Sin título de diapositiva
Anuncio
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. Comunicaciones móviles digitales UMTS 1 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. 1850 1900 1950 2000 2050 2100 2150 2200 2250 2010 IMT-2000 IMT-2000 1885 UMTS MSS: Mobile Satellite System FDD: UTRA FDD TDD: UTRA TDD DECT:Digital Enhanced Cordless Telecommunications [ MHz] MSS 1980 1900 D E C T GSM 1800 1885 1850 1900 T D D IMT-2000 2025 2110 MSS 2170 2010 T FDD MSS D 1980 1920 1950 FDD D 2000 2025 2110 2050 Comunicaciones móviles digitales 2100 MSS 2170 2150 2200 2250 UMTS 2 Introducción Diferentes propuestas para los sistemas 3G. (cierta compatibilidad) 9 Organismos regionales e intereses de fabricantes y operadores. Propuestas para la interfaz aire. Nombre Propuesta Tecnología de Acceso IMT-DS Direct Spread IMT-TC Time Code IMT-MC Multi Carrier IMT-SC Single Carrier IMT-FT Frequency Time UTRA UTRA MC CDMA 2000 UWC-136 DECT CDMA CDMA/TDMA CDMA TDMA TDMA/FDMA 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 americano Comunicaciones móviles digitales UMTS 3 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. Comunicaciones móviles digitales UMTS 4 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) Comunicaciones móviles digitales UMTS 5 Tecnología W-CDMA Capacidad del enlace ascendente. 9 La relación entre Eb/N0 y la C/N: Eb C R b B = ⋅ Gp = Ganancia de Proceso (Gp). N0 N B Rb Relación Portadora a Ruido (interferencia) para un usuario Pr C 1 = = N Pr⋅ (M −1) M −1 Eb C = Gp ⋅ N0 N Eb 1 = ⋅ Gp N 0 M −1 9 El Número máximo de usuarios por célula (M) Para M grande. Considerando. 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 M= M= W Rb Gp = Eb N0 Eb N0 W Rb 1 1 ⋅ ⋅GS ⋅ Eb N0 d 1+ f 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. Comunicaciones móviles digitales UMTS 6 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 Señal moduladora Código de canalización o spreading Código de aleatorización o scrambling Comunicaciones móviles digitales UMTS 7 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. Cch,4,0 = (1 ,1 ,1 ,1) Cch,2,0 = (1, 1) Cch,4,1 = (1, 1, -1, -1) Cch,1,0 = (1) Cch,4,2 = (1, -1, 1, -1) Cch,2,1 = (1, -1) Cch,4,2 = (1, -1, -1, 1) SF = 1 SF = 2 SF = 4 Comunicaciones móviles digitales UMTS 8 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 Comunicaciones móviles digitales UMTS 9 Tecnología W-CDMA Multitrayecto y recepción en WCDMA Utilización de un receptor RAKE para compensar los efectos del multitrayecto. TC TC recuperación de la fase despreading Evaluación de las características del canal despreading Σ recuperación de la fase despreading Retardadores 2 • TC Recombinación Valoración de la interferencia recíproca Señal suma Evaluación de las características del canal Secuencia de spreading Demodulación y cancelación de la interferencia Usuario # 1 Usuario # n TC = período de chip recepción múltiple (join detection) y con cancelación de interferencia Comunicaciones móviles digitales UMTS 10 Tecnología W-CDMA Comparativa entre diferentes sistemas móviles. Ancho de banda velocidad de chip Reutilización de frecuencia Traspaso Intrasistema WCDMA IS-95 GSM 5 MHz CDMA / 3.84 Mchip/sg 1.25 MHz / 1.2288 Mchip/sg 200 kHz TDMA 1 ~4 – 18 Traspaso Soft/softer Traspaso Hard (antes de una conexión nueva, libera el canal comunicación simultanea con varias EB Traspaso soft /softer 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 Diversidad de transmisión Soportada en downlink Canales de frecuencia Soportada en downlink Comunicaciones móviles digitales No soportada UMTS 11 Arquitectura UMTS Estructura. Gestión de Red (NMS) Um MS MS E-RAN BTS BTS Dominio CN CS A 3G 3G MSC/VLR MSC/VLR BSC BSC Iu Equipo de Usuario UE: User Equipment. HLR/AuC/EIR Uu UE UE 3G 3G GMSC GMSC RPDCP RDSI RTPC X25 VAS, CAMEL WAP, MEXE USAT Gb BS BS RNC RNC UTRAN Iu Red de acceso radio UTRAN: UMTS Terrestrial Radio Access Network GGSN GGSN SGSN SGSN Internet Dominio CN PS Núcleo de red. CN: Core Network Conmutación, enrutamiento y conexiones a redes externas. Comunicaciones móviles digitales UMTS 12 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). Capa de no acceso (Non-Access Stratrum) NAS: control de llamada, de sesión y de la movilidad GC Nt DC GC Nt DC CM MM SM CM MM SM SAPS Protocolos Radio y Protocolos Iu Protocolos Radio Protocolos Iu Capa de acceso (Access Stratrum) Equipo de Usuario UE Red Troncal CN Red UTRA Radio (Uu) 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. Iu Comunicaciones móviles digitales UMTS 13 