Servicios y stack de protocolos

SERVICIOS
Y PROTOCOLOS
Universal Mobile Telecommunications System
Claudio Avallone
[email protected]
IIE
14 de septiembre de 2011
1 / 70
Agenda
1
Servicios y Bearers
2
Canales Radio
Canales lógicos
Canales de transporte
Canales físicos
3
Protocolos
Protocolos de Red
Protocolos de Radio
4
Procedimientos básicos
5
Planificación en W-CDMA
2 / 70
Agenda
1
Servicios y Bearers
2
Canales Radio
Canales lógicos
Canales de transporte
Canales físicos
3
Protocolos
Protocolos de Red
Protocolos de Radio
4
Procedimientos básicos
5
Planificación en W-CDMA
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Servicios y Bearers
UMTS Bearer:
I
Servicio básico que ofrece la capacidad de transmisión
pura de señales entre el UE y el GGSN/GMSC.
I
Pueden ser clasificados en servicios CS o PS.
CS (Circuit Switched): voz y videollamadas.
PS (Packet Switched): datos.
I
La QoS de cada servicio puede ser negociada entre la
UTRAN y el Core
Tipo de tráfico, CBR o VBR, Maximum transfer delay, BER
objetivo, DataRate, etc.
4 / 70
Servicios y Bearers
RAB (Radio Access Bearer)
I
I
Provee transporte de señalización y datos entre el UE y el
CN correspondiente, con la apropiada QoS.
Se mapean en Iu Bearers y Radio Bearers.
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Servicios y Bearers
RB (Radio Bearers)
I
I
I
I
Servicios encargados de intercambiar información entre el
UE y la UTRAN, con una QoS pre-establecida.
Durante el transcurso de una llamada, estos parámetros de
QoS puden ser re-negociados.
Pueden ser clasificados en SRBs y TRBs.
SRB (Signalling Radio Bearers):
Intercambio de información de acceso entre UE y UTRAN.
Encaminamiento de información NAS (non-access stratum;
ej.:Location Update), cuyo destino final es el Core.
Tasas de 13.6Kbps (inicio de llamada) y 3.4Kbps.
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Servicios y Bearers
TRB (Traffic Radio Bearers)
I
I
I
Tráfico del usuario.
Un RAB puede mapearse a varios RBs.
Se definen 4 clases, según la QoS requerida:
Conversational: tráfico bidireccional y casi simétrico.
Utilizado para servicios de ’tiempo-real’: voz, video-llamada
PS Interactive: tráfico de paquetes asimétrico (navegación
web, etc), Más tolerante al delay que clase ’Conversational’.
PS Background: tráfico asimétrico de paquetes sin
restricciones de delay.
Streaming: tráfico muy asimétrico (ej.: videostreaming) con
requirementos para la variación del delay.
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Servicios y Bearers
Los Radio Bearers se mapean en canales lógicos, de transporte
y finalmente canales físicos.
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Agenda
1
Servicios y Bearers
2
Canales Radio
Canales lógicos
Canales de transporte
Canales físicos
3
Protocolos
Protocolos de Red
Protocolos de Radio
4
Procedimientos básicos
5
Planificación en W-CDMA
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Canales radio
En la UTRAN, los canales radio se definen en tres niveles
distintos:
I
Canales Lógicos.
I
Canales de Transporte.
I
Canales Físicos.
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Canales Lógicos
Definen el tipo de información a transmitir.
Se clasifican en canales de control y canales de tráfico.
Además, pueden ser canales dedicados o comunes.
BCCH Broadcast control channel (DL):
I
I
Información de control del sistema.
Información específica de la celda (ej.: CellID)
PCCH Paging control channel (DL):
I
Información de paging.
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Canales Lógicos
DCCH Dedicated control channel (UL/DL):
I
I
Información de control específica a un móvil en el contexto
de una llamada.
Ej.: Establecimiento del RB, envío de reportes, HOs, etc.
CCCH Common control channel (UL/DL):
I
I
Información de control común.
Ej: Acceso inicial, cell update, etc.
DTCH Dedicated Traffic channel (UL/DL):
I
Tráfico de datos de un UE en particular.
