Comunicaciones Inalámbricas

Transcripción

1 Comunicaciones Inalámbricas 3G Quito Ecuador I. Bernal IMT2000 Agenda CDMA2000 WCDMA //handoff =traspaso 2 1

2 Bibliografía A. Miceli, Wireless Technician s Handbook, 2nd Edition, Artech House, Telefónica I+D, Las Telecomunicaciones y la Movilidad en la Sociedad de la Información, 1ª Ed., Febrero de IMT-2000 International Mobile Telecommunications System 2000 De la ITU. Tiene como propósito facilitar la introducción de nuevas funcionalidades y proporcionar una evolución desde los sistemas 2G hacia 3G. Esencialmente define un sistema de movilidad inalámbrico que permitiría servicios de comunicación de altas velocidades, de hasta 2 Mbps. Mayor capacidad de sistema y una mayor eficiencia espectral. Para usar una banda de frecuencia global en el rango de 2000 MHz que soportaría un estándar de comunicaciones inalámbricas único y ubicuo para todos los países en el mundo. Es un estándar global diseñado para armonizar los estándares 3G. Una de sus principales metas es estandarizar el tipo de red de backhaul sobre la que los formatos de radio pueden operar. IS-95 fue diseñado para operar con IS-41 y GSM para operar con GSM-MAP. A medida que CDMA evolucione hacia CDMA2000 será posible operar con cualquiera de las dos. 4 2

3 Historia IMT-2000 Ya en la WARC (World Administrative Radio Conference) de 1992 se empezó a trabajar en la definición de un nuevo espectro para la actualización de los sistemas 2G, para proveer nuevas características, servicios y uso eficiente de dicho espectro. Se debe considerar que en 1992, GSM, IS-95 e IS-136 estaban apenas en instalaciones iniciales. En la misma época la ITU inició sus trabajos en definir que deberían hacer los sistemas de 3G. De este grupo vino el Sistema IMT Historia IMT-2000 Así inició el proceso de desarrollo de la nueva tecnología y de los estándares que constituirían el sistema. 3GPP (Third Generation Partnership Program) 3GPP1 3GPP2 Un comité global fue formado para coordinar el proceso y fue denominado 3GPP. A medida que se avanzó en el proceso era claro que existiría mas de una interfaz de aire. Se estableció otro programa de Partnership: 3GPP2. El grupo original que inició el trabajo en lo que sería el sistema WCDMA. Para garantizar que el estándar CDMA2000 se ajuste al estándar IMT TD-SCDMA (Time Division- i i Synchronous Code Division i i Multiple l Access) ) Formato 3G que se está instalando en China. 6 3

4 Objetivo de los sistemas 3G IMT-2000 Proveer comunicaciones inalámbricas de alta velocidad para soportar la transmisión de datos, video y multimedia además de la de voz. IMT200 ha definido la visión de la ITU de las capacidades 3G: Calidad de voz comparable a la PSTN. Velocidad de transmisión de datos de 144 kbps para usuarios en vehículos motorizados a alta velocidad sobre grandes áreas. Velocidad de transmisión de datos de 384 kbps para personas estáticas, desplazándose a pie, o moviéndose lentamente en pequeñas áreas. Soporta de Mbps para uso en oficinas Tasa de transmisión asimétricas y simétricas. Soporte para transmisión de datos mediante conmutación de circuitos y paquetes. Una interfaz adaptiva al Internet para reflejar eficientemente el carácter asimétrico entre tráfico upstream y downstream. Uso mas eficiente del espectro disponible. Soporte para una amplia variedad de equipos móviles Flexibilidad para permitir la introducción de nuevos servicios y tecnologías. 7 IMT-2000 La ITU aprobó en 1999 cinco interfaces de radio para la familia de estándares de IMT-2000 (recomendación ITU-R M.1457). Se cubre un conjunto de interfaces de radio para performance optimizado en diferentes ambientes de radio. 8 4

5 IMT-DS (Direct Sequence). Conocido como UTRA FDD (UMTS Terrestrial Radio Access FDD), y más comúnmente como WCDMA (Wideband CDMA). IMT-2000 IMT-MC (Multicarrier) Versión 3G de IS-95 (también conocido como cdmaone, USA), y se suele denominar cdma2000. IMT-TC (Time Code) UTRA TDD *** TD-SCDMA UTRA que utiliza multiplexación por división en el tiempo. IMT-SC (Single Carrier) Esencialmente es una particularización i ió de GSM Fase 2+, conocido como EDGE (Enhanced Data Rates for GSM Evolution). Para redes que usan solo TDMA (UWC 136) IMT FT (Frequency Time) De Europa. Este sistema se conoce como DECT (Digital Enhanced Cordless Telecommunications). 9 IMT-2000 Dos de las alternativas crecieron a partir del trabajo del ETSI para desarrollar un UMTS (Universal Mobile Telecommunications System) como el estándar 3G de Europa, y se propusieron a IMT UMTS incluye dos estándares: WCDMA o UTRA FDD (UMTS Terrestrial Radio Access FDD) IMT-TC o TD-CDMA (UTRA TDD, combinación de WCDMA y TDMA) para proveer un camino de actualización para sistemas GSM, basados en TDMA. A inicios del siglo, varias propuestas competidoras basadas en wideband CDMA se unieron en un solo estándar WCDMA. El estándar WCDMA resultante se llama ahora UMTS (aclaración) Nomenclatura Otras referencias llaman solo a WCDMA como UMTS (sin incluir a IMT-TC). TC). Con la última aclaración es lo aceptado actualmente. 10 5

6 3GPP 3rd Generation Partnership Project es el principal foro de estandarización de un sistema móvil 3G. No tiene entidad legal Es un proyecto común de sus socios y está formado por: ETSI en Europa ATIS en USA ARIB y TTC en Japón TTA en Corea CCSA en China 3GPP representa un acuerdo de colaboración entre organismos de estandarización y otras entidades relacionadas para producir las especificaciones técnicas relativas a: Un sistema 3G basado en una red de core GSM/MAP evolucionada y en el acceso radio UTRA. La evolución del acceso radio GSM/GPRS/EDGE. La estandarización en 3GPP es un proceso gradual, con continuas revisiones y evoluciones. 3GPP produce cada cierto tiempo un conjunto de documentos que constituye un estándar que se conoce como Release. 11 3GPP Esta forma de trabajo, heredada de GSM, permite tener un sistema funcionando a la vez que se mejora y completa. 3GPP ha producido tres releases y está trabajando en la cuarta. La Figura muestra la evolución temporal y los hitos fundamentales, desde la primera versión de la norma GSM (Fase 1). 12 6

