Comunicaciones móviles 3G: UMTS
9 Características generales de los sistemas UMTS.
Tecnología W-CDMA.
Generación, multitrayecto y recepción en WCDMA.
9 Arquitectura UMTS.
CN (Núcleo de Red)
Servicios UMTS. Arquitectura QoS
Características y capacidades de los terminales 3G.
Evolución en la implantación de UMTS.
9 Red De Acceso Radio de UMTS (UTRAN).
Arquitectura de la UTRAN
Capa de red. Capa de enlace de datos, Capa física
Resumen de Canales en UMTS
Generación de forma de onda de los canales.
9 Gestión de recursos radio (RRM)
Traspasos, Control de potencia, Funciones de control
9 Gestión de red
Gestión de movilidad (MM), Gestión de comunicación (CM)
Seguridad en UMTS
9 Planificación de Sistemas UMTS
Capacidad celular y Cobertura celular.
Introducción
Sistemas 3G.
Solución mundial, amplia variedad de servicios, alta QoS,
Elevadas velocidades binarias y amplia movilidad.
9 ITU: International Mobile Telecommunication 2000 (IMT-2000).
Plena cobertura y movilidad con 144 Kbps, (384 Kbps).
Cobertura y movilidad limitadas con tasas de hasta 2 Mbps.
Eficiencia espectral, flexibilidad para nuevos servicios.
Componente por satélite, adicional a la terrena.
FDD:
TDD:
MSS: Mobile Satellite System
DECT:Digital Enhanced
Cordless Telecommunications UTRA FDD
UTRA TDD
MSS MSS
MSS IMT-2000
FDD IMT-2000
GSM 1800 D E C T 1885
1885 1980 2025
1980 2010
2025 2010
2110 2170
2110 2170
1850 1900 1950 2000 2050 2100 2150 2200 2250
1850 1900 1950 2000 2050 2100 2150 2200 2250
IMT-2000
UMTS
[ MHz]
T D D
T D MSS D FDD
1920 1900
Introducción
Diferentes propuestas para los sistemas 3G. (cierta compatibilidad) 9 Organismos regionales e intereses de fabricantes y operadores.
Propuestas para la interfaz aire.
Propuestas para el núcleo de Red.
A partir del núcleo de red de GSM: GSM/MAP,
Evolución desde ANSI-41 del IS-95 norteamericano.
9 ETSI: UMTS (Universal Mobile Telecommunications System)
Métodos de acceso radio terrestre (UTRA: UMTS Terrestrial Radio Access)
FDD (60+60 MHz, UL: 1920-1980. DL: 2110 -2170) y CDMA.
TDD (35 MHZ, 1900-1920 y 2010-2025 MHZ) y TDMA/CDMA.
9 3GPP:
ETSI, ARIB y TTC Japón, TTA Corea, el T1 EEUU y CWTS China. 9 3GPP-2:
a partir de la tecnología de radio IS-95, punto de vista americanoNombre IMT-DS Direct Spread IMT-TC Time Code IMT-MC Multi Carrier IMT-SC Single Carrier IMT-FT Frequency Time
Propuesta UTRA UTRA MC CDMA 2000
UWC-136 DECT
Tecnología de Acceso CDMA
CDMA/TDMA CDMA TDMA TDMA/FDMA
Características Generales de UMTS
Objetivos.
9 Amplia gama de servicios de voz, datos y multimedia en un entorno extremadamente competitivo y dinámico.
9 Movilidad del terminal, personal y de servicios.
Características básicas.
Capacidad de transmisión síncrona y asimétrica
Velocidades de 384 Kbit/s y en baja movilidad hasta 2 Mbit/s.
Transmisión de datos en conmutación de circuitos y de paquetes.
Mayor capacidad y uso eficiente del espectro que los sistemas anteriores.
Alto nivel de calidad y alto grado de seguridad.
Diferentes servicios simultáneos con asignación dinámica del ancho de banda.
Roaming internacional entre los operadores de IMT-2000.
Nuevos mecanismos de tarificación, volumen de datos, etc.
Coexistencia e interconexión con satélites.
Soporte para varias conexiones simultáneas. (p. e. conectarse a Internet y recibir simultáneamente una llamada telefónica.
Tecnología W-CDMA
Wideband Code Division Multiple Access
5 MHz frente al sistema americano de 1,25 MHz.
Espectro ensanchado por secuencia directa.
Velocidad binaria del código de ensanchamiento constante.
Chip rate: 3.84 Mchips/sg.
9 Ventajas de DS-WCDMA:
Capacidad de acceso múltiple y protección a la interferencia multitrayecto.
Seguridad: es necesario conocer la secuencia de ensanchamiento.
La generación de la señal a transmitir es sencilla.
Es posible la desmodulación coherente de la señal de banda ancha.
No es necesaria la sincronización entre usuarios.
El número de usuarios no está limitado de antemano, degradación progresiva de la calidad.
9 Dificultades.
Cálculo de la capacidad complejo y diferente en ambos enlaces.
Factor limitador de la capacidad: interferencia mutua entre terminales.
Necesidad de un control de potencia muy estricto (efecto near-far)
Tecnología W-CDMA
Capacidad del enlace ascendente.
9 La relación entre E
b/N
0y la C/N:
Ganancia de Proceso (Gp).
Relación Portadora a Ruido (interferencia) para un usuario
⋅
= N B R C N
E b
0 b
Rb
Gp = B
1 M
1 )
1 M ( Pr
P N
C r
= −
−
= ⋅
N Gp C N
E
0
b = ⋅
1 Gp M
1 N
E
0
b ⋅
= −
9 El Número máximo de usuarios por célula (M)
Para M grande.
Considerando. b 0
b 0
b E N
R W N
E
M= Gp =
f 1 G 1 d 1 N E
R
M W
S0 b
b
⋅ +
⋅
⋅
Actividad de los usuarios: d = 0.38
=
Sectorización de la célula. GS = nº de sectores
Interferencia de otras células. Factor de Carga: f = 0,5-0,6
Capacidad del enlace descendente.
No fácilmente expresable con una fórmula. La interferencia se debe a las demás estaciones base.
Las secuencias de ensanchamiento reducen la interferencia generada.
Tecnología W-CDMA
Generación de una señal WCDMA. Dos pasos.