CTCH Common Traffic channel (DL):
I
Tráfico de datos a un grupo de UEs (ej.:SMS broadcast)
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Canales Lógicos
13 / 70
Canales de Transporte
Proveen funcionalidades adicionales, previo al pasaje de
la información a la capa física:
I
I
Flexibilidad en el envío de información, permitiendo
adaptarse a las variaciones del tráfico en general.
Multiplexación de varios canales de transporte a un mismo
canal físico.
Se permite la variación de datos a enviar en cada TTI
(Time Transmission Interval, TTImin = 10mseg).
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Canales de Transporte
Los canales lógicos de mapean en canales de transporte.
Se pueden dividir en canales comunes y dedicados.
BCH Broadcast channel (DL):
I
I
Utilizado para enviar el BCCH.
Transmitido a potencia alta, con un bitrate bajo y fijo (debe
de poder ser decodificado por todos los UEs en la celda).
PCH Paging channel (DL):
I
Utilizado para enviar el PCCH (mensajes de paging)
15 / 70
Canales de Transporte
FACH Forward Access channel (DL):
I
I
I
RACH Random Access channel (UL):
I
I
I
I
Es un canal común a todos los móviles de una celda.
Generalmente utilizado durante el acceso inicial, puede
llevar datos a tasas bajas.
Canal común a todos los móviles de una celda.
Utilizado durante el acceso inicial (riesgo de colisiones).
Se puede transmitir datos a tasas bajas.
DSCH Downlink Shared channel (DL):
I
I
I
Canal de transporte compartido por varios UEs.
Envío de información dedicada de control o datos.
Siempre se asocia a un DCH, el cual provee control de
potencia.
16 / 70
Canales de Transporte
CPCH Common Packet channel (UL):
I
I
I
Utilizado para enviar información de control y también
datos a ráfagas.
Al igual que el RACH, hay riesgo de colisiones en acceso.
Asociado a un DCH, el cual provee control de potencia.
DCH Dedicated channel (UL/DL):
I
I
I
Canal de transporte dedicado, utilizado para enviar tanto
control (DCCH) como datos (DTCH).
El bitrate sobre el canal debe variar para satisfacer las
distintas tasas requeridas (3.4kbps:384kbps).
Participa en el SHO y utiliza ’fast power control’ (lazo
interior a 1500Hz).
17 / 70
Canales de Transporte
Figura: Mapeo de canales comunes lógicos
18 / 70
Canales de Transporte
Figura: Mapeo de canales dedicados lógicos
19 / 70
Canales Físicos
Canales enviados directamente sobre la interfaz de radio.
Para una celda dada, son modulados simultáneamente en
frecuencia y tiempo, separados mediante códigos de SF
adecuado a la tasa.
Pueden clasificarse en canales:
I
Asociados con canales de transporte
Señalización de UTRAN (MM), señalización de Core (aut.)
Tráfico de usuario.
I
No asociados con canales de transporte
Señalización de capa física en general (canal piloto,
sincronización, etc).
20 / 70
Canales Físicos
No asociados a canales de transporte:
CPICH Common Pilot channel (DL):
I
I
I
Canal transmitido a tasa fija de 30Kbps.
Utilizado para obtener el Scrambling Code de la celda.
Utilizado como referencia para estimación del canal en el
UE (ej.: handover, cell selection).
PICH Page Indicator channel (DL):
I
Utilizado para indicar la presencia de mensaje de paging
en el PCH.
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Canales Físicos
SCH Synchronization channel (DL):
I
I
I
Consiste en 2 sub-canales: primario y secundario.
P-SCH : sincronización a nivel de slot.
S-SCH : sincronización a nivel de trama, obtención de
grupo de 8 scrambling codes.
AICH Acquisition Indicator channel (DL):
I
Utilizado en el acceso inicial, para reconocer solicitudes de
uso del P-RACH de un UE.
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Canales Físicos
Canales comunes asociados a canales de transporte:
P-CCPCH Primary Common Control channel (DL):
I
I
I
Canal transmitido a tasa fija de 30Kbps.
Utilizado para enviar el BCH.