7 Release 99 3GPP UMTS presenta cambios radicales frente a GSM/GPRS en la red de acceso radio, al emplear la tecnología WCDMA en la interfaz aire. Releases 4, 5 y 6 Los cambios fundamentales se presentan en el núcleo de red y en las capacidades de servicio que se especifican. 3GPP introduce opciones en la configuración de red, y especifica la arquitectura y protocolos para poder desplegar una red móvil 3G basada totalmente en el protocolo IP. Los servicios de conmutación de paquetes de UMTS ya emplean IP para el transporte de datos de usuario extremo a extremo, así como en el backbone. 13 3GPP Release 99 En su modo FDD, es la base de las redes 3G hoy en servicio (NTT DoCoMo) y que está en fase de despliegue en Europa. EDGE Release 4 Modo TD-SCDMA Nueva interfaz radio desarrollada por el socio chino CCSA Similar al modo TDD de la Release 99 pero con diferente tasa de chip. 1,28 Mchip/s vs. 3,84 Mchip/s. En la red core se introduce la separación de los planos de señalización y usuario y el concepto media gateway. Introduce el concepto GERAN Se puede usar GSM/GPRS/EDGE con UMTS. UTRAN basado en CDMA. 14 7

8 3GPP 15 Release 5 3GPP Introduce IMS (IP Multimedia Subsystem) Para el control de sesiones multimedia completamente basado en tecnología IP y se considera el potenciador de la introducción de All-IP en la red móvil. IMS permite soportar múltiples flujos multimedia con diferentes QoS, y utiliza el dominio de paquetes y el protocolo SIP para el control de sesión. IMS provee acceso a la PSTN (Se usa SIP -Session Initiation Protocol- para señalización). IMS representa la implantación conservadora de la arquitectura All-IP en 3G. Promueve la convergencia con la Internet multimedia, proporcionando servicios de contenidos y comunicaciones multimedia en tiempo real. Posibilita una integración ió natural con los servicios i TCP/IP (videoconferencia, i voz sobre IP, streaming, presencia, mensajería instantánea y diferida, web, etc.), permitiendo al operador 3G que pueda proporcionar a sus abonados una atractiva oferta de servicios multimedia combinados. 16 8

9 Release 5 3GPP HSDPA (High Speed Downlink Packet Access) HSDPA introduce en la red de acceso radio un nuevo canal descendente, compartido y de alta velocidad. Servicio basado en paquetes que incrementa la velocidad de transmisión de hasta 8-10 Mbps ( y hasta 20 Mbps para Sistemas MIMO). Mejoras Tecnológicas recientes incorporadas: Multiple-input multiple-output (MIMO) Adaptive Modulation and Coding (AMC) Fast Hybrid Automatic Repeat request (FHARQ) Fast Cell Selection (FCS) 17 Release 5 3GPP HSDPA (High Speed Downlink Packet Access) AMC (Adaptive Modulation and Coding ) Es una técnica de adaptación del enlace de radio en la que el orden de la modulación y método de codificación del canal son cambiados de acuerdo a la calidad de la señal recibida. Es algo sensible a errores en las mediciones y retardos. FHARQ (Fast Hybrid Automatic Repeat request ) Propuesto para proveer adaptación del enlace implícito a condiciones del canal instantáneas. Esquema para retransmisiones selectivas. FCS (Fast Cell Selection) Propuesto para disminuir la interferencia e incrementar la capacidad del sistema. El móvil indica la mejor celda en el canal directo usando señalización en el canal reverso. Si bien múltiples celdas pueden ser miembros del conjunto activo, solo una puede transmitir a la vez. 18 9

10 Release 6 3GPP Servicio MBMS (Multimedia Broadcast/Multicast Service) Es la funcionalidad más significativa del Release 6. Servicio de transporte, independiente de la aplicación, con uso de recursos óptimo: En la interfaz radio los datos se transmiten una sola vez por canal común para todos los suscriptores de la celda. En la red se utiliza una sola portadora. Se estandariza tanto para accesos radio UTRAN como GERAN. Permitirá servicios de streaming y de descarga de archivos, localizados geográficamente, con control sobre el QoS y sobre la facturación. La recepción no está garantizada por la red de acceso. Si es necesaria, deberá llevarse a cabo en las capas superiores. Modo broadcast Transmisión unidireccional punto a multipunto a todos los usuarios del área de servicio. Modo multicast La transmisión se realiza sólo para los usuarios suscritos a un grupo multicast, y permite tarificación y facturación. Las modificaciones en la interfaz aire de UTRAN (Um) se han reducido en lo posible. No se introduce un nuevo canal físico o de transporte, aunque a nivel lógico son necesarios dos nuevos canales descendentes (control y tráfico). 19 Release 6 3GPP IMS (IP Multimedia Subsystem) Fase 2 Parte de la funcionalidad original no fue completada a tiempo para ser incluida en la Release 5 Por ejemplo, la gestión de grupos y los servicios de conferencia y mensajería. Se dedica el esfuerzo necesario para la migración de los desarrollos de IMS basados en IPv4 a IPv6. La interoperabilidad WLAN-3GPP El acceso WLAN al núcleo de red móvil se estandariza como alternativa de acceso. La aplicación Push to talk over Cellular (PoC) Está siendo estandarizada en OMA, pero utilizará el subsistema IMS de las redes 3GPP

11 3GPP A partir de la Release 4 se especifica la separación funcional del tradicional MSC en dos elementos funcionales: MSC Server (plano de control) Provee el control de las llamadas y el control de la movilidad del MSC (en la parte de conmutación de circuitos). Contiene una VLR que mantiene datos del abonado y datos relacionados a CAMEL. Adicionalmente, es responsable de la conversión de señalización (señalización usuario-a-red convertida a señalización red-a-red). Empleando SS7 sobre IP (utilizando soluciones SIGTRAN de IETF) Signaling Transport (SIGTRAN ) Internet Engineering Task Force (IETF) Los protocolos SIGTRAN especifican los medios por los que mensajes SS7 pueden transportarse de forma confiable sobre redes IP. Media Gateway (plano de usuario) Transporta la voz en paquetes, empleando tecnología de VoIP. Esto permite la introducción de un backbone IP en el dominio de conmutación de circuitos de la red core. 21 3GPP 22 11