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. Core Network (CN) Iu Iu RNS RNS: Radio Network System RNS Iur RNC RNC Iub Iub Iub Node B Node B Node B RNC: Radio Network Controller Iub Node B Nodo B: Estación Base. Conjunto de células FDD o/y TDD Uu UE Comunicaciones móviles digitales UMTS 14 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 Comunicaciones móviles digitales UMTS 15 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 Interfaz Interfaz Interfaz Interfaz Cu. Interfaz eléctrico entre la tarjeta inteligente de USIM y el ME. Uu. Interfaz radio WCDMA. Permite al UE accede a la red fija. Iu. Conecta la UTRAN al CN. Iur. Conecta RNC y permite “soft-handover” entre RNCs. Iub. Este interfaz conecta un Nodo B y un RNC. Comunicaciones móviles digitales UMTS 16 Servicios UMTS Servicios al usuario 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 integral sin solución de continuidad con redes GSM. Itinerancia total. Control del servicio y gestión de la localización y de la movilidad. Aplicaciones. 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.... Tasa de bits. Tipo de cobertura. 144 Kbit/s Cobertura básica, rurales/suburbanos, vehículos a gran velocidad, exteriores. 384 Kbit/s Cobertura ampliada, urbana, vehículos en movimiento, exteriores. 2 Áreas puntuales, urbanas, céntricas, velocidad de marcha, interiores. Mbit/s Comunicaciones móviles digitales UMTS 17 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. Clases de QoS Retardo Buffering Tipo de tráfico Tasa de bit Ejemplo CONVERSACIONAL Fijo Mínimo Tiempo Real NO SIMÉTRICO Bidireccional Garantizada Voz Videoteléfono AFLUENTE (STREAMING) Constante no mínimo Tiempo real SI ASIMÉTRICO Unidireccional Garantizada Audio Vídeo INTERACTIVO Variable Moderado Tiempo no real SI ASIMÉTRICO Bidireccional NO Garantizada WEB Localización DIFERIDO (BACKGROUND) Variable Grande Tiempo no real SI ASIMÉTRICO Bidireccional NO Garantizada E-mail descarga datos Comunicaciones móviles digitales UMTS 18 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 Comunicaciones móviles digitales UMTS 19 Arquitectura QoS Gestión de los servicios portadores. Clasificación del servicio solicitado establecimiento de requisitos Inicio establecimiento de la portadora Transferencia de datos Comunicaciones móviles digitales UMTS 20 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). Comunicaciones móviles digitales UMTS 21 Terminales 3G Arquitectura. USIM. UMTS Subs. Ident. Mod. Identificación, autenticación y almacenamiento de información. ¾ Tarjeta 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 ME TE MT NT RT Comunicaciones móviles digitales Correspondencia en la red Toda la red UMTS El equipo par en la conexión Sistema UMTS Núcleo de Red UTRAN UMTS 22 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 MT MT MT de radiomodo único. (p.e. WCDMA-FDD) multimodo radio. (UMTS, GSM) de red única. PS,CS o PS/CS 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... Comunicaciones móviles digitales UMTS 23 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. Comunicaciones móviles digitales UMTS 24 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 9 9 9 9 9 GSM Phase I GSM Phase II Release 96 Release 97 Release 98 Release 99 (GSM original) (DCS1800) (HSCSD) (GPRS) (EDGE) (W-CDMA) Doc. Doc. Doc. Doc. Doc. Doc. Versión Versión Versión Versión Versión Versión 3.X.Y 4.X.Y 5.X.Y 6.X.Y 7.X.Y 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) ... Comunicaciones móviles digitales UMTS 25 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. Gestión de Red (NMS) Dominio CN CS Um MS MS GERAN BTS BTS Iu BSC BSC Servidor Servidor MSC MSC MGW MGW BS BS RNC RNC UTRAN Home Subscriber Server SGSN SGSN RDSI MGW MGW Uu UE UE RPDCP GGSN GGSN RTPC Subsistema Multimedia IP IP Multimedia Dominio CN PS HSS HSS VAS, CAMEL WAP, MEXE USAT Comunicaciones móviles digitales UMTS 26 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 Gestion de Red (NMS) Um MS MS RPDCP GERAN RDSI Iu BTS BTS IP/ATM IP/ATM Uu UE UE RNC RNC Subsistema Multimedia IP SGSN SGSN GGSN GGSN HSS HSS VAS, CAMEL WAP, MEXE USAT IP/ATM BS BS RTPC Dominio CN PS BSC BSC IP Multimedia UTRAN Comunicaciones móviles digitales UMTS 27 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. Comunicaciones móviles digitales UMTS 28 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). Uu UE UE RNS RNS Nodo B Iu BS BS RNC RNC UE UE BS BS Iur UE UE Dominios del Nucleo de Red: Conmutación de Circuitos y Conmutación de Paquetes RNS RNS UE UE BS BS Iub RNC RNC UE UE BS BS Comunicaciones