FACULTAD DE INGENIERÍA ENSENADA MYDCI - POSGRADO EN TELEMATICA TAREA # 1 VILLALPANDO PÉREZ MONICA

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1 UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE BAJA CALIFORNIA FACULTAD DE INGENIERÍA ENSENADA POSGRADO EN TELEMATICA TAREA # 1 SURVEY DE EDGE, GPRS Y UMTS LARA GARCIA HECTOR MANUEL MUÑOZ ORTIZ JOSE RAFAEL VILLALPANDO PÉREZ MONICA MYDCI - POSGRADO EN TELEMATICA COMUNICACIONES MOVILES Y SUS APLICACIONES DR. JUAN IVAN NIETO HIPOLITO ENSENADA, BAJA CALIFORNIA 27 DE FEBRERO DEL 2007

2 INTRODUCCIÓN. Survey de GPRS, EDGE y UMTS En 1991, el típico usuario de red de datos usaba alrededor de un megabyte por mes. En 1999 eso se incrementó dramáticamente a 200 megabytes por mes. Las redes inalámbricas están empezando a crecer a ese mismo ritmo con altas tasas de velocidad, bajo costo y la ubicuidad que ofrecen los dispositivos móviles. UMTS viene a solucionar las demandas de crecimiento de las redes inalámbricas, dando la oportunidad de tener acceso a servicios de datos de alta velocidad (hasta 2mb/s) a mas de 75 millones de usuarios en el Los Sistemas 3G tienen la intención de proveer movilidad global con un amplio rango de servicios en los cuales se incluye telefonía, mensajes, internet y datos de banda ancha. La Union Internacional de Telecomunicaciones (International Telecommunication Union, ITU) empezó el proceso de definir el estándar de los sistemas de tercera generación, nombrados como International Mobile Telecommunications 2000 (IMT-2000). En Europa, la ETSI (European Telecommunications Standars Institute) fue el responsible del proceso de estandarización de UMTS. En 1998 la 3GPP (Third Generation Partnership Project) fue formada para continuar con el trabajo de especificación técnica. El objetivo de UMTS es el de unificar tecnologías, proveyendo al usuario movilidad y acceso a los servicios de varios proveedores de manera transparente sin que esto afecte a la calidad del servicio esperada. Figura 1. Unificación de los servicios en UMTS Page 1

3 SERVICIOS DE LA RED UMTS Estos se pueden clasificar de acuerdo a la calidad de servicio que deben proporcionar para un tipo de tráfico específico. Tipo de trafico Conversacional Real Time Streaming Real Time Interactivo Mejor Esfuerzo De Fondo Mejor Esfuerzo Características Fundamentales - Preservar la relación del tiempo (variación) del flujo entre las entidades de información- -Patrones conversacionales (riguroso y de bajo retardo) - Preservar la relación del tiempo (variación) del flujo entre las entidades de información - Patrón de petición de respuesta -Preservar el contenido de la carga útil -El destino no espera el dato en un cierto tiempo - Preservar el contenido de la carga útil Ejemplo Voz Streaming video Navegación web s, telemetría Tabla 1. Lista de servicios de la red UMTS de acuerdo al tipo de trafico Page 2

4 ARQUITECTURA UMTS Consiste en tres dominios: Core Network (CN) o núcleo de la red, UMTS Terrestrial Radio Acess Network (UTRAN) o Red terrestre de acceso de radio UMTS y User Equipment (UE) o Equipo de Usuario. Figura 2. Arquitectura de UMT La función principal del CN es proveer de conmutación, ruteo y transito del trafico del usuario. CN contiene también las bases de datos y las funciones de gestión de red. La arquitectura básica de UMTS está basada en la red GSM y la GPRS. Todos los equipos tienen que ser modificados para la operación y servicios de UMTS. UTRAN provee la interfaz del método de acceso por aire del equipo del UE. La estación base y el equipo de control para este nodo es llamado Radio Network Controller (RNC) o Controlador de la Red de Radio. UMTS no restringe la funcionalidad del UE, por lo que el equipo del usuario podrá ser funcional en todo momento. Page 3