12 3GPP 23 Open Mobile Alliance OMA Organismo de estandarización creado en junio de 2002 Para estandarizar servicios y aplicaciones móviles de manera independiente a la tecnología de transporte y acceso. Participan: Principales operadores móviles Fabricantes de equipos de red y terminales Proveedores de servicios y contenidos Compañías de tecnologías de la información de todo el mundo Consolida e integra diversos grupos: WAP Forum Location Interoperability Forum (LIF) SyncML Initiative MMS-IOP (Multimedia Messaging Interoperability Process) Wireless Village Mobile Gaming Interoperability Forum (MGIF) Mobile Wireless Internet Forum (MWIF) 24 12

13 OMA Objetivo principal Garantizar interoperabilidad extremo a extremo de los servicios móviles Se centra en la especificación de una arquitectura de servicios con interfaces abiertas e independiente de la tecnología de redes móviles y sus plataformas. Además de las actividades de interoperabilidad, OMA trabaja en las siguientes áreas de especificación de servicios: Multimedia Messaging Service (MMS) Device Management & Client Provisioning Digital Rights Management (DRM) Mobile Broadcast Services (MBS) Push to talk over Cellullar (PoC) Content Screening Presencia y disponibilidad Instant Messaging Mobile Web Services Otros 25 3GPP2 De forma similar a como se estableció 3GPP. Para la estandarización de los sistemas cdma2000 Ha ido produciendo distintas versiones de las distintas modalidades del estándar (1xRTT, 3xRTT, 1xEV-DO y 1xEV-DV). Se realiza a través de un proyecto de colaboración, sin entidad legal. Organismos de estandarización involucrados: ARIB, Association of Radio Industries and Businesses (Japón) CCSA, China Communications Standards Association (China) TIA, Telecommunications Industry Association (USA) TTA, Telecommunications Technology Association (Corea) TTC, Telecommunications Technology Committee (Japón) También cuenta con dos representantes del mercado: The CDMA Development Group (CDG) IPv6 Forum 26 13

14 IEEE Estudia técnicas para permitir handoffs entre redes heterogéneas (IEEE /802.16/ y UMTS o GPRS). El objetivo es un estándar que definirá mecanismos independientes del acceso al medio (capa 2). Estos mecanismos permitirán optimizar la detección y selección de los puntos de acceso y los handoffs, procesos que en todo caso son gestionados por entidades de las capas superiores. 27 CDMA2000 CDMA2000 es para muchos la siguiente generación de IS-95, es una actualización y mantiene compatibilidad. Pasos principales p que un operador CDMA podría considerar: IS-95 IS-95B 3G-1X (1XRTT) 1XEV-DO 1XEV-DV 3G-3X 3X (3XRTT) 28 14

15 CDMA2000 IS-95 El estándar 2G instalado. IS-95B (2.5G) Instalado en Asia pero muy poco en USA. Algunas mejoras incluyendo transmisión de datos mediante conmutación de paquetes. 64 kbps o 96 kbps. 3G-1X (1XRTT, Radio Transmission Technology with one carrier) Se le suele llamar solamente 1X. 1X se refiere al uso de una vez la tasa de spreading de IS-95 que es Mcps. Se le conoce como la primera fase 3G de CDMA (cdma2000 1x) y se esperaba que sea ampliamente instalada debido a los incrementos en capacidad y por sus facilidades para transmisión de datos a altas velocidades. Se le suele considerar 2.5G. Puede llegar a duplicar la capacidad de usuarios de voz de las redes cdmaone. Ofrece velocidades máximas de transmisión de paquetes de datos de 307 kbps en entornos móviles. 29 1XEV-DO (Data Only) CDMA2000 Conocida como Qualcomm HDR (High Data Rate) o CDMA/HDR o IS-856. Una solución high-speed Data Only. Orientada al uso de IP para transmisión de paquetes y acceso a Internet. Esquema asimétrico, para downstream (de 38.4 kbps a Mbps) y para upstream ( de 9.6 kbps a kbps) Con VoIP se puede soportar tráfico de voz. EV hace referencia a que es una tecnología evolutionary basada en IS-95. Se la puede integrar con relativa facilidad en redes CDMA existentes. Se la considera también una solución interina 2.5G. Algunos estiman que 1XEV se instalará en paralelo con 1X. 1X para servicios de voz 1XEV para servicios de datos 1XEV-DV (Data Voice) Una versión mejorada de 1XEV-DO. Permite simultáneamente servicios de voz. frece servicios multimedia que integran simultáneamente voz y paquetes de datos a alta velocidad Alcanza hasta 3,09 Mbit/s

16 3G-3X (3XRTT) /(cdma2000 3x) CDMA2000 La versión 3G completa de CDMA. Una perspectiva es que se tendrá una instalación limitada debido a altos costos y problemas de demanda y competitividad. Se refiere a la opción original multicarrier (MC). Implica la utilización de tres portadoras "1x" (de 1,25 MHz de ancho de banda cada una) para incrementar la velocidad binaria y utilizar una banda de 5 MHz. Sin embargo, se sugiere que ha perdido su posible hueco en el mercado debido al empuje de la tecnología 1xEV. 31 CDMA2000 El primer sistema comercial que se lanzó mundialmente con cdma2000 1x SK Telecom (en Corea del Sur) en octubre de Se ha seguido desplegando en algunos países de Asia, América del Norte y del Sur, y en Europa. En el 2002 SK Telecom y KT Freetel lanzaron el sistema cdma2000 1xEV-DO

17 A medida que CDMA evolucione hacia CDMA2000 será posible operar con IS-41 o GSM-MAP. CDMA X-RTT CDMA2000 Se aseguraba que casi todos los operadores en el mundo instalarían al menos esta primera fase. Mejoras El ancho de banda de la señal permanece la misma ( MHz) El sistema es compatible hacia atrás. En la mayoría de los casos se actualiza una tarjeta y software en las BTSs. Las MSs deben ser cambiadas. El número de Códigos Walsh se incrementa a 128, y se incrementa su longitud. Mejores códigos de control de errores. Mejores y mas rápidos mecanismos de control de potencia. Mejoras en la diversidad de transmisión. Nuevos canales físicos Resultados Para fast paging, lo que mejora el tiempo ocioso de la MSs y mejora la duración de baterías. Casi duplicar la capacidad de voz. Servicios de datos con conmutación de paquetes a mayores velocidades (hasta 153 kbps)