móviles digitales UMTS 29 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). Comunicaciones móviles digitales UMTS 30 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 Uu Portadoras Célula Puerto Puerto de de datos datos FACH FACH TRX Canales de Transporte Canales Físicos Canales de Transporte Canales Físicos Canales de Transporte Canales Físicos Puerto Puerto de de datos datos RACH RACH Transporte Común Puerto Puerto de de datos datos CPCH CPCH TRX Puerto Puerto de de datos datos PCH PCH TRX Puerto de Control Nodo B Célula Célula Contextos de Comunicación. Nodo B DSCH Célula ID: Identificador Iub Célula Comunicaciones móviles digitales TTP: Puntos de Terminación de Tráfico DCH Puerto de Control de la Comunicación UMTS 31 Capas de la Interfaz Radio 9 Capa de red 9 Capa de enlace 9 Capa física Diferentes para los dos planos Protocolos adicionales para el dominio PS PDCP. Posibilita el transporte de paquetes IP BMC. Servicios de difusión de mensajes Canales físicos Comunicaciones móviles digitales UMTS 32 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. Funciones. ¾ Difusión de la información del sistema. ¾ Aviso y notificación. ¾ Selección inicial de la célula y reselección en modo ausente. ¾ Establecimiento, mantenimiento y liberación de las conexiones RRC entre UE y UTRAN. ¾ Control de las portadoras de radio, canales de transporte y canales físicos. ¾ Control de las funciones de seguridad (cifrado y protección de la integridad). ¾ Protección de la integridad de mensajes de señalización. ¾ Control y realización de informes sobre medidas. ¾ Funciones de movilidad de la conexión RRC. ¾ Soporte de la reasignación SRNS. ¾ Control de potencia en bucle cerrado del enlace descendente. ¾ Control de potencia en bucle abierto. ¾ Funciones relacionadas con los servicios de difusión celular. Comunicaciones móviles digitales UMTS 33 Capa de Red Estados del servicio RRC. 9 Modo aislado y modo conectado. UE pasa al modo conectado. Cuando realiza una petición de conexión RRC. •Localizado en la célula o en de área de registro. (URA) 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 Comunicaciones móviles digitales UMTS 34 Capa de Enlace de datos Funciones del nivel: las correspondientes a las diferentes subcapas. 9 Dos capas adicionales en el plano de usuario PDPC (Protocolo de convergencia de paquetes de datos) 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. Portadoras Radio de Señalización PDPC BMC Capa 2 RLC BMC (Protocolo de Control de Difusión) 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 Portadoras Radio del Plano de Usuario Canales Lógicos MAC Canales Transporte Comunicaciones móviles digitales UMTS 35 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.… Comunicaciones móviles digitales UMTS 36 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-d. Controla, DCH. 1 en UE y 1 en UTRAN MAC-c/sh. PCH, FACH, RACH, CPCH, DSCH. 1 en UE y 1 por célula en RNC Comunicaciones móviles digitales UMTS 37 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) Comunicaciones móviles digitales UMTS 38 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 9 9 9 9 9 BCH (Broadcast) BS Æ MS. Información del sistema y de la célula. FACH (Fast Access) BS Æ MS. Información a terminales ubicados. PCH (Paging) BS Æ MS. Información de aviso por una célula o varias. RACH (Random Access) BSÅ MS. Acceso de un terminal a la red. CPCH (Common Packet) BS Å MS. Tráfico de paquetes compartido. DSCH (Descendent Shared) BS ÆMS. Paquetes compartidos de usuario o control. Asociado a un DCH Comunicaciones móviles digitales UMTS 39 Capa 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. Principales Características Técnica de acceso radio. Tasa de Chip/Ancho de banda Modulación. Codificación Control de potencia Diversidad. Traspasos. Trama 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 Estructura de Trama. ¾Tramas numeradas con SFN. Identificador de número de Trama Comunicaciones móviles digitales UMTS 40 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 ¾ Enlace descendente. Modulación BPSK. DPDCH y DPCCH multiplexados en el tiempo. Con más de un DPDCH sólo se envía uno de control por conexión. Nºde bits. En función del factor de ensanchamiento (SF: 4 - 512). TPC. Control de potencia en bucle cerrado TFCI. Formato de transporte Piloto. Secuencia estimación del canal radio Comunicaciones móviles digitales UMTS 41 Canales físicos. Canales dedicados. 