9 Multiplicación por una secuencia: código de canalización o spreading.
El factor de ensanchamiento (SF) dependerá de la velocidad de la señal de datos, para que el producto permanezca constante a 3.84 Mchip/sg.
Los códigos identifican a distintos usuarios en una celda: códigos ortogonales
9 Multiplicación por un código de aleatorización o scrambling.
Los códigos identifican a las distintas celdas en el enlace descendente.
Los mismos códigos de spreading pueden usarse en varias celdas simultáneamente.
Banda base
Código de canalización o
spreading
Código de aleatorización o
scrambling
Señal moduladora
Tecnología W-CDMA
Códigos de canalización. Spreading.
9 Velocidad de datos variable: Códigos OVSF (Orthogonal Variable Spreading Factor).
Ortogonalidad incluso entre secuencias de diferente longitud.
Al elegir un código (ej. Cch 4,1), hay que anular los códigos pertenecientes a las ramas de las que procede ese código y también los códigos derivados de este.
FDD códigos de spreading de longitud 4,8,16,..., hasta 256.
TDD solamente se utilizan códigos de longitud 1,2,4,8 y 16.
SF = 1 SF = 2 SF = 4
Cch,1,0= (1)
Cch,2,0= (1, 1)
Cch,4,0 = (1 ,1 ,1 ,1)
Cch,2,1= (1, -1)
Cch,4,1 = (1, 1, -1, -1)
Cch,4,2= (1, -1, 1, -1)
Cch,4,2= (1, -1, -1, 1)
Tecnología W-CDMA
Códigos de aleatorización. Scrambling 9 Enlace ascendente
Todos los canales codificados con códigos de aleatorización.
Secuencias código largas si la estación base emplea un receptor Rake.
Secuencias código cortas si se utilizan receptores multiusuarios o con cancelación de interferencia.
224 códigos largos: secuencias de Gold truncadas a la longitud de trama, generadas a partir de una pareja de secuencias de longitud máxima.
10 ms, 38.400 chips, polinomios primitivos: X25+X3+1, X25+X3+X2+X+1
224 códigos cortos: suma módulo 4 de dos secuencias binarias y una cuaternaria. Periodo 255 extendidos a 256, añadiendo un chip 0 al final.
9 Enlace descendente
Secuencias Gold. 218-1 códigos truncados a 38400 chips.
Códigos divididos en 512 conjuntos. (64 grupos de 8). Cada uno tiene:
Un código primario (n = 16*i; i = 0,...,511) y 15 secundarios k: 16*i+k.
Cada uno de los 8192 (512*16) códigos tiene asociado un código alternativo derecho y con un código alternativo izquierdo -->24 576
Tecnología W-CDMA
Multitrayecto y recepción en WCDMA
despreading
despreading TC
recuperación de la fase
Evaluación de las características
del canal
TC despreading recuperación
de la fase
Evaluación de las características
del canal
TC
2•
Σ
Secuencia de spreading
Recombinación Retardadores
TC = período de chip
Utilización de un receptor RAKE para compensar los efectos del multitrayecto.
recepción múltiple (join detection) y con cancelación de interferencia
Valoración de la interferencia
recíproca
Demodulación y cancelación de la
interferencia Señal suma
Usuario # 1 Usuario # n
Tecnología W-CDMA
Comparativa entre diferentes sistemas móviles.
WCDMA IS-95 GSM
Ancho de banda velocidad de chip
5 MHz CDMA / 3.84 Mchip/sg
1.25 MHz
/ 1.2288 Mchip/sg 200 kHz TDMA Reutilización de
frecuencia 1 ~4 – 18
Traspaso Intra- sistema
Traspaso Soft/softer comunicación
simultanea con varias EB Traspaso soft /softer
Traspaso Hard (antes de una conexión
nueva, libera el canal Traspaso
Inter-sistema Traspaso a GSM Traspaso a AMPS Diversidad en
frecuencia Receptor Rake Receptor Rake Ecualización y frequency hooping Control de potencia 1500 Hz
ambos enlaces
800 Hz (Uplink).
C. lento (Downlink) 2 Hz o menor Búsqueda de celda
canal de sincronización y códigos scrambling
Canales de frecuencia Diversidad de
transmisión
Soportada en downlink
Soportada en
downlink No soportada
Arquitectura UMTS
Estructura.
Núcleo de red. CN: Core Network Conmutación, enrutamiento y conexiones a redes externas.
Red de acceso radio UTRAN: UMTS Terrestrial Radio Access Network Equipo de Usuario
UE: User Equipment.
MSMS
UEUE
BTSBTS BSCBSC
BSBS RNCRNC
3G MSC/VLR
3G MSC/VLR
3G GMSC
3G GMSC
SGSNSGSN GGSNGGSN
UTRAN E-RAN Um
Uu
Iu Iu
Gb A
VAS, CAMEL WAP, MEXE
USAT HLR/AuC/EIR
RPDCP
RTPC
RDSI
X25
Internet
Gestión de Red (NMS)
Dominio CN CS
Dominio CN PS
Arquitectura UMTS
Independencia entre la interfaz radio y el resto del sistema.
9 Red de acceso: AS – Access Stratum.
9 Red de no acceso: NAS – Non Access Stratum
La comunicación entre el AS y el NAS se realiza mediante puntos de acceso al servicio (SAP – Service Acces Points).
NAS: control de llamada, de sesión y de la movilidad
SAP: Service Acces Point Control General (GC):
radiodifusión a todos los
terminales móviles en un área.
Notificación (Nt):
difusión a unos terminales específicamente.
Control dedicado (DC):
establecimiento o liberación de una conexión radio.
GC Nt DC GC Nt DC
Equipo de Usuario UE
Red Troncal Red UTRA CN
Capa de acceso Capa de no acceso
Radio Iu
SAPS
CM MM SM CM MM SM
(Non-Access Stratrum)
(Access Stratrum) Protocolos Radio Protocolos Radio
y Protocolos Iu Protocolos Iu
Arquitectura UMTS
UTRAN. Red de Acceso Radio Terrestre UMTS.
9 Principal cambio con respecto a GSM
9 Servicio de portadoras de acceso radio (RAB): establecimiento de un enlace entre el equipo de usuario (UE) y el núcleo de red (CN) con unos requisitos de calidad.
RNS: Radio Network System
RNC: Radio Network Controller
Nodo B: Estación Base.
