Redes y Servicios. Módulo II. Redes multiservicio conmutadas. Tema 4. Redes móviles. Parte C. Redes 3G y B3G

Transcripción

1 1 Redes y Servicios Módulo II. Redes multiservicio conmutadas Tema 4. Redes móviles Parte C. Redes 3G y B3G

2 2 Motivación Camino evolutivo 2G 2.xG 3G 3.xG 4G 4.G

3 3 Motivación de la estructura HSDPA y HSUPA son mejoras de UMTS Para comprenderlas mejor, empezamos por la versión más sencilla de UMTS

4 4 Índice Fundamentos Fundamentos HSDPA HSUPA UMTS HSPA LTE Arquitectura Servicios Novedades Novedades

5 5 UMTS: Fundamentos Requisitos iniciales Velocidades de 64 Kbit/s - 2 Mbit/s (en baja movilidad) Amplia gama de servicios de voz, datos y multimedia Transmisión de datos en Conmutación de Circuitos y de Paquetes Itinerancia internacional Soporte para varias conexiones simultaneas Alto nivel de calidad y alto grado de seguridad Uso de WCDMA. Mayor capacidad d y uso eficiente del espectro que los sistemas anteriores

6 6 UMTS: Fundamentos Estructura celular No hay reutilización de frecuencias Cómo acceder al medio radio compartido? W-CDMA FDD TD-CDMA TDD ODMA (Opportunity Driven Multiple Access)

7 7 UMTS: Fundamentos Estructura celular Diferentes tipos de células

8 8 UMTS: Fundamentos Bandas de funcionamiento y BW RF Anchura de banda de los canales de RF = 5MHz FDD MHz MHz sentido ascendente BW = 60 MHz 2110MH MHz MHz sentido descendented BW = 60 MHz 12 portadoras FDD TDD MHz MHz y MHz MHz BW = MHz = 35 MHz 7 portadoras TDD Tráfico asimétrico puede configurarse diferente nº de intervalos para DL y UL QPSK QPSK

9 9 UMTS: Fundamentos Organización de las transmisiones Tramas de 10ms de duración 15 intervalos de transmisión Supertramas de 72 tramas 1 intervalo de transmisión = chips Int #1 Int #2 Int #15 Tr #1 Tr #2 Tr #i Tr #72

10 10 UMTS: Fundamentos FDD Organización de las transmisiones La estructura de intervalos de tiempo NO separa canales físicos diferentes, como en GSM Los canales físicos pueden transmitirse sobre una misma portadora, tomando cada uno una fracción de la potencia total TDD La transmisión se identifica por la frecuencia portadora, el código CDMA empleado y el intervalo de tiempo en que se efectúa La división de tiempo sí tiene significado de separación de canales Se hace reparto de los 15 timeslots entre DL y UL

11 11 UMTS: Fundamentos Acceso radio. W-CDMA (DS) A cada comunicación se le asigna un código distinto de forma que el receptor, que conoce el código, puede extraer la información: Cómo? Cada bit de la señal de datos se multiplica 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. B RF = 5MHz 3,84 Mchips/s Ventajas: - Más inmune a interferencias i - Más robusto frente a escuchas

12 12 UMTS: Fundamentos Acceso radio. W-CDMA (DS)

13 13 UMTS: Fundamentos Acceso radio Requisitos de calidad para el servicio i para cada conexión k. Ki : Número total de conexiones para el servicio i S: Servicios considerados W: Chip rate = 3.84Mh Mchps. νi,k: Factor de utilización de la conexión k del servicio i Ri,k: Régimen binario de la conexión k del servicio i pi,k : Potencia de la señal k del servicio i ITotal : Interferencia total del sistema (Eb/No)i,k :Valormínimo de la energía de bit sobre el ruido necesaria en la conexión k del servicio i

14 14 UMTS: Fundamentos Acceso radio Y el factor de carga total del UL de la conexión k del servicio i: Si consideramos todas las conexiones de todos los servicios: ii