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 Piloto. Secuencia estimación del canal radio TFCI. Formato de transporte FBI. Si BS diversidad de transmisión TPC. Control de potencia en bucle cerrado F o rm a to S lo t # i Nºde bits. • Para DPDCH en función del factor de ensanchamiento (SF: 4 - 256). • Para DPCCH. SF = 256, 10 bits por slot 0 1 2 3 4 5 6 T a s a B in a ria del C anal (k b p s ) 15 30 60 120 240 480 960 Comunicaciones móviles digitales SF B its / T ra m a B its / S lo t N d a to s 256 128 64 32 16 8 4 150 300 600 1200 2400 4800 9600 10 20 40 80 160 320 640 10 20 40 80 160 320 640 UMTS 42 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 9 9 9 PCPCH (Physics Common Packet) BS Å MS. Lleva el canal CPCH. AP-AICH (Access Preamble- ) BS Æ MS. Respuestas al acceso de CPCH. CD/CA- AICH (Collision Detection- ) BS Æ MS. Respuesta colisión de CPCH 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) Comunicaciones móviles digitales UMTS 43 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. Comunicaciones móviles digitales UMTS 44 Correspondencia entre canales. Canales lógicos en canales transporte Enlace descendente Enlace ascendente Canal Lógico C. Transporte Canal Lógico C. Transporte BCCH PCCH CTCH CCCH DCCH DTCH BCH PCH FACH FACH FACH DCH DSCH FACH DCH DSCH CCCH DCCH DTCH RACH RACH DCH CPCH RACH DCH CPCH Canales de transporte en canales físicos. Enlace descendente Enlace ascendente C. Transporte Canal Físico C. Transporte Canal Físico BCH PCH FACH DCH DSCH P-CCPCH S-CCPCH S-CCPCH DPCCH DPDCH PDSCH RACH DCH CPCH PRACH DPDCH DPCCH PCPCH No asociados CPICH SCH AICH AP-AICH CD/CA-ICH CSICH PICH Comunicaciones móviles digitales UMTS 45 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. 1er entrelazado. C. Transporte Codificación Tasa BCH PCH RACH CPCH DCH DSCH FACH CPCH DCH DSCH FACH CPCH DCH DSCH FACH Convolucional Convolucional Turbo código Sin codificación 1/2 1/3 o 1/2 1/3 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. Comunicaciones móviles digitales UMTS 46 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 1ario, de forma que el canal CCPCH transmite con ese código y el resto de canales con el 1ario o con el 2ario Comunicaciones móviles digitales UMTS 47 Ensanchamiento Enlace ascendente 9 El mismo procedimiento para los canales DPCH, PRACH y PCPCH. y y y y y y y y El canal DPCCH se multiplica por un código Cc. Los canales DPDCH por un código Cd,n. Multiplicación por factores, βc para el DPCCH, βd para los DPDCH. Suma de algunos canales para Secuencia I. Suma de los demás para la Q. Se suman estas con parte real y parte imaginaria. Aleatorización de las secuencias. Comunicaciones móviles digitales UMTS 48 Ensanchamiento Enlace descendente 9 El mismo procedimiento para todos los canales excepto para SCH. y y y y y Secuencia al conversor Serie/paralelo. Bits pares en la rama I e impares en la Q Multiplicación por el código de canalización, Suma de las dos ramas con parte real e imaginaria. Aleatorización de las secuencias. 9 Para los canales SCH. P-CCPCH Slot #0 Slot #1 Primario acp SCH ac p Secundario ac i,0 s acsi,1 SCH Slot #14 Gp S → Cch I+jQ P *j ac p acsi,14 P-SCH Gp S → Cp P 256 chips *j I+jQ 2560 chips Trama radio SCH 10 ms S-SCH P-CCPCH S → P Comunicaciones móviles digitales Gp Csch I+jQ *j UMTS 49 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. Comunicaciones móviles digitales UMTS 50 Medidas en el terminal móvil 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 RSCP (Received Signal Code Power) ISCP (Interference Signal Code Power) SIR = RSCP SF × ISCP 2 sobre los bits de piloto del DPCCH. Período de medida: 80 ms Rango: –11 a 20 db. 9 UTRA carrier RSSI. (GSM carrier RSSI). Potencia en un canal downlink. 9 9 9 9 CPICH Ec/No. Energía de chip por densidad de potencia de la banda. Transport channel BLER. Tasa de error de bloque de canal de trasporte. Potencia de Tx del terminal. Entre –50 y +33 dbm. Diferencias de tiempo observadas SFN-CFN (RX-TX), SFN-SFN (dos celdas), Rx-Tx, en celda GSM. UE GPS Comunicaciones móviles digitales UMTS 51 Medidas en UTRAN 9 9 9 9 RSSI: Potencia recibida en el ancho de banda: -112 a -50 dBm RSCP: Potencia recibida en un código en un DPCH, PRACH,PUSCH (TDD) Timeslot ICSP: Interferencia en un timeslot para TDD 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. Comunicaciones móviles digitales UMTS 52 Gestión de recursos radio 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, ... Comunicaciones móviles digitales UMTS 53 Traspasos 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. Comunicaciones móviles digitales UMTS 54 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. Comunicaciones móviles digitales UMTS 55 Traspasos Ejecución. 