7 - Sistemas WCDMA e Evoluções

Planejamento de Sistemas de Comunicações
Celulares e de Radioacesso
7 - Sistemas WCDMA e Evoluções
Agenda
 
Conceito 3G
 
UMTS e WCDMA
 
Canais Lógicos
 
HSDPA & HSUPA
 
Tendência
CETUC-PUC/Rio
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1
Necessidade de Nova Geração
Por que 3G ?
 
Necessidade de padronização mundial
Evolução tecnológica que viabilize definitivamente o conceito de
terminal único para serviços diversos de telecomunicações (voz,
dados, multimídia, streaming, …)
 
 
 
Demanda crescente, de alguns nichos de consumidores, por
aplicações banda larga móveis
Aumento de capacidade das redes 2G
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IMT-2000
 
 
 
O IMT-2000 não define tecnologia, mas uma série de requisitos e
serviços que devem ser oferecidos pelos novos sistemas, para que estes
se qualifiquem como sistema da família IMT-2000
As especificações necessárias para atendimento ao IMT-2000 estão
descritas na Recomendação ITU-R M.816-1 Framework for services
supported on International Mobile Telecommunications-2000
(IMT-2000)
Requisitos:
 
 
 
 
Capacidade de reprodução de áudio, vídeo, dados e multimídia, considerando
comutação por circuitos ou pacotes
Uso de banda sob demanda, indo desde baixas taxas para serviços de paging
até as altas taxas demandadas por distribuição de conteúdo de vídeo
Suporte a tráfego assimétrico entre uplink e downlink
Assegurar que os serviços oferecidos ao usuário móvel, que possuam similar
fixo, sejam oferecidos com qualidade compatível a dos serviços fixos
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2
IMT-2000
 
Requisitos
 
 
 
 
 
(cont.):
Disponibilizar toda a gama de serviços em qualquer lugar, salvo restrições
econômicas e de prazos de implementação
Assegurar que, quando em roaming, os usuários tenham acesso a
serviços de voz e a uma seleção de serviços de dados, bem como
indicação de disponibilidade de serviços na área
Prover serviços compatíveis com o tipo de terminal, sua localização e
disponibilidade da operadora de telecomunicações
Permitir roaming em nível mundial
Taxas de transmissão:
 
 
 
Mínimo de 2 Mbps para usuários fixos, incluindo ambientes indoor
Mínimo de 384 kbps para usuários em baixa mobilidade (pedestres)
Mínimo de 144 kbps para usuários a velocidades de até 120 km/h
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IMT-2000
3GPP
 
 
 
 
Desde dezembro de 1998, atua um importante órgão para a
evolução das especificações de 3G e desenvolvimento das redes
GSM existentes: o 3GPP (3rd Generation Partnership Project)
Parceiros: ARIB, CCSA, ETSI, ATIS, TTA, and TTC
Escopo principal: produzir especificações técnicas e relatórios
técnicos, aplicáveis globalmente, para sistemas 3G que evoluam a
partir do core de redes GSM
Posteriormente, o escopo aumentou, incluindo a geração de
especificações técnicas e relatórios técnicos para a evolução das
redes GSM/GPRS/EDGE
www.3gpp.org
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3
Sistemas da família IMT-2000
O passo seguinte é o desenvolvimento de
especificações aderentes ao IMT-2000
 
Após organismos internacionais de padronização e empresas do
setor terem submetido diversas propostas de sistemas, ao final de
1999, o ITU-R acolheu 10 sistemas como compatíveis com os
requisitos IMT-2000
 
