Universidad de Costa Rica Facultad de Ingeniería Escuela de Ingeniería Eléctrica Calidad de servicio sobre la interfaz de radio en redes UMTS

Transcripción

1 Universidad de Costa Rica Facultad de Ingeniería Escuela de Ingeniería Eléctrica Calidad de servicio sobre la interfaz de radio en redes UMTS Por: Francisco Rodríguez Castillo Ciudad Universitaria Rodrigo Facio Diciembre de 2011

2 Calidad de servicio en la interfaz de radio en redes UMTS Por: Francisco Rodríguez Castillo Sometido a la Escuela de Ingeniería Eléctrica de la Facultad de Ingeniería de la Universidad de Costa Rica como requisito parcial para optar por el grado de: LICENCIADO EN INGENIERÍA ELÉCTRICA Aprobado por el Tribunal: Ing. Jorge Arturo Romero Chacón, PhD. Director, Escuela de Ingeniería Eléctrica Ing. Guillermo Rivero González Director, Comité Asesor Ing. Johnny Cascante Miembro, Comité Asesor Ing. Julio Stradi Miembro del Tribunal Ing. Gabriel Víquez Miembro, Comité Asesor Ing. Raúl Sequeira Miembro del Tribunal

3 DEDICATORIA Este trabajo está dedicado a mis familiares, quienes durante toda mi carrera académica y profesional me han apoyado incondicionalmente y me han alentado a seguir mejorando en todos los ámbitos personales. ii

4 RECONOCIMIENTO Agradezco a todos los profesores, amigos y profesionales que han colaborado de una u otra forma para la elaboración de este trabajo. Su valioso aporte incluyó información técnica así como la trasferencia del conocimiento adquirido, producto de su experiencia en el campo de las telecomunicaciones. iii

5 ÍNDICE GENERAL CAPÍTULO 1: Introducción Objetivos Objetivo general Objetivos específicos Justificación Metodología... 3 CAPÍTULO 2: Introducción a UMTS Tecnología CDMA de Espectro Extendido Extensión del espectro Códigos ortogonales Códigos Scrambling Arquitectura de protocolo Canales Lógicos Canales de Control Canales de Tráfico Canales de Transporte Canales de transporte dedicados Canales de transporte común Canales Físicos Canales físicos en Uplink Canales físicos en Downlink Arquitectura de red UMTS Red de Acceso de Radio (RAN) Red Núcleo (CN) Equipo del Usuario (UE) CAPÍTULO 3: Calidad de servicio en UMTS Introducción al concepto de Calidad de Servicio Factores principales que afectan a la calidad de la señal radio Arquitectura del modelo de Calidad de Servicio Atributos de servicio para portadoras UMTS Atributos asignados a clases de servicio Medida de la calidad iv

6 3.5.1 Técnicas de medida Sistemas y herramientas de medida Sistemas de medida de la señal de radio Sistemas de recolección de datos de la red CAPÍTULO 4: Gestión de Recursos de Radio Administración de Calidad de Servicio Aprovisionamiento QoS en la Red de Acceso Funcionalidades, umbrales y contadores de red para la gestión de QoS Control de Potencia Control de potencia en canal común Control de potencia sobre el canal común de uplink Control de potencia sobre el canal común de downlink Control de potencia en canal dedicado Control de potencia a bucle abierto Control de potencia a bucle interno Control de potencia a bucle externo Balanceo de potencia Control de potencia HSDPA Control de potencia sobre HS-DPCCH Control de potencia sobre HS-SCCH Control de potencia sobre HSUPA Control de potencia sobre E-DPCCH Control de potencia sobre E-DPDCH Control de potencia a bucle externo sobre E-DCH Control de potencia sobre E-AGCH, E-RGCH y E-HICH Handover Handover Intra-frecuencia Handover Inter-frecuencia Handover Inter-RAT (3G a 2G) Control de Carga Escenarios y funciones de control de carga Control de usuario potencial Control de Acceso Control de Admisión Balaceo de Carga Intra-Frecuencia v

7 Reorganización de carga Control de sobrecarga Control de tasa de transmisión Mediciones de estabilidad para los servicios AMR Mediciones de estabilidad sobre el uplink para servicios AMR Mediciones de estabilidad sobre el downlink para servicios AMR Mediciones de estabilidad del enlace para servicios BE Mediciones de estabilidad sobre el uplink para servicios BE Mediciones de estabilidad sobre el downlink para servicios BE Mediciones de volumen de tráfico para servicios de mejor esfuerzo Mediciones de la tasa efectiva para servicios de mejor esfuerzo CAPÍTULO 5: Optimización Optimización de red Proceso de optimización Administración de mediciones Indicadores Clave de Desempeño Modelo de optimización basado en mezclas de tráfico CAPÍTULO 6: Conclusiones y Recomendaciones vi

8 ÍNDICE DE FIGURAS Figura 2.1 Acceso Múltiple por División de Código... 4 Figura 2.2 Relación entre frecuencia y potencia de una señal... 6 Figura 2.3 Extensión de una señal utilizando códigos ortogonales... 8 Figura 2.4 Arquitectura del protocolo de interfaz de aire Figura 2.5 Estructura de canales lógicos Figura 2.6 Mapeo de canales de lógicos sobre canales de transporte Figura 2.7 Mapeo de canales de transporte sobre canales físicos Figura 2.8 Estructura de trama uplink DPDCH/DPCCH Figura 2.9 Estructura de trama uplink HS-DPCCH Figura 2.10 Estructura de trama uplink E-DPDCH/ E-DPCCH Figura 2.11 Ranuras de acceso RACH Figura 2.12 Estructura de transmisión de acceso aleatorio Figura 2.13 Estructura de la parte de mensaje de acceso aleatorio Figura 2.14 Estructura de la trama downlink DPCH Figura 2.15 Estructura de la trama E-RGCH y E-HICH Figura 2.16 Estructura de la trama F-DPCH Figura 2.17 Estructura de la trama CPICH Figura 2.18 Estructura de la trama del P-CCPCH Figura 2.19 Estructura de la trama del S-CCPCH Figura 2.20 Estructura del canal de sincronización Figura 2.21 Estructura de la trama del AICH Figura 2.22 Estructura de PICH Figura 2.23 Estructura de la trama del HS-SCCH Figura 2.24 Estructura de la sub-trama del HS-PDSCH Figura 2.25 Estructura de la sub-trama del E-AGCH Figura 2.26 Estructura del MICH Figura 2.27 Arquitectura de red UMTS Figura 3.1. Arquitectura QoS para UMTS Figura 4.1 Marco de administración de QoS Figura 4.2 Control de potencia sobre PRACH Figura 4.3 Control de Potencia sobre canal dedicado UL Figura 4.4 Control de potencia a lazo externo UL vii

