Long Term Evolution (LTE)

Rel-8/Rel-9

UTRA (Universal Terrestrial Radio Access) come sistema di terza generazione, con i miglioramenti forniti da High Speed Packet Access (HSPA), sia per il downlink che per l’uplink, rimarrà altamente competitivo per diversi anni. Tuttavia, l’industria che ha sviluppato le tecnologie 3GPP, ha lanciato un progetto nel dicembre 2004 chiamato Long Term Evolution (LTE) per studiare i requisiti di una nuova interfaccia aerea chiamata Evolved UTRA (E-UTRA).

Nota: I termini LTE ed E-UTRA sono sinonimi, tuttavia le specifiche radio parlano piuttosto di E-UTRA.

I risultati di questo studio, cioè i requisiti E-UTRA/LTE, sono stati documentati in Rel-7 3GPP TR 25.913:

• Tassi di dati di picco significativamente aumentati, per esempio 100 Mbps in downlink/50 Mbps in uplink
• Bitrate aumentati ai margini delle celle assumendo le attuali posizioni dei siti
• Efficienza dello spettro migliorata, per esempio 2-4 x Rel-6
• Riduzione della latenza
• Banda scalabile per una maggiore flessibilità nell’allocazione delle frequenze
• Riduzione delle spese di capitale e operative incluso il backhaul
• Complessità del sistema e del terminale accettabile, costo e consumo energetico
• Supporto per l’interoperabilità con i sistemi 3G esistenti e con i sistemi specificati non-3GPP
• Supporto efficiente dei vari tipi di servizi, specialmente dal dominio PS (es.Ad esempio Voice over IP, Presence)
• Ottimizzato per la bassa velocità mobile ma che supporta l’alta velocità mobile (fino a 500 km/h).

Dopo la definizione dei requisiti E-UTRA/LTE, lo stesso studio Rel-7 ha prodotto un 3GPP TR 25.912 “Feasibility study for evolved Universal Terrestrial Radio Access (UTRA) and Universal Terrestrial Radio Access Network (UTRAN)” per descrivere come la parte radio del sistema potrebbe essere progettata. Il corrispondente lavoro normativo E-UTRA/LTE è seguito dal settembre 2006 al marzo 2009 nelle specifiche Rel-8.

In parallelo all’evoluzione dell’architettura radio è stato condotto uno studio sulla 3GPP System Architecture Evolution (SAE) con l’obiettivo di sviluppare un quadro per un’evoluzione o una migrazione del sistema 3GPP verso un sistema ottimizzato per i pacchetti, a più alto data-rate e a più bassa latenza, che supporta più tecnologie di accesso radio. Il focus di questo lavoro era il dominio PS con il presupposto che i servizi vocali sono supportati in questo dominio.
Questo studio ha portato alla Rel-8 3GPP TR 23.882 ed è stato seguito dal corrispondente lavoro normativo Rel-8.

Anche se il termine “Evolved UTRA” implica un graduale miglioramento del sistema UMTS di terza generazione esistente, alla fine è diventato una diversa tecnologia di accesso radio:

• mentre l’UMTS ha iniziato con un focus sui dati a commutazione di circuito che è stato poi sempre più migliorato tramite canali condivisi e HSPA nella direzione di un sistema a commutazione di pacchetto, l’LTE è un puro sistema a commutazione di pacchetto
• mentre l’UMTS usava il CDMA, LTE sta usando OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access) in downlink (NodeB evoluto (eNodeB) => User Equipment (UE)) e SC-FDMA (Single Carrier- Frequency Division Multiple Access) in uplink (UE => eNodeB)
  Nota 1: SC-FDMA ha un rapporto di potenza picco-media (PAPR) più basso rispetto all’OFDMA, che è stato preferito per una più facile progettazione dell’amplificatore di potenza UE/una maggiore efficienza (maggiore copertura/basso consumo energetico)
  Nota 2: SC-FDMA è anche chiamato DFT-S-OFDM che indica che può essere inteso come una precodifica (tramite trasformata discreta di Fourier) più lo stesso OFDMA che è usato in downlink
• mentre l’UMTS (almeno FDD e 3,84Mcps TDD) usava una larghezza di banda di canale di 5MHz, LTE permette 6 diverse larghezze di banda di canale: 1,4/3/5/10/15/20MHz
• mentre l’UMTS ha un RNC (radio network controler) tra NodeB e core network, le funzionalità di questa entità di rete sono divise tra eNodeB e core network in LTE => nessun RNC in LTE => architettura radio piatta/semplice

Nonostante, UMTS/UTRA e LTE/E-UTRA usano entrambi una cornice radio di 10ms, entrambi hanno modalità FDD e TDD e LTE/E-UTRA supporta la piena interoperabilità con UMTS/UTRA e GSM/GERAN/EDGE.