9 Hard Handover. Sin continuidad. Se libera la primera conexión antes de establecer la nueva. Interfrecuencia. Intrafrecuencia Intersistema (Modo Comprimido) Frecuencia 1 Frecuencia 1 Frecuencia 2 WCDMA GSM RNC RNC 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. Célula 1 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. Comunicaciones móviles digitales Célula 2 RNC RNC Sector 1 Sector 2 UMTS 56 Control de Potencia 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 Comunicaciones móviles digitales UMTS 57 Control de Admisión 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. Comunicaciones móviles digitales UMTS 58 Funciones de Control UTRAN Control y la gestión de las portadoras radio (RBs), para asegurar el servicio de portadoras de acceso radio, (RAB). Difusión de información de sistema: (system information). • • • • Identificación de célula: ID de célula, de área de localización y enrutamiento. Control de potencia: niveles permitidos en UL y DL Relativa al traspaso: parámetros de calidad de la conexión y el tráfico Relativa al entorno: información sobre células adyacentes. 9 El RNC, a través de los Nodos B mediante el BCH (SIB 10 por FACH). • Bloque de información maestro (MIB: Master Information Block): contiene información de referencia y planificación de SIBs y SBs dentro de una célula. • Bloques de información de sistema (SIB: System Information Blocks). • Bloques de planificación (SB: Scheduling Blocks). Acceso y gestión de conexión: 9 El RNC se encarga de crear una portadora radio de señalización (SRB). Necesidad de una conexión de señalización previa entre el UE y el CN El RNC analiza las características de la portadora solicitada y evalúa los recursos necesarios, a fin de activar y configurar los canales de radio. Comunicaciones móviles digitales UMTS 59 Gestión de movilidad (MM). Localización. Localización del usuario en la estructura lógica de la red. Posición. Posición geográfica del usuario en el área de cobertura. 9 Identidades y direccionamiento de usuarios. IMSI. Identidad de Abonado Móvil Internacional. Almacenada en la USIM. MSIDSN. Número de ISDN de Abonado Móvil. Contexto PDP. Protocolo de Paquetes de Datos: IP dinámica o estática TMSI. Identidad de Abonado Móvil Temporal. Se almacena en el VLR P-TMSIs. Identidades de Abonado Móvil Temporales de Paquetes. En SGSN Comunicaciones móviles digitales UMTS 60 Gestión de movilidad (MM). Estructuras de Localización. LA. Área de Localización. Identificador: LAI (difundido por Canal BCH) RA. Área de Enrutamiento. Subordinada a la LA URA. Área de Registro de UTRAN. Enrutamiento de tráfico y control de recursos. Célula. Identificador de Célula (CI). Llega al UE por el System Information Comunicaciones móviles digitales UMTS 61 Gestión de movilidad (MM). Modelos de estado. 9 En Conmutación de circuirtos (CS). Desconectado: invisible para la red. Idle: se conoce la LA del terminal. Activo: se conoce la célula. 9 En Conmutación de paquetes (PS). Estados en Gestión de Movilidad de Paquetes (PMM) los mismos que en CS. Cambia el proceso de paso de un estado a otro Comunicaciones móviles digitales UMTS 62 Gestión de comunicación (CM). Gestión de conexión. En Conmutación de circuitos. Fase I. Se comprueban los números, el que llama y el que recibe la llamada, y se decide si deben aplicarse restricciones. Fase II. Necesidades y restricciones de enrutamiento según el número llamado. Criterios de tasación. Se establece la llamada. Fase III. Se liberan todos los recursos tras finalizar la llamada. 9 El control de llamada basa sus acciones según el tipo de llamada: Llamada normal (de voz), llamada de emergencia y llamada de datos. Gestión de sesión. En Conmutación de paquetes. Estado Inactivo. No es posible la transferencia de paquetes Información de enrutamiento ni válida. Estado Activo. Puede efectuarse transferencia de paquetes, la información de enrutamiento está definida. 9 Los atributos relacionados con una sesión de paquetes de datos son gestionados como contexto PDP, definido en el UE y el GGSN. Comunicaciones móviles digitales UMTS 63 Tasación. Varios tipos. Basada en el tiempo. Basada en el volumen de datos. Basada en el QoS. Nuevos requerimientos. Información detallada acerca de cada paso de la llamada. Mayor control del fraude en la comunicación entre redes. Control del coste del servicio por parte del abonado (prepago y postpago). Facturación desglosada lo máximo posible. Registro Detallado de Llamada (CDR). 