18 1X-RTT CDMA2000 La arquitectura de red de cdma2000 distingue entre los dominios de conmutación de circuitos y de paquetes. Conmutación de circuitos El diseño busca la interoperabilidad con las redes IS-95 Utiliza los mismos elementos que la red core de GSM alrededor del MSC. Aunque funcionalmente son equivalentes, las MSCs y HLRs de cdma2000 se basan en la utilización de diferentes protocolos de señalización y formatos de datos. Difiere de UMTS en el protocolo de gestión de la movilidad. Se emplea el protocolo especificado en ANSI-41. Conmutación de paquetes Predomina la reutilización de protocolos existentes para redes IP antes que la reutilización de la infraestructura de conmutación de paquetes de GPRS como en UMTS. Por ejemplo, se utiliza Mobile IP (para soportar la movilidad), IPSec (para seguridad) y AAA (Authentication, Authorization and Accounting para acceso a la red). 35 CDMA

19 1X-RTT CDMA2000 Como los servicios de datos en IS-95 se implementan con conmutación de circuitos, es necesario incluir un elemento de interfuncionamiento (Inter Working Function, IWF) entre el Internet y el MSC. Esto no es viable para servicios de datos de mayores tasas binarias (manejadas en 3G). En conmutación de paquetes, el elemento central es el PDSN (Packet Data Serving Node). El punto de unión con la red privada IP. Es el punto de terminación del protocolo de enlace PPP (Point-to-Point Protocol). Está conectado al (BSS) a través de la interfaz R-P (Radio- Packet). También es responsable de la gestión de la movilidad actuando como un Foreign Agent (FA) para la funcionalidad de Mobile IP (MIP). Servidor AAA (Accounting, Authentication and Authorization) Basado en RADIUS (Remote Authorization Dial-In Service) Se utiliza para labores de autenticación. 37 1X-RTT CDMA2000 También se necesita un Home Agent (HA) para terminar los túneles IP y mantener la sesión Mobile IP. En el BSS se requiere una nueva funcionalidad, denominada PCF (Packet Control Function), para soportar los nuevos servicios en conmutación de paquetes de la interfaz R-P

20 1x EV-DO CDMA2000 No usa la interfaz R-P Se necesitan otros elementos de red Router de acceso (AR) cdma2000 1xEV-DO. Puntos de acceso (Access Points, AP), que emplean el esquema de acceso TDM en el enlace descendente y CDMA en el ascendente. Incorpora las funcionalidades de control necesarias para soportar este tipo de servicios. 39 3X-RTT CDMA2000 El concepto básicamente es usar 3 canales de MHz. Se denomina spreading rate 3 La spreading rate es Mcps La longitud de los códigos de Walsh es de hasta 256, incrementando la capacidad. Se tendrán velocidades de datos de hasta 2 Mbps

21 CDMA2000 (Red de Acceso) Los sistemas 1xEV (DO y DV) mantienen compatibilidad en los requisitos de espectro con los sistemas 1x y cdmaone. Los operadores con licencias para operar cdmaone y suficiente espectro, pueden conseguir que sus sistemas evolucionen de 2G a 3G sin necesidad de adquirir nuevas licencias. 41 Configuraciones de radio CDMA2000 En CDMA2000, los operadores tienen gran flexibilidad en los servicios que pueden ofrecer. Tanto los enlaces forward y reverso tienen varias configuraciones de radio que proveen diferentes niveles de tasa de datos, y por lo tanto servicios. Se usan diferentes modulaciones y formas de codificación. Enlace forward 9 configuraciones de radio (RC, Radio Configurations) RC1 y RC2 son configuraciones de IS-95B RC3 a RC5 son configuraciones 3G-1X RC6 a RC9 son configuraciones 3G-3X Enlace reverso 6 configuraciones de radio (RC, Radio Configurations) RC1 y RC2 son configuraciones de IS-95B RC3 a RC6 Dramáticamente diferentes. Los enlaces reversos tiene muchos cambios para incrementar la capacidad

22 Configuraciones de radio CDMA Configuraciones de radio CDMA

23 CDMA2000 Interfaz de aire Sentido reverso tiene marcadas diferencias. Se agregan varios canales físicos. Canales piloto Canales de datos suplementarios Canales de control para señalización Diferente a IS-95, donde solo se tenía un canal físico transmitido desde la MS. Se utiliza la modulación HPSK (Hybrid Phase Shift Keying) Conocida como OCQPSK (Orthogonal Complex Quadrature Phase Shift Keying) 45 CDMA

24 CDMA2000 Control de Potencia Uno de los cambios mas importantes en CDMA2000 es la introducción de control de potencia rápido en el enlace forward. Se implementa de manera similar al control de potencia del enlace reverso. Un lazo externo (outer loop) que fija el Eb/No deseado para obtener una cierta FER. El lazo interno mide la potencia recibida para par enviar los bits de control a la BTS. Los bits de control en cualquiera de los sentidos ( forward o reverso) se pueden enviar como un subcanal de los canales de datos o en alguno de los nuevos canales agregados. 47 CDMA2000 Forward Transmit Diversity En la actualidad, la mayoría de estaciones base usan diversidad de recepción, usando dos antenas para combinar las señales recibidas o tomar la de mejor recepción. La idea en transmisión es similar. La BTS usará dos antenas para transmitir. Se consideran dos alternativas opcionales. STS (Space-Time Spreading) Se transmiten todos los datos por las dos antenas pero se usan funciones ortogonales diferentes en cada una para el spreading. El móvil recibe las señales de ambos caminos y las combina. OTD (Orthogonal Transmit Diversity) Se distribuyen los símbolos entre las antenas y luego se usan funciones ortogonales diferentes. El móvil recibe las dos señales, de ambos caminos, y las combina