Pela semelhança entre sistemas e, fundamentalmente, por
questões de mercado, houve fusão entre sistemas, originando os
apresentados a seguir
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Sistemas da família IMT-2000
Nomenclatura oficial
Nomes usuais
IMT-2000 CDMA Direct Spread
UTRA FDD
WCDMA
UMTS
IMT-2000 CDMA Multi-Carrier
CDMA2000 1X and 3X
CDMA2000 1xEV-DO
CDMA2000 1xEV-DV
IMT-2000 CDMA TDD (Time-Code)
UTRA TDD high chip rate
UTRA TDD low chip rate (TD-SCDMA)
UMTS
IMT-2000 TDMA Single-Carrier
UWC-136
IMT-2000 FDMA/TDMA (Frequency-Time)
DECT
Sistemas vencedores
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4
Sistemas 3G vencedores
Quantidade de aparelhos celulares por
tecnologia 3G no Brasil
Tecnologia
Agosto/2008
Abr/2009
WCDMA
974.901
1.434.216
CDMA 2000
517.209
249.753
Fonte: teleco.com
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O Sistema UMTS
 
 
 
 
 
UMTS – Universal Mobile Telecommunication System
É um sistema CDMA (Code Division Multiple Access)
WCDMA – CDMA de faixa larga
É a evolução natural da linha GSM/GPRS/EDGE: o core de rede pode ser
mantido na evolução para 3G, com muito poucas alterações
Algumas características técnicas:
Técnica de múltiplo acesso
DS-CDMA
Largura de faixa do canal
5 MHz
Taxa de transmissão
Variável até 2 Mbps
Taxa de chips
3,84 Mcps
Duração de quadro
10 ms
Serviços
Múltiplos serviços, com diferentes classes de QoS (conversacional,
streaming, interativa e background) multiplexadas numa
mesma conexão
Fator de espalhamento
Variável, pelo uso de multicódigos
Detecção
Coerente tanto no enlace direto como no reverso, utilizando
símbolos piloto ou piloto comum
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5
WCDMA - Características gerais
 
Por se tratar de um sistema de banda larga (cerca de 5 MHz de banda),
suporta maiores taxas de transmissão
 
WCDMA suporta operação assíncrona da ERB (diferente do IS-95 que
depende de sincronização através da recepção e processamento de sinais
GPS). O fato de não requerer a recepção de GPS permite ao WCDMA ter
ERBs indoor mais facilmente, por exemplo
 
WCDMA suporta altas variações de taxas de transmissão (o que permite a
alocação de largura de banda sob demanda). Frames de 10 ms são
alocados para cada usuário, nos quais as taxas de transmissão são
mantidas constantes, podendo ser ajustadas a cada novo frame
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Qualidade de Serviço (QoS)
 
Classe Conversacional: baixo retardo (400 ms máximo) e tráfego
simétrico
 
 
Classe Streaming
 
 
 
Streaming: técnica de transferência de dados de modo a garantir o
processamento (reprodução) de forma contínua
Aplicações: streaming multimídia
Classe Interativa
 
 
Aplicações: voz, vídeo telefonia e video games
Internet e jogos em rede
Classe Background
 
Recebimento de dados (por exemplo e-mail) em background
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6
QoS - Classe Conversacional
 
 
 
Dedicada às aplicações mais sensíveis ao atraso, que operam
em tempo real
As conversações em tempo real são caracterizadas pelo fato
de o atraso fim-a-fim ser baixo e o tráfego ser simétrico (ou
quase)
Principais aplicações:
 
 
 
Serviço de voz comutados a circuitos
Grande número de novas aplicações que está surgindo, como voz sobre
IP e vídeo-telefonia
Única classe que requer características estritamente impostas
pela percepção humana
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QoS - Classe Streaming
 
Multimedia streaming: técnica para transferência de dados, de
modo que sejam processados como um fluxo contínuo e fixo
 
Com streaming, o browser pode começar a mostrar os dados antes
mesmo de todo o arquivo ser transmitido
 
Aplicações streaming são muito assimétricas e, por isso, mais
tolerantes a atrasos que os serviços conversacionais simétricos
 
Exemplos de aplicações: serviços de vídeo sob demanda e broadcast
de vídeo na Internet (web broadcast)
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7
QoS - Classe Interativa
 
 
 