LTE-Advanced

Rel-10/Rel-11/Rel-12

Spettro supplementare proposto per i sistemi IMT dalla WRC-07 nel 2007 (in banda 450 MHz, in banda UHF (698-960 MHz), in banda 2.3-2.4 GHz, in banda C (3400-4200 MHz)) e la richiesta dell’UIT-R per lo sviluppo di un’interfaccia radio IMT-Advanced (lettera circolare del marzo 2008) hanno dato il via allo sviluppo della quarta generazione di sistemi di comunicazione mobile.

Secondo l’ITU-R M.1645 (obiettivi generali per oltre IMT-2000) e M.2134 (requisiti IMT-Advanced) le caratteristiche chiave per IMT-Advanced sono state riassunte come segue:

• un alto grado di comunanza di funzionalità in tutto il mondo, pur mantenendo la flessibilità per supportare una vasta gamma di servizi e applicazioni in modo efficiente in termini di costi
• compatibilità dei servizi all’interno dell’IMT e con le reti fisse
• capacità di interoperare con altri sistemi di accesso radio
• servizi mobili di alta qualità
• apparecchiature adatte all’uso a livello mondiale
• applicazioni user-friendly, servizi e attrezzature
• capacità di roaming in tutto il mondo
• velocità di dati di picco migliorate per supportare servizi e applicazioni avanzate (100 Mbit/s per l’alta e 1 Gbit/s per la bassa mobilità sono stati stabiliti come obiettivi per la ricerca)

3GPP era allora in fase di completamento del suo Rel-8 LTE WI e nel marzo 2008 ha iniziato uno studio Rel-9 (FS_RAN_LTEA, RP-091360) per definire nel 3GPP TR 36.913 i requisiti per un sistema di comunicazione mobile chiamato LTE-Advanced alle seguenti condizioni:

• LTE-Advanced sarà un’evoluzione del sistema LTE Release 8
• Tutti i requisiti di LTE del 3GPP TR 25.913 sono validi anche per LTE-Advanced
• LTE-Advanced deve soddisfare o superare i requisiti IMT-Advanced entro il piano temporale ITU-R

Nota: I termini LTE-Advanced e Advanced E-UTRA sono sinonimi.

3GPP TR 36.913 su “Requisiti per ulteriori avanzamenti per Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA) (LTE-Advanced)” è stato approvato al RAN #40 nel giugno 2008 (ancora in Rel-8).

La seguente figura da ITU-R M.1645 illustra le differenze tra IMT-2000 (terza generazione) e IMT-Advanced (quarta generazione):

Inoltre, lo stesso studio ha iniziato nel marzo 2008 un 3GPP TR 36.912 sullo studio di fattibilità per “Further Advancements for E-UTRA (LTE-Advanced)” al fine di analizzare alcune aree in cui LTE potrebbe essere migliorato, ad esempio

• Supporto di una larghezza di banda più ampia: aggregazione di più portanti componenti con una larghezza di banda fino a 20MHz,
• Multiplexing spaziale: DL fino a 8 strati, UL fino a 4 strati,
• Trasmissione e ricezione coordinata di più punti: per migliorare la copertura di alte velocità di dati, il throughput del bordo della cella e/o per aumentare il throughput del sistema
• Funzionalità di ritrasmissione: per migliorare ad es. la copertura di alte velocità di dati, la mobilità di gruppo, l’implementazione temporanea della rete, il throughput del cell-edge e/o per fornire copertura in nuove aree

per soddisfare e superare i requisiti IMT-Advanced.

Questo TR 36.912 è stato approvato nel settembre 2009 (RAN #45) come TR Rel-9 e ulteriormente aggiornato a RAN #46 e RAN #47 (marzo 2010) dove il SI è stato completato.

Nella Release 10 sono stati avviati singoli punti di lavoro per introdurre miglioramenti di LTE che sono stati discussi nella voce di studio Rel-9 per LTE-Advanced:

• Carrier Aggregation for LTE (LTE_CA): Dic.09 – Giugno 11; RP-100661
• Trasmissione a più antenne per LTE (LTE_UL_MIMO): Dic.09 – Giugno 11; RP-100959
• Trasmissione migliorata da più antenne in downlink per LTE (LTE_eDL_MIMO): Dic.09 – Marzo 11; RP-100196
• Coordinated Multi-Point Operation for LTE: solo uno studio è stato iniziato in Rel-10 che è stato completato in Rel-11 e ha portato al lavoro normativo in Rel-11 con ulteriori miglioramenti in Rel-13 e Rel-15
• Relays for LTE (LTE_Relay): Dic.09 – Giugno 11; RP-110911
• Riduzione della latenza: WI è stato fermato perché non è stato possibile completarlo in Rel-10 (è tornato una riduzione della latenza L2 in Rel-14 ed è stato completato lì)
• Altre migliorie a MBMS per LTE (MBMS_LTE_enh): Giugno 10 – Marzo 11; RP-101244
• Miglioramenti LTE Self Optimizing Networks (SON) (SONenh_LTE): 10 marzo – 11 giugno; RP-101004
• Minimizzazione dei test di guida per E-UTRAN e UTRAN (MDT_UMTSLTE): Dic.09 – Giugno 11; RP-100360

