Sistemas de acceso móvil 3G y B3G

Transcripción

1 Material Docente Sistemas de acceso móvil 3G y B3G Lucas Cuadra Rodríguez Departamento de Teoría de la Señal y Comunicaciones Universidad de Alcalá Curso Mo-vación Camino evolu6vo 2G 2.xG 3G 3.xG 4.G 1

2 Indice Fundamentos Fundamentos HSUPA UMTS HSPA LTE Arquitectura Novedades Novedades Servicios UMTS: requisitos iniciales UMTS - Universal Mobile Telecommunica-ons System - (Release 99) Velocidades de 384 Kbit/s y hasta 2 Mbit/s (en baja movilidad ) Transmisión de datos en Conmutación de Circuitos y de Paquetes Uso de W- CDMA. Mayor capacidad y uso eficiente del espectro que los sistemas anteriores Amplia gama de servicios de voz, datos y mul-media I6nerancia ( roaming ) internacional Soporte para varias conexiones simultaneas Alto nivel de calidad y alto grado de seguridad 2

3 UMTS: Estructura celular Una sola célula en el cluster: N=1 Reu-lización de frecuencia muy fuerte Cómo acceder al medio radio compar-do? UMTS: Acceso radio W- CDMA (DS) Cómo? Cada bit de la señal de datos se mul-plica por un código (secuencia o chip ) La duración del chip(t C ) es menor que la del bit de información (T b ) La señal resulta ensanchada. Ventajas: Más inmune a interferencias Más robusto frente a escuchas A cada comunicación se le asigna un código dis6nto de forma que el receptor, que conoce el código, puede extrar la información: 3

4 UMTS: Acceso radio p T,j p U T,j e b 1 SF p n 1 η l b n 0 η Factor de carga= SF = g P = W R b ν = 1 p n p n + p i SF: Spreading Factor o Ganancia de Procesado W: Tasa de chip (3,84 Mchip/s en UMTS) 1, datos ν Factor de utilización= 0,67, voz UMTS: Acceso radio p T,j p U T,j SF = g P = W R b ν e b 1 SF p n 1 η l b n 0 Influencia del factor de carga? Respiración celular? Party effect? Influencia de la tasa binaria? La capacidad para ges6onar el trafico no premanece constante: So# capacity η Factor de carga= = 1 p n p n + p i 4

5 UMTS: Acceso radio Capacidad Sistema 2G La capacidad para ges-onar tráfico está fijada en la fase de diseño Depende del número de canales disponible en la célula Es un sistema limitado por canal Si todos los canales de una célula están ocupados, un nuevo intento de llamada se pierde, porque no se pueden u-lizar los recursos de otras células vecinas Sistema 3G La capacidad para ges-onar trafico NO es constante (so# capacity) Es un sistema limitado por interferencia: la capacidad depende del número de usuarios ac6vos en la célula Puede u-lizar recursos de células vecinas UMTS: Traspaso Sistema 2G Traspaso sin con6nuidad Un solo -po, llamado hard handover Sistema 3G Traspaso con con6nuidad Varios -pos: Hard handover So^ handover So^er handover So^ handover: Existe un intervalo de -empo en el que el móvil está conectado a 2 células So^er handover: Existe un intervalo de -empo en el que el móvil está conectado a 2 sectores del mismo emplazamiento 5

6 UMTS: compara-va Ventajas e Inconvenientes Ventajas Reu-lización muy fuerte de los recursos (Cluster con N=1 célula) W- CDMA (DS) permite u-lizar la misma portadora simultáneamente por varios usuarios sin más que u-lizar un códio adecuado que, en recepción, permite separar la comunicación de interes de todas las demás Sistema agil y flexible: Capacidad variable U-lizar recursos libres de otras células vecinas Varias modalidades de traspasos con con-nuidad Inconvenientes El sistema es más complejo Requieres técnicas más complicadas de: Control de potencia Control de admisión, UMTS: Arquitectura Arquitectura! UTRAN (UMTS Terrestrial Radio Access Network) Red Troncal (Core) Inicialmente aprovecha la red troncal de GSM/GPRS: CN- CS (Core Network, Circuit Swithc) y CN- PS Evolución hacia All- IP 6