Aplica-se àquelas situações em que o usuário final está on line
requisitando dados de um equipamento remoto
Uma característica deste tráfego é que sempre há uma entidade
esperando por uma resposta durante um certo tempo - um dos
parâmetros mais importantes é o atraso fim-a-fim
Exemplos:
 
 
 
Web browsing
Consulta à base de dados
Acesso a servidor
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QoS - Classe Background
 
Aplicada àqueles serviços para os quais o atraso na transmissão
não é crítico:
 
Entrega de e-mails
 
SMS (Short Message Service)
 
Download de base de dados
 
Este tipo de tráfego é largamente caracterizado pelo fato de que o
destino não está esperando os dados dentro de um certo tempo,
como ocorre na classe interativa
 
É a classe com menos sensibilidade ao atraso
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8
UMTS - Arquitetura do Sistema
 
O UMTS (Universal Mobile Telecommunication System) é composto
por um conjunto de elementos lógicos de rede, agrupados
funcionalmente da seguinte forma:
 
UTRAN
UMTS Terrestrial Radio Access Network. Trata de todas as funcionalidades da
parte rádio
 
CN
Core Network. Responsável pela comutação e roteamento de chamadas e pela
conexão a redes externas
 
UE
User Equipment. Terminal de interface do sistema com o usuário
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UMTS - Arquitetura do Sistema
CETUC-PUC/Rio
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9
UMTS - Arquitetura do Sistema
 
Composição do UE
 
 
 
Mobile Equipment: Terminal rádio, empregado para comunicação através da
interface Iu
UMTS Subscriber Identity Module (USIM): Smartcard que armazena a
identidade do assinante, executa algoritmos de autenticação e armazena
chaves de autenticação e encriptação. Equivalente ao SIMcard do GSM
Composição do UTRAN
 
 
Node B (ERB): Converte os fluxos de dados entre as interfaces Iub e Uu.
Também participa do gerenciamento de recursos rádio
RNC (Radio Network Controller): Possui, gerencia e controla os recursos rádio
de todos os Node B a ele conectados (domínio). O RNC é o ponto de acesso a
todos os serviços providos pelo UTRAN à CN
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UMTS - Arquitetura do Sistema
 
Composição do CN
 
 
HLR (Home Location Register): banco de dados localizado no “home system”
do usuário, que armazena as informações do perfil de serviços do usuário. O
perfil de serviços consiste de, por exemplo, informações e serviços cujo
acesso é autorizado ao usuário, áreas de roaming proibidas e serviços
complementares. Um registro é criado quanto um novo usuário contrata uma
assinatura do sistema. Para
fins de roteamento, o HLR armazena a
localização da terminal em nível de MSC/VLR e/ou SGSN, ou seja, em nível de
sistema servidor
MSC / VLR (Mobile Services Switching Center / Visitor Location Register): as
funções do MSC são usadas para transações de comutação de circuitos. O
VLR é o banco de dados que serve ao terminal em sua localização corrente
para comutação de circuitos (CS). As funções do VLR são armazenar uma
cópia do perfil de serviços do usuário visitante, bem como informações mais
precisas de localização do usuário dentro do sistema. A parte da rede que é
acessada via MSC/VLR é frequentemente referenciada como domínio de CS
(Circuit Switching Domain)
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UMTS - Arquitetura do Sistema
 
Composição do CN
 
 
 
(cont.)
GMSC (Gateway MSC): ponto em que a UMTS PLMN é conectada a redes
externas de comutação de circuitos. Todas as comunicações entrantes ou
saintes, baseadas em comutação de circuitos, passam através do GMSC
SGSN (Serving GPRS Support Node): funcionalmente, é similar ao MSC/VLR,
mas é usado para serviços de comutação de pacotes. A parte da rede que é
acessada via SGSN é frequentemente referenciada como domínio de PS
(Packet Switching Domain)
GGSN (Gateway GPRS Support Node): funcionalmente, é similar ao GMSC,
mas é voltado para comutação de pacotes
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Fator de Espalhamento
  Fator
de espalhamento – Conceito
  Taxa de transmissão de usuário: 64 kbps
Codificação de canal: eleva taxa para 240 kbps
  Como exemplo:
 
