Timing advance

Il timing advance (TA) è una correzione temporale applicata alle trasmissioni degli utenti nelle reti cellulari GSM, LTE e 5G. Viene utilizzato per compensare le differenze nei tempi di arrivo dei segnali alla stazione radio base, causate dalle diverse distanze di propagazione tra utenti situati all’interno della stessa cella radio. In questo modo, i segnali di uplink provenienti da utenti differenti vengono ricevuti allineati rispetto alla temporizzazione prevista dalla rete, evitando interferenze reciproche tra le trasmissioni.

Questa correzione possiede una granularità limitata, il cui valore dipende dalla specifica tecnologia cellulare utilizzata. Poiché i ritardi di propagazione non possono essere stimati perfettamente, i sistemi di comunicazione includono intervalli di guardia per tollerare piccoli errori residui di sincronizzazione. Nel GSM ciò viene ottenuto mediante un periodo di guardia tra gli slot temporali, mentre in LTE e 5G NR la stessa funzione è svolta dal prefisso ciclico.

Il valore iniziale della correzione viene stimato dalla stazione base a partire dal tempo trascorso tra una trasmissione downlink e la corrispondente ricezione uplink, che riflette il tempo di andata e ritorno del segnale. Di conseguenza, il massimo valore di timing advance è direttamente collegato al doppio del raggio massimo della cella.

Una volta che il dispositivo utente è connesso alla rete cellulare, misure successive di timing advance vengono effettuate dalla stazione base, che confronta continuamente l’istante di ricezione previsto con il tempo di arrivo effettivamente misurato e ordina di conseguenza eventuali aggiustamenti temporali al dispositivo.

GSM

Nel sistema GSM, il timing advance viene utilizzato in combinazione con l’interfaccia radio basata su accesso multiplo a divisione di tempo (TDMA), nella quale più utenti condividono lo stesso canale radio trasmettendo in slot temporali differenti.

Per garantire una corretta sincronizzazione, i dispositivi mobili devono trasmettere leggermente prima rispetto al loro istante nominale di trasmissione, in modo che il segnale raggiunga la stazione base all’interno dello slot temporale assegnato.

Il valore di timing advance viene determinato dalla stazione base dopo aver misurato il ritardo di propagazione tra trasmissioni downlink e uplink durante una connessione attiva. Successivamente viene aggiornato periodicamente e comunicato al dispositivo mobile, permettendo di mantenere la sincronizzazione mentre l’utente si sposta all’interno della cella. Nel funzionamento GSM standard, questi aggiornamenti vengono tipicamente trasmessi due volte al secondo.

Il valore di timing advance può variare da 0 a 63, con ciascun incremento corrispondente a un periodo di bit, pari a circa 3,69 microsecondi. Poiché le onde radio si propagano approssimativamente alla velocità della luce, ogni incremento corrisponde a una variazione di circa 550 metri nella distanza tra dispositivo mobile e stazione base. Questo limita il raggio massimo supportato dal GSM standard a circa 35 chilometri.

Quando viene stabilita una nuova connessione o durante un handover, la procedura di timing advance deve essere inizializzata prima che il traffico normale possa iniziare. Se non è disponibile alcuna informazione temporale precedente, il dispositivo mobile trasmette inizialmente speciali access burst senza correzione temporale, consentendo alla stazione base di stimare il ritardo di propagazione e determinare il valore richiesto di timing advance.

In alcuni scenari, come installazioni rurali o marittime, il raggio GSM standard di circa 35 chilometri può non essere sufficiente. In questi casi è disponibile una funzione di extended timing advance nel GSM 400, nella quale la stazione base aumenta la finestra di ricezione uplink, permettendo comunicazioni su distanze maggiori (circa 120 km), a costo di una minore efficienza spettrale.

LTE

Nel sistema LTE, il timing advance viene utilizzato nel sistema di accesso multiplo uplink FDMA a singola portante (SC-FDMA) per garantire che le trasmissioni provenienti da diversi dispositivi arrivino sincronizzate all'eNodeB.

La granularità del timing advance è pari a 0,52 microsecondi, il che significa che utenti la cui distanza dall’eNodeB differisce di meno di 78 metri ricevono lo stesso valore di timing advance. Il valore massimo supportato in LTE corrisponde a circa 0,67 millisecondi, equivalente a un raggio massimo di cella di circa 100 chilometri.

Nella configurazione TDD, un offset aggiuntivo di 20 microsecondi viene sommato alla correzione di timing advance per consentire all’eNodeB di passare dalla ricezione alla trasmissione. Di conseguenza, i segnali uplink arrivano leggermente prima rispetto alla temporizzazione nominale della trama di rete, permettendo all’eNodeB di iniziare correttamente la successiva trasmissione downlink.