9 Datos relacionados con los recursos utilizados en la transferencia: Número destinatario de la llamada, identidad del terminal, parámetros de QoS, recursos 3G empleados... 9 Cada CDR debe disponer de una identidad única a fin de poder ser identificado durante un periodo de al menos 3 meses. Dependerá de las exigencias gubernamentales. Comunicaciones móviles digitales UMTS 64 Seguridad en UMTS. Seguridad de acceso a la red. Autenticación de los usuarios finales del sistema. Confidencialidad de las transmisiones de datos y llamadas de voz. Privacidad de la localización del usuario. Disponibilidad del acceso a la red. Fiabilidad del funcionamiento de la red a través de la integridad de la señalización de la red de radio. Autenticación mutua 9 Red Servidora (SN) comprueba la identidad del usuario mediante interrogación y respuesta. 9 El terminal de usuario también comprueba que el SN posee autorización de la red local para realizar la comprobación de seguridad. Clave maestra K de 128 bits. conocida por la USIM y la la red local. Se utilizan derivaciones de ella, con idéntica longitud, en cada autenticación. Claves temporales CK e IK, incluidas en el vector de autenticación, siendo transmitidas al RNC al comenzar las operaciones de encriptado e integridad. Identidades temporales. TMSI en CS, o P-TMSI en el PS. Comunicaciones móviles digitales UMTS 65 Seguridad en UMTS. Encriptado. 9 En el terminal de usuario y en el RNC por parte de la red. 9 Algoritmo único que requiere la clave de cifrado CK, transmitida en un mensaje RANAP denominado comando de modo seguro. Protección de la integridad de la señalización RRC. 9 Autenticar los mensajes individuales de control, permitiendo asegurar las identidades de los participantes en la comunicación. 9 Se emplea una clave de integridad IK, transferida al RNC. Seguridad a nivel de sistema y de red. La seguridad en la versión 99 de UMTS es muy similar a GSM, en donde los datos de autenticación se transmiten sin proteger entre las distintas redes. En sucesivas versiones, evolución hacia IP --> IPSEC para el tráfico del dominio de red, y el MAPSEC para la seguridad de redes basadas en SS7. Intercepción legal. 9 Proporcionar a las autoridades la monitorización de llamadas y el tráfico de información. Equipo de intercepción y filtrado de información. Comunicaciones móviles digitales UMTS 66 Planificación radio en UMTS. Objetivo. 9 Despliegue y características radio de los Nodos B para un QoS: Número, emplazamientos, configuración y posibilidad de crecimiento. Proceso. Capacidad: depende del tipo, volumen y distribución geográfica del tráfico. Cobertura: depende del tipo de zona y del tipo de célula a utilizar. 9 Para el modo TDD parecido a GSM: Interiores y zonas localizadas --> características específicas del entorno. 9 Para FDD (WCDMA): Cobertura está relacionada con la capacidad (depende del número de usuarios simultáneos en la célula). Margen de interferencia = Incremento de ruido (Noise Rise) 9 Modelos de predicción Pérdidas de propagación y fenómenos de desvanecimiento. Modelos de tráfico para los distintos tipos de usuarios y servicios. Modelos de movilidad, entre distintos tipos de entornos y modos. 9 Cálculo de los balances de enlace y factor de carga. Comunicaciones móviles digitales UMTS 67 Planificación radio en UMTS. Datos Iniciales Asumir carga UL Capacidad UL Cobertura UL Número de BS por Capacidad Número de BS por Cobertura ¿Balanceado? NO Planificación Nominal Cobertura/Capacidad para el DL ¿Balanceado? NO Comunicaciones móviles digitales UMTS 68 Capacidad celular. Respiración de células en WCDMA (Breathing Cells) 9 GSM Cobertura y capacidad son prácticamente independientes. Diseño de la red para niveles de cobertura, y calculo canales para capacidad. Red para capacidad y determinar potencias para cobertura. 9 UMTS Cobertura y capacidad, y tráfico cursado (volumen y tipo de tráfico), se encuentran estrechamente vinculados. Capacidad depende de S/N El ruido por interferencia de: Otras células Otros usuarios de la célula Si el tráfico crece, (usuarios) Aumenta ruido Disminuye S/N Disminuye la cobertura. Comunicaciones móviles digitales UMTS 69 Capacidad celular. Enlace ascendente 9 Requerimientos de calidad del servicio i para la conexión k: ⎛ W ⎜⎜ ⎝ υik Rik ⎞⎛ Pik ⎟⎟⎜⎜ ⎠⎝ I Total − Pik ⎞ ⎟⎟ ≥ (Eb N 0 )ik ⎠ i : 1...S ; k :1...Ki Ki: Número total de conexiones del servicio i; S: Número de servicios. W: Tasa de chip, 3.84 Mchips. νi,k: Factor de actividad de la conexión k del servicio i. (voz: 