 
 
 
 
1 símbolo = 2 bits (bit I e bit Q)
Taxa de símbolo = 120 ksimb/s (kbauds) (= 240k/2)
Taxa de chip = 3,84 Mchips/s (padrão WCDMA)
Fator de espalhamento = taxa de chip / taxa de símbolo = 32
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11
Conceitos – Ganho de Processamento
 
Definido por (em dB)
GP =
taxa de chip
taxa de dados
 
Descreve a melhoria na relação sinal-ruído (SNR). É a
representação, em decibel, do fator de espalhamento
 
Por exemplo, no caso apresentado:
⎛ 3,84 Mchips/s ⎞
GP = 10 log⎜
⎟ = 10 log 32 ≈ 15 dB
⎝ 120 ksimb/s ⎠
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Múltiplas Taxas de Transmissão: Códigos Walsh de
Comprimento Variável no Espalhamento
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12
Alocação de banda no WCDMA
CETUC-PUC/Rio
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Conceitos – Tipos de Códigos
 
Há dois tipos distintos de códigos: código de
embaralhamento (scrambling code) e código de canalização
(channelization code)
 
São combinados por multiplicação, gerando o código
combinado (combined code)
CETUC-PUC/Rio
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13
Conceitos – Códigos de Canalização
Channelization Codes
 
 
 
 
 
 
 
 
Código Walsh
Usado tanto no uplink quanto no downlink, para separar
canais distintos
Propriedades de ortogonalidade ! interferência reduzida
Recurso limitado
Repete-se a cada símbolo
Diferentes comprimentos ! diferentes fatores de
espalhamento ! diferentes taxas de símbolo
Mais de um código de canal simultâneo entre terminal e base
= transmissão multicanal
Não possui boas propriedades de auto-correlação !
necessário scrambling code
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Conceitos – Códigos de Embaralhamento
Scrambling Codes
 
Uplink
 
 
 
 
Downlink
 
 
 
 
Cada móvel possui seus próprios códigos de embaralhamento, curto e
longo
O código curto repete-se a cada símbolo; o longo, repete-se a cada
quadro (frame)
Há 224 códigos em cada grupo
Cada estação rádio-base ou setor possui seu próprio código de
embaralhamento
O código repete-se a cada quadro
Há 218 códigos, mas apenas os 24576 (= 3 x 8192) primeiros são
usados
Possuem boas propriedades de auto-correlação
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Canais de Comunicação (sinalização)
 
Canais físicos e de transporte
 
Canais físicos carregam canais de transporte
 
Canais de transporte carregam dados para camadas mais
altas
 
Canais distintos para uplink e downlink
 
Alguns canais são comuns para vários usuários; outros são
dedicados
CETUC-PUC/Rio
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Canais de Comunicação
Canais de Transporte
Canais Dedicados de Transporte
CETUC-PUC/Rio
Canais Comuns de Transporte
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15
Camadas (Layers) da UTRAN
CETUC-PUC/Rio
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Canais de transporte
 
Canal dedicados de transporte
 
DCH: transporta toda a informação de um dado usuário e proveniente
das camadas superiores à camada física (dados de usuário e
informações de controle de camadas superiores são tratados da
mesma forma) – conteúdo não visível pela camada física e conta com
fast power control
 
Canais comuns de transporte
 
Não suportam soft handoff mas podem ter fast power control
CETUC-PUC/Rio
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16
Canais de transporte comuns
 
Broadcast Channel
 
 
Transporta parâmetros essenciais à comunicação (códigos de acesso
aleatórios, slots de acesso, etc). Terminal não pode transmitir sem têlo decodificado antes – funciona com alto nível de potência
Forward Access Channel
 
Transporta informações de controle para terminais reconhecidos na
célula (por exemplo ACK para mensagem recebida por canal de
acesso aleatório). Não usa fast power control
CETUC-PUC/Rio
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Canais de transporte comuns
 
