivando la sua connessione. Il comportamento e la mobilità sono simili a RRC_IDLE ma la posizione del terminale è nota a livello di rete di accesso NG-RAN su base RAN Notification Area.

Opzioni di connettività verso la core network

Il 3GPP ha definito diverse configurazioni di rete 5G [7], che prevedono un interlavoro in rete di accesso – Dual Connectivity tra LTE e NR – e in core network (Figura 3).

Quest’ultimo si verifica nei casi di architetture 5G di tipo standalone in cui LTE ed NR operano in maniera indipendente l’una dall’altra.

Il terminale deve poter supportare sia il NAS della Evolved Packet Core (EPC) sia il NAS della 5GC e sono possibili i casi di single e dual registration [8].

Uno UE in single registration si registra ad una sola delle due core network (EPC o 5GC) e la gestione della mobilità intersistema richiede un‘interfaccia dedicata tra le due core network.

Nel caso di dual registration, lo UE si registra contemporaneamente sia alla EPC che alla 5GC per cui non è necessaria l’interfaccia tra le due core network.

Tuttavia, per migliorare le prestazioni di mobilità, il terminale potrebbe dover implementare una doppia catena rice-trasmissiva.

Conclusioni

Il nostro “telefonino” funziona grazie alle funzionalità ed ai protocolli radio standardizzati dal 3GPP.

Grazie allo standard, il cliente può scegliere tra molteplici brand di smartphone ed è sicuro di fruire del servizio in qualsiasi parte del mondo.

Questo articolo ha descritto le principali funzionalità definite dal 3GPP per quanto riguarda il livello fisico ed i protocolli radio.

Sono state evidenziate le principali innovazioni introdotte da 5G NR in termini di modulazione, codici per la correzione degli errori introdotti dal canale radio e utilizzo della tecnica MIMO.

Sono stati descritti i protocolli radio e gli stati logici in cui si può trovare un terminale, illustrando anche come è specificata la connettività con la Core Network.

L’impatto di queste funzionalità è visibile a tutti: il throughput è definito dalle funzionalità di livello fisico (es. numero di antenne nella tecnica MIMO), la latenza è influenzata dalla durata di simbolo OFDM e dalla “velocità” con cui lo smartphone riesce a passare da uno stato logico all’altro.

I diversi stati logici impattano la durata della batteria in quanto agiscono sulla segnalazione di Control Plane ed ottimizzano il tempo in cui lo smartphone è attivo.

Bibliografia

[1] D. Arena, C. Carlini, M. Ubicini, “Dentro lo smartphone - SoC e testing”, Notiziario Tecnico anno 29 - 1/2020

[2] TS 38.211, “NR - Physical channels and modulation”. Release 15, V15.8.0 (2019-12)

[3] TS 38.212, “NR - Multiplexing and channel coding”. Release 15, V15.8.0 (2019-12)

[4] TS 38.306, “NR - User Equipment (UE) radio access capabilities”. Release 15, V15.8.0 (2019-12)

[5] TS 38.300, “NR - Overall description (Stage-2)”. Release 15, V15.8.0 (2019-12)

[6] TS 38.401, “NG-RAN - Architecture description”. Release 15, V15.7.0 (2019-12)

[7] TR 38.801, “Study on new radio access technology: Radio access architecture and interfaces”. Release 14, V14.0.0 (2017-03)

[8] TS 23.501, “System architecture for the 5G System (5GS)”. Release 16, V16.3.0 (2019-12)

Acronimi

3GPP - Third Generation Partnership Project
5GC - 5G Core network
AMF - Access and mobility Management Function
AS - Access Stratum
CP - Control Plane
DRX - Discontinuous Reception
EPC - Evolved Packet Core
FFT - Fast Fourier Transform
LDPC - Low Density Parity Check
LTE - Long Term Evolution
MAC - Medium Access Control
MIMO - Multiple Input Multiple Output
MU-MIMO - Multi User MIMO
NAS - Non Access Stratum
NG-RAN - Next Generation Radio Access Network
NR - New Radio
OFDM - Orthogonal Frequency Division Multiplexing
PDCP - Packet Data Convergence Protocol
SoC - System on Chip
RAN - Radio Access Network
RAN1 - RAN Working Group 1
RAN2 - RAN Working Group 2
RLC - Radio Link Control
RLF - Radio Link Failure
RRC - Radio Resource Control
RRM - Radio Resource Management
SDAP - Service Data Adaptation Protocol
UE - User Equipment
UP - User Plane