Conjunto de células FDD o/y TDD
RNS
RNC
RNS
RNC Core Network (CN)
Node B Node B Node B Node B
Iu Iu
Iur
Iub Iub
Iub Iub
UE
Uu
Arquitectura UMTS
CN. Núcleo de Red
9 Plataforma básica de todos los servicios de comunicación tanto por conmutación de circuitos como de paquetes.
Release 99.
Arquitectura basada en redes GSM/GPRS
Arquitectura UMTS
Núcleo de Red. (CN)
9 Los enlaces de voz, por conmutación de circuitos y datos por conmutación de paquetes, pueden ir incluidos en ATM.
9 Dos capas de adaptación para soportar protocolos UMTS en ATM.
AAL5. Permite transportar un paquete IP (de longitud variable < 65536 bytes) en celdas ATM de longitud fija (53 bytes, 5 bytes de cabecera y 48 de carga).
AAL2. Transporte de los protocolos radio (Iub e Iur) y de los flujos de usuario hacia el servicio de conmutación de paquetes (Iu).
9 El futuro tiende a una red todo IP.
Interfaces.
Interfaz Cu. Interfaz eléctrico entre la tarjeta inteligente de USIM y el ME.
Interfaz Uu. Interfaz radio WCDMA. Permite al UE accede a la red fija.
Interfaz Iu. Conecta la UTRAN al CN.
Interfaz Iur. Conecta RNC y permite “soft-handover” entre RNCs.
Interfaz Iub. Este interfaz conecta un Nodo B y un RNC.
Servicios UMTS
Interactividad de imagen y voz ente usuarios.
Comercio electrónico a gran escala, operaciones bancarias.
Descarga de música y videoclips, compra de entradas, publicidad personalizada a cada usuario.
Participación en “chats”, juegos, y ofertas de Internet.
Almacenamiento y descarga de información del trabajador con su empresa, etc....
Aplicaciones.
Capacidad multimedia. Aplicaciones con movilidad plena y reducida en diferentes entornos.
Acceso eficaz a Internet, a redes Intranet y a otros servicios basados IP.
Transmisión vocal de alta calidad, comparable a la de las redes fijas.
Portabilidad de los servicios en distintos entornos UMTS(público/privado/negocios; fijo/móvil).
Funcionamiento en entorno integralsin solución de continuidad con redes GSM.
Itinerancia total. Control del servicio y gestión de la localización y de la movilidad.
Servicios al usuario
144 Kbit/s 384 Kbit/s 2 Mbit/s Tasa de bits.
Cobertura básica, rurales/suburbanos, vehículos a gran velocidad, exteriores.
Cobertura ampliada, urbana, vehículos en movimiento, exteriores.
Áreas puntuales, urbanas, céntricas, velocidad de marcha, interiores.
Tipo de cobertura.
QoS: Quality of Service
Parámetros QoS.
9 Retardo en el establecimiento de la conexión:
Autentificación, enrutado, sincronización de los elementos de la red, etc.
9 Probabilidad de bloqueo:
Carencia de recursos en el plano de usuario o de red.9 Ancho de banda efectivo:
Medida de la utilización de recursos.
Clases QoS.
SI Variable
Grande Tiempo no real DIFERIDO
(BACKGROUND)
SI Variable
Moderado Tiempo no real INTERACTIVO
SI Constante
no mínimo Tiempo real AFLUENTE
(STREAMING)
Garantizada SIMÉTRICO
Bidireccional Fijo Mínimo NO
Tiempo Real CONVERSACIONAL
Tasa de bit Tipo de tráfico
Buffering Retardo
Clases de QoS
ASIMÉTRICO Unidireccional
ASIMÉTRICO Bidireccional
ASIMÉTRICO Bidireccional
Garantizada
NO Garantizada
NO Garantizada
Voz Videoteléfono
Ejemplo
Audio Vídeo
WEB Localización
E- mail descarga
datos
Arquitectura QoS
Servicios transportados por portadoras.
9 Estas a su vez son servicios que dan QoS a las conexiones.
9 Parámetros para determinar el QoS de un servicio de portadora en UMTS:
Tasa máxima de bit y Tasa de bit garantizada (kbps).
Retardo de transferencia permitido (ms).
Negociabilidad de la clase de QoS
Arquitectura QoS
Gestión de los servicios portadores.
Clasificación del servicio
solicitado
Inicio establecimiento
de la portadora
establecimiento de requisitos
Transferencia de datos
Capacidades de servicio
Servicios independientes de la tecnología. (p.ej. GSM, GPRS, UMTS), 9 API: Application Programming Interface. Uso de interfaces comunes.
9 APIS definidas en UMTS.
Servidor WAP/Portal WAP: proporciona un navegador al usuario. WML
Servidores de Localización: proporcionan a otras capacidades de servicio la posición del UE. Basado en el ID de la célula, diferencia de tiempo en DL de varias células (OTDOA-IPDL), receptor GPS integrado...
MexE. Entorno de Ejecución de Aplicación de Estación Móvil: proporciona información de las características del terminal para tratar información. Java?
USAT. UMTS SIM Application Toolkit: proporciona herramientas para la gestión de la tarjeta SIM.
CAMEL. Aplicaciones Personalizadas para Lógica Avanzada de Red Móvil: Red inteligente. Incluye numerosos servicios que pueden utilizar los usuarios.
VHE. Entorno Virtual Local: Permite el acceso a los servicios suscritos y personalizados con independencia de la red y el terminal
9 Release 4 y 5. OSA (Arquitectura de Servicio Abierto).
Interfaz abierto y común que asegura un punto centralizado y común de creación de servicios, el SCE (Entorno de Creación de Servicios).
Terminales 3G
Arquitectura.
USIM. UMTS Subs. Ident. Mod.
Identificación, autenticación y almacenamiento de información.
¾Tarjeta Impresa Integrada Universal (UICC).
TE. Terminal Equipment Proporciona las funciones de aplicación de usuario final.
¾ TA: Adaptación de Terminal.
ME. Mobile Equipment
Funciones del plano de control y de la portadora UMTS.
¾ MT: Terminación Móvil.
¾ NT: Terminación de Red.
¾ RT: Terminación de Radio
¾ Tu: Conecta UTRAN y CN
¾ Interfaz Cu. Conmutación y enrutado
Componente UE Correspondencia en la red ME Toda la red UMTS
TE El equipo par en la conexión
MT Sistema UMTS
NT Núcleo de Red
RT UTRAN
Terminales 3G
Tipos de Terminal.