25 CDMA2000-TDD Están estandarizadas versiones TDD de CDMA2000. No se espera que tengan una gran acogida. La idea es utilizar menos ancho de banda en una conversación. Se tendrá una disminución en el performance. 49 CDMA2000- Todo IP En cdma2000 también se plantea la evolución hacia una red todo IP. Se ha realizado un esfuerzo de convergencia con el modelo de 3GPP. La arquitectura de red todo IP de 3GPP2 se representa en la Figura. En esta arquitectura aparecen una serie de elementos nuevos. Por ejemplo: Access Gateway Incorpora las funcionalidades del PDSN y del AR, incluyendo el soporte al FA de Mobile IP. Elementos necesarios para soportar servicios multimedia a través de lo que se denomina IMD (IP Multimedia Domain), que es funcionalmente equivalente al IMS (IP Multimedia Subsystem) de UMTS

26 CDMA2000- Todo IP 51 En la Figura se presentan los elementos funcionales propios del IMD (IP Multimedia Domain) para el plano de control. 3GPP y 3GPP2 han cooperado para maximizar el número de elementos e interfaces compatibles en IMS Release 6 e IMD Revisión 3, alineándose también con los estándares de IETF. Este esfuerzo implica que, aunque el plano de transporte no llegue a converger, el plano de control entre ambos tipos de redes tiende a converger en una solución todo IP. CDMA2000- Todo IP 52 26

27 UMTS (WCDMA) No es compatible con CDMA pero usa muchos de los conceptos y características de CDMA. Hay ciertas semejanzas con CDMA2000 pero la nomenclatura es diferente. No se tiene como objetivo mantener compatibilidad con sistemas existentes. El interfaz de aire de CDMA2000 tiene la tarea extra de mantener compatibilidad con IS-95. En realidad se diseñó para operar en la misma red principal (core network) que GSM: GSM-MAP. Se lo considera como el sucesor natural de GSM. A pesar que se requieran subsistemas diferentes de RF para soportar formatos 2G, 2.5G y 3G, en la transición GSM a WCDMA. La core network puede ser la misma y ofrecer servicios multimodo. Las primeras instalaciones de WCDMA se realizaron en Japón. Primer sistema comercial activado en Al menos 75 países han elegido el formato para usarlo en sus sistemas 3G. 53 Se usarán canales de 5 MHz. UMTS (WCDMA) Se espera que se puedan soportar mas de 100 llamadas de voz simultáneas. Chip rate es de 3.84 Mcps. Modos de operación El sistema está diseñado para operar en FDD y TDD. Problemas con TDD TDD Power Pulsing El móvil debe transmitir por pulsos, se genera interferencia audible. Si el móvil incrementa su velocidad, los pulsos deberán ser mas cortos, incrementando la interferencia. Interferencia de otras estaciones base Como se usa la misma frecuencia en toda la red, una estación base puede estar transmitiendo a un móvil en la misma ranura que otro móvil está esperando la transmisión pero de otra estación base. El resultado neto es que la segunda estación no recibe la señal deseada. Esto se mejora si todas las estaciones base estuvieran sincronizadas. Esto es lo que se tiene en TD-SCDMA

28 Nomenclatura La nomenclatura comúnmente utilizada en 2G ha sido cambiada. MS es UE (User Equipment) BTS es Node B BSC es RNC SIM es USIM (Universal Subscriber Identity Module) BSS es RNS (Radio Network System) Hay otros términos que deben considerarse para evitar confusión. El nombre completo del estándar WCDMA es UMTS Terrestrial Radio Interface en los modos TDD o FDD. UTRA-FDD y UTRA-TDDTDD La ITU conoce como IMT DS UMTS (WCDMA) 55 UMTS (WCDMA) Las redes UMTS se componen de subredes: Telecomunicaciones Proporcionar la conexión extremo a extremo. Elementos Core network La red de acceso radio (UTRAN) Los terminales móviles Red de gestión Proveer medios para: Facturación y tarificación de los abonados. Registro y la definición de los perfiles de servicio. Seguridad y la operación de los elementos de red

29 UMTS (Core Network) En UMTS se intenta definir una red de core universal, que pueda gestionar distintos tipos de red de acceso radio y conectarse a distintos tipos de redes fijas. En una primera fase se parte del core de la red GSM/GPRS buscando minimizar costos y facilitar la evolución. Como en GSM/GPRS, la red de core se ha dividido en dos dominios: Conmutación de circuitos (voz y datos) y Conmutación de paquetes (datos) 57 UMTS (Core Network) Los elementos funcionales comunes a los dos dominios (circuitos y paquetes): HLR VLR AAA (Authentication, Authorization, Accounting) EIR (Equipment Identity Register). SMS-GMSC (Short Messages Services Gateway MSC) Actúa como una interfaz entre el centro de servicios de mensajes cortos (SMSC) y la PLMN. Permite que los mensajes cortos se entreguen a los móviles desde el centro de servicios de mensajes. Se recibe un mensaje del SMSC e interroga al HLR para obtener información de enrutamiento y avanzar en la entrega del mensaje a la red de destino. SMS Interworking MSC SMS-IWMSC (Short Messages Services Interworking MSC) Actúa como una interfaz entre las MSC y el centro de servicios de mensajes cortos. Permite que los mensajes cortos se envíen desde los móviles al centro de servicios. Se recibe un mensaje de una red móvil se la entrega al SMSC

30 Core Network UMTS (WCDMA) Los elementos particulares del dominio Circuit Switched son: U-MSC (UMTS Mobile-services Switching Centre) U-GMSC (UMTS Gateway MSC) IWF (InterWorking Function). Entidad funcional asociada a la U-MSC. Proporciona la funcionalidad necesaria para el interfuncionamiento entre una red UMTS y otras redes fijas (ISDN, PSTN y PDNs). Sus funciones dependen de los servicios y el tipo de la red fija. Incluso puede llegar a no tener función alguna cuando ambas redes sean compatibles. 59 UMTS (Core Network) Los elementos particulares del dominio Packet Switched son: U-SGSN (UMTS Serving GPRS Support Node) U-GGSN (UMTS Gateway GPRS Support Node) BG (Border Gateway) SIP y H.323 Son dos servidores que gestionan el control del servicio de voz sobre IP, así como los servicios multimedia. La estrategia de dividir la red core en dos dominios de conmutación facilita la migración hacia redes 3G a partir de las 2G y 2.5G. Puede ser un freno para el soporte de servicios más avanzados. Desde los comienzos del sistema se planteó la necesidad de evolucionar hacia conceptos más modernos y versátiles, pero garantizando la coexistencia e interoperabilidad de las redes 2G y 3G