0,67; datos:1) Ri,k: Velocidad binaria de la conexión k del servicio i. (12.2, 144, 384 Kb/s) Pi,k: Potencia de la señal recibida de la conexión k del servicio i. ITotal: Interferencia total presente en el sistema. (Iint + Iext + N) (Eb/No)i,k: valor mínimo en recepción para la conexión k del servicio i. 9 La potencia recibida de una conexión para el límite de calidad: Pi ,k = 1 I total Wi ,k 1+ υik Rik (Eb N 0 )ik Comunicaciones móviles digitales UMTS 70 Capacidad celular. Enlace ascendente 9 El factor de carga (para la conexión k del servicio i): Pi , k = Li , k ·I Total Li , k 1 = Wi , k 1+ υik Rik (Eb N 0 )ik 9 Factor de carga total: Suma todas las conexiones de todos los servicios: Considerando la interferencia de las células vecinas: fUL= Iext/Iint Omnidireccional ~ 0.93, sectorizado ~ 0.55) Señal deseada Interferencia intracelular Interferencia intercelular S K ηUL = (1 + fUL )∑∑ Li ,k k =1 k =1 El factor de carga, indica la cantidad de tráfico que puede soportar la estación base (Nodo B) Comunicaciones móviles digitales UMTS 71 Capacidad celular. Enlace ascendente 9 El factor de incremento de ruido (Noise Floor Rise): Relación entre la interferencia total y el ruido térmico. Max ηUL= 1 Æ polo (sistema inestable) La elección del valor es critica, influye en la capacidad y la cobertura. Valores entre 50 y 70 %. MI : 3 y 5,2 dB nR = I Total 1 = N 1 − ηUL MI = N R (dB ) =10·log 1 1 − ηUL Margen de interferencia MI: El factor de incremento de ruido en decibelios. Se utiliza en el balance del enlace para el calculo de la sensibilidad, un valor bajo, limita la capacidad del sistema y un valor alto puede limitar la cobertura. S (dBm) = − 174 + NF +10 log R (b / s ) + Eb + MI N0 9 Para relacionar el factor de carga y la intensidad de tráfico que podría cursarse para cada servicio con un cierto GOS debe emplearse la inversa de las distribuciones de bloqueo. Método de Viterbi Comunicaciones móviles digitales UMTS 72 Capacidad celular. Enlace descendente, características diferentes al ascendente: Un único transmisor, múltiples receptores. Reparto de potencia: Pi,1 La interferencia externa recibida por un móvil procede de las estaciones base de otras células. Pi,j Interferencia interna al no mantenerse la ortogonalidad de los códigos por multitrayecto. Factor de ortogonalidad, αi entre 0 y 1 (~0.4) Señal piloto para la sincronización de los móviles. Distribución de la potencia total de la BS entre el canal piloto y los de control (5-10 %) y los de tráfico, en función del número de usuarios β Al canal de tráfico de cada usuario se le asigna la potencia necesaria para asegurar la relación (Eb/No)i en el nivel deseado. El límite de capacidad se alcanza cuando el número de usuarios es tal que la potencia en la estación base es insuficiente para cumplir la Eb/N0 ⎛ (Eb N 0 )i = ⎜⎜ W ⎝ υi Ri Pi ,1 ·β ⎞⎛ ⎞ ⎟⎟⎜⎜ ⎟⎟ I I N + + ext ⎠⎝ int ⎠ β es la fracción de la potencia total asignada a los canales de tráfico. Comunicaciones móviles digitales UMTS 73 Capacidad celular. Enlace descendente: Interferencia interna para el usuario i-ésimo, factor de ortogonalidad, αi Señal deseada Interferencia intracelular Interferencia intercelular I int = (1 − α i )(1 − β )· pi1 Interferencia externa, señales recibidas por el usuario desde J estaciones base I ext = J J ∑ p =∑ p ij ij j =2 − pi1 = ( f i − 1)· pi1 j =1 La relación final y de aquí despejando la potencia que llega al móvil: ⎛ (Eb N 0 )i = ⎜⎜ W ⎝ υi Ri Pi1 = ⎞ ⎞⎛ pi1 ·β ⎟⎟ ⎟⎟⎜⎜ ⎠⎝ (1 − β )·(1 − α i ) pi1 + ( f DLi − 1) pi1 + N ⎠ N β (ki + 1 − α i ) − ( f DLi − α i ) W ν i Ri ⎞ ; con ki = ⎛⎜ Eb N 0 ⎟⎠ ⎝ Comunicaciones móviles digitales UMTS 74 Capacidad celular. Enlace descendente: El factor de incremento de ruido. nR , DLi = I total β ki = N β (ki + 1 − α i ) − ( f DLi − α i ) Factor de carga total: Realizando un proceso similar al del enlace ascendente ⎛ (Eb N 0 )i i =1 ⎝ W υ i Ri M η DL = ∑ ⎜⎜ ⎞ ⎛ ( f DLi − α i ) − β (1 − α i ) ⎞ ⎟⎟ ⎜⎜ ⎟⎟ β ⎠ ⎠⎝ El factor de carga medio se obtiene dividiendo el anterior por el numero M de usuarios. El margen de interferencia medio valdrá: MI 1 = − 10·log (1 − η DL ) La potencia media por usuario se podrá estimar mediante: P (dBm) = Lmedia − 174 + NF +10 log R (b / s ) + Comunicaciones móviles digitales Eb + MI N0 UMTS 75 Cobertura celular. En WCDMA, las potencias requeridas y por tanto los alcances, dependen del número de usuarios activos en la célula. En el despliegue inicial de la red, se diseñarán macrocélulas que irán disminuyendo su radio de cobertura según vaya aumentando la carga. 