5 UMTS ha crecido significativamente desde su salida al mercado (ver Figura siguiente), desde sus primeras versiones (releases) empezando a mediados de 1999 (Rel-99) más las mejoras implementadas en el 2002 (Rel-5, HSDPA) y una mejor definición en el 2006 (Rel-6). Esto ha generado que usuarios de tecnología móvil se vean beneficiados por la gama de servicios ofrecidos por distintos proveedores que han ido creciendo debido a la demanda de servicios por parte de los usuarios. Figura 3. Línea del tiempo de 3GPP UMTS HISTORIA DE LAS VERSIONES (RELEASES) DE UMTS Release 99: Completada. La primera versión implementada de UMTS. Mejoras a datos GSM (EDGE). La mayoría de las nuevas implementaciones están basadas en esta versión. Provee soporte para GSM/EDGE/GPRS/WCDMA. Release 4: Completada. Soporte para mensajes multimedia. Interconexión eficiente a la infraestructura del núcleo de la red sobre troncales de red IP. Release 5: Completada. HSDPA (High Speed Data Packet Access) y la primer fase de IMS (IP Multimedia Subsystem). Más de la tercera parte de UMTS ya incluye HSDPA Release 6: Completada. Incluye HSUPA, mejoras en el soporte de multimedia a través de servicios broadcast/multicast (MBMS), especificaciones de desempeño para receptores avanzados, opción de integración WLAN, y la segunda fase de IMS. Release 7: En desarrollo. Provee mejoras en la funcionalidad de datos GSM. También incluye una más fina afinación y mejoras incrementadas sobre características de versiones anteriores. El resultado será en mejoras de desempeño, mejora en la eficiencia del espectro, incremento de la capacidad, y mejor resistencia a la interferencia. Provee optimizaciones de VoIP sobre HSPA Page 4

6 ASPECTOS TECNICOS DE UMTS Estándar: Voz (speech): Taza de transferencia de datos: Codificación Modulación Acceso múltiple Banda de frecuencias Wideband Code Division Multiple Access (W-CDMA) Time Division Code Division Multiple Access (TDCDMA) High quality speech using low bit rates Macro cell kbps in rural with max. speed of 500 km/h Micro cell kbps in suburban with max. speed of 120 km/h Pico cell - 2Mbps with max. speed of 10 km/h Forward error correction coding Convolutional coding (rate 1/2 or 1/3) with block interleaving Optional outer Reed-Solomon Coding (rate 4/5) Service specific coding - Turbo coding Quadrature Phase Shift Keying (QPSK) with Root-raised cosine pulse shaping filters (roll off = 0.22) Direct Sequence CDMA Orthogonal Variable Rate Spreading Factor Codes (OVSF) Spreading factors from to match different user bit rates Uplink Downlink Carrier spacing Chip rate Information bandwidth Duplex - FDD/TDD MHz MHz MHz 3.84 Mchips/s 8 kbps - 2 Mbps Intervalo de tramas 10 ms Espacios de tiempo por trama 16 Page 5

7 CONMUTACION DE CIRCUITOS Este tipo de conmutación se encarga de establecer una comunicación creando un canal dedicado (o circuito) durante la duración de una sesión o llamada en cuestiones de telefonía. Después de que es terminada la sesión o llamada se libera el canal y se pone en espera a que otra comunicación ocupe el canal. Como se menciono anteriormente, el ejemplo más típico de este tipo de redes, es el sistema telefónico (Que actualmente funciona con la conmutación de circuitos) la cual enlaza segmentos de cable para crear una trayectoria única durante la llamada telefónica. Los sistemas de conmutación de circuitos son ideales para comunicaciones que requieren que los datos o información sean transmitidos en tiempo real. Las técnicas de acceso al medio existentes para este tipo de conmutación son TDMA (Time Division Multiple Access) y FDMA (Frequency Division Multiple Access) FDMA divide un canal de transmisión base en varios grupos (2, 4, 8, etc.) los cuales siempre van a estar disponibles para que los usuarios transmitan (Figura 1) a gran desventaja de este método es que si el número de usuarios que está utilizando el radio es menor que la cantidad de canales existe un gran desperdicio del ancho de banda. Figura 1, Fuente Con lo que respecta a TDMA, en esta se le asigna un determinado tiempo para transmitir a un usuario (Figura 2), si hay más de un usuario, primero transmite uno por un determinado tiempo, y después los siguientes usuarios. Esta técnica permite que los usuarios utilicen todo el ancho de banda del canal. Page 6