Paging Channel
 
Transporta informações relevantes de paging (quando a rede quer
iniciar conexão com o terminal)
 
Random Access Channel
 
Transporta informações de controle oriundas do terminal, tal como
requisição de estabelecimento de conexão (é um canal de acesso
aleatório, requerendo baixa taxa de transmissão para assegurar bom
desempenho)
CETUC-PUC/Rio
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17
Canais de transporte comuns
 
Uplink Common Packet Channel
 
Transporte de pacotes com alto desempenho (fast power control,
mecanismo de deteção de colisão na camada física e procedimentos
especiais de funcionamento). Similar ao RACH mas tem alto
desempenho, fazendo par com o FACH
 
Downlink Shared Channel
 
Similar ao FACH mas transporta dados dedicados e pode ser
compartilhado. Tem alto desempenho
CETUC-PUC/Rio
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A Camada Física do UTRA FDD
  Canais
 
 
 
de transporte e canais físicos
Dados de camadas superiores ! Canais de Transporte !
Canais Físicos
Cada canal de transporte é associado a um TFI (Transport
Format Indicator) na ocasião em que dados são esperados
pelas camadas superiores
A combinação dos TFI dos canais de transporte formam o
TFCI. O TFCI é transmitido no canal de controle físico para
indicar quais canais de transporte estão ativos para o
frame corrente
CETUC-PUC/Rio
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18
Canais de Comunicação
Canais de Físicos
 
Canais físicos de downlink
 
DPCH – Downlink Dedicated Physical Channel
 
 
CPICH – Common Pilot Channel
 
 
 
 
Carrega BCH
S-CCPCH – Secondary Common Control Physical Channel
 
 
Carrega a sequência pré-definida de símbolos
Há canais primários e secundários, para propósitos distintos
Usado como referência de canal, para todos os outros canais
P-CCPCH – Primary Common Control Physical Channel
 
 
Carrega DCH
Carrega FACH e PCH
PDSCH – Physical Downlink Shared Channel
CETUC-PUC/Rio
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Canais de Comunicação
Canais de Físicos
 
Canais físicos de downlink
 
AICH – Acquisition Indicator Channel
 
 
Carrega Page Indicator, que indica se PCH para determinado grupo de paging está disponível
CPICH – Common Pilot Channel
 
 
 
 
Carrega informação de status de CPCH
PICH – Page Indicator Channel
 
 
Carrega Acquisition Indicator como resposta a PRACH e PCPCH
CSICH – CPCH Status Indicator Channel
 
 
(para uso interno, L1)
Carrega a sequência pré-definida de símbolos
Há canais primários e secundários, para propósitos distintos
Usado como referência de canal, para todos os outros canais
SCH – Synchronization Channel
 
Usado para busca de célula (cell search)
CETUC-PUC/Rio
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19
Canais de Comunicação
Canais de Físicos
 
Canais físicos de uplink
 
DPDCH – Dedicated Physical Data Channel
 
 
DPCCH – Dedicated Physical Control Channel
 
 
Carrega informação de controle gerada em L1
PRACH – Physical Random Access Channel
 
 
Carrega DCH
Carrega RACH
PCPCH – Physical Common Packet Channel
 
Carrega CPCH
CETUC-PUC/Rio
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40
Mapeamento
CETUC-PUC/Rio
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Mercado - Composição UMTS e 2G
 
 
 
UMTS é implementado inicialmente em hot spots
Serviços serão agregados conforme requisitos do modelo de negócios
EDGE é um importante complemento, para prover serviços 3G-like
fora da região coberta por UMTS
Arte: Siemens
CETUC-PUC/Rio
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Mercado – Crescimento UMTS
O crescimento do UMTS tem sido mais rápido que foi o do GSM
CETUC-PUC/Rio
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21
Aplicações 3G
 