7 Arquitectura! UMTS: Arquitectura Evolución hacia 4G Versión Año Resumen Release Se especifica la primera versión de UMTS en la que se incorpora W- CDMA en la interfaz radio Release Empieza a añadir aspectos relacionados con all- IP Release Introduce IMS y Release Integra conexión con redes W- LAN y añade HSUPA Release 7 Hoy Los obje-vos actuales son reducir la latencia, mejorar la QoS y aplicaciones en -empo real como VoIP HSPA+(High Speed Packet Access Evolu-on) Release 8 En desarrollo LTE / SAE (4G) UMTS: Servicios Servicios! Posibilidad de negociar la calidad asociada a un determinado servicio Quality of Service (QoS) Implica una negociación dinámica de los parámetros que permiten el establecimiento de la portadora radio (Radio Bearer, RB). Proceso de negociación: Se inicia siempre en el terminal móvil UE (User Equipment). Éste envía una solicitud para u-lizar recursos de red La red comprueba si puede proporcionar los recursos solicitados. Ésta puede garan-zarlos (ofreciendo un conjunto reducido de los mismos), o bien puede rechazar la solicitud El terminal móvil puede entonces aceptar o rechazar las modificaciones ofrecidas 7

8 Servicios! UMTS: Servicios 1. Servicios conversacionales en 6empo real. Son servicios con requisitos de retardo muy restric-vos, sin almacenamiento temporal (no buffering), tráfico simétrico, y tasa de bits garan-zada. Se u-liza en telefonía vocal convencional y en la videotelefonía. 2. Servicios interac6vos. Son servicios en los que se solicitan datos a un equipo remoto, como por ejemplo un servidor web o la consulta de una base de datos. El retardo debe ser limitado pero no se requiere una respuesta en 6empo real. Sin embargo, sí es necesario que la tasa de errores sea baja, para preservar el contenido. 3. Servicios de 6po streaming. Se trata de servicios en los que se va reproduciendo algún -po de contenido en el terminal según se va recibiendo de la red. Para evitar interrupciones en la reproducción, requieren un retardo mínimo (puesto que son servicios en -empo real). Permite almacenamiento temporal (buffering), tráfico asimétrico y tasa de bits no garan-zada. 4. Servicios Diferidos (background). Se trata de servicios en los que no existe un requisito de retardo mínimo, como por ejemplo el correo electrónico y el servicio de mensajes cortos SMS, permite almacenamiento temporal de tráfico asimétrico y no garan-za tasa de bits. Requieren que la tasa de errores sea baja preservando el contenido. Indice Fundamentos y HSUPA son mejoras de UMTS que se engloban dentro del concepto HSPA! Fundamentos HSUPA UMTS HSPA LTE Arquitectura Novedades Novedades Servicios 8

9 : Novedades! UL: 384 Kbps DL: 14,4 Mbps (High- Speed Downlink Packet Access) es una mejora de UMTS en lo que respecta al enlace descendente de la red de acceso radio. Algunas de sus novedades son: Un nuevo canal compar6do, HS- DSCH (High Speed Downlink Shared CHannel), que puede ser compar-do simultáneamente por varios usuarios : Novedades! UL: 384 Kbps DL: 14,4 Mbps El TTI (Transmission Time Interval) más corto de 2ms (comparado con el TTI de UMTS R99 que está comprendido entre 10 y 80 ms) se traduce en que el sistema reacciona más rápidamente a variaciones en las condiciones radio o de los usuarios, y puede, de forma más ágil, reasignar capacidad a los usuarios. La programación rápida (Fast Scheduling) en el Nodo B -ene como obje-vo que, adaptándose a las variaciones de las condiciones radio, la estación base pueda asignar a un usuario par-cular, durante un periodo corto de -empo, tanta capacidad de la celda como sea posible, o en defini-va, que pueda recibir tantos datos como las condiciones del canal radio lo permitan. 9

10 : Novedades! UL: 384 Kbps DL: 14,4 Mbps La técnica AMC (Adap6ve Modula6on and Coding) se traduce en que la modulación y los códigos se pueden cambiar de acuerdo con las variaciones de las condiciones del canal, lo que lleva a mayores velocidades de transmisión de datos. Mientras que UMTS R99 u-liza solo modulación QPSK, introduce la posibilidad de u-lizar la modulación 16- QAM cuando el enlace es suficientemente robusto, lo que, finalmente, desemboca en un incremento de la velocidad de transmisión de datos Fast H- ARQ (Hybrid AutomaGc Response request): permite que los paquetes erróneos se puedan re- enviar dentro de una ventana temporal de 10 ms, asegurando que el rendimiento permanezca alto En, la técnica H- ARQ se traslada a la estación base (en clara diferencia con UMTS R99 donde se encuentra en el RNC). HSUPA: Novedades! HSUPA HSPA (High Speed Packet Access) De forma similar a en el enlace descendente, HSUPA define una nueva interfaz radio pero ahora para las comunicaciones en el enlace ascendente (UL: 5.76 Mbps) Como resumen de las novedades técnicas introducidas por HSUPA podemos mencionar: Un nuevo canal dedicado de subida, Introducción de H- ARQ (Hybrid ARQ), Programación (schedulling) rápida en el nodo B HSUPA UL: 5,76 Mbps DL: 14,4 Mbps 10