15 15 UMTS: Fundamentos Acceso radio SF: Spreading Factor o Ganancia de Procesado W SF = gp = R ν b W: Tasa de chip (3,84 Mchip/s en UMTS) ν: Factor de utilización η: Factor de carga Lo que aporta mi conexión al ruido total Al final lo que asignamos es la cantidad de interferencia que un nuevo usuario puede añadir al sistema

16 16 UMTS: Fundamentos Acceso radio Capacidad / cobertura Influencia del factor de carga Respiración celular Influencia de la tasa binaria Hard capacity, Soft capacity Hard capacity - Capacidad de la celda sin considerar la interferencia de las adyacentes. - Limitada por recursos hardware, podría haber bloqueo Soft capacity - No tiene un valor máximo fijo porque está determinada por la interferencia debido a la reutilización de frecuencia - El nº global de canales disponibles es mayor que el medio porque celdas adyacentes comparten parte de la misma interferencia

17 17 UMTS: Fundamentos Acceso radio j U p j e b T,j p T,j n 0 1 p n l b SF 1 η W SF = g P = Rb ν = 1 η Factor de carga = p n Influencia del factor de carga? Respiración celular Influencia de la tasa binaria? i Soft capacity p n + p i

18 18 UMTS: Fundamentos Acceso radio Respiración celular Cell breathing

19 19 UMTS: Fundamentos Acceso radio. Capacidad Sistema 2G La capacidad para gestionar 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 utilizar los recursos de otras células vecinas Sistema 3G La capacidad para gestionar trafico NO es constante (soft capacity) Es un sistema limitado por interferencia: la capacidad depende del número de usuarios activos en la célula Puede utilizar recursos de células vecinas

20 20 UMTS: Fundamentos Traspaso Sistema 2G Traspaso sin continuidad Un solo tipo: Hard handover Sistema 3G Traspaso con continuidad Varios tipos: Hard handover Soft handover Softer handover Soft handover: Existe un intervalo de tiempo en el que el móvil está conectado a 2 células Softer handover: Existe un intervalo de tiempo en el que el móvil está conectado a 2 sectores del mismo emplazamiento

21 21 UMTS: Fundamentos Traspaso Soft handover Softer handover

22 22 UMTS: Fundamentos Comparativa. Ventajas e inconvenientes Ventajas Reutilización muy fuerte de los recursos (Cluster con N=1 célula) W-CDMA (DS) permite utilizar la misma portadora simultáneamente por varios usuarios sin más que utilizar un código adecuado que, en recepción, permite separar la comunicación de interés de todas las demás Sistema ágil y flexible: Capacidad variable Utilizar recursos libres de otras células vecinas Varias modalidades de traspasos con continuidad Inconvenientes El sistema es más complejo Requieres técnicas de: Control de potencia Control de admisión,

23 23 Índice Fundamentos Fundamentos HSDPA HSUPA UMTS HSPA LTE Arquitectura Servicios Novedades Novedades

24 24 UMTS: Arquitectura UTRAN (UMTS Terrestrial Radio Access Network) Red Troncal (Core) Inicialmente aprovecha la red troncal de GSM/GPRS: CN-CS (Core Network, Circuit Switch) y CN-PS Evolución hacia All-IP

25 25 UMTS: Arquitectura Dominios

26 26 UMTS: Arquitectura Estratos A nivel funcional, se utiliza el concepto de estrato que se define como el conjunto de protocolos que permiten llevar a cabo las funciones necesarias para desempeñar los servicios de red Los servicios, en general, pueden estar proporcionados por uno o varios dominios

27 27 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 HSDPA Release Integra conexión con redes W-LAN y añade HSUPA Release 7 Hoy Los objetivos actuales son reducir la latencia, mejorar la QoS y aplicaciones en tiempo real como VoIP HSPA+(High Speed Packet Access Evolution) Release 8 En desarrollo LTE / SAE (4G)

28 28 Índice Fundamentos Fundamentos HSDPA HSUPA UMTS HSPA LTE Arquitectura Servicios Novedades Novedades

29 29 UMTS: 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 utilizar recursos de red La red comprueba si puede proporcionar los recursos solicitados. Ésta puede garantizarlos (ofreciendo un conjunto reducido de los mismos), o bien puede rechazar la solicitud El teminal móvil puede entonces aceptar o rechazar las modificaciones ofrecidas (También cabe la posibilidad de una re-negociación de los parámetros, mientras la conexión esté activa, si las necesidades de la aplicación cambian).