Se transmite de forma constante y multiplexado (en tiempo)
con el SCH.
S-CCPCH Secondary Common Control channel (DL):
I
I
I
I
Canal transmitido a tasa fija de 30kbps.
Utilizado para enviar el FACH y PCH.
Dependiendo de la implementación, estos se pueden
mapear en canales distintos (varios S-CCPCHs).
Transmitido solo cuando hay información a enviar.
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Canales Físicos
PRACH Physical Random Access channel (UL):
I
Utilizado para enviar el RACH.
PDSCH Physical DL Shared channel (DL):
I
Utilizado para enviar el DSCH.
PCPCH Physical Common Packet channel (UL):
I
Utilizado para transmitir el CPCH.
24 / 70
Canales Físicos
Canales dedicados asociados a canales de transporte:
DPDCH Dedicated Physical Data channel (UL/DL):
I
I
Utilizado para enviar el DCH.
Se puede mapear uno o varios DCHs de un mismo UE.
DPCCH Dedicated Physical Control channel (DL):
I
Es un canal de control dedicado a nivel de capa física (ej.:
control de potencia lazo interior)
Downlink: DPDCH y DPCCH son multiplexados en el tiempo.
Uplink: DPDCH y DPCCH son multiplexados en I/Q.
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Canales Físicos
Figura: Mapeo de canales en downlink.
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Canales Físicos
Figura: Mapeo de canales en uplink.
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Agenda
1
Servicios y Bearers
2
Canales Radio
Canales lógicos
Canales de transporte
Canales físicos
3
Protocolos
Protocolos de Red
Protocolos de Radio
4
Procedimientos básicos
5
Planificación en W-CDMA
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Protocolos en la UTRAN
Se pueden clasificar en:
I
Protocolos Iu.
I
Protocolos de radio.
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Protocolos en la UTRAN
Protocolos Iu:
I
Intercambio de señalización y tráfico útil entre RNCs,
nodos B y el Core.
Protocolos de radio:
I
I
Procesamiento de la información enviada sobre la interfaz
de radio.
Señalización entre la UTRAN y los UEs.
Señalización NAS (Non Access Stratum)
I
I
Señalización entre el UE y el core, transparente para la
UTRAN.
Ej.: autenticación, IMSI attach/detach, localización, etc.
30 / 70
Protocolos Iu - Modelo General
El stack de protocolos Iu se divide en 2 capas
horizontales:
I
I
Radio Network Layer
Transport Network Layer
Esto brinda flexibilidad en la adopción de la tecnología de
transporte.
Durante este curso no abarcaremos el Transport Network Layer
31 / 70
Protocolos Iu - Modelo General
Radio Network Layer
I
Se puede dividir en 2 planos verticales
Control Plane
User Plane
I
I
Control Plane: Señalización entre elementos de la
UTRAN, o entre UTRAN y CN.
User Plane: Transmisión de datos del UE (RABs,
señalización NAS, etc..)
En particular, nos enfocaremos en los protocolos de
Control Plane.
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Protocolos Iu - RANAP
RANAP (Radio Access Network Application Part)
Señalización entre la UTRAN y el Core Network via
interfaces Iu-CS/PS).
Provee los siguientes servicios:
I
I
I
Control general de interfaz Iu-CS/PS.
Servicios de notificación.
Servicios de control dedicado de un UE.
33 / 70
Protocolos Iu - RANAP
Algunas de las funciones que se proveen sobre RANAP
son:
I
I
Manejo de sesiones.
Gestión de los RABs
Establecimiento, liberación, reconfiguración
I
I
I
I
Liberación de conexiones Iu
Relocalizaciones de Serving-RNC
Localización de móviles (pagings).
Forwardeo de mensajes NAS.
34 / 70
Protocolos Iu - NBAP
NBAP (Node B Application Part)
Señalización entre RNC y Nodos B via interfaz Iub.
Algunas de las funciones provistas son:
I
I
I
I
Establecimiento de Radio Links con los nodos.
Gestión de canales comunes de celdas asociadas al NB.
Gestión de recursos en general del NB.