9 Domino de trabajo.
Conmutación de circuitos.
Conmutación de paquetes.
Conmutación de Circuitos y de Paquetes.
9 Tipo de MT.
MT de radiomodo único. (p.e. WCDMA-FDD)
MT multimodo radio. (UMTS, GSM)
MT de red única. PS,CS o PS/CS
MT multired. CN UMTS y GSM NSS.
9 Tipo de modelo del terminal.
Terminal clásico. Telefonía, datos de baja velocidad, GSM o WCDMA.
Modo dual. Accesos GSM y WCDMA.
Terminal multimedia. Combinación teléfono celular y ordenador portátil.
Terminales especiales. Propósito o equipo específico. domótica o GPS.
9 Capacidades del terminal.
Marca de clase de la estación Móvil. UMTS clase 2 y 3.
Interfaz de usuario.
Videocámaras, monitor color, Sistemas operativos, conexiones, ampliaciones...
Suscripción-USIM
Suscripción a la Red.
9 Separada del ME
9 Información del abonado en la USIM y en el HLR.
USIM.
9 Alojada en una Tarjeta Impresa Integrada Universal (UICC).
9 Parámetros accesibles y actualizables por la red a través del enlace radio.
9 Datos almacenados:
Administración: son datos fijos asignados por el fabricante y el operador, como el IMSI o la información de la clase de acceso.
Datos temporales de la red: información de gestión de la movilidad, como la identidad de la zona en que se encuentra el terminal o el TMSI.
Datos relacionados con el servicio: sobre disponibilidad y permiso de acceso a servicios y sus datos internos.
Aplicaciones: almacenamiento de aplicaciones de servicios específicos.
Personal: datos almacenados por el usuario, como SMS, agendas, etc.
Evolución UMTS
Concepto fundamental en UMTS
9 Evolución técnica. Correspondiente a los elementos de la red, y a la tecnología de los mismos.
9 Evolución de red. Incluidos los cambios en la funcionalidad de la misma.
9 Evolución de servicios: Basada en la demanda de los usuarios de la red, y la capacidad para cubrirla.
3GPP especificaciones.
9 GSM Phase I (GSM original) Doc. Versión 3.X.Y 9 GSM Phase II (DCS1800) Doc. Versión 4.X.Y 9 Release 96 (HSCSD) Doc. Versión 5.X.Y 9 Release 97 (GPRS) Doc. Versión 6.X.Y 9 Release 98 (EDGE) Doc. Versión 7.X.Y 9 Release 99 (W-CDMA) Doc. Versión 3.X.Y
Interoperabilidad con GSM, Mejora Red Inteligente (IN), CAMEL
CS, para 2G y 3G. Cambios importantes en el SGSN
Nuevos servicios no existentes en GSM, (localización) ...
Evolución UMTS
Release 4 (N-TDD) Doc. Versión 4.X.Y 2001
9 Introduce separación de conexión, control y servicios para CN CS.
MGW (Media Gateway), Pasarela de Medios. Servidor MSC: controla varias MGW
La llamada en CS pasa al dominio de PS a través de la MGW.
Voz por conmutación de paquetes (Voice Over IP, VoIP)
El Sistema Multimedia IP (IMP) interviene en el dominio de CS y PS.
Home Subscriber Server
MSMS
UEUE
BTSBTS BSCBSC
BSBS RNCRNC
MGWMGW
SGSNSGSN GGSNGGSN UTRAN
GERAN Um
Uu
Iu
Dominio CN CS
Dominio CN PS
HSSHSS VAS, CAMEL WAP, MEXE
USAT
RPDCP RTPC
RDSI
IP Multimedia Gestión de Red (NMS)
MGWMGW Servidor MSC Servidor MSC
Subsistema Multimedia IP
Evolución UMTS
Release 5 (HSDPA) Doc. Versión 5.X.Y 2002
Todo el tráfico de la UTRAN se basa en IP
IMS. Servicios multimedia IP (IPv6), Conexión de sesiones múltiples.
HSPDA (High Speed Downlink packect Data)
Data rates > 10 Mbits/s
Adaptative Multi-Rate (AMR) codec, TDM y CDM, 16 QAM, Hybrid ARQ
MSMS
UEUE
BTSBTS BSCBSC
BSBS RNCRNC
SGSNSGSN GGSNGGSN
UTRAN GERAN Um
Uu
Iu
Dominio CN PS
HSSHSS
VAS, CAMEL WAP, MEXE
USAT
RPDCP
RTPC
RDSI
IP Multimedia
Gestion de Red (NMS)
Subsistema Multimedia
IP IP/ATM
IP/ATM
IP/ATM
Evolución UMTS
Release 6 Doc. Versión 6.X.Y
IMS. (fase II)
Armonización 3GPP y 3GPP2, WLAN –UMTS interworking
MIMO, OFDM ….
9 Estrategias:
Mayor separación entre el plano de usuario y el de control.
Red basada en conmutación de paquetes.
Transparencia en las tecnologías de acceso.
9 Servicios:
Servicios basados en localización.
Separación de usuarios: comerciales, privados y privados con necesidades específicas.
4ª generación. ITU- R (WP8F), ITU-T (SSG), WWRF, mITF.
Desarrollo hacia el año 2010, despliegue al 2015.
9 Integración y convergencia de redes. WAN, PAN, LAN, celular, fijas,…
9 Nuevas tecnologías radio o evolución?.
9 Velocidades binarias muy elevadas. 10-100 Mbits/s 1 Gbit/s.
UTRAN. Red de Acceso Radio de UMTS
Arquitectura de la UTRAN
Cambios importantes debido al uso de la tecnología WCDMA.
Subsistemas de red radio (RNS), con varias estaciones base o Nodos B y un único controlador de red radio (RNC).
RNSRNS
BSBS BSBS
RNCRNC
UEUE
UEUE
RNSRNS
BSBS BSBS
RNCRNC
UEUE
UEUE UEUE
Uu Iu
Iur
Dominios del Nucleo de Red:
Conmutación de Circuitos y Conmutación de Paquetes Nodo B
Iub
UTRAN
Controlador de red radio (RNC).
Elemento de control y conmutación de la UTRAN
9 Dos áreas:
Gestión de recursos radio de la UTRAN (RRM): algoritmos que permiten, garantizar la estabilidad y el QoS de las conexiones radio.