11 Indice Fundamentos Fundamentos UMTS HSPA LTE Arquitectura Novedades Novedades Servicios LTE (Long Term Evolu-on) EVOLUCIÓN! 2G 2.XG 3G 3.xG 4G Perspec6va: Fundamentalmente servicio de voz: GSM Se añaden servicios de paquetes: GPRS, EDGE Interfaz aire 3G: UMTS /HSUPA LTE/SAE 11

12 LTE MOTIVACIÓN! Necesidad Red op-mizada de conmutación de paquetes Mayores velocidades de transmisión Mejor calidad de servicio Infraestructura más barata Mo6vación para la 4G: Solución Evolución de UMTS hacia un sistema basado solo en conmutación de paquetes - /HSUPA - LTE - Reducir Round Trip Delay : LTE - Always- on experience: reduce la latencia en el plano de control Simplificar la arquitectura: reducir el número de elementos de la red: LTE/SAE NOVEDADES! LTE/SAE LTE UL: 75 Mbps DL: 300 Mbps Hay dos aspectos claves de LTE: Conseguir hacer realidad la banda ancha móvil. Para tener baja latencia y alta velocidad de transmisión, LTE hace uso de una combinación de OFDM (Orthogonal Frequency- Division MulGplexing) / MIMO (MulGple- Input and MulGple- Output). Se deja de u-lizar la técnica CDMA caracterís-ca de UMTS. Simplificar al máximo la arquitectura de la red, caracterizada por tener un núcleo de red basado en all- IP. A esa arquitectura más sencilla ( plana ) del núcleo de la red basada en all- IP se le denomina System Architecture EvoluGon (SAE) y a veces Evolved Packet Core (EPC). 12

13 FUNDAMENTOS! OFDM: LTE/SAE LTE UL: 75 Mbps DL: 300 Mbps 1. En OFDM los datos a transportar se reparten en varias sub- portadoras ortogonales 2. Cada una de estas sub- portadoras se modula digitalmente de forma independiente de forma que cada una de ellas se convierte en el fondo en un canal que transporta sus propios datos 3. OFDM se puede ver como una técnica de espectro expandido ya que los datos se reparten a lo largo de muchas sub- portadoras con un ancho de banda estrecho. Así, OFDM reduce el impacto nega-vo del desvanecimiento por propagación mul-- camino ya que los datos a transportar se envían simultáneamente sobre múl-ples sub- portadoras (de banda estrecho o, en el -empo, un larga duración). MIMO: LTE/SAE Se u-lizan múl-ples antenas transmisoras (N TX ) y receptoras (N RX ) La idea básica es transmi-r varios flujos de datos en paralelo El canal MIMO, idealmente, consiste en N TX xn RX caminos de propagación incorrelados. Intui-vamente MIMO u-liza una especie de mul-plexación espacial que permite que diferentes flujos de datos se transmitan simultáneamente desde diferentes antenas transmisoras de forma que se incrementa la capacidad de la celda: C MIMO = B C ln( 1+ SIR min( N TX,N RX )) LTE UL: 75 Mbps DL: 300 Mbps 13

14 Arquitectura! Arquitectura: LTE/SAE LTE UL: 75 Mbps DL: 300 Mbps Resumen! Resumen LTE/SAE Desde el punto de vista técnico, los obje-vos básicos de LTE/SAE son: 1. Ofrecer mayores velocidades de transmisión de datos, tanto en el enlace descendente como en el ascendente LTE UL: 75 Mbps DL: 300 Mbps 2. Reducir el -empo de latencia de los paquetes. Esto permi-ría, por ejemplo proveer de VoIP, videoconferencia o juegos en -empo real. 14

15 LTE/SAE Resumen! La interfaz aire mejorada permite incrementar las velocidades de transmisión de datos: LTE está basado, en la combinación de esquemas OFDM (que reparten el espectro de la señal entre portadoras, cada una de las cuales transporta una porción de la señal) y MIMO. Su rendimiento es en promedio cinco veces mejor que el de HSPA. Latencia reducida: reducir el round- trip- Gme hasta 10ms, o incluso menos (comparado con los 40-50ms de HSPA), permite proporcionar servicios interac-vos, en -empo real, tales como videoconferencia de alta calidad o juegos con múl-ples jugadores. Entorno All- IP : Núcleo de red plano basado en IP, SAE (System Architecture EvoluGon) - Evolved Packet Core (EPC). SAE/EPC permite proporcionar servicios más flexibles junto con una interconexión mas sencilla con otras redes. 15