Nota: Non esiste una tecnologia di accesso radio separata “LTE-Advanced”. Tutti i miglioramenti di LTE in Rel-10 e oltre sono integrati nelle specifiche LTE come sono stati sviluppati in Rel-8 e Rel-9.

3GPP ha contribuito al progetto IMT-Advanced di ITU-R tramite un input preliminare iniziale da RAN #41 nel settembre 2008 (RP-080763) e una presentazione finale che include i risultati dell’autovalutazione dal RAN #45 nel settembre 2009 (RP-090939).

Nota: RP-090939 include RP-090745 che fornisce le caratteristiche di LTE-Advanced in un formato modello condensato.

Nel gennaio 2012, l’Assemblea delle radiocomunicazioni ha approvato la raccomandazione ITU-R M.2012 “Detailed specifications of the terrestrial radio interfaces of International Mobile Telecommunications-Advanced (IMT-Advanced)” (RP-120005) e ha confermato LTE-Advanced come tecnologia di interfaccia radio IMT-Advanced.

Nota 1: Esiste solo un’altra tecnologia di interfaccia radio IMT-Advanced chiamata “WirelessMAN-Advanced” sviluppata da IEEE).

Nota 2: Circa ogni 2 anni, ITU-R M.2012 viene aggiornato dal 3GPP con gli ultimi miglioramenti.

LTE-Advanced Pro

Rel-13 e oltre

Tutti i miglioramenti di LTE della Rel-13 e oltre (se non relativi al 5G) sono in esecuzione sotto il marchio “LTE Advanced Pro”, per esempio:

Rel-13 (Sep.14-Dic.15, ASN.1 congelamento: 16 marzo):

• Internet of Things (IOT) a banda stretta
• Ulteriori miglioramenti del livello fisico LTE per MTC
• Miglioramenti della connettività doppia per LTE
  Estensione della connettività doppia in E-UTRAN
• Licensed-Assisted Access (LAA) usando LTE
• Elevation Beamforming/Full-Dimension (FD) MIMO per LTE
• Miglioramenti di posizionamento interno per UTRA e LTE
• Ulteriori miglioramenti della minimizzazione dei test di guida per E-UTRAN
• Servizi di prossimità migliorati da dispositivo a dispositivo LTE
• Distribuzione del carico multicarrier degli UE in LTE
• Supporto della trasmissione punto-multipunto a cella singola in LTE
• Segnalamento migliorato per la trasmissione multipunto coordinata tra eNB
• Segnalamento migliorato per l’LTE
• .eNB Coordinated Multi-Point (CoMP) per LTE
• Miglioramenti RAN per DRX esteso in LTE
• Integrazione livello radio LTE-WLAN e miglioramento interworking,
  Integrazione a livello RAN di LTE-WLAN a supporto di WLAN legacy
• Aspetti RAN del controllo di congestione specifico dell’applicazione per la comunicazione dati
• Requisiti RF della stazione base (BS) per il sistema di antenne attive (AAS),
  SON per distribuzioni basate su AAS
• Reti centrali dedicate
• Aspetti RAN dei miglioramenti di condivisione RAN per LTE
• Richieste per la verifica delle prestazioni di ricezione multi-antenna. di UE
• Requisiti del nucleo UE per uplink 64 QAM
• LTE DL 4 porte di antenna Rx

Rel-14 (dic.15-Marzo 17, ASN.1 congelamento: giugno 17):

• Miglioramenti di NB-IoT
• Miglioramenti MTC per LTE
• Flessibilità eNB-ID e Cell-ID in E-UTRAN
• Miglioramento LAA per LTE
• Supporto per servizi V2V basati su LTE sidelink, Servizi V2X basati su LTE
• Miglioramenti su Full-Dimension (FD) MIMO per LTE
• Trasmissione di sovrapposizione multiutente in downlink per LTE
• SRS (sounding reference signal) commutazione tra le portanti componenti LTE
• ulteriori miglioramenti di posizionamento interno per UTRA e LTE
• Miglioramenti della capacità di uplink per LTE
• Miglioramenti eMBMS per LTE
• Tecniche di riduzione della latenza L2 per LTE
• Ulteriori miglioramenti della mobilità in LTE
• Miglioramento voce e video per LTE
• Aggregazione LTE-Aggregazione WLAN (LWA), Integrazione migliorata del livello radio LTE WLAN con tunnel IPsec (eLWIP)
• Potenziamento delle reti Dedicated Core (DECOR) per UMTS e LTE
• Potenziamento del Measurement Gap LTE
• Requisiti per una nuova categoria UE con ricevitore singolo basata su Cat.1 per LTE
• Perfezionamento delle prestazioni per lo scenario ad alta velocità in LTE
• 4 porte d’antenna del ricevitore (RX) con Carrier Aggregation per LTE downlink (DL)
• Prova di stazioni base multibanda con tre o più bande
• Richiesta di prestazioni per la verifica della ricezione multi-antenna di UE