31 Formado por: RNS (Radio Network System RNC (Radio Network Controller) Nodos B (estaciones base) UMTS (UTRAN) Red de radio de acceso (Universal Terrestrial Radio Access Network) Los elementos funcionales que constituyen la UTRAN se comunican con: Iu La interfaz entre la red core y el RNC. Iur La interfaz entre dos RNCs Iub Uu La interfaz entre un RNC y un Nodo B. La interfaz radio o aire (entre un Nodo B y un móvil) 61 Interfaz radio (Uu) UMTS (UTRAN) En el tramo radioeléctrico se presenta un enfoque revolucionario En la red de core se ofrece un enfoque evolutivo, tratando de construir las redes 3G sobre lo ya existente en la 2G,. Desde la perspectiva europea, se ha optado por una ruptura prácticamente total con lo que había antes. Se ha recurrido a DS-CDMA (Direct Sequence-CDMA), diferente de TDMA empleada en la mayoría de los sistemas de 2G

32 Interfaz radio (Uu) UMTS (UTRAN) Componentes FDD y TDD. FDD El acceso múltiple se realiza por división en código y en frecuencia. Utiliza dos portadoras distintas: una para el enlace ascendente y otra para el descendente. 63 Interfaz radio (Uu) TDD UMTS (UTRAN) El acceso múltiple se hace por división en código y en tiempo. Existe una única portadora e intervalos temporales de transmisión, que se reparten entre distintos usuarios y, a su vez, entre los dos sentidos de transmisión (ascendente y descendente). El número de intervalos temporales asignados a cada uno de los sentidos del enlace es configurable. Se considera adecuado para proporcionar servicios de datos en entornos microcelulares o de interiores, y no tanto para entornos macrocelulares: Necesidad de disponer de sincronización entre las estaciones base. Problemas originados por las interferencias no controlables. Este tipo de interferencias es común a otros sistemas con duplexación en el tiempo. Son más críticas en UMTS TDD en el que se utiliza un patrón de reutilización 1/1. Una forma de controlar este tipo de interferencias es requerir que todas las estaciones base (que deben estar sincronizadas) transmitan con la misma división de intervalos y la misma asignación a cada uno de ellos a los enlaces ascendente y descendente. Esto reduce la flexibilidad del sistema para asignar recursos en los distintos sentidos de la comunicación (solo serían posibles asignaciones a largo plazo, sin distinciones entre células)

33 Interfaz radio (Uu) UMTS (UTRAN) TDD Coincidencia del enlace ascendente en una estación con el descendente de otra vecina puede producir interferencias. Estación base a móvil y de móvil a estación base (como sucede en los sistemas TDD) Entre estaciones base y entre móviles asignados a distintas estaciones base. 65 Interfaz radio (Uu) UMTS (UTRAN) 66 33

34 Interfaz radio (Uu) UMTS (UTRAN) 67 Estructura del protocolo radio Compartido por FDD y TDD. Utiliza las tres capas mas bajas del Modelo OSI. Dos planos: control (C) y usuario (U). El plano de control contiene aspectos de señalización El plano de usuario se refiere a la transmisión ió de la información del tráfico entre usuarios. UMTS (UTRAN) 68 34

35 Estructura del protocolo radio Capa 2 UMTS (UTRAN) MAC (Medium Access Control) Gestión del acceso a los recursos por los que los usuarios compiten en un sistema multiacceso. RLC (Radio Link Control) Ofrece un servicio de transmisión de datos para la capa de red. La Capa 3 puede configurar a RLC en tres modos: Modo transparente (no se añade overhead de protocolo) Modo sin acuse de recibo (unacknowledged), no hay protocolo con retransmisión y por tanto no se garantiza la entrega. Modo con acuse de recibo (se usa un protocolo con re-transmisión y se garantiza la entrega de datos). Por encima de la subcapa RLC en el plano de usuario: Subcapa BMC (Broadcast/Multicast Control Protocol) Regula la transmisión de la información relativa a los servicios de Broadcast/Multicast sobre la interfaz radio, siempre bajo el modo transparente o sin acuse de recibo de la subcapa RLC. Subcapa PDCP (Packet Data Convergence Protocol) Es aplicable solo al dominio del modo paquete. Comprimir los paquetes procedentes de la capa superior (para mejorar la eficiencia espectral). Aislar al resto de los protocolos UTRAN de la necesidad de cambios (por causa de la introducción de nuevos protocolos de red en modo paquete). 69 Estructura del protocolo radio Capa 3 UMTS (UTRAN) Conseguir que los paquetes de información alcancen su destino. En el caso de la interfaz radio, también se realizan diversos procesos de control del enlace. Se subdivide en tres subcapas: RRC (Radio Resource Controller) CC (Call Control) MM (Mobility Management). De las tres subcapas, el RNC y Nodo B (BSC y BTS) únicamente actúan sobre RRM, ya que (MM y CC) son transparentes para ellos

36 UMTS (UTRAN) Procedimientos básicos que realiza la red de acceso El control de potencia Regula la potencia transmitida por el terminal móvil y la estación base, con la finalidad de reducir la interferencia y permitir aumentar la capacidad del sistema. La estación base reciba el mismo nivel de potencia de todos los servicios de usuario que esté cursando, independientemente de la distancia entre el abonado y la estación base WCDMA tiene un control de potencia rápido que actualiza los niveles de potencia veces cada segundo. Para garantizar un buen funcionamiento, el control de potencia se aplica en los dos enlaces (ascendente y descendente). El control de admisión Evitar que el sistema se sobrecargue y, sobre todo, para poder proporcionar la cobertura y calidad esperadas. Cuando un usuario intenta acceder a la red, el sistema de control de admisión estima la carga de la red y, en función de la nueva fracción de carga estimada, el usuario será admitido o por el contrario se le denegará la conexión. 71 UMTS (UTRAN) Procedimientos básicos que realiza la red de acceso El control de la congestión Aunque la función de control de admisión funcione correctamente, la sobrecarga del sistema puede producirse. Por ejemplo: los abonados se mueven de una zona a otra de la red. Si se produce un exceso de carga, hay cuatro acciones que se pueden tomar: Activar el control de congestión para reducir la tasa binaria de las aplicaciones que no son en tiempo real (y pueden admitir mayores retardos). Si la reducción de la tasa binaria de la acción anterior no es suficientemente efectiva para reducir la carga, el control de admisión puede forzar ciertos traspasos intra o entre frecuencias, y de este modo tratar de que otras portadoras con menos carga pasen a cursar más tráfico. Traspaso hacia GSM Finalizar algunas conexiones, si, aún así, se sigue detectando un exceso de carga. Para proteger la calidad de las conexiones restantes en el sistema