8 Figura 2, Fuente CONMUTACION DE PAQUETES En estos tipos de acceso al medio, la información o datos a ser transmitidos, se ensambla en pequeños paquetes antes de ser enviada. Cada paquete que se ensamblo es enviado por la red en diferentes rutas hasta llegar a su destino. Una vez que los paquetes llegan a su destino, los paquetes son otra vez reensamblados. Una de las técnicas de acceso al medio utilizadas para este tipo de sistema es CDMA (Code Division Multiple Access). CDMA tiene la filosofía de todos transmiten a la vez (Figura 3), con el mismo ancho de banda, y esto lo logran por medio de codificación, es decir, cada elemento de la red tiene su propia dirección la cual le indica si el dato va dirigido hacia él. Figura 3, Fuente Page 7

9 GPRS La tercera generación de telefonía móvil (3G) con el sistema IMT-2000 promete grandes ventajas en lo que es la telefonía móvil. Pero IMT-2000 tardará en llegar a México. Actualmente, en México, como en gran parte de América, se encuentran en la generación 2.5 con la tecnología GPRS (General Packet Radio Services), la cual es una mejora de la tecnología GSM y que tiene el fin de brincar más fácilmente a la tercera generación de telefonía celular con UMTS/IMT GPRS proporciona altas velocidades de transferencia de datos (especialmente útil para conectar a Internet) y se utiliza en las redes GSM. Lo que realizo esta tecnología (para cambiar de GSM a GPRS) es sólo la modificación de la forma de transmitir datos en una red GSM, pasando de la conmutación de circuitos de GSM (donde el circuito está permanentemente reservado mientras dure la comunicación aunque no se envíe información en un momento dado) a la conmutación de paquetes. Esto beneficia a las telefonías celulares en la forma de que es más sencillo migrar de la tecnología GPRS a la tercera generación de telefonía celular que hacerlo directamente de GSM a una tercera generación, ya que las antenas (la parte más cara de una red de Telecomunicaciones móviles) sufren sólo ligeros cambios y los elementos nuevos de red necesarios para GPRS son compatibles con la red UMTS/IMT El principal problema que tiene GSM, y que motivo al surgimiento de una nueva tecnología, es que para acceder a servicios de Internet se debe realizar antes una llamada al proveedor de Internet para que abra una conexión. Es decir, se ocupa un enlace o canal exclusivo para la comunicación, y en consecuencia se cobra una llamada. Además la velocidad máxima de conexión que se consigue es de 9'6 Kb/s. GPRS, por su parte, permite la conexión permanente a Internet, sin necesidad de efectuar una llamada al proveedor telefónico. Simplemente se abre y en ese momento se conecta. Ofrece una transmisión de datos más rápida que GSM (de 9,6 Kbits a 115 Kbits) por medio de esta red. Este estándar, opera en las frecuencias que está entre los 900 y 1800 MHz VENTAJAS DE GPRS Uno de los beneficios principales de GPRS es que reserva los recursos de radio sólo cuando existen datos para enviar y reduce la dependencia en los elementos de red activados por circuitos tradicionales (CDMA). Page 8