Gestión de medidas y envío de reportes en el nodo B
Canales comunes (ej. UL RSSI)
Canales dedicados (ej. Tx Code Power)
I
I
Gestión del compressed mode.
etc..
35 / 70
Protocolos Iu - RNSAP
RNSAP (Radio Network Sub-system Application Part)
Señalización entre RNCs via interfaz Iur.
Durante una llamada, un RNC toma el control (S-RNC) y el
otro acúa como esclavo (D-RNC).
Provee los siguientes servicios:
I
I
I
I
I
Soporte de movilidad sobre la Iur.
Control de canales dedicados.
Control de canales comunes.
Localización de UEs
Gestión de recursos de radio.
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Protocolos Iu
37 / 70
Protocolos de Radio
Los protocolos radio forman parte del AS (Access Stratum).
Son responsables del intercambio de señalización y datos entre
el UE y la UTRAN, via interfaz Uu.
Se pueden organizar en un stack de 3 capas:
I Capa de red: RRC (entre el RNC y el UE)
I
Capa de enlace: RLC y MAC (entre el RNC y el UE)
I
Capa física: W-CDMA (entre Nodo B y UE)
38 / 70
Protocolos de Radio
Existen dos planos verticales: User y Control Plane.
El protocolo RRC es el único que no existe en contexto del
U-plane.
Dependiendo del servicio, pueden existir además dos
protocolos adicionales en la capa de enlace: PDCP y BMC.
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Protocolos de Radio
Figura: Stack de protocolos Radio
40 / 70
Protocolos de Radio - RRC
RRC (Radio Resource Control)
Es el ’cerebro’ del stack de protocolos radio.
Pertenece al C-Plane.
Provee los siguientes servicios:
I
I
I
Control Dedicado de recursos.
Notificación (pagings)
Control General (broadcast de info.)
41 / 70
Protocolos de Radio - RRC
Mediante los Control SAP (Service Access Points) controla
la configuración de las capas inferiores.
Implementa las siguientes funciones:
I
Gestión de la llamada
Establecimiento/liberación de conexión RRC (acceso
inicial/corte).
Establecimiento, reconfiguración y liberación de RBs.
Reconfiguración de canales físicos y de transporte.
I
Gestión de movilidad (Radio MM)
Handover (soft y hard)
Selección inicial y re-selección de celda.
Procedimiento de paging.
I
I
I
Control de mediciones y reportes.
Control del lazo exterior de control de potencia.
Broadcast de información del sistema.
42 / 70
Protocolos de Radio - RRC
Figura: Radio Resource Control.
43 / 70
Protocolos de Radio - RLC
RLC (Radio Link Control)
Pertenece a la ’parte superior’ de la capa de enlace.
Tiene instancias en el C-Plane y U-Plane.
Controla la transmisión de los paquetes sobre la interfaz
de radio.
I
Segmentación, buffering y retransmisiones, etc.
Existe una sola conexión RLC por Radio Bearer.
44 / 70
Protocolos de Radio - RLC
Provee tres tipos de servicios:
I
TM (Transparent Mode)
Poco procesamiento a nivel de RLC.
Segmentación de SDUs (service data units)
I
UM (Unacknowledged Mode)
Segmentación de SDUs
Concatenación, padding
Cifrado, chequeo de número de secuencia (detección de
errores)
I
AM (Acknowledged Mode)
Segmentación de SDUs
Concatenación, padding, cifrado
Detección de duplicados, entrega de PDUs ’en-secuencia’
Control de flujos
ARQ (Automatic Repeat Request)
También se utilizan además para transmitir datos del usuario.
45 / 70
Protocolos de Radio - RLC
El protocolo RLC realiza el mapeo de los Radio Bearers
(C-Plane/U-Plane) en canales lógicos (control/tráfico).
Figura: Radio Link Control.
46 / 70
Protocolos de Radio - MAC
MAC (Medium Access Control)
Pertenece a la ’parte inferior’ de la capa de enlace.
Tiene instancias en el C-Plane y U-Plane.
Su función es proveer flexibilidad en la transferencia de
datos.
Provee los siguientes servicios:
I
I
I
Transferencia de datos.
Relocalización de recursos radio disponibles.
Reporte de medidas a la capa RRC.