Mudança de
paradigma:
de Voz e Dados
para Comunicação
Multimídia sobre IP
 
Infraestrutura
harmônica em uma
topologia all-IP
Arte: Siemens
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Aplicações 3G
e VOZ!!
Fonte: Siemens
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22
HSDPA
 
High Speed Downlink Packet Access
 
Concorrente de EVDO / EVDV
 
Release 5 do 3GPP
 
Adaptado a bursts de dados em alta velocidade
 
Baixa latência
 
Novo canal de transporte: HS-DSCH
Fonte:
teleco.com
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HSDPA
 
Evolução natural e suave do WCDMA (3GPP release 99)
 
 
Adicionada subcamada MAC (MAC-hs)
Características fundamentais:
 
 
 
 
 
 
Transmissão por canal compartilhado e multicódigo
Modulação de ordem elevada (16-QAM)
Short TTI (Transmission Time Interval)
Fast link adaptation: enlace adaptativo de alto desempenho
Fast Scheduling: despacho rápido
Requisição e repetição automática híbrida (HARQ)
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23
Transmissão por canal compartilhado e multicódigo
 
Códigos dinamicamente
compartilhados entre
usuários
 
Uso mais eficiente dos
recursos, se comparado aos
canais dedicados do release
99 (WCDMA original)
 
Até 15 códigos
compartilhados mapeados no
HS-DSCH
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Modulação alta ordem e TTI curto
 
Modulação 16-QAM
 
TTI curto
 
 
WCDMA: intervalos de transmissão de 10, 20 e 40 ms
HSDPA: chega a 2 ms no downlink
 
 
Canais compartilhados numa taxa de até 500x por segundo
Interessante também para os recursos de enlace adaptativo e
despacho rápido
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24
Enlace adaptativo de alto desempenho e Despacho rápido
 
Enlace adaptativo
 
 
 
 
Ajuste adaptativo de modulação de acordo com qualidade do canal
Substitui o controle rápido de potência para as oscilações de curta escala
(rápidas) do canal de radiopropagação
Otimiza o uso de potência, mantendo a qualidade do enlace
Despacho rápido
 
A cada TTI, decisão: quais
usuários usarão os HS-DSCH,
com qual modulação e qual
número de códigos
 
Decisões definirão taxa de
dados a ser alcançada
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Requisição e repetição automática híbrida e
Classes de terminais
 
Requisição e repetição automática híbrida
Fonte: teleco.com
 
Categorias de terminais
HSDPA
CETUC-PUC/Rio
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WCDMA e HSDPA no mundo
*A GSA atualizou os números para tecnologia WCDMA
em novembro e HSDPA em dezembro.
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Fonte: teleco.com
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HSUPA
 
High Speed Uplink Packet Access
 
Release 6 do 3GPP
 
Novo canal: Enhanced Dedicated Channel – E-DCH
 
Mecanismos que possibilitam as altas taxas são similares aos do
HSDPA
 
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Transmissão multicódigo
Short TTI (Transmission Time Interval)
Fast Scheduling: despacho rápido
Requisição e repetição automática híbrida
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Categorias de terminais HSUPA e Evolução dos sistemas
Fonte: teleco.com
 
Evolução
 
 
 
 
Introdução de 16-QAM no uplink (chegando a 12 Mbps de pico) e 64-QAM no
downlink (chegando a 21 Mbps de pico)
MIMO 2x2 (28 Mbps no downlink)
MIMO 2x2 + 64-QAM: 42 Mbps no downlink
Latências ainda menores
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Comparativo WCDMA & algumas evoluções
+
2.000/384
14.000/384
14,0/5,8
Fonte: teleco.com
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4G : LTE x WiMAX (?)
 
LTE: Long Term Evolution
 
 
 
 
Pico de downlink: 100 Mbps
Tecnologia permite até 200 Mbps. Ericsson demonstrou 150 Mbps
Latência inferior a 10 ms
Largura de banda flexível: 5 a 20 MHz, em FDD e TDD
Fonte: teleco.com