9 Figura 4.5 Balanceo de Potencia DL Figura 4.6 Control de potencia sobre HS-DPCCH Figura 4.7 Handover Intra-frecuencia Figura 4.8 Eventos de handover Figura 4.9 Tipos de Handovers en UMTS Figura 4.10 Funciones de control de carga en las fases de acceso Figura 4.11 Procedimiento Control de Usuario Potencial Figura 4.12 Estados de carga en celda Figura 4.13 Procedimiento de Control de Acceso Figura 4.14 Procedimiento de Control de Admisión Figura 4.15 Función de balanceo de carga intra-frecuencia Figura 4.16 Estados de congestión en una celda Figura 4.17 Condiciones de sobrecarga en una celda Figura 4.18 Eventos y umbrales en UL para servicios AMR Figura 4.19 Umbral del evento 6D Figura 4.20 Eventos y umbrales en DL para servicios AMR Figura 4.21 Reporte del evento 5A Figura 4.22 Reporte del evento F Figura 4.23 Umbral para el reporte de retransmisión PDU RLC Figura 4.24 Evento 4a Aumento del volumen de tráfico Figura 4.25 Evento 4b Disminución del volumen de tráfico Figura 4.26 Reporte de los eventos 4a y 4b Figura 5.1 Lazo de optimización y factores externos que influyen en las diferentes fases Figura 5.2 Balance entre cobertura, capacidad y calidad del enlace viii

10 ÍNDICE DE TABLAS Tabla 3.1. Atributos RAB definidos para cada clase de portadora de tráfico Tabla 4.1 Parámetros y métodos de control de potencia Tabla 4.2 Recursos considerados por diferentes funciones de control de carga Tabla 4.3 Relación típica entre Prioridad de Usuario y ARP Tabla 4.4 Uso de créditos de acuerdo al SF para servicios DCH Tabla 4.5 Uso de créditos de acuerdo al SF para servicios HSUPA Tabla 4.6 Mediciones y eventos asociados para servicios BE Tabla 5.1 Indicadores de desempeño típicos Tabla 5.2 Distribución de tráfico Tabla 5.3 Definición de parámetros de acuerdo a prioridades de tráfico Tabla 5.4 Clases de tráfico y prioridades de servicio ix

11 NOMENCLATURA 3GPP 3G Partnership Project Proyecto de Asociación 3G AICH Acquisition Indication Channel Canal de Indicación de Adquisición AMR Adaptive Multi-Rate Multi-Tasa Adaptativa BCCH Broadcast Control Channel Canal de Control de Difusión BCH Broadcast Channel Canal de Difusión BE Best Effort Mejor Esfuerzo CCCH Common Control Channel Canal de Control Común CCPCH Common Control Physical Channel Canal Físico de Control Común CDMA Code Division Multiple Access Acceso Múltiple por División de Código CPCH Common Packet Channel Canal de Paquete Común CPICH Common Pilot Channel Canal Piloto Común CTCH Common Traffic Channel Canal de Tráfico Común DCCH Dedicated Control Channel Canal de Control Dedicado DCH Dedicated Channel Canal de Control Dedicado DL Downlink Enlace de bajada DPCCH Dedicated Physical Control Channel Canal de Control Físico Dedicado DPDCH Dedicated Physical Data Channel Canal de Control Físico Dedicado DRD Directed Retry Decision Decisión de Reintento Dirigido DSCH Downlink Shared Channel Canal Compartido Enlace bajada DSSS Direct Sequence Spread Spectrum Espectro Extendido de Secuencia Directa DTCH Dedicated Traffic Channel Canal de Tráfico Dedicado FACH Forward Access Channel Canal de Acceso Directo FDD Frequency Division Duplex División de Frecuencia Duplex GBR Guaranteed Bit Rate Tasa de Bit Garantizada HO Handover Traspaso MAC Media Access Control Control de Acceso al Medio MMS Multimedia Message Service Servicio de Mensaje Multimedia MS Mobile Station Estación Móvil NB Narrow Band Banda Estrecha NGBR No Guaranteed Bit Rate Tasa de Bit No Garantizada OVSF Orthogonal Variable Spreading Factor Factor Extensión Variable Ortogonal PCCH Paging Control Channel Canal de Control de Localización PCH Paging Channel Canal de Localización PCPCH Physical Common Packet Channel Canal de Paquete Común Físico PDSCH Physical Downlink Shared Channel Canal Compartido Enlace bajada Físico PICH Paging Indication Channel Canal de Indicación de Localización x

12 PRACH Physical Random Access Channel Canal de Acceso Aleatorio Físico QoS Quality of Service Calidad de Servicio QPSK Quadrature Phase Shift Keying Clave Cambio de Fase en Cuadratura RACH Random Access Channel Canal de Acceso Aleatorio SCH Synchronization Channel Canal de Sincronización SF Spreading Factor Factor de Extensión SHO Soft Handover Traspaso Suave SIM Subscriber Identity Module Módulo de Identidad de Subscriptor SMS Short Message Service Servicio de Mensaje Corto SNR Signal to Noise Ratio Relación Señal a Ruido SS Spread Spectrum Espectro Extendido TDD Time Division Duplex División de Tiempo Duplex TPC Transmit Power Control Control de Potencia Transmitida UE User Equipment Equipo de Usuario UICC Universal Integrated Circuit Card Tarjeta de Circuito Integrado Universal UL Uplink Enlace de subida UMTS Universal Mobile Telephone System Sistema de Telefonía Móvil Universal USIM Universal Subscriber Identity Module Módulo Identidad Subscriptor Universal WB Wide Band Banda Ancha xi