47 / 70
Protocolos de Radio - MAC
Algunas de las funciones que implementa son:
I
I
I
I
I
I
Transferencia de datos del UE.
Mapeo entre canales lógicos y de transporte.
Multiplexación de canales lógicos (cuando requieren
misma QoS).
Selección del TF (Transpor Format)
Manejo de prioridades (entre flujos de un UE, entre UEs).
En el caso de RLC-TM, se provee cifrado.
48 / 70
Protocolos de Radio - MAC
Figura: Medium Access Control.
49 / 70
Protocolos de Radio - PHY
PHY (Physical Layer)
Tiene instancias en el C-Plane y U-Plane.
Provee multiplexación y modulación en RF utilizando W-CDMA.
Algunas de las funciones implementadas son:
I Multiplexación de canales de transporte (aún con distinta
QoS).
I Mapeo de canales de transporte en canales físicos.
I Spreading/despreading, modulación/demodulación de
canales físicos, etc.
I Realización de medidas y notificación a capas superiores.
I Control de potencia por lazo interior y lazo abierto.
I Ejecución del SHO, frame-selection/combininig en
situaciones de macrodiversidad..
50 / 70
Protocolos de Radio - PHY
Figura: Physical Layer.
51 / 70
Protocolos de Radio
Mapeo de RBs en canales de radio.
52 / 70
Agenda
1
Servicios y Bearers
2
Canales Radio
Canales lógicos
Canales de transporte
Canales físicos
3
Protocolos
Protocolos de Red
Protocolos de Radio
4
Procedimientos básicos
5
Planificación en W-CDMA
53 / 70
Estados del UE
Dettached
I La UTRAN no tiene conocimiento del estado, identidad ni
ubicación del móvil
I El UE solo tiene acceso a llamadas de emergencia.
Idle
I
I
I
El usuario ha sido autenticado a nivel de PLMN.
La UTRAN conoce de la ubicación del UE a nivel de LA.
El UE re-selecciona la mejor celda dado su ubicación.
54 / 70
Estados del UE
Connected
I
I
I
La UTRAN tiene conocimiento a nivel de celda de la
ubicación del UE.
En este modo, el UE solicita utilizar servicios con recursos
dedicados.
También se usa para notificar a la UTRAN de cambios de
LA, así como para el attachment inicial.
55 / 70
1. Selección inicial de celda
Al encender el móvil, el primer paso es seleccionar la
celda.
I
I
I
I
Búsqueda de canales P-SCH y adquisición de
sincronización a nivel de slot.
Adquisición de sincronización a nivel de trama (S-SCH).
Adquisición del SC, desde el canal P-CPICH de la celda.
Decodificación de información de la celda (BCH).
La UTRAN aún no tiene información sobre este UE (IMSI,
ubicación, etc)
El UE no puede intercambiar datos con la UTRAN.
Es necesario disparar el procedimiento de attachment.
56 / 70
2. Attachment
Para intercmbiar de cualquier tipo de datos con la UTRAN,
el UE debe establecer una conexión RRC.
La información a enviar es básicamente:
I
I
I
LA (location area)
RA (routing area, localizador para PS)
IMSI
La entidad encargada de validar el attachment es el CN (NAS)
57 / 70
3. Re-selección de celda
Luego de validado el attachment, el móvil decide si hacer
uso o no de los servicios provistos.
Si la respuesta es no, el UE:
I
I
I
Libera la conexión RRC y vuelve a Idle.
Re-selección de la mejor celda comparando los valores de
RSCP y Ec/Io medidos en el C-PICH.
Cada vez que cambia de LA/RA, debe comunicárselo al
Core (LAU/RAU).
58 / 70
4. Conexión RRC (1/2)
Es necesario establecer una conexión RRC cada vez que
el UE quiere interacambiar datos con la UTRAN/CN
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4. Conexión RRC (2/2)
1. Identificación del UE (ej.TMSI) y causa de establecimiento
(ej.:conversational, etc)
2. El RNC decide sobre cual canal de transporte establecer la
llamada (DCH, RACH/FACH).
3. Se configura un RL entre el RNC y el nodoB correspondiente:
I NBAP: envío de UE SC, info de control de potencia, etc.