Funciones de control de la UTRAN: relativas al establecimiento y mantenimiento de las portadoras radio (RBs).
UTRAN
Nodo B
Asegurar el establecimiento de los canales físicos de acceso radio WCDMA, y la transferencia de información en éstos a partir de los canales de transporte
Puerto de datos RACH Puerto de datos RACH
Puerto de datos FACH Puerto de datos FACH
Puerto de datos CPCH Puerto de datos CPCH
Puerto de datos PCH Puerto de datos PCH
Puerto de Control Nodo B
Contextos de
Comunicación. Nodo B DSCH
DCH
Puerto de Control de la Comunicación
Célula Iub
Célula
Célula
Célula
Célula
Uu
TRX Canales de Transporte
Canales Físicos
TRX Canales de Transporte
Canales Físicos TRX Canales de Transporte
Canales Físicos
TTP: Puntos de Terminación de
Tráfico Transporte
Común
IdentificadorID:
Portadoras
Capas de la Interfaz Radio
9 Capa de red 9 Capa de enlace 9 Capa física
Protocolos adicionales para el dominio PS PDCP. Posibilita el transporte de paquetes IP BMC. Servicios de difusión de mensajes
Canales físicos
Diferentes para los dos planos
Capa de Red
RRC: Protocolo de control de recursos radio.
Control de la señalización entre UTRAN y el UE,
Parámetros para establecer, modificar y liberar las entidades de los protocolos de niveles inferiores.
¾Difusión de la información del sistema.
¾Aviso y notificación.
¾Selección inicial de la célula y reselección en modo ausente.
¾Establecimiento, mantenimiento y liberación de las conexiones RRC entre UE y UTRAN.
¾Control de las portadoras de radio, canales de transporte y canales físicos.
¾Control de las funciones de seguridad (cifrado y protección de la integridad).
¾Protección de la integridad de mensajes de señalización.
¾Control y realización de informes sobre medidas.
¾Funciones de movilidad de la conexión RRC.
¾Soporte de la reasignación SRNS.
¾Control de potencia en bucle cerrado del enlace descendente.
¾Control de potencia en bucle abierto.
¾Funciones relacionadas con los servicios de difusión celular.
Funciones.
Capa de Red
Estados del servicio RRC.
9 Modo aislado y modo conectado.
UE en modo aislado al encenderse.
•Selecciona una célula.
•Sintoniza el canal de control.
El terminal recibe información de la red, pero esta no tiene
información del UE
UE pasa al modo conectado.
Cuando realiza una petición de conexión RRC.
•Localizado en la célula o en de área de registro. (URA)
Capa de Enlace de datos
MAC
Canales Transporte RLC
Canales Lógicos BMC PDPC
Portadoras Radio del Plano de Usuario Portadoras Radio
de Señalización
Capa 2
Funciones del nivel: las correspondientes a las diferentes subcapas.
9 Dos capas adicionales en el plano de usuario
¾ Compresión y descompresión de la información de control de protocolo.
¾ Transferencia de datos de usuario.
¾ Multiplexado de portadoras radio en una entidad RLC.
PDPC (Protocolo de convergencia de paquetes de datos)
¾ Almacenamiento de mensajes de difusión.
¾ Supervisión del volumen de tráfico y petición de recursos de radio para CBS.
¾ Programación y Transmisión de mensajes multidifusión al UE.
¾ Entrega de mensajes de difusión celular a la capa superior
BMC (Protocolo de Control de Difusión)
RLC (Control de Enlace Radio)
Arquitectura: Modos de funcionamiento.
9 Modo transparente: Entidad emisora y receptora. Transmite las PDUs de los niveles superiores sin añadir información de protocolo. Modo afluente.
9 Modo sin confirmación: Dos entidades: emisora y receptora. No emplea protocolo de retransmisión, y no garantiza la entrega de los datos. Los errores se detectan mediante las cabeceras.
9 Modo con confirmación: Corrección de errores mediante ARQ, estando controlado el número de retransmisiones por la capa 3.
Servicios.
Establecimiento y liberación de conexiones.
Transferencia de datos en modo transparente, con y sin confirmación.
Establecimiento de la calidad del servicio y notificación de errores.
Funciones.
Segmentación y concatenación de PDU’s en Unidades de Carga (Pus)
Relleno, transferencia de datos y control de flujo.
Detección y corrección de errores,
Cifrado en los modos son y sin confirmación.…
MAC (Control de Acceso al Medio)
Servicios.
Ofrece servicios a la subcapa RLC mediante canales lógicos, proyectados a los canales de transporte de la capa física:
Transferencia de datos sin confirmación o segmentación, reasigna los recursos radio y realiza informes de medidas.
Funciones.
Multiplexar/Demultiplexar PDU’s hacia/desde la capa física en canales.
Supervisión del volumen de tráfico, Cifrado en modo transparente,…
Arquitectura
MAC-b.
Tratamiento del canal BCH 1 en UE y 1 por célula
MAC-c/sh.
PCH, FACH, RACH, CPCH, DSCH.
1 en UE y 1 por célula en RNC MAC-d.
Controla, DCH.
1 en UE y 1 en UTRAN
Canales lógicos.
Canales de control (CCH). Información en el plano de control
9 BCCH (Broadcast Control) BS Æ MS .
Información de la red y la celda.
9 PCCH (Paging Control) BS Æ MS .
Avisos de llamada a los UE no localizados.9 CCCH (Common Control) BS ÅÆ MS .
Información de control entre red y usuarios en la célula sin conexión RRC.
Incluye petición de acceso al servicio y mensajes de respuesta.
9 DCCH (Dedicated Control) BS ÅÆ MS .
Información de control entre red y usuarios con conexión RRC.
9 SHCCH (Shared Control) BS ÅÆ MS .
Para canales compartidos. Modo TDD. Canales de Tráfico (TCH) Información en el plano de usuario
9 DTCH (Dedicated Traffic) BS ÅÆ MS
. Información y servicios dedicado (punto a punto) a un UE.9 CTCH (Common Traffic) BS Æ MS
. Transferencia de datos de usuario hacía un grupo de terminales. Servicios Punto Multipunto (SMS)Canales de Transporte.
Transporte de información entre el nivel físico y los niveles MAC.