37 UMTS (UTRAN) Procedimientos básicos que realiza la red de acceso Sincronización Uno de los requisitos de estandarización del sistema WCDMA fue evitar la dependencia con sistemas externos para obtener la sincronización entre estaciones base. La sincronización i ió se consigue de la siguiente i manera: El móvil, cuando sea necesario, mide el offset de sincronización entre las celdas, e informa de ello a la red. Adicionalmente, existe la posibilidad de utilizar una fuente externa, como por ejemplo un GPS, para sincronizar los nodos. 73 UMTS (Handover) Las funcionalidades soft y softer handover El móvil puede comunicarse simultáneamente con dos o más estaciones base. Esta flexibilidad repercute en una reducción notable del número de llamadas caídas. El móvil ajusta su nivel de potencia al de la estación base, la que requiere que el móvil use la menor cantidad de potencia para transmitir. La diferencia entre soft y softer handover radica en el número de estaciones base a las que el móvil permanece conectado simultáneamente. Soft handover El móvil está conectado a varias celdas de distintas estaciones base. Softer handover Entre dos sectores de misma estación base

38 El handover entre sistemas UMTS (Handover) Cuando WCDMA se estandarizó, uno de los aspectos clave era garantizar la reutilización de las inversiones existentes en la mayor medida posible. Por ejemplo: el handover entre las nuevas redes (WCDMA) y las existentes (GSM), ya sea provocado por motivos de: Cobertura (WCDMA a GSM GSM a WCDMA) Capacidad Requisitos del servicio ofrecido El handover entre sistemas por cobertura Se considera muy importante al inicio del despliegue de las redes UMTS, ya que los operadores móviles irán ampliando sus redes UMTS poco a poco, en zonas donde ya tienen infraestructura de red GSM. El handover en sentido contrario, es decir, de GSM a WCDMA, también puede tener un efecto benéfico en el reparto de carga de los sistemas. Una función relacionada con el handover entre sistemas es el funcionamiento del modo comprimido. 75 El handover entre sistemas UMTS (Handover) Modo comprimido Permite disponer de periodos de tiempo para hacer medidas de otras frecuencias de UMTS o de otros sistemas (GSM). En estos periodos en los que se realizan las medidas, la transmisión y recepción de UMTS se detiene. En los periodos inmediatamente anteriores y posteriores se transmite a mayor velocidad y mayor potencia. Las medidas se usan como información para los handoffs entre portadoras y entre sistemas. La utilización del modo comprimido puede tener impacto en la capacidad del sistema. Existen factores que implican que se pueda dar un nivel de interferencia mayor

39 UMTS (Handover) El handover entre frecuencias (intrasistema) La necesidad de realizar handover entre frecuencias surge en aquellas regiones con alta demanda de usuarios, donde es necesario utilizar varias portadoras WCDMA de 5 MHz. Este tipo de handover tiene un conjunto de implicaciones muy similar al de los handover entre sistemas, como es, por ejemplo, la funcionalidad del modo comprimido. 77 Ranuras y tramas UMTS (WCDMA) WCDMA usa técnicas de CDMA para ubicar múltiples canales en la misma frecuencia. WCDMA también usa el dominio del tiempo mediante una estructura de ranuras y tramas

40 Canales lógicos y de transporte UMTS (WCDMA) Los canales de transporte y lógicos se conocen como los canales de capa 2. Lógicos Definen como y con que características los datos serán transferidos por el canal físico. 7 canales Transporte Definen como los datos serán transferidos por la capa física. 9 canales Canales físicos Se definen alrededor de 15. Una vez que se tienen datos en un canal lógico se procesan hacia una canal de transporte. De ahí el canal de transporte es asociado a un canal físico. 79 Visión HSDPA UMTS (WCDMA) Diseñado para mejorar la capacidad de transmisión de datos del enlace downlink. De naturaleza dinámica y adaptiva, permitirá transmitir la máxima cantidad de datos, trama después de trama, aún en condiciones del canal de radio cambiante y pobre. Permitirá un throughput máximo tói teórico de Mbps, valor que se incrementará posteriormente

41 CELL BREATHING Se usa para describir la forma en la cual la cobertura de un Nodo B cambia (o respira) en respuesta a cambios en la carga de la red. Escenario: Una UE con una potencia de transmisión fija que se comunica con un solo Nodo B cercano. La señal del UE es recibida y decodificada en el receptor del nodo B frente a la presencia solo de ruido termal. Si el UE se aleja del Nodo B, se llegará a un punto en dónde la intensidad de la señal recibida en el Nodo B es justo suficiente para sobrellevar el ruido termal y mantener una calidad adecuada del enlace. En este punto, se puede considerar que la UE está localizada en el extremo de la cobertura de la celda. Si ahora se añade una segunda UE activa, esta UE causará interferencia a la señal de la primera UE en el receptor del Nodo B. Para sobrellevar esta interferencia adicional, el primer UE debe entregar mas potencia al receptor del Nodo B, y puesto que el UE tiene potencia de transmisión fija, la única forma de conseguir este incremento es aproximarse el primer UE al Nodo B. 81 Escenario: A medida que la primera UE se aproxima al Nodo B, se llegará a un punto en el que el nivel de la señal que se reciba en el Nodo B será justo suficiente para sobrellevar los efectos del ruido térmico y de la interferencia introducida por el segundo UE. Este punto efectivamente se convierte en el nuevo límite de la celda. A medida que mas y mas UEs se añaden al sistema, y por tanto la primera UE sufre mas y mas interferencia, el límite de la celda se acerca al Nodo B, es decir, la celda se encoge. Por el contrario, a medida que las UEs abandonan el sistema y la interferencia disminuye, la celda se expande. En un sistema práctico, la carga de la red (es decir, el número de usuarios que acceden la red) variará considerablemente a lo largo del día y esto causará que las celdas en la red "respiren" (breathe) en respuesta a esta carga. CELL BREATHING 82 41