13 RESUMEN El desarrollo de este trabajo inicia con una breve introducción sobre los conceptos básicos de la tecnología CDMA, debido a que una de sus variantes da origen a la tecnología WCDMA, la cual es utilizada como modo de acceso en el sistema de telefonía móvil de tercera generación UMTS. Seguidamente se presenta la descripción de la arquitectura del protocolo asociada con la interfaz de radio utilizada bajo este estándar y se describe de forma general la arquitectura física de las redes UMTS. Esta introducción ofrece una base para comprender los conceptos asociados al tema de calidad de servicio en redes UMTS, los cuales son expuestos tomando como referencia las especificaciones elaboradas por la organización 3GPP, donde se definen aspectos generales relacionados con la arquitectura y los atributos del modelo de calidad de servicio. A partir de este marco de referencia se definen procedimientos para gestionar los recursos disponibles sobre la interfaz de radio, de tal forma que se pueda proporcionar calidad de servicio de acuerdo con el tipo de atributos asignados a los diferentes servicios. Una vez que se ha expuesto este tema, se inicia con la descripción de los algoritmos utilizados por cada una de las funciones de gestión de recursos de radio, las cuales toman en consideración las condiciones actuales de la red, relacionadas con diferentes factores tales como: carga, interferencia, disponibilidad de recursos, rendimiento, entre otros. Finalmente y con base en los temas desarrollados en los capítulos previos, se propone un marco de referencia en el cual se plantea un proceso de optimización de red basado en la gestión de los recursos de radio, donde se establece un conjunto de requerimientos esenciales que debe satisfacer un operador con el fin de implementar mecanismos de control que permitan hacer un uso eficiente de los recursos de radio disponibles, especialmente en escenarios que presentan altas mezclas de tráfico. xii

14 CAPÍTULO 1: Introducción El sistema de telefonía móvil de tercera generación UMTS, también llamado popularmente 3G, ha sido diseñado para soportar una amplia variedad de aplicaciones, las cuales se catalogan en diferentes niveles o tipos de calidad de servicio. El concepto de Calidad de Servicio (QoS) se define como la capacidad de la red para proveer un servicio con un determinado nivel de calidad. La Calidad de Servicio abarca todas las funciones, mecanismos y procedimientos que aseguren una provisión de calidad de servicio negociada entre la red celular y el terminal del usuario. Otro término relacionado con el concepto de Calidad de Servicio es el de Calidad de la Experiencia, y se refiere a la percepción del usuario cuando hace uso de algún servicio en particular, es decir, qué tan satisfecho está en términos de accesibilidad, continuidad e integridad 1. La accesibilidad del servicio se relaciona con conceptos de probabilidad de acceso, seguridad (autenticación y autorización), activación, acceso, cobertura, bloqueos y tiempos de establecimiento de los servicios. La integridad del servicio se relaciona con el rendimiento efectivo, el retardo, la variación del retardo (jitter) y la pérdida de datos durante la transmisión. La continuidad del servicio se refiere, en términos generales, a la capacidad del sistema para asegurar la conexión o limitar las pérdidas de conexión 1. La variedad de aplicaciones ofrecidas por el estándar UMTS, demanda la definición de requerimientos específicos de Calidad de Servicio que aseguren a los usuarios un servicio estable y eficiente. Por lo tanto, la Calidad de Servicio en UMTS conlleva requisitos técnicos de alto nivel que implican: 1. Control de la QoS entre el terminal y los nodos de red. 2. Mapeo de los requerimientos de las aplicaciones en esa QoS. 3. Monitoreo del comportamiento dinámico de la QoS durante la sesión. Dado que las redes UMTS soportan múltiples aplicaciones, se hace necesario administrar los recursos de la red de acceso debido a que cualquier falla, cambio en el volumen de tráfico, mezcla de tráfico o el establecimiento de un parámetro incorrecto en algún elemento 1 QoS and QoE Management in UMTS Cellular Systems 1

15 de red, puede generar la degradación de la calidad de servicio en la red y con ello afectar la calidad de la experiencia de los usuarios de la red Objetivos Objetivo General Determinar los mecanismos necesarios que permitan proporcionar Calidad de Servicio sobre la interfaz de radio utilizada en la tecnología celular de tercera generación UMTS Objetivos Específicos Conocer los conceptos generales sobre Calidad de Servicio en sistemas de comunicación móvil. Analizar las funciones que se utilizan en la red de acceso para proporcionar un determinado nivel de Calidad de Servicio. Definir indicadores, umbrales y contadores que permitan supervisar adecuadamente la red de radio, de tal forma que puedan ser utilizados para generar informes en tiempo real y tiempo diferido. Establecer una propuesta sobre procedimientos de optimización para mejorar el rendimiento sobre la interfaz de radio. 1.2 Justificación En la actualidad todo operador de telecomunicaciones se ve obligado a garantizar calidad en los servicios que brinda a sus clientes, especialmente porque los clientes acceden a una gran cantidad de servicios, tanto de uso privado como de uso profesional, y por lo tanto demandan niveles de calidad cada vez mayores. Por otro lado, los organismos reguladores también exigen a los operadores ofrecer niveles de calidad adecuados a la hora de ofrecer los servicios a sus clientes. 2 UMTS Networking Planning, Optimization and QoS Management 2

16 En 1998 se estableció el 3rd Generation Partnership Project (3GPP), un acuerdo de colaboración internacional entre varios organismos de estandarización de telecomunicaciones, con el fin de definir aspectos generales relacionados con la arquitectura y atributos de calidad de servicio para UMTS; sin embargo, este no define la forma ni el manejo de los recursos para asegurar Calidad de Servicio, dejando que los fabricantes y los operadores de telecomunicaciones establezcan sus propios medios para alcanzar dicho fin. De la misma forma, la Unión Internacional de Telecomunicaciones (UIT) establece una serie de recomendaciones cuyo fin es asegurar la calidad de los servicios de telecomunicaciones en general. Entonces, es claro que existe la necesidad de establecer mecanismos de control y administración de los recursos de radio, que permitan asegurar un nivel de Calidad de Servicio en la interfaz de radio UMTS, de acuerdo con las características de los servicios que se desean ofrecer a los usuarios del sistema. 1.3 Metodología Con el fin de desarrollar el tema propuesto, se ha establecido como primer paso realizar un estudio detallado sobre la interfaz de radio utilizada en el sistema UMTS, de tal forma que permita tener la base teórica para realizar el análisis planteado. En esta etapa se hace un enfoque de la estructura, arquitectura, normativa y aplicaciones de este sistema. Una vez superada esta primera etapa, se desarrollará el tema específico de Calidad de Servicio en redes de telefonía móvil, tomando como base la arquitectura definida por el 3GPP y considerando una serie de parámetros y atributos que permiten estructurar el concepto de Calidad de Servicio sobre la interfaz de radio utilizada en UMTS. En la tercera etapa se evaluarán los procedimientos necesarios para garantizar Calidad de Servicio en la interfaz de radio de las redes de telefonía celular de tercera generación, considerando factores asociados con la planificación y el aprovisionamiento de funciones para la administración de recursos de radio, así como las tareas de monitoreo con respecto al rendimiento en la red de acceso de radio UMTS (UTRAN). En la cuarta etapa se plantean los requerimientos esenciales que debe satisfacer un operador de telecomunicaciones, con el fin de implementar mecanismos de control que 3