Rel-15 (17 marzo-18 giugno, ASN.1 congelamento: settembre 18):

• Ulteriori miglioramenti NB-IoT
• Ancora migliori MTC per LTE
• Miglioramenti al funzionamento LTE nello spettro non licenziato
• V2X fase 2 basato su LTE
• Ulteriori miglioramenti al Coordinated Multi-Point (CoMP) per LTE
• Precisione del posizionamento dell’UE Miglioramenti per LTE
• Miglioramenti per collegamenti wireless stazionari ad alta capacità e introduzione di DL 1024 QAM
• Raccolta di misure Bluetooth/WLAN in LTE Minimizzazione dei test di guida
• Raccolta di misure di qualità dell’esperienza per servizi di streaming in EUTRAN
• Compressione dei dati in LTE
• Aumento del numero di portatori di dati E-UTRAN
• Ulteriori miglioramenti video per LTE
• TTI e tempi di elaborazione ridotti per LTE, Comunicazione ultra affidabile a bassa latenza per LTE
• Connettività LTE al 5G-CN
• Miglioramento del supporto LTE per i veicoli aerei
• Miglioramento dell’utilizzo della CA LTE
• RequisitiUE per la mitigazione delle interferenze CRS basate sulla rete per LTECRS basato sulla rete per la mitigazione delle interferenze per LTE
• Requisiti UE per le porte d’antenna LTE DL 8Rx
• Miglioramenti dei requisiti BS RF e EMC per il sistema d’antenna attivo

Rel-16 (18 giugno – 20 giugno, ASN.1 congelamento: 20 giugno):

• Miglioramenti aggiuntivi per NB-IoT
• Miglioramenti MTC aggiuntivi per LTE
• Miglioramenti efficienzaDL MIMO per LTE
• Anche un ulteriore miglioramento della mobilità in E-UTRAN
• Sostegno al sistema di navigazione satellitare NavIC per LTE
• Ulteriore miglioramento delle prestazioni per LTE nello scenario ad alta velocità
• Trasmissione terrestre 5G basata su LTE

E una serie di voci di lavoro guidate da LTE & NR:

• 5G V2X con sidelink NR
• Multi-RAT Dual-Connectivity e miglioramenti di Carrier Aggregation (LTE, NR)
• Ottimizzazioni sulla segnalazione delle capacità radio UE – Aspetti NR/E-UTRA
• Evoluzione dell’architettura eNB(s) per E-UTRAN e NG-RAN
• Introduzione di set di capacità nelle specifiche radio multistandard

Rel-17 (dal 20 giugno):

• Miglioramenti aggiuntivi per NB-IoT e LTE-MTC
• Altre combinazioni LTE Carrier Aggregation

E una serie di voci di lavoro guidate da LTE & NR:

• Ulteriori miglioramenti di Dual-Connectivity Multi-RAT
• Supporto per dispositivi Multi-SIM per LTE/NR
• Evoluzione dell’architettura degli eNB per E-UTRAN e NG-RAN
• Miglioramento della raccolta dati per SON (Self-Organising Networks)/MDT (Minimization of Drive Tests) in NR e EN-DC
• Ue ad alta potenza (classe di potenza 2) per EN-DC
• Combinazioni di bande per il funzionamento simultaneo di bande/combinazioni di bande NR/LTE Uu e una banda NR/LTE V2X PC5
• Altre combinazioni di bande per la doppia connettività LTE/NR

Le specifiche LTE possono essere trovate sotto: specifiche 3GPP TS 36.-serie (se solo LTE è interessato) o specifiche 3GPP TS 37.-serie (se anche altre tecnologie di accesso radio come UMTS o GERAN o NR sono coperte da questa specifica), ad esempio la fase 2 in 3GPP TS 36.300.

3GPP TS 21.201 fornisce un elenco di tutte le specifiche relative alla quarta generazione (compresa la rete centrale EPC (Evolved Packet Core) e gli aspetti di sistema). L’architettura di rete 4G è descritta in 3GPP TS 23.003

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