I Se setea la conexión de transporte via Iub.
4. Se envía al UE la configuración de canales lógicos, de
transporte y físicos.
5. Dependiendo del canal de transporte seleccionado, el
mensaje de RRC-Complete puede ir via RACH o DCH.
60 / 70
5. Establecimiento del RAB (1/2)
Luego de establecida la conexión RRC, se debe establecer el
RAB con el CN.
RAB = Iu Bearer + Radio Bearer (TRB+SRB).
61 / 70
5. Establecimiento del RAB (2/2)
1. RANAP: Solicitud de establecimiento del RAB desde el CN
(bitrate, etc)
2. Establecimiento del Iu Bearer
3. Re-configuración del RL establecido al comienzo
I Procedimiento similar al seteo inicial del RL
I Se reconfigura la instancia de C-P (SRB) y se setea una
nueva en U-P (TRB).
4, 5. Solicitud del setup del RB (FACH/RACH o DCH)
6 RANAP: Repuesta al CN sobre la solicitud del RAB.
Luego del setup del RAB, el UE pude comenzar a traficar datos.
62 / 70
Agenda
1
Servicios y Bearers
2
Canales Radio
Canales lógicos
Canales de transporte
Canales físicos
3
Protocolos
Protocolos de Red
Protocolos de Radio
4
Procedimientos básicos
5
Planificación en W-CDMA
63 / 70
Planificación
En sistemas FDMA/TDMA (ej: GSM), celdas vecinas no
pueden utilizar la misma frecuencia o TS.
Hay que examinar donde colocar los transmisores.
Esquema de reutilización de frecuencias → se dificulta la
planificación.
64 / 70
Planificación
En W-CDMA el espectro y el tiempo es compartido entre celdas
permanentemente.
Solo cambian los códigos a utilizar.
Existen 512 SCs primarios disponibles → se simplifica la
planificación.
65 / 70
Cobertura vs. Polución de pilotos
La formas más sencillas de ampliar la cobertura en DL de una
celda son:
I Aumentar la potencia del amplificador.
I Disminuir el tilt del sector.
I Cambiar la antena por una de mayor directividad.
Sin embargo, como ya vimos las señales de distintas celdas son
’no ortogonales’ por construcción → interferencia inter-celda.
En las áreas de borde, la interferencia puede llegar a ser muy
grande comparado con el nivel de señal de la celda.
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Cobertura vs. Polución de pilotos
Polución de pilotos
I Ocurre cuando las señales recibidas desde distintas celdas
no son suficientemente fuertes frente al nivel de
interferencia total.
Es necesario incrementar los niveles de Ec/Io en el área de
borde.
Soluciones típicas:
I Elección de antenas de menor apertura.
I Tilteado de antenas.
I Tuneo de potencia de trasnmisión del CPICH.
Adicionalmente, se puede utilizar SSDT durante el SHO (las
celdas ’no primarias’ apagan sus DPDCHs)
67 / 70
Cobertura vs. Cell Breathing
La forma intuitivamente más sencilla de mejorar la calidad en UL
para un UE es permitirle transmitir a mayor potencia.
Esto contribuye a aumentar el nivel de interferencia total en UL,
en el nodo B.
Por tanto, el radio de cobertura (UL) de la celda se reduce →
Cell Breathing.
La capacidad de la celda también se ve reducida.
68 / 70
Cobertura vs. Cell Breathing
Adicionalmente, con cada nuevo usuario la inteferencia
total aumenta.
El nivel de interferencia en UL es uno de los principales
limitantes en cuanto a la capacidad del sistema.
Se debe también planificar teniendo en cuenta las
fluctuaciones de cobertura.
69 / 70
Referencias
Introduction to 3G mobile communications. Juha
Korhonen. Artech House. ISBN 1-58053-287.
3GPP TS 25.301 “Radio Interface Protocol Architecture"
3GPP TS 25.331 “RRC Protocol"
3GPP TS 25.322 “RLC Protocol"
3GPP TS 25.321 “MAC Protocol"
3GPP TS 25.304 “UE proc. in Idle Mode"
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