9 TFI, (Indicador de Formato de Transporte).
9 La capa física combina información TFI de varios canales de transporte en el TFCI, (Indicación de Combinación del Identificador de Transporte).
Los TFCI se transmiten para informar al receptor de cuáles son los canales de transporte activos en la trama actual.
Canales de dedicados. En TDD (además ODCH y FAUSCH)
9 DCH (Dedicated) BS ÅÆ MS .
Transmisión de información a un UE. Canales comúnes En TDD (además ORACH, SCH y USCH)
9 BCH (Broadcast) BS Æ MS
. Información del sistema y de la célula.9 FACH (Fast Access) BS Æ MS
. Información a terminales ubicados.9 PCH (Paging) BS Æ MS
. Información de aviso por una célula o varias.9 RACH (Random Access) BSÅ MS
. Acceso de un terminal a la red.9 CPCH (Common Packet) BS Å MS
. Tráfico de paquetes compartido.9 DSCH (Descendent Shared) BS ÆMS
. Paquetes compartidos de usuario o control. Asociado a un DCHCapa Física
Funciones.
Codificación de la información y detección de errores.
Multiplexación y adaptación de la velocidad de de las comunicaciones.
Ensanchamiento del espectro y modulación.
Medición de los parámetros de radio y control de potencia.
DS-CDMA
3.84 Mchip/s / 5 MHz
BPSK en enlace descendente/ QPSK en el enlace ascendente.
Convolucional o por turbo código
Bucle abierto, bucle cerrado interno y bucle cerrado externo.
Receptor Rake, diversidad de antena, diversidad de transmisión Intermodo, intramodo, intersistema, con/sin continuidad y softer.
10 ms con 15 time-slots, cada una con 2/3 ms, 38400 chips Técnica de acceso radio.
Tasa de Chip/Ancho de banda Modulación.
Codificación
Control de potencia Diversidad.
Traspasos.
Trama
Principales Características
Estructura de Trama.
¾Tramas numeradas con SFN.
Identificador de número de Trama
Canales físicos.
Soporte físico para el envío de información por la interfaz aire (Uu).
Frecuencia de portadora, código de scrambling y de spreading, estructura de trama y de ráfaga, y por la fase relativa (0, π/2) para el enlace ascendente.
Canales dedicados. DPCH (Dedicated Physic) BS ÅÆ MS .
DPDCH: Canales de datos para transmitir la información concreta DCH
.
DPCCH: Un único canal de control asociado a los anteriores en una conexión
¾Enlace descendente. Modulación BPSK. DPDCH y DPCCH multiplexados en el tiempo.
Con más de un DPDCH sólo se envía uno de control por conexión.
Piloto. Secuencia estimación del canal radio
TFCI. Formato de transporte TPC. Control de potencia en
bucle cerrado
Nºde bits. En función del factor de ensanchamiento (SF: 4 - 512).
Canales físicos.
Canales dedicados.
Piloto. Secuencia estimación del canal radio
TFCI. Formato de transporte FBI. Si BS diversidad de
transmisión
TPC. Control de potencia en bucle cerrado
Nºde bits.
• Para DPDCH en función del factor de ensanchamiento (SF: 4 - 256).
• Para DPCCH. SF = 256, 10 bits por slot
F o rm a to S lo t # i
T a s a B in a ria d e l C a n a l
(k b p s )
S F B its /
T ra m a
B its /
S lo t Nd a to s
0 1 5 2 5 6 1 5 0 1 0 1 0
1 3 0 1 2 8 3 0 0 2 0 2 0
2 6 0 6 4 6 0 0 4 0 4 0
3 1 2 0 3 2 1 2 0 0 8 0 8 0
4 2 4 0 1 6 2 4 0 0 1 6 0 1 6 0
5 4 8 0 8 4 8 0 0 3 2 0 3 2 0
6 9 6 0 4 9 6 0 0 6 4 0 6 4 0
¾ Enlace ascendente. Ambos canales multiplexados en I y Q. DPDCH por el I y el DPCCH por el Q.
Con más de un DPDCH los canales se van alternando
Canales físicos.
Canales comunes
9 PRACH (Random Physics Access) BSÅ MS
. Lleva el canal transporte RACH.9 AICH (Acquisition Indication) BS Æ MS
. Respuestas al PRACH.9 PCPCH (Physics Common Packet) BS Å MS
. Lleva el canal CPCH.9 AP-AICH (Access Preamble- ) BS Æ MS
. Respuestas al acceso de CPCH.9 CD/CA- AICH (Collision Detection- ) BS Æ MS
. Respuesta colisión de CPCH9 CSICH (CPCH State Identifier) BS Æ MS
. Indicador de estado del CPCH.9 PICH (Paging Indication) BS Æ MS
. Indicadores para leer el PCH.9 PDSCH (Physics Descendent Shared) BS Æ MS
. Lleva el DSCH, compartido.9 CPICH (Common Pilot) BS Æ MS
. Piloto de referencia de potencia y fase. P-CPICH (Primary - ). Único por célula, Cch,256,0 Referencia de fase SCH ...
S-CPICH (Secondary- ). Cualquier código, referencia de fase DPCH ....
9 P-CCPCH (Primary Common Control Physics) BS Æ MS
. Lleva BCH.9 S-CCPCH (Secondary -) BS Æ MS
. Lleva los canales FACH y PCH.9 SCH (Synchronisation) BS Æ MS
. No asociado a SCH de transporte. Secuencia de sincronización primaria de 256 chips (P-SCH) y 15 códigos secundarios (S-SCH)Sincronización
Búsqueda de célula y Sincronización.
El SCH transmite el código de sincronización primario (PSC), único para todo el sistema, y la combinación de códigos de sincronización secundarios (SSCs), una de las 64 posibles, que identifican la celda en la que nos encontramos.
9 Sincronización de slot.
El UE emplea el código primario para obtener la sincronización de slot de la célula, mediante un filtro adaptado.
9 Sincronización de trama e identificación del grupo de código.
Con el código de sincronización secundario del SCH se identifica el grupo de código de la célula, mediante correlación de la señal recibida con todos los posibles códigos de sincronización secundarios (64) .
Se obtiene también la sincronización de la trama.
9 Identificación del código de aleatorización:
Mediante correlación símbolo a símbolo sobre el CPICH con todos los códigos dentro del grupo de códigos identificados en el paso anterior.
Una vez que el código de aleatorización ha sido identificado, el CCPCH puede ser detectado, y por tanto, puede leerse la información del BCH.