Quando il terminale utente riceve un valore di timing advance, viene avviato un timer di validità. Se il timer scade, le informazioni di sincronizzazione non sono più considerate affidabili e il dispositivo deve ristabilire la sincronizzazione uplink attraverso la procedura di accesso casuale (Random Access Channel, RACH).

Il valore iniziale di timing advance viene determinato durante la procedura di accesso casuale. Durante la connessione, il valore viene continuamente aggiornato sulla base di misure effettuate dall’eNodeB sui segnali uplink trasmessi dall’UE.

Il timing advance può inoltre essere sfruttato dal metodo di localizzazione Enhanced Cell ID per stimare la distanza tra l’utente e la stazione base servente. Tuttavia, il valore misurato include il ritardo complessivo di andata e ritorno tra rete e dispositivo, comprendendo anche i ritardi introdotti dall’hardware dopo l’elaborazione in banda base su entrambi i lati. Per questo motivo la rete LTE compensa tali ritardi aggiuntivi per migliorare la precisione della stima.

A partire dal rilascio 11 del 3rd Generation Partnership Project (3GPP), LTE supporta l’aggregazione di portanti tra celle non co-localizzate, permettendo di assegnare diversi valori di timing advance a differenti celle serventi. I gruppi di celle che condividono lo stesso valore di timing advance per un determinato utente sono denominati Timing Advance Groups (TAG).

5G NR

Il sistema eredita la maggior parte dei meccanismi di timing advance introdotti in LTE. Tuttavia, NR introduce il concetto di numerologia, che permette l’utilizzo di diverse spaziature tra sottoportanti e quindi simboli OFDM di durata inferiore.

Quando la durata dei simboli OFDM diminuisce, lo stesso errore temporale produce un impatto relativo maggiore sull’allineamento dei segnali, aumentando le interferenze tra trasmissioni uplink di utenti diversi. Per questo motivo numerologie più elevate richiedono una granularità di timing advance più fine.

Nel sistema 5G NR, la granularità del timing advance dipende dalla numerologia utilizzata ed è espressa dalla relazione: ${\displaystyle {\frac {0.52\,\mu s}{2^{\mu }}}}$, dove ${\displaystyle \mu }$ rappresenta l'indice di numerologia associato alla spaziatura tra sottoportanti. Per ${\displaystyle \mu =0}$, corrispondente a una spaziatura tra sottoportanti di ${\displaystyle 15\,kHz}$, la granularità del timing advance coincide con quella utilizzata in LTE. All'aumentare della numerologia, la durata dei simboli OFDM diminuisce, rendendo necessarie correzioni temporali più precise. Ad esempio, per ${\displaystyle \mu =5}$, corrispondente a una spaziatura di ${\displaystyle 480\,kHz}$, il passo del timing advance si riduce a circa ${\displaystyle 16\,ns}$, equivalente a una risoluzione spaziale di circa ${\displaystyle 2.44\,m}$.

Per la numerologia base (${\displaystyle \mu =0}$), il massimo valore di timing advance supportato da NR corrisponde a circa ${\displaystyle 2\,ms}$, che si traduce in un raggio massimo di cella di circa ${\displaystyle 300\,km}$. Questo incremento rispetto alle precedenti generazioni cellulari consente al sistema di supportare scenari di copertura significativamente più estesi.

Note

Bibliografia

• (EN) Sassan Ahmadi, LTE-Advanced: A Practical Systems Approach to Understanding 3GPP LTE Releases 10 and 11 Radio Access Technologies, Academic Press, 2013, ISBN 9780124051621.
• (EN) Sassan Ahmadi, 5G NR: Architecture, Technology, Implementation, and Operation of 3GPP New Radio Standards, Academic Press, 2019, ISBN 9780128134023.
• (EN) Chris Johnson, Long Term Evolution in Bullets, 2ª ed., 2012, ISBN 9781478166177.
• (EN) Chris W. Johnson, 5G New Radio in Bullets, 2019, ISBN 9781077484351.
• (EN) Michel Mouly e Marie-Bernadette Pautet, The GSM System for Mobile Communications, Telecom Publishing, 1992, ISBN 9782950719003.
• (EN) Alessandro Vanelli-Coralli e Nicolas Chuberre, Gino Masini, Alessandro Guidotti, Mohamed El Jaafari, 5G Non-Terrestrial Networks: Technologies, Standards, and System Design, John Wiley & Sons, 2024, ISBN 9781119891154.

Voci correlate

• Orthogonal frequency-division multiplexing
• Round Trip Time
• FDMA a singola portante

Collegamenti esterni

• 3GPP – Portale delle specifiche
• 3GPP – Panoramica sulle reti non terrestri
• (EN) LTE Timing Advance, in ShareTechnote.
• (EN) 5G NR Timing Advance, in ShareTechnote.
• (EN) Multiple Timing Advances for Uplink Carrier Aggregation, in How LTE Stuff Works.