17 permitan hacer un uso eficiente de los recursos de radio y a la vez optimizar el funcionamiento de la red de acceso, con el fin de suministrar servicios de calidad a los usuarios del sistema. CAPÍTULO 2: Introducción a UMTS 2.1 Tecnología CDMA de Espectro Extendido El Acceso Múltiple por División de Código (CDMA, por sus siglas en inglés) es una tecnología de transmisión digital la cual permite que múltiples usuarios utilicen un mismo canal de radiofrecuencia, limitando la interferencia mediante la asignación de diferentes códigos a cada usuario. Figura 2.1 Acceso Múltiple por División de Código WCDMA es la tecnología utilizada en la interfaz de radio de los sistemas UMTS. Es una tecnología de banda ancha basada en el Acceso Múltiple por División de Código de Secuencia Directa (DS-CDMA, por sus siglas en inglés), lo cual significa que la información de usuario es extendida sobre un ancho de banda amplio, esto mediante la multiplicación de 4

18 los datos de usuario por un número específico de bits, llamados chips, derivados de los códigos de extensión Extensión del Espectro Las técnicas de extensión del espectro permiten transmitir una señal sobre un ancho de banda mayor del que se requiere para las transmisiones normales de banda estrecha. Originalmente fue utilizada en las aplicaciones militares para contrarrestar el efecto de interferencia intencional (jamming) y para ocultar la señal transmitida. La desventaja de los sistemas de banda estrecha es su limitada capacidad de canal, por lo tanto las señales deben transmitirse con la potencia suficiente para que la interferencia por ruido gaussiano no afecte la transmisión y además para que la probabilidad de errores en la transmisión sea baja. Esto significa que la Relación Señal a Ruido (SNR, por sus siglas en inglés) efectiva debe ser suficientemente alta para que el receptor pueda recuperar la señal transmitida sin errores. La SNR se puede disminuir sin que aumente la tasa de error de bit. Esto significa que si la señal se ensancha sobre un ancho de banda grande con un nivel inferior de densidad espectral de potencia, aún se puede lograr la tasa de error mínima requerida. Si la potencia total de señal se interpreta como la zona bajo la densidad espectral de potencia, entonces señales con la potencia total equivalente pueden tener o una potencia de señal grande concentrada en un ancho de banda pequeño o una potencia de señal pequeña distribuida sobre un ancho de banda grande. 3 CDMA: principles of spread spectrum communication 5

19 Figura 2.2 Relación entre frecuencia y potencia de una señal Algunas de las ventajas que ofrece la transmisión de datos utilizando la técnica de espectro extendido con respecto a otros tipos de transmisión son: seguridad, resistencia a la interferencia y al desvanecimiento multi-trayecto, así como su facilidad para el soporte de técnicas de acceso múltiple. La extensión del espectro (SS, por sus siglas en inglés) puede realizarse mediante varias técnicas; en el caso particular de UMTS, la técnica de extensión del espectro utilizada es la denominada Extensión del Espectro por Secuencia Directa (DSSS, por sus siglas en inglés), y para esto se utilizan los códigos de extendido, específicamente los códigos ortogonales (OVSF, por sus siglas en inglés). Mediante este proceso se transforma cada símbolo o bit de datos en un número mayor de chips, donde el cociente del número de chips por símbolo es llamado Factor de Extendido (SF, por sus siglas en inglés), por lo tanto mediante este proceso se incrementa el ancho de banda de la señal. Los códigos de extendido son una secuencia binaria con una longitud determinada, esta secuencia es denominada chips y es generada a una tasa de bit mucho mayor que la tasa de transmisión de datos en banda base. La tasa a la que generan los códigos de extendido es llamada tasa de chip 3. 6

20 2.1.2 Códigos Ortogonales Los códigos ortogonales son aquellos que en un ambiente ideal no interfieren unos con otros, para lo cual, los códigos deben estar sincronizados en tiempo. Estos códigos son utilizados en el enlace de bajada (downlink) para diferenciar a los usuarios de una misma celda y en el enlace de subida (uplink) se utilizan para diferenciar los diferentes servicios de un mismo usuario. En el enlace de bajada, el mismo árbol de códigos ortogonales es utilizado por la estación base para todos los móviles en esa celda. Como ya se ha mencionado, estas secuencias son completamente ortogonales para un retraso cero. Para otros retrasos, tienen muy malas propiedades de correlación cruzada y por eso sólo son apropiados para sistemas síncronos. Debido al efecto de la propagación multi-trayecto, es necesario combinar estas secuencias con otras que eliminen dicho efecto, para reducir la interferencia producida por el mismo código. La operación de extensión incrementa el ancho de banda de la señal según el factor de extensión, en este contexto, el factor de extensión se conoce como ganancia de extensión, la cual representa la relación entre la tasa de chip y la tasa de bit después del procesamiento en la capa física. Es importante diferenciar la ganancia de extensión con respecto a la ganancia de procesamiento, la cual representa la relación entre la tasa de chip y la tasa de bit en la parte superior de la capa RLC. Si se tiene una ganancia de extensión amplia se reduce el ancho de banda de ruido en el receptor después de realizar la operación inversa de extensión. En la figura 2.3 se puede observar como una señal es multiplicada por un código ortogonal con factor de extensión igual a ocho (SF=8) para su transmisión, posteriormente, la señal resultante vuelve a ser multiplicada por el mismo código en el receptor, para recuperar la señal original 4. 7