Correspondencia entre canales.
Enlace descendente
Canales de transporte en canales físicos.
Canal Lógico C. Transporte BCCH
PCCH CTCH CCCH DCCH DTCH
BCH PCH FACH FACH FACH DCH DSCH FACH DCH DSCH
Enlace ascendente
Canal Lógico C. Transporte CCCH
DCCH DTCH
RACH RACH DCH CPCH RACH DCH CPCH
Canales lógicos en canales transporte
Enlace descendente C. Transporte Canal Físico
BCH PCH FACH
DCH DSCH
P-CCPCH S-CCPCH S-CCPCH DPCCH DPDCH
PDSCH
Enlace ascendente C. Transporte Canal Físico
RACH DCH CPCH
PRACH DPDCH DPCCH
PCPCH
No asociados CPICH SCH AICH AP-AICH CD/CA-ICH CSICH PICH
Generación de forma de onda
Adición del CRC.
Para la protección contra errores. 0, 8, 12, 16 o 24 bits. Concatenación de los bloques del intervalo de transmisión (TrBks).
Si las secuencias superan el máximo (504 bits para convolucionales o 5114 en los turbo códigos), se fragmentan en bloques de igual longitud.
Codificación de canal.
Ecualización trama.
E. ascendente.
1
erentrelazado.
Se escriben en filas, número de columnas dependiente del TTI (Intervalo de Transmisión: 1,2,4 u 8 tramas). Se reordenan las columnas y se lee por filas.
Segmentación de tramas radio.
Adaptación de velocidad.
Repitiendo o eliminando bits. Multiplexación de canales de Transporte.
Dando lugar a CCTrCH (Canal de Transporte de Código Compuesto).
Inserción de bits de transmisión discontinua, DTx.
Segmentación en canales físicos.
Entran X, P canales físicos, U bits por canal 2º entrelazado.
Se escriben por filas, se reordenan y se leen por columnas (30). Proyección sobre el canal físico.
C . Transporte C odificación
BCH PCH RACH CPCH DCH DSCH FACH CPCH DCH DSCH FACH CPCH DCH DSCH FACH
Convolucional Convolucional Turbo código Sin codificación
Tasa
1/2 1/3 o 1/2
1/3
Ensanchamiento
Canalización.
9 El ensanchamiento se debe a la canalización.
En el E. ascendente separa canales de datos de los de control de un usuario.
En el descendente separa las transmisiones a los usuarios en una célula
Aleatorización.
En el enlace ascendente separa los diferentes terminales de usuarios.
En el descendente reduce la interferencia entre células.
9 Los códigos de aleatorización son distintos para cada uno de los enlaces.
Existen 512 códigos primarios y 15 secundarios para cada uno de ellos
Cada código tiene asociado dos códigs alternativos, derecho e izquierdo.
Se utilizan en el denominado modo comprimido, realización de medidas de otras células.
9 A cada célula se le asigna un código 1
ario, de forma que el canal CCPCH
transmite con ese código y el resto de canales con el 1
arioo con el 2
arioEnsanchamiento
Enlace ascendente
9 El mismo procedimiento para los canales DPCH, PRACH y PCPCH.
y El canal DPCCH se multiplica por un código Cc.
y Los canales DPDCH por un código Cd,n.
y Multiplicación por factores, βc para el DPCCH, y βd para los DPDCH.
y Suma de algunos canales para Secuencia I.
y Suma de los demás para la Q.
y Se suman estas con parte real y parte imaginaria.
y Aleatorización de las secuencias.
Ensanchamiento
Enlace descendente
9 El mismo procedimiento para todos los canales excepto para SCH.
y Secuencia al conversor Serie/paralelo.
y Bits pares en la rama I e impares en la Q y Multiplicación por el código de canalización,
y Suma de las dos ramas con parte real e imaginaria.
y Aleatorización de las secuencias.
Primario SCH Secundario
SCH
256 chips 2560 chips
Trama radio SCH 10 ms aci,0s
acp
acsi,1
acp
acsi,14
acp
Slot #0 Slot #1 Slot #14 I+jQ
P-CCPCH S
→
P
Cch
P-SCH
S-SCH
*j
Gp
Gp
I+jQ
→
S PCsch
I+jQ
→
S PCp
*j
Gp
9 Para los canales SCH.
*j P-CCPCH
Modulación
QPSK
9 Para evitar interferencia a 1,5 KHz en el enlace ascendente su banda base consiste en dos modulaciones BPSK independientes.
En el eje I van los datos a transmitir (DPDCH)
En el Q, la información de control (DPCCH).
9 Tras la aleatorización la señal vuelve a estar modulada en QPSK
y Separación de la secuencia compleja a la entrada por un lado la parte real y por otro la imaginaria.
y Conformación del pulso coseno alzado con factor de roll-off de 0.22.
y Multiplicación de la parte real por la portadora en fase.
y La parte imaginaria por la portadora en cuadratura.
y Suma de ambas señales.
Evaluación de Handover, control de potencia en lazo abierto, cálculo de pérdidas de camino, selección, reselección de celda, localización.
9 CPICH RSCP: potencia recibida en un código medida en el canal CPICH 9 P-CCPCH RSCP: Potencia recibida en un código en un PCCPCH (TDD).
9 SIR : Relación señal-interferencia. En el DPCCH
9 UTRA carrier RSSI. (GSM carrier RSSI). Potencia en un canal downlink.
9 CPICH Ec/No. Energía de chip por densidad de potencia de la banda.
9 Transport channel BLER. Tasa de error de bloque de canal de trasporte.
9 Potencia de Tx del terminal. Entre –50 y +33 dbm.
9 Diferencias de tiempo observadas
SFN-CFN (RX-TX), SFN-SFN (dos celdas), Rx-Tx, en celda GSM. UE GPS
Medidas en el terminal móvil
2 SF ISCP
SIR= RSCP×
RSCP (Received Signal Code Power) ISCP (Interference Signal Code Power)
sobre los bits de piloto del DPCCH.
Período de medida: 80 ms Rango: –11 a 20 db.
9 RSSI: Potencia recibida en el ancho de banda: -112 a -50 dBm
9 RSCP: Potencia recibida en un código en un DPCH, PRACH,PUSCH (TDD) 9 Timeslot ICSP: Interferencia en un timeslot para TDD
9 SIR : Relación señal-interferencia. En el DPCCH.
Se cálcula de manera similar al terminal móvil.