42 CELL BREATHING El incremento de la potencia recibida es gradual, pero luego empieza a incrementarse mas rápidamente a mediad que mas usuarios se añaden a la red. En un punto, se llega a un valor de N que causa que el valor necesario de potencia se dispare a infinito. Puesto que ningún transmisor puede generar una cantidad infinita de potencia, el valor de N (número de usuarios) nunca puede obtenerse en un sistema práctico y se le denomina "polo de capacidad" de la red. Si una red en la práctica empieza a aproximarse a su polo de capacidad, puede llegar a ser inestable, y los requerimientos de potencia de transmisión de los UEs varían dramáticamente para pequeños cambios en la carga de la red. Por lo tanto, redes prácticos usualmente se diseñan para operar a cierta fracción de su polo de capacidad y las nuevas llamadas son rechazadas una vez que se llegue a este límite. Gráfico para ciertos valores de parámetros (caso de estudio) 83 CELL BREATHING This technique of using noise rise to control the load on a Node B is the simplest form of call admission control (CAC) and it can be used to limit the degree of cell shrinkage within the network. Esencialmente, lo que ocurre es que la cobertura del sistema depende del número de usuarios activos. Este fenómeno dificulta la planificación y hace que los usuarios de alto tráfico sólo tengan garantizado el servicio si se encuentran en las cercanías de las estaciones base

43 Evolución - Resumen 85 Evolución - Resumen 86 43

44 Comparación Principales diferencias entre WCDMA y cdma2000 Diferencias en la red de acceso radio IS-95 (cdmaone) y cdma2000 comparten una serie de características comunes que a su vez los diferencian con el acceso radio UMTS: Chip rate WCDMA utiliza un ancho de banda y un chip rate más de tres veces superior al de la familia cdma2000. Con esto WCDMA tiene mayor diversidad multitrayecto, especialmente en entornos urbanos con celdas de pequeño tamaño, con lo que en principio se combaten mejor las atenuaciones y se mejora la cobertura. El mayor ancho de banda también es una ventaja en lo que se refiere a la cobertura de servicios de ritmos de transmisión altos ( >=384 kbps). Sincronización entre estaciones base En IS-95 y cdma2000 deben estar sincronizadas a través de GPS, mientras que en UMTS no se requiere sincronización i ió externa. Entre las ventajas de los sistemas sincronizados están: La mayor simplicidad en los algoritmos de selección de celda Menor tiempo de handoff Mayor facilidad en la elección de códigos con buenas propiedades de ortogonalidad El mayor inconveniente es la necesidad de GPS para la sincronización, lo que complica el despliegue sobre todo para interiores. 87 Comparación Principales diferencias entre WCDMA y cdma2000 Diferencias en la red de acceso radio Códigos de scrambling En cdmaone y cdma2000, gracias a que las estaciones base están sincronizadas, los códigos de scrambling se consigue mayor ortogonalidad entre ellos. TDMA en 1x EV-DO Utiliza TDM en el enlace descendente, es decir, en cada instante de tiempo solo un usuario es atendido. El funcionamiento es diferente al de los sistemas cdmaone y cdma2000 1x. Esta solución permite asignar la potencia máxima, necesaria para garantizar altos ritmos de transmisión en el canal directo. Mezcla de servicios i cdma2000 1x EV-DO es una solución solo para aplicaciones de datos. WCDMA es muy flexible y puede combinar servicios de voz y datos. cdma2000 1xEV-DV se desarrolló para solucionar este inconveniente

45 Comparación Principales diferencias entre WCDMA y cdma2000 Diferencias en la red de acceso radio El control de potencia La importancia de un adecuado control de potencia radica en que la decodificación de la señal original, conocido el código, realza la señal original, quedando el resto de las señales como ruido blanco. Pero si la potencia asociada al resto de las señales es muy grande, el ruido enmascarará la señal original, que no se podrá recuperar. El objetivo del control de potencia es que todos los canales se transmitan con la potencia mínima para ser decodificados correctamente a la vez que aportan el menor nivel interferente al resto. En las primeras fases de cdma2000, la frecuencia a la que actúa el control de potencia es 800 Hz, frente a Hz en el caso de UMTS. Configuración de canales IS-95 y cdma2000 usan un único canal común que envía la información de piloto para todas las estimaciones necesarias en los algoritmos de acceso, handoff, etc. En UMTS, además de un piloto común, cada canal de tráfico tiene un canal de señalización asociado en el que también se transmite un piloto no compartido. 89 Comparación Principales diferencias entre WCDMA y cdma2000 Diferencias en la red de acceso radio La potencia de los canales comunes Debido a la diferencia existente en la configuración de los canales y a la distinta ganancia de procesado, varía la potencia necesaria en los canales comunes y de señalización. En concreto, en algunos estudios se estima que para cdma2000 un 20 % de la potencia total en el enlace descendente debe estar dedicada a estos canales, mientras que para UMTS sería un 10 %

46 Comparación Principales diferencias entre WCDMA y cdma2000 Diferencias en la red core Conmutación de circuitos En cdma2000 se busca la interoperabilidad con las redes IS-95. cdma2000 difiere de UMTS en el protocolo de gestión de la movilidad. En cdma2000 se emplea el protocolo especificado en ANSI-41. Conmutación de paquetes En cdma2000 predomina la reutilización de protocolos existentes para redes IP antes que la reutilización de la infraestructura de conmutación de paquetes de GPRS como en UMTS. 91 Parámetros del Interfaz de aire Comparación 92 46

47 Parámetros del Interfaz de aire Comparación 93 Comparación Canalización e identificación de fuentes 94 47

48 Comparación 95 Control de Potencia Comparación 96 48

49 Comparación 97 B3G El desarrollo de los sistemas móviles no se ha detenido en 3G. 3G ha sido un paso importante en la consolidación de la convergencia entre los móviles e Internet. Las propuestas de lo que vendrá a futuro de denominadan como 4G o B3G (Beyond 3G) Pretenden acercar cada vez más la problemática de los usuarios, y sus necesidades, al diseño de nuevas redes. No necesariamente revolucionarias desde el punto de vista tecnológico Intentan consolidar el concepto de la Sociedad de la Información y la movilidad como una pieza básica, si no la principal, de su propia realidad