21 Figura 2.3 Extensión de una señal utilizando códigos ortogonales Códigos Scrambling Los códigos ortogonales solo pueden ser utilizados cuando están sincronizados, porque de lo contrario estos se cancelarían debido a sus propiedades matemáticas. Por lo tanto, se requiere de otro tipo de códigos que permitan que la transmisión de las señales sea efectiva, y para esto se utilizan los llamados códigos scrambling. La transmisión en el enlace de bajada de estaciones base separadas no es ortogonal, así que el terminal móvil debe distinguir mediante el código scrambling cuál es la estación base que le envía la señal correcta. Para el caso del uplink, la señal es multiplicada mediante la función XOR por códigos scrambling largos (códigos Gold) y cortos (códigos S(2) extendidos), los cuales tienen una muy buena auto-correlación, lo que implica una buena sincronización entre la señal original y la versión de la misma que ha sido retardada en el tiempo. Estos códigos permiten que un terminal móvil se identifique en una determinada estación base. En el enlace de bajada los códigos scrambling son utilizados para distinguir nodos B y se seleccionan para reducir la interferencia entre estaciones base, debido a que cada nodo B 4 Radio Network Planning and Optimization for UMTS 8

22 tiene solo un código scrambling primario y el UE utiliza esta información para separar las estaciones base. Existen 2 24 códigos scrambling en el enlace de subida. El móvil es informado por un mensaje en el enlace de bajada acerca de cuál código utilizar. Para los códigos en el enlace de bajada se pueden generar , sin embargo no todos los códigos son utilizados, y son divididos en 512 grupos, cada uno con un código primario y 15 secundarios. Los 512 códigos scrambling primarios se dividen en 64 grupos y cada uno consiste de 8 códigos, el propósito de estos es mejorar el proceso de sincronización, mientras que los códigos scrambling secundarios son utilizados en celdas sectorizadas. 2.2 Arquitectura de Protocolo La interfaz de radio utilizada en el sistema UMTS se estructura en tres capas: Capa física Capa de enlace de datos Capa de red La capa física sirve de interfaz con la subcapa MAC de la capa 2 y la subcapa RRC de la capa 3. La capa física ofrece diferentes canales de transporte a MAC. Un canal de transporte está caracterizado por la forma en que la información es transferida sobre la interfaz de aire, estos son codificados y asignados en los canales físicos especificados en la capa física. MAC ofrece diferentes canales lógicos a la subcapa RLC de la capa 2. Un canal lógico está caracterizado por el tipo de información transferida. La capa 2 es dividida en las siguientes subcapas: MAC, RLC, PDCP y BMC. La capa 3 está dividida en subcapas donde la subcapa más baja es llamada RRC y es la interfaz con la capa WCDMA for UMTS 9

23 Figura 2.4 Arquitectura del protocolo de interfaz de aire Canales Lógicos La capa MAC provee servicios de transferencia de datos en los canales lógicos. Cada tipo de canal está definido por el tipo de información que transmite. Los canales lógicos se clasifican en dos grupos 5 : Canales de control Canales de tráfico 6 TS , v7.3.0, Radio Interface Protocol Architecture 10

24 Figura 2.5 Estructura de canales lógicos Canales de Control - Canal de Control de Difusión (BCCH): Canal downlink para difusión de información del sistema de control. - Canal de Control de Paging (PCCH): Canal downlink usado por la estación base para localizar el móvil, o cuando el móvil esta en modo sleep. - Canal de Control Común (CCCH): Canal bidireccional (downlink/uplink) que transfiere información de control entre la red y el móvil, es utilizado cuando la conexión no está asociada a la capa RRC o cuando se hace una re-selección de celda. - Canal de Control Dedicado (DCCH): Canal bidireccional punto a punto que transfiere información de control dedicada entre la red y el móvil, es utilizado durante el proceso de conexión y para la transferencia de la mayoría de los mensajes RRC. - Canal de Control MBMS punto a multipunto (MCCH): Canal downlink punto a multipunto utilizado para transmitir información de control entre la red y el UE. Es utilizado por los UEs solo para recibir MBMS. 11

25 - Canal de Programación MBMS punto a multipunto (MSCH): Canal downlink punto a multipunto utilizado para transmitir información de control de programación entre la red y el UE. Es utilizado solo por los UEs que reciben MBMS Canales de Tráfico - Canal de Tráfico Dedicado (DTCH): Canal bidireccional punto a punto dedicado a una estación móvil para la transferencia de información del usuario. - Canal de Tráfico Común (CTCH): Canal downlink punto a multipunto para la transmisión de información de usuario, para todos o un grupo en especifico de UEs. - Canal de tráfico MBMS punto a multipunto (MTCH): Canal downlink punto a multipunto utilizado para transmitir datos entre la red y el UE. Figura 2.6 Mapeo de canales de lógicos sobre canales de transporte Canales de Transporte Un canal de transporte está definido tomando en cuenta cómo y con qué características son transferidos los datos sobre la interfaz de aire. Hay dos tipos de canales de transporte: 5 Canales de transporte dedicados Canales de transporte común 12

26 Canales de transporte dedicados - Canal Dedicado (DCH): El DCH es transmitido en toda la celda o en solo una parte de la celda utilizando antenas con capacidad de forma de haz. El DCH se caracteriza porque brinda cambio de tasa de transmisión rápido, control de potencia rápido y puede ser utilizado para transmitir información relacionada con la señalización del plano de control y los datos del plano de usuario, es transmitido tanto en el downlink como en el uplink. - Canal Dedicado Mejorado (E-DCH): Canal de transporte para el uplink, utilizado en HSUPA Canales de Transporte Común - Canal de Difusión (BCH): Canal downlink usado para difundir información del sistema y de celda. El BCH es siempre transmitido en toda la celda con una tasa de bit baja y fija. - Canal de Acceso Directo (FACH): Canal downlink de transporte transmitido sobre toda la celda que provee información del plano de control y pequeñas cantidades de datos del plano de usuario. El FACH utiliza control de potencia lento. - Canal de Paging (PCH): Canal downlink de transporte transmitido sobre toda la celda, asociado con la transmisión de señales de la capa física portando datos para procedimientos de paging, además soporta de forma eficiente el sleep-mode. - Canal de Acceso Aleatorio (RACH): Canal uplink recibido por toda la celda, el cual se caracteriza por tener un limitado tamaño del campo de datos, es utilizado para transmitir información del plano de control y pequeñas cantidades de datos del plano de usuario, además utiliza el control de potencia en lazo o bucle abierto. 13