9 Potencia de Portadora trasnmitida. Relación con la potencia total 0-100%
9 Potencia de código transmitida. Potencia en un código de canalización con un código de aleatorización en una portadora radio. -10 a 46 dBm 9 Transport channel BER. Tasa de error del DPDCH. 0 a 1
9 Physics channel BER. Tasa de error del DPCCH.
9 Rx Timing Deviation. Tiempo entre inicios de transmisión y recepción.
9 Round Trip Time (RTT). Retardo del interfaz aire en chips.
9 UTRAN GPS Timing. Medida para servicios de localización con GPS.
9 Retardo de propagación PRACH/PCPCH.
9 Preaámbulos reconocidos PRACH/PCPCH.
Medidas en UTRAN
Utiliza el protocolo RRC (Control de Recursos Radio) 9 Se realiza tanto en UE como en RNC.
Traspasos. (Handover)
Permite la movilidad a través de la Red
La decisión se realiza a iniciativa del UE o de la UTRAN.
Criterios: Mejorar la calidad de una conexión, disminuir el nivel de
interferencia, delimitar la zona de cobertura, evitar la congestión, acceder a servicios FDD y TDD.
Control de potencia.
Reducir la interferencia intracelular y el efecto cerca-lejos.
La potencia de cada transmisor se ajusta al nivel mínimo necesario para garantizar una determinada Calidad del Servicio (QoS).
Se utiliza en ambos enlaces. En el ascendente se intenta igualar la potencia recibida de todos los terminales móviles.
Funciones de control de la UTRAN.
9 Difusión de información del sistema: System information
Identificación de célula, control de potencia, calidad, tráfico, ...
Gestión de recursos radio
Modos de traspaso. (Handover)
9 Traspasos intramodo: Entre dos portadoras FDD o TDD.
Se basa en la medida de EChio/N0 realizada desde el canal CPICH.
9 Traspasos intermodo: Para pasar del modo TDD al FDD o viceversa.
Medidas sobre el nivel de potencia de las células TDD que están en el área.
9 Traspasos intersistema: paso de una red 2G a otra 3G, o entre redes 3G.
Procedimiento de traspaso.
9 Medición. El UE mide el nivel de la señal de las células adyacentes.
Potencia recibida en un código y la potencia total en un canal de radio.
Detecta los sincronismos de la célula y obtiene su código de aleatorización.
9 Decisión. Mantener la calidad de servicio y minimizar los traspasos.
Algoritmos que evalúan la QoS de la conexión comparándola con la mínima.
Decisión tomada por la red: NEHO (Network Evaluated Handover).
Decisión tomada por el terminal móvil: MEHO (Mobile Evaluated Handover).
9 Ejecución. Tres formas.
Con continuidad, sin continuidad y softer.
Traspasos
Decisión.
9 Basada en las medidas y en los criterios de los algoritmos de traspaso.
Umbral superior: nivel máximo de potencia de la comunicación que el sistema admite en relación al QoS fijado.
Umbral inferior: mínimo nivel para el cual se puede garantizar la QoS.
Margen de traspaso: indica el punto en el que el algoritmo considera que el nivel de la señal recibida desde la nueva célula supera al de la actual.
Conjunto activo: es la relación de todas las células por las cuales un terminal de usuario tiene acceso simultáneo a la UTRAN.
Traspasos
Ejecución.
9 Hard Handover. Sin continuidad.
Se libera la primera conexión antes de establecer la nueva.
Interfrecuencia.
Intrafrecuencia
Intersistema (Modo Comprimido)
9 Soft Handover. Con continuidad.
Conexión simultanea con varias BS.
En el UL. se combinan en el RNC.
En el DL las señales se combinan en el receptor RAKE.
9 Softer. Con continuidad
Entre sectores de una misma BS.
Se transmite a través de un sector.
Se recibe en varios sectores, combinando las señales en un receptor RAKE.
Traspasos
Frecuencia 1
Frecuencia 1
Frecuencia 2 WCDMA GSM
Célula 1
RNCRNC
Célula 2
Sector 1
RNCRNC
Sector 2
En bucle abierto.
El terminal de usuario realiza una estimación del nivel de la señal, midiendo la potencia de la señal recibida desde la estación base en el DL.
Estimación de la atenuación sufrida por la señal y ajuste del nivel de potencia de transmisión inversamente proporcional a la recibida.
9 No es útil en FDD (desvanecimientos rápidos e independientes DL y UL).
9 Se utiliza para estimar el valor inicial de la potencia transmitida.
En bucle cerrado interno.
9 Contrarrestar el efecto de los cambios rápidos que se produzcan en el nivel de señal. Control de potencia rápido. 1500 veces por segundo
En el DL la BS realiza estimaciones de la SIR y la compara con un objetivo.
Si es mayor, la BS envía una solicitud al UE para que disminuya la potencia; y si es menor que un mínimo, la BS indica al UE que aumente la potencia.
En bucle cerrado externo.
9 Mantener el nivel mínimo de SIR para el mecanismo de control de potencia en bucle interno dentro de un nivel de calidad apreciable.
RNC puede definir los niveles permitidos de potencia de la célula y la SIR
Control de Potencia
Cada UE que accede a la red genera una interferencia en la red. El AC decide cuándo puede aceptarse una nueva conexión.
9 El algoritmo comprueba la carga existente en el sistema y el incremento de la misma que provocaría el nuevo usuario. En DL y UL.
Si la nueva carga en alguno de ellos se eleva por encima del máximo fijado para garantizar el servicio no se admite al usuario.
La forma más habitual de calcular la carga se basa en la potencia total.
9 En la planificación de la red se establece un nivel máximo de SIR.
El parámetro que mide esto es el Margen de Interferencia, cantidad que indica el nivel incrementado de ruido (Noise Rise) en una célula.
Este parámetro está relacionado de forma logarítmica con el inverso de Factor de carga.
A partir de un factor de carga del 70 % el ruido de interferencia se
incrementa rápidamente. La red suele dimensionarse con un factor del 50%,
9 Control de carga: se ocupa de evitar que la carga supere el límite.
Medidas: Traspasos, disminuir la tasa binaria, reducir el tráfico de paquetes, denegar peticiones de incremento de potencia, o reducir la relación Eb/N0.