10 Otras ventajas de GPRS son las siguientes: Tiene la misma funcionalidad en voz que GSM Permite comunicaciones de voz y datos simultáneos El despliegue de GPRS puede servir en parte para actualizar después la red a UMTS Anchos de banda de las tecnologías celulares: ANCHO DE BANDA Generación Tecnología Velocidad Teórica Velocidad Actual 2G GSM 14.4 kbps kbps HSCSD 36.6 kbps 20 kbps PHS & PDC 64 kbps kbps CDMA 64 kbps kbps 2.5G GPRS 115 kbps 25 kbps 2.75G EDGE 384 kbps 36 kbps 3G UMTS 2 Mbps 40 kbps 4G OFDM Mbps No disponible ASPECTOS TECNICOS DE GPRS Taza de datos: Máximo de kbps Codificación de Canal: Codificación fuera de bloque Codificación Convolutional Interna Interpolación del esquema para las explosiones de error Modulación: GMSK (Gaussian Minimum Shift Keying) Page 9

11 Acceso Múltiple: Una combinación de TDMA & FDMA Bandas de Transmisión de Frecuencias: Separación Dúplex Mobile station Base station Espaciamiento del portador del RF Uplink Downlink Reverse ch MHz Forward ch MHz 45 MHz 200 khz Numero total canals duplex de RF 124 Numero de Slots en cada portador TDMA 8 Asignación de canal Un intervalo de Tiempo (Physical channel) Intervalo del Frame Tráfico asimétrico de los datos Frecuencia Esperada Ecualizador 1 to 8 time slots per TDMA ms ms diversos intervalos de tiempo para Uplink y el downlink 217 hops/s (slow) 16 µs time dispersión Conectividad Nodos Extras Gateway GPRS Support Node (GGSN) and Serving GPRS Support Node (SGSN) Red de conmutación de paquetes de datos como IP y X.25 Page 10

12 EDGE EDGE (Enhanced Data rates for Global Evolution) por sus siglas en ingles, Es una mejora y evolución del GSM, EDGE provee hasta 3 veces la capacidad del GPRS como se muestra en la Figura 1, usándolo los operadores pueden soportar tres veces mas suscriptores que con GPRS. Con lo cual se triplica la taza de datos por suscriptor o agrega extra capacidad a su comunicación de voz. Figura 1 EDGE usa la misma estructura TDMA (Time Division Multiple Access), un canal lógico y 200kHz de ancho de banda de la portadora, como se utiliza actualmente en las redes GSM, lo que permite ser montada sobre las redes existentes GSM. Para muchas redes GSM/GPRS existentes, EDGE no es más que una actualización de software. EDGE es clasificada como una tecnología 2.75G y se considera como evolución del GPRS EDGE es un método para incrementar las tazas de datos en el enlace de radio para el GSM. Básicamente, EDGE introduce solamente una nueva técnica de la modulación y una nueva codificación del canal que se puedan utilizar para transmitir ambos conmutación de paquetes y con conmutación de circuitos y servicios de voz y datos. EDGE es por lo tanto una agregación a GPRS y no puede trabajar solamente. EDGE permite la entrega de servicios avanzados móviles tales como: la descarga de video, video clips musicales y mensajes multimedia, acceso rápido a internet y . El costo de su implementación sobre las redes GSM es relativamente bajo, nos deja ver que las futuras versiones de GSM tendrán soporte para EDGE, y que este solo es un paso para llegar a la implementación del UMTS. Page 11