27 - Canal Compartido Downlink de Alta Velocidad (HS-DSCH): Canal compartido por varias estaciones móviles mediante asignación individual de códigos desde un pool común de códigos reservados, está asociado con un DPCH y uno o varios HS-SCCH. Figura 2.7 Mapeo de canales de transporte sobre canales físicos Canales Físicos Los canales de transporte son canales codificados y emparejados a la tasa de datos ofrecida por los canales físicos, después de esto son mapeados o asignados en los canales físicos. Los canales físicos consisten en tramas de radio y ranuras de tiempo. La longitud de la trama es de 10 ms y dentro de la trama se tienen 15 ranuras de tiempo. Dependiendo de la 14

28 tasa de símbolo del canal físico, la configuración de la trama de radio o de la ranura de tiempo varía Canales Físicos en Uplink Canales dedicados - Canal Físico Dedicado de Datos (DPDCH): Es usado para llevar datos generados en y sobre la capa 2, como por ejemplo datos de usuario y señalización. En cada enlace de radio puede haber uno, varios o ningún DPDCH. - Canal Físico Dedicado de Control (DPCCH): Es usado para llevar información de control generada en la capa 1, por ejemplo: bits piloto, comandos para el control de la potencia de transmisión (TPC), información de realimentación (FBI), técnica de diversidad de selección de sitio (SSDT) y opcionalmente el indicador de combinación de formato de transporte (TFCI). Para cada conexión de capa 1 hay solo un DPCCH uplink. Cada trama de 10 ms, está dividida en 15 ranuras de tiempo con 2560 chips cada una, correspondiente a un periodo de control de potencia. El parámetro k determina el número de bits por uplink en una ranura DPDCH/DPCCH. Esto está relacionado al Factor de Extensión (SF) del canal físico, donde SF = 256/2 k. En el uplink, un DPDCH y un DPCCH generalmente tienen diferentes tasas y diferentes factores de extensión. 7 WCDMA for UMTS 15

29 Figura 2.8 Estructura de trama uplink DPDCH/DPCCH 8 - Canal Físico de Control Dedicado de Alta Velocidad (HS-DPCCH): Este canal porta señalización de retroalimentación relacionada con la transmisión del HS- DSCH en downlink. En la señalización se transmite información relacionada con el Hybrid- ARQ Acknowledgement (HARQ-ARK), el Channel-Quality Indication (CQI) y el Precoding Control Indication (PCI) para el caso de los terminales configurados en modo MIMO. Figura 2.9 Estructura de trama uplink HS-DPCCH 8 8 TS , v7.5.0, Physical Channels and mapping of transport channels onto physical channels (FDD) 16

30 - Canal Físico de Datos Dedicado E-DCH (E-DPDCH): Este canal es utilizado para portar el canal de transporte E-DCH, y en cada enlace de radio puede haber uno, varios o ningún E-DPDCH. - Canal Físico de Control Dedicado E-DCH (E-DPCCH): Este canal es utilizado para transmitir información de control asociada al E-DCH, a lo sumo hay un E-DPCCH por cada en lace de radio. Figura 2.10 Estructura de trama uplink E-DPDCH/ E-DPCCH 8 Canales comunes - Canal Físico de Acceso Aleatorio (PRACH): Es usado para portar el RACH. Hay 15 ranuras de acceso por dos tramas con 5120 chips por ranura. 17

31 Figura 2.11 Ranuras de acceso RACH 8 La estructura de la transmisión de acceso aleatorio contiene varios preámbulos (información preliminar) de 4096 chips y una parte reservada para el mensaje de 10 o 20 ms. El móvil indica a la red la longitud de la parte del mensaje mediante dos bits asignados al campo TFCI de la rama de control del canal. La parte de preámbulo en la ráfaga de acceso consiste de 256 repeticiones de una firma con longitud de 16 chips (256 16=4096). Figura 2.12 Estructura de transmisión de acceso aleatorio 8 La parte de datos consiste de 10x2k bits, donde k = 0, 1, 2, 3. Esto corresponde a los factores de extensión de 256, 128, 64 y 32 respectivamente, para esta parte. La parte de control consiste de 8 bits piloto para soportar la estimación de canal para detección coherente y 2 bits de TFCI, el correspondiente factor de extensión para esta parte es igual a

32 Figura 2.13 Estructura de la parte de mensaje de acceso aleatorio Canales Físicos en Downlink Un canal físico es identificado por un conjunto de parámetros como: frecuencia portadora específica, código scrambling, código de canalización, tiempo de duración, y en el uplink, la fase relativa (0 o π/2). En UMTS la transmisión de un canal físico en modo de operación normal es continua, sin embargo, en modo comprimido se aumenta de tasa de transmisión para compensar un periodo de pausa o interrupción de la transmisión, el cual es utilizado para permitir al UE monitorear otras celdas, lo que le permitirá realizar un handover en caso de ser necesario. - Canal Físico Dedicado (DPCH): Este canal está conformado por un DPDCH y el DPCCH multiplexados en tiempo y utilizando complex scrambling. Por eso los datos dedicados generados en las capas superiores que son portados en un DPDCH son multiplexados en tiempo con bits piloto, comandos TPC y bits TFCI (opcionalmente) generados por la capa física. Cuando la tasa total de bits a ser transmitida excede la tasa máxima de bits para un canal físico de downlink, se emplea la transmisión multi-código y varios canales de código paralelo son transmitidos por un CCTrCH usando el mismo factor de extensión. Diferentes factores de extensión pueden ser usados cuando varios CCTrCH son mapeados sobre diferentes DPCHs transmitidos al mismo UE. La información de control de capa 1 es transmitida solo en el primer DPCH. 19

33 Figura 2.14 Estructura de la trama downlink DPCH 8 - Canal de Admisión Relativa E-DCH (E-RGCH): Es un canal físico dedicado con tasa fija (SF=128) que porta las admisiones relativas para el E-DCH en uplink. - Canal Indicador de ARQ Híbrido E-DCH (E-HICH): Es un canal físico dedicado con tasa fija (SF=128) que porta el indicador de reconocimiento de ARQ Híbrido E-DCH en uplink. Figura 2.15 Estructura de la trama E-RGCH y E-HICH 8 - Canal Físico Dedicado Fraccional (F-DPCH): Este canal porta información de control generada en la capa 1, este es un caso especial de DPCCH en downlink. 20

34 Figura 2.16 Estructura de la trama F-DPCH 8 - Canal Piloto Común (CPICH): Este canal tiene una tasa fija de 30 kbps con un SF = 256 y porta una secuencia de bit/símbolo predefinida. Hay dos tipos de canales piloto: el primario y el secundario. - Canal Piloto Común Primario (P-CPICH): Se caracteriza porque utiliza un código de canalización fijo y siempre utiliza el código de scrambling primario. Hay un P-CPICH por celda y se transmite en broadcast sobre toda la celda. El P-CPICH es la referencia de fase para el SCH, P-CCPCH, AICH, PICH y por defecto para los canales DPCH downlink, es decir, es la referencia de tiempo y estimación de la propagación de canal. - Canal Piloto Común Secundario (S-CPICH): Se caracteriza por un código de canalización arbitrario con un factor de extensión de 256 y utiliza un código de scrambling primario o secundario. Puede haber uno, varios o ningún S- CPICH en la celda y cada uno puede ser transmitido sobre toda la celda (broadcast) o solo sobre una parte de esta, utilizando la técnica denominada forma de haz (beamforming). 21

35 Figura 2.17 Estructura de la trama CPICH 8 - Canal Físico de Canal Común Primario (P-CCPCH): Este canal tiene una tasa fija de 30 kbps y un SF = 256, es usado para portar el BCH. El P- CCPCH no es transmitido durante los primeros 256 chips de cada ranura de tiempo, en su lugar son transmitidos los SCHs primarios y secundarios. Figura 2.18 Estructura de la trama del P-CCPCH 8 - Canal Físico de Canal Común Secundario (S-CCPCH): Es usado para portar el FACH y el PCH. La diferencia principal entre el CCPCH primario y el secundario, es que el primero tiene una tasa fija predefinida, mientras que el segundo soporta una tasa de transmisión variable entre 15 kbps y 960 kbps (ámbito del SF entre 256 y 4). Además, el CCPCH primario es transmitido continuamente por la celda, mientras el CCPCH secundario solo es transmitido cuando hay datos para transmitir. 22

36 Figura 2.19 Estructura de la trama del S-CCPCH 8 - Canal de sincronización (SCH): Se divide en dos sub-canales transmitidos en paralelo, el primario y el secundario. El SCH primario consiste de un código modulado de 256 chips, y es transmitido una vez en cada ranura. El Código de Sincronización Primario (PSC) es el mismo para cada celda en el sistema. Figura 2.20 Estructura del canal de sincronización 8 El SCH secundario consiste de una secuencia de 15 ranuras de tiempo de códigos modulados de 256 chips, transmitido paralelamente con el SCH primario. El Código de Sincronización Secundario (SSC) es denotado como c i,k s, donde i = 1, 2,, 64 es el grupo de scrambling code y k = 0, 1,, 14 es el número de ranura. Cada SSC es escogido de un conjunto de 16 diferentes códigos de 256 chips. 23

37 - Canal Indicador de adquisición (AICH): Este canal tiene tasa fija (SF=256) y es utilizado para indicar la recepción de los preámbulos (firmas) PRACH por el Nodo B, es decir, una vez que el Nodo B recibe un preámbulo, la misma firma es enviada de vuelta al UE. El AICH consiste de una secuencia repetida de 15 ranuras de acceso consecutivas (AS), cada una de 5120 chips. La ranura de acceso está formada por dos partes: el Indicador de Adquisición (AI), el cual consiste de 32 símbolos de valor real y una parte de 1024 chips donde no se transmite ningún dato, reservada para otro futuro canal físico, por lo tanto, formalmente no es parte del AICH. La referencia de fase para el AICH es el P-CPICH. Figura 2.21 Estructura de la trama del AICH 8 - Canal Indicador de Paging (PICH): Este canal es utilizado para portar los Indicadores de Paging (PI) y tiene tasa fija (SF=256) y es asociado al S-CCPCH, donde el PCH es mapeado. Consiste de dos partes: una de 288 bits usada para portar los PIs y la otra de 12 bits donde no se transmite ningún dato, es reservada para uso futuro. Figura 2.22 Estructura de PICH 8 24

38 - Canal de Control Compartido de Alta Velocidad (HS-SCCH): Este canal tiene una tasa fija de 60 kbps (SF=128) y es utilizado para portar señalización relacionada al HS-DSCH. Figura 2.23 Estructura de la trama del HS-SCCH 8 - Canal Físico Compartido Downlink de Alta Velocidad (HS-PDSCH): Es utilizado para portar el HS-DSCH. Este canal corresponde a un código de canalización de factor de extensión fijo (SF=16), del conjunto de códigos reservados para la transmisión del HS-DSCH. Un HS-PDSCH puede usar modulación QPSK, 16 QAM o 64 QAM. En la figura M es el número de bits por símbolos de modulación. Figura 2.24 Estructura de la sub-trama del HS-PDSCH 8 - Canal de Concesión Absoluta E-DCH (E-AGCH): Es utilizado para portar la concesión absoluta para el E-DCH en uplink y tiene una tasa fija de 30 kbps (SF=256). 25

39 Figura 2.25 Estructura de la sub-trama del E-AGCH 8 - Canal Indicador MBMS (MICH): Es utilizado para portar los indicadores de notificación MBMS (Multimedia Broadcast Multicast Service), el MICH siempre está asociado con un S-CCPCH sobre el cual es mapeado el canal de transporte FACH. Una trama de radio MICH de 10 ms consiste de 300 bits, de los cuales 288 son utilizados para portar los indicadores de notificación y los restantes 12 bits no son considerados formalmente como parte del canal. Figura 2.26 Estructura del MICH Arquitectura de Red UMTS El sistema UMTS consiste de un número de elementos de red físicos y lógicos cada uno con una función específica. Funcionalmente los elementos de red distribuyen en 3 grupos: Red de Acceso de Radio, Red Núcleo y Equipo de usuario. Seguidamente se describen de forma muy breve las funciones principales de cada uno de los elementos de red. 26