9 Balances del enlace. Parámetros: Tasa binaria, R. Factor de actividad vocal. Potencias de los UE (enlace ascendente) y Nodos B (descendente) Ganancia de las antenas en Tx y Rx, 0 dBi para UE y 18 dBi Nodo B (sector) Perdidas en cables y terminales, 0 dB en UE y varios en BS Factor de ruido. Nodos B: 2 dB con MHA, y 8 dB para UE. Factor de carga de la célula. Entre 50 % y 70 %. Margen interferencia Factor de ortogonalidad. Descendente. 0,4 Relación Eb/No objetivo. (BER<10-3 para voz y BER<10-6 para datos). Desviación típica del control de potencia: 2,4 dB, se suma al objetivo Eb/No Sensibilidad terminales. Margen log=normal. Perdidas indoor, cuerpo …. Ganancia por traspaso en continuidad. Ganancia por diversidad. Máxima atenuación compensable Î distancia de cobertura. Comunicaciones móviles digitales UMTS 76 Cobertura celular. Enlace ascendente. (suele estar limitado en cobertura) PIRE (dBm) = PMS + GMS − α cuerpo 9 PIRE 9 Sensibilidad ⎛E ⎞ S (dBm) = − 174 + NF + 10 log Rbk + ⎜⎜ b ⎟⎟ + MI ⎝ N0 ⎠k 9 Máximas pérdidas compensables: Se obtienen diferentes valores para los distintos tipos de servicios. Se puede elegir el servicio mas restrictivo y el resto transmitirá con menor potencia AUL max =PIREMS − S BS + GBS + Gdiv + GSH − α pasivos − α otros ,indoor − ΔR − ΔL Enlace descendente. (suele estar limitado en capacidad) 9 PIRE 9 Sensibilidad PIRE (dBm) = PBS + GBS − α pasivos S (dBm) = − 174 + NF + 10 log Rbk 9 Máximas pérdidas compensables: ⎛ Eb ⎞ ⎟⎟ + MI + ⎜⎜ ⎝ N0 ⎠k ADL max =PIREBS − S MS + GMS + GSH − α otros − ΔR − ΔL Comunicaciones móviles digitales UMTS 77 Cobertura celular. Ejemplo de UL: Servicio vocal: 12,2 Kbit/s Transmisor (UE) Potencia Tx max Ganancia de antena UE Pérdidas cuerpo PIRE Receptor (BS) Ancho de banda Figura de ruido BS Potencia de ruido receptor Margen de Interferencia. 10log(NR) Potencia interferencia receptor Ganancia de Proceso Eb/N0 necesaria Sensibilidad del receptor Ganancia antena BS Pérdidas en cables Margen fading rápido Pérdidas Máximas 0.126 W 0.0 dBm 3.0 dB 18.0 dBm 3840000 Hz 5 dB -103.1 dBm 3.0 dB -100.1 dBm 25.0 dB 5.0 dB -120.1 dBm 18.0 dBi 2.0 dB 0.0 dB 154.1 dBm Probabilidad de cobertura Margen Fading Log-Normal Ganancia de Soft handover Pérdidas interiores-coche Exponente del modelo de propagación 95 % 7.0 dB 2.0 dB 0.0 dB 3.57 Cálculo del enlace (pérdidas célula) Radio de la Célula 149.1 dB 2.0 Km 21.0 dBm W NF N = Fn ·k·T·B (T = 293 K) η: Factor de carga: 50 %, NR = 1/(1- η) I = N + MI GP = 10·log (3840/12.2) C = Eb/N0 - GP + I Compensado por control de potencia Lmax = PIRE + GR -Lcab - MF + C Modelo Okumura-Hata Lp = 138.5 + 35.7 log (d) Comunicaciones móviles digitales UMTS 78 Ejemplo de cálculos de capacidad. Balances de Tráfico en zona Urbana para UMTS Servicio Voz Factor de carga 0,09 0,13 0,16 0,09 314.75 60 26,67 10 Error de control de potencia (dB) 2,5 2,5 2,5 1,5 Probabilidad de congestión 0,02 0,02 0,02 0,02 Eb/N0 objetivo (dB) 5,3 3,8 3,1 1,3 Factor de reutilización f 1,6 1,6 1,6 1,6 Función Q-1 2,05 2,05 2,05 2,05 Factor de actividad 0,4 1 1 1 K0 8,2 3,26 2,13 0,69 B 0,51 1,39 1,98 6,08 ϕc (corrección control de potencia) 1,18 1,18 1,18 1,06 F(B,σ) 0,35 0,22 0,17 0,1 Tráfico (E/sector) 4,46 0,45 0,22 0,04 Radio de la célula (Km) 0,6 0,6 0,6 0,6 Densidad de tráfico (E/Km2) 10 1 0,5 0,1 2,55 2,55 2,55 2,55 Ganancia de procesado Solapamiento de sectores Comunicaciones móviles digitales 64 kbps 144 kbps 384 kbps UMTS 79 Planificación celular. Balances de enlace para UMTS (f = 2000 MHz) Parámetro Servicio de Voz 12,2 kbps E. ascendente Potencia trasmitida al borde de cobertura (dBm) Servicio de datos 384 kbps E. descendente E. ascendente E. descendente 21 27,86 21 33,04 0 18-3 0 18-3 21 42,86 21 48,04 18-3 0 18-3 0 -174+2 -174+8 -174+2 -174+8 47,51 65 47,51 65 0 0,4 0 0,4 Margen de interferencia (dB) 2,8 1,32 2,8 1,32 Eb/N0 objetivo (dB) 5,3 7,9 1,3 1,1 Error de control de potencia (dB) 2,5 1,5 11,5 1,5 6,02 8,16 1,56 1,36 -122,32 -115,66 -111,8 -107,8 Ganancia de diversidad y SHO (dB) 5 2 5 2 Margen Log-Normal (dB) 8 8 8 8 3+15 3+15 15 15 137,32 134,52 129,8 134,52 0,95 1,3 0,6 1,3 Ganancia de la antena en TX- perdidas cables PIRE Ganancia de la antena en RX- perdidas cables Densidad de ruido (dBm/Hz)+Factor de ruido RX Factor de carga (%) Factor de ortogonalidad Eb/N0 efectiva (dB) Sensibilidad del receptor (dBm) Pérdidas cuerpo y penetración en edificios Máxima pérdida urbana (dB) Alcance máximo, Radio de la célula (Km) Altura de la Base: 25 m, Altura del móvil: 1,5 m Comunicaciones móviles digitales UMTS 80