13 EDGE provee servicios de datos de Alta-Capacidad en miras de avanzar hacia UMTS EDGE proporciona las capacidades medias de los datos para el sweet spot, de aproximadamente 100kbps, habilitando varias aplicaciones orientadas a comunicación. EDGE se ha probado en el campo como solución rentable y ahora es una tecnología madura EDGE es muy eficiente espectralmente, le permite a los operadores dar mas soporte de voz y datos a los usuarios con el espectro existente. Los operadores pueden mantener sus redes de EDGE como un servicio complementario que ofrecen, incluso si ellos despliegan UMTS/HSPA EDGE proporciona un servicio rentable de banda amplia que ofrece continuidad y que sea complementario con una red de UMTS/HSDPA desplegada en altas áreas de tráfico El rendimiento habilitado por EDGE percibido por el usuario final es suficientemente bueno para hacer atractivo cualquier servicio disponible hoy en día Tabla 1. Esto incluye correo electrónico, navegación web, descarga de música y TV móvil. Aplicaciones Beneficio con EDGE Navegación Web Navegación significativamente rápida para todos los datos de usuarios. Mensajes Interacción más rápida, un buen ambiente para el chat. Correos Electrónicos Sincronización de cuentas de correo significativamente rápido. Push-to-Talk Implementación mejorada de calidad y alta capacidad para el usuario final. Juegos Están habilitados los juegos en tiempo real. Televisión Móvil Esta habilitada buena calidad de TV Descarga de Música Tiene buena experiencia con EDGE y descarga progresiva. Tabla 1 OBJETIVO DE EDGE La evolución de EDGE mejorará el rendimiento del servicio y habilitara más eficientemente las portadoras de radio. Diferentes servicios pueden tener diferentes requerimientos de rendimiento en diferentes aéreas, pero con la evolución de EDGE se espera que mejore el rendimiento de la experiencia del usuario atreves de todos los servicios: Reduciendo la latencia para mejorar la experiencia del usuario al interactuar con servicios y también realce el soporte para los servicios conversacionales como la telefonía multimedia. Page 12

14 Incrementando el pico y el promedio de la taza de bit, para mejorar servicios del mejor esfuerzo como la navegación web y la descarga de música. Mejorando la eficacia del espectro, el cual beneficia particularmente a los operadores en áreas urbanas donde las frecuencias de espectro existentes son usadas a su grado máximo- Trafico. El volumen puede ser incrementado sin comprometer el rendimiento de los servicios o degradando la calidad percibida por el usuario. Incrementando la cobertura de servicio, por ejemplo reducción de la interferencia o servicios mas robustos. Incrementa la sensibilidad del mejoramiento de la cobertura de la terminal en el escenario del límite de ruido. ASPECTOS TECNICOS DE EDGE Taza de datos: 384 kbps o mas Codificación de Canal: Codificación fuera de bloque Codificación Convolutional Interna Interpolación del esquema para las explosiones de error Modulación: Acceso Múltiple: GMSK (Gaussian Minimum Shift Keying) 8-PSK (Phase Shift Keying) Una combinación de TDMA & FDMA Bandas de Transmisión de Frecuencias: Mobile station Base station Uplink Downlink Reverse ch MHz Forward ch MHz Separación Dúplex Espaciamiento del portador del RF 45 MHz 200 khz Numero de Slots en cada portador TDMA 8 Asignación de canal Un intervalo de Tiempo (Physical channel) Intervalo del Frame 1 to 8 time slots per TDMA ms ms Page 13

15 Tráfico asimétrico de los datos Frecuencia Esperada Ecualizador Conectividad diversos intervalos de tiempo para Uplink y el downlink 217 hops/s (slow) 16 µs time dispersion Red de conmutación de paquetes de datos como IP y X.25 Tráfico asimétrico de los datos Modulación Gateway GPRS Support Node (GGSN) and Serving GPRS Support Node (SGSN) diversos intervalos de tiempo para Uplink y el downlink Esquemas de codificación del canal CS-1 through CS-4, MCS1-MCS9 Page 14

16 REFERENCIAS GSM WORLD ( 3 GENERATION THE WIRELESS NEXT WAVE ( 3GPP A GLOBAL INICIATIVE ( GSA - The Global mobile Suppliers Association ( NUNTIUS ( ) UMTS World ( INTERNATIONAL TELECOMMUNICATION UNION, ITU ( UMTS FORUM ( 3GPP, A GLOBAL INITIATIVE ( 3GNEWSROOM ( WEBMOVILGSM ( 3G-GENERATION ( 3G AMERICAS ( Pricing Differentiated Services in the GPRS Environment, Sergios Soursos, Costas Courcoubetis, George Polyzos, Wireless Networks, Volumen 9, Julio 2003, Paginas: Redes Digitales, ( FDMA vs. TDMA vs. CDMA: What's the difference?, Kyle Bryson, Alison Chen, and Allen Wan, ( REDES de Conmutación de circuitos y conmutación de paquetes, Evelio Martínez, ( GSM Operators, Coverage Maps and Roaming Information, ( Page 15