40 2.3.1 Red de Acceso de Radio (RAN) La red de acceso de radio está compuesta básicamente por un conjunto de estaciones base y sus controladores, cuya función es gestionar los recursos de radio. A continuación se describen estos elementos: Estación Base de Radio (Nodo B): Provee los recursos físicos de radio y convierte el flujo de datos entre la interfaz Iub y la interfaz Uu. Controlador de red de Radio (RNC): Controla los Nodos B y los recursos de radio. Es el punto de acceso al servicio y se encarga de establecer la comunicación con la Red Núcleo Red Núcleo (CN) La arquitectura de la red núcleo UMTS se basa en la evolución de la red núcleo GSM. Los elementos de esta parte de la red realizan funciones de conmutación, enrutamiento de llamadas de voz y establecimiento de conexiones de datos con otros elementos de red. A continuación se describen los nodos o elementos que la componen 9 : Centro de Conmutación Móvil (MSC): Realiza funciones de conmutación y enrutamiento, controla el establecimiento de la llamada, es decir, inicia, supervisa y libera la conexión, puede interactuar con otros nodos para establecer una llamada. Dentro de la nueva arquitectura de red, estas funcionalidades son implementadas por dos entidades o elementos de red diferentes, el MSC Server y el Media Gateway. Gateway MSC (GMSC): La funcionalidad de Gateway habilita a un MSC para interrogar a un HLR para enrutar una llamada que termina en móvil. No se usa en llamadas desde móviles a cualquier terminal que no sea móvil. Registro de Localización Local (HLR): Es una base de datos centralizada que almacena y gestiona todas las suscripciones móviles pertenecientes a un operador específico. 9 WCDMA Overview 27

41 Registro de Localización Visitante (VLR): Es una base de datos temporal que almacena información de suscripción de los móviles que están dentro de un área de servicio particular del MSC, por lo que el MSC primero consulta esta base antes de consultar al HLR. MSC Server (Sofswitch): Pertenece a la capa de control (señalización). Se encarga de las funciones de control de movilidad (MM - Mobility Management), control de llamada (CM - Call Management) y control de gateways (MGC - Media Gateway Control). Media Gateway (MGW): Pertenece a la capa de servicio. Se encarga de realizar todo el procesamiento de la voz, también realiza funciones de EC (Eco Cancellation), generación de tonos y colección de dígitos (DTMF). Nodo de Soporte de Servicios GPRS (SGSN): El SGSN provee enrutamiento y transferencia de paquetes hacia y desde el área de servicio GPRS, realiza funciones de autenticación y cifrado, gestión de sesión y gestión de movilidad. Nodo de Soporte Gateway GPRS (GGSN): El GGSN provee la interfaz hacia la red de paquetes IP externa, por lo tanto, se comunica con elementos de Proveedor de Servicios de Internet (ISP), como enrutadores y servidores de RADIUS para autenticación Equipo del Usuario (UE) El equipo de usuario está compuesto por de dos partes: Equipo móvil (ME): terminal de radio que permite establecer la comunicación sobre la interfaz de aire Uu. Módulo de Identidad de Suscriptor UMTS (USIM): Es una aplicación que contiene información del abonado, almacena claves de autenticación y encriptación y ejecuta algoritmos de autenticación. Está aplicación es una entidad lógica en la tarjeta física (UICC) utilizada en el terminal móvil. El sistema se complementa con otras plataformas que permiten ofrecer múltiples servicios, por ejemplo: servicios de mensajería corta, servicios de mensajería multimedia, servicios de localización, entre otros servicios de valor agregado. La figura 2.30 presenta la arquitectura básica del sistema e identifica cada una de las interfaces sobre las cuales se estable la 28

42 comunicación entre los elementos de la red. Para cada una de esas interfaces se establecen diferentes protocolos de comunicación. Figura 2.27 Arquitectura de red UMTS TS , v4.8.0, UMTS Network Architecture 29

43 CAPÍTULO 3: Calidad de Servicio en UMTS 3.1 Introducción al Concepto de Calidad de Servicio En las redes tradicionales de conmutación de circuitos, tal como la red de telefonía fija, el concepto de calidad de servicio (QoS, por sus siglas en inglés) está presente inherentemente, esto porque el circuito asignado a la transmisión está reservado totalmente para cada llamada, lo cual significa que los recursos se reservan desde que se establece la llamada hasta que esta finaliza. Por otro lado, en las redes de conmutación de paquetes, el circuito no se reserva y esto contribuye al uso eficiente de los recursos disponibles. Dicha eficiencia se debe al hecho de que los circuitos reservados generalmente no se utilizan a su capacidad total, lo cual es aprovechado por las técnicas de conmutación de paquetes. Estas redes tienen la capacidad para determinar cuando una aplicación en particular requiere una asignación de recursos específicos, considerando tanto factores de calidad como de cantidad. El concepto de Calidad de Servicio (QoS) se define como la capacidad de la red para proveer un servicio con un determinado nivel de integridad, accesibilidad y fiabilidad. La Unión Internacional de Telecomunicaciones (ITU-T) considera los siguientes aspectos: - Requerimientos de Calidad de Servicio por parte del cliente - Calidad de servicio planeada por el operador - Calidad de servicio entregada por el operador - Calidad de servicio percibida por el cliente 3.2 Factores Principales que Afectan a la Calidad de la Señal Radio La calidad del servicio proporcionado al cliente se encuentra afectada por una serie de factores, normalmente relacionados con la naturaleza de la señal radio. La propagación de la señal radio depende de las condiciones atmosféricas, así como de los obstáculos que la señal encuentra en el camino entre la estación base y el terminal móvil. Por lo tanto, las condiciones de propagación varían de forma notable tanto en el tiempo como en el espacio, dada la variación temporal y espacial del entorno; debido a esto, el 30