30 30 UMTS: Servicios 1. Servicios conversacionales en tiempo real. Son servicios con requisitos de retardo muy restrictivos, sin almacenamiento temporal (no buffering), tráfico simétrico, y tasa de bits garantizada. Se utiliza en telefonía vocal convencional y en la videotelefonía. 2. Servicios interactivos. 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 tiempo real. Sin embargo, sí es necesario que la tasa de errores sea baja, para preservar el contenido. 3. Servicios de tipo streaming. Se trata de servicios en los que se va reproduciendo algún tipo de contenido en el terminal según se va recibiendo de la red. Para evitar que interrupciones en la reproducción, requieren un retardo mínimo (puesto que son servicios en tiempo real). Permite almacenamiento temporal (buffering), tráfico asimétrico y tasa de bits no garantizada. 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 garantiza tasa de bits. Requieren que la tasa de errores sea baja preservando el contenido.

31 31 Índice Fundamentos HSDPA y y HSUPA son mejoras de UMTS que se engloban dentro del concepto HSPA Fundamentos HSDPA HSUPA UMTS HSPA LTE Arquitectura Servicios Novedades Novedades

32 32 HSPA HSDPA: novedades HSDPA UL: 384 Kbps DL: 14,4 Mbps HSDPA es una mejora de UMTS en lo que respecta al enlace descendente de la red de acceso radio: 1. Un nuevo canal compartido, HS-DSCH (Highh Speed Downlink Shared CHannel), que puede ser compartido simultáneamente por varios usuarios 2. La utilización de un TTI (Transmission Time Interval) ) de 2ms, que permite una mayor velocidad de transmisión en la capa física 3. La utilización de programación rápida (Fast Scheduling) en el Nodo B 4. El uso de modulación y codificación adaptiva, AMC (Adaptive Modulation and Coding), y 5. La utilización de retransmisiones rápidas basadas en la técnica HARQ (Hybrid Automatic Response request).

33 33 HSPA HSDPA: novedades HSDPA UL: 384 Kbps DL: 14,4 Mbps El TTI más corto de 2ms En UMTS R99 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.

34 34 HSPA HSDPA: novedades HSDPA UL: 384 Kbps DL: 14,4 Mbps La programación rápida (Fast Scheduling) en el Nodo B tiene como objetivo que, adaptándose a las variaciones de las condiciones radio, la estación base pueda asignar a un usuario particular, durante un periodo corto de tiempo, tanta capacidad de la celda como sea posible, o en definitiva, que pueda recibir tantos datos como las condiciones del canal radio lo permitan.

35 35 HSPA HSDPA: novedades HSDPA UL: 384 Kbps DL: 14,4 Mbps La técnica AMC (Adaptive Modulation 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. UMTS R99 utiliza sólo modulación QPSK HSDPA introduce la posibilidad de utilizar la modulación 16-QAM cuando el enlace es suficientemente robusto, lo que, finalmente, desemboca en un incremento de la velocidad de transmisión de datos

36 36 HSPA HSDPA: novedades HSDPA UL: 384 Kbps DL: 14,4 Mbps Fast H-ARQ: Permite que los paquetes erróneos se puedan reenviar dentro de una ventana temporal de 10 ms, asegurando que el rendimiento permanezca alto El equipo de usuario puede rápidamente realizar una petición de retransmisión de datos perdidos y combinar la información de las transmisiones originales con las transmisiones posteriores, antes de intentar decodificar el mensaje. Este enfoque, llamado soft-combining, mejora el rendimiento y proporciona robustez al sistema En HSDPA, la técnica H-ARQ se traslada a la estación base En UMTS R99 se realizaba en el RNC.

37 37 HSPA HSUPA: novedades HSUPA UL: 5,76 Mbps DL: 14,4 Mbps De forma similar a HSDPA en el enlace descendente, HSUPA define una nueva interfaz radio pero ahora para las comunicaciones en el enlace ascendente El objetivo global consiste en aumentar la velocidad de transmisión y reducir el retardo en los canales de transporte dedicado del enlace ascendente. 3GPP le ha otorgado también el nombre de E-DCH (Enhanced Dedicated Channel) La especificación de HSUPA corresponde a 3GPP Release 6 En este sentido, HSDPA y HSUPA son mejoras de UMTS que se engloban dentro del concepto HSPA

38 38 HSPA HSUPA: novedades Como resumen de las novedades técnicas introducidas por HSUPA podemos mencionar: HSUPA UL: 5,76 Mbps DL: 14,4 Mbps Un nuevo canal dedicado de subida Nuevo canal de subida no está compartido entre los usuarios, está dedicado a un único usuario. Hasta 4 códigos pueden ser utilizados para incrementar la tasa de datos de subida. Introducción de H-ARQ (Hybrid ARQ) Programación (scheduling) rápida en el nodo B.

39 39 HSPA HSUPA: novedades HSUPA UL: 5,76 Mbps DL: 14,4 Mbps A diferencia de HSDPA, HSUPA continúa estando basado en un canal dedicado y, para mejorar el comportamiento global de la señalización ió y el tráfico en el enlace ascendente, se han introducido un nuevo conjunto de canales Al igual que HSDPA, HSUPA introduce retransmisiones rápidas basadas en el protocolo Hybrid ARQ para corregir los posibles errores que pudieran ocurrir en el enlace radio ascendente La programación (schedulling) en el Nodo B permite que éste controle, dentro de los límites establecidos por el RNC, el conjunto de posible códigos TFC (Transport Format Codes) entre los cuales el terminal UE puede elegir. Esto permite aumentar la cobertura y la capacidad en el enlace ascendente.

40 40 Tabla comparativa de tecnologías Tecnología Vl Velocidad iddbjd Bajada Velocidad d Subida GPRS 60 kbps 40 kbps EDGE kbps kbps UMTS 384 kbps 384 kbps HSDPA 14.4 Mbps 384 kbps HSUPA 14.4 Mbps 5.76 Mbps HSPA+ 42 Mbps 11 Mbps LTE 100 Mbps 50 Mbps

41 41 Índice Fundamentos Fundamentos HSDPA HSUPA UMTS HSPA LTE Arquitectura Servicios Novedades Novedades

42 42 LTE/SAE Evolución Perspectiva 2G Fundamentalmente servicio de voz: GSM 2.xG Se añaden servicios de paquetes: GPRS, EDGE 3G Interfaz aire 3G: UMTS 3.xG HSDPA/HSUPA 4G LTE/SAE

43 43 LTE/SAE Motivación Motivación para 4G Necesidad Solución Red optimizada de conmutación Evolución de UMTS hacia un de paquetes sistema basado solo en conmutación de paquetes Mayores velocidades de -HSDPA/HSUPA transmisión -LTE Mejor calidad d de servicio i -Reducir Round dti Trip Delay : LTE Infraestructura más barata - Always-on experience: reduce la latencia en el plano de control Simplificar la arquitectura: reducir el número de elementos de la red: LTE/SAE

44 44 LTE/SAE Novedades Hay dos aspectos claves de LTE: LTE UL: 75 Mbps DL: 300 Mbps 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 Multiplexing)/MIMO / MIMO (Multiple-Input and Multiple-Output). Se deja de utilizar la técnica CDMA característica 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 Evolution (SAE) y a veces Evolved Packet Core (EPC).

45 45 LTE/SAE Fundamentos OFDM 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. OFDM reduce el impacto negativo del desvanecimiento por propagación multicamino ya que los datos a transportar se envían simultáneamente sobre múltiples sub- portadoras (de banda estrecho o, en el tiempo, un larga duración).

46 46 LTE/SAE Fundamentos OFDM LTE UL: 75 Mbps DL: 300 Mbps En el dominio de la frecuencia, la separación entre las sub-portadoras es de 15KHz. En el dominio del tiempo, el tamaño del slot es T slot =0,5ms. En 1 slot se transmite un bloque correspondiente a 12 sub-portadoras OFDM y cada una de ellas transporta 7 símbolos. Cada bloque está formado por una rejilla que contiene 12 x 7 celdas. Cada una de las celdas elementales transporta un número de bits que está relacionado con la modulación de la sub-portadora 2bits (si se usa QPSK), 4 bits (16QAM) ó 6 bits (si se modula con 64QAM). Fuente: ERICSSON

47 47 LTE/SAE Fundamentos MIMO LTE UL: 75 Mbps DL: 300 Mbps Se utilizan múltiples antenas transmisoras (N TX ) y receptoras (N RX ) La idea básica es transmitir varios flujos de datos en paralelo a través de un cierto número N TX de antenas transmisoras. El canal MIMO, idealmente, consiste en N TX xn RX caminos de propagación incorrelados. Intuitivamente MIMO utiliza una especie de multiplexación 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 ( ( )

48 48 LTE/SAE Fundamentos Arquitectura LTE UL: 75 Mbps DL: 300 Mbps

49 49 LTE/SAE Resumen Desde el punto de vista técnico, los objetivos 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 tiempo de latencia de los paquetes. Esto permitiría, por ejemplo proveer de VoIP, videoconferencia o juegos en tiempo real.

50 50 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-time hasta 10ms, o incluso menos (comparado con los 40-50ms de HSPA), permite proporcionar servicios i interactivos, ti en tiempo real, tales como videoconferencia de alta claridad o juegos con múltiples jugadores. Entorno All-IP : Núcleo de red plano basado en IP, SAE (System Architecture Evolution) - Evolved Packet Core (EPC). SAE/EPC permite proporcionar servicios más flexibles junto con una interconexión mas sencilla con otras redes.

51 51 LTE/SAE Resumen LTE UL: 75 Mbps DL: 300 Mbps Requisito de Solución Servicio i -Soportar los servicios i VoIP actuales y venideros - Mayores velocidades máximas de transmisión (100 Mbps en el enlace descendente, 50 Mbps en el ascendente) - Menor latencia en los planos de usuario y control: Tiempo de tránsito <10ms Enlace radio Reducción de costes Compatibilidad Tiempo de establecimiento < 100ms - Aumentar la velocidad de transmisión de datos - Ancho de banda escalable: 1.25, 1.6, 2.5, 5, 10, 15, 20 MHz - Reducir la complejidad de la arquitectura - Interconexión con las redes 3G existentes - Fácil migración

52 52 LTE/SAE Resumen LTE UL: 75 Mbps DL: 300 Mbps Tipo de servicio Hoy LTE Audio de alta Audio en tiempo real VoIP, video conferencia de alta calidad calidad Mensajes SMS, MMS, s de baja Mensajes con videos, Mobile prioridad Browsing Acceso a servicios de información Super-fast Browsing, subida de contenidos on-line de pago. Hoy limitado a a sitios de redes de carácter social WAP sobre GPRS y redes 3G Contenidos de Sobre todo texto e-newspapers, p audio streaming de alta pago calidad Juegos Descargas de juegos on-line Experiencia más satisfactoria de juegos on-line a través de redes fijas y móviles TV/vídeo bajo TV, verdadera, video streaming de alta demanda calidad Música Descargas Descarga y almacenamiento de música de alta calidad Mobile data networking Acceso a intranets y bases de datos corporativas Intercambio de ficheros P2P, M2M (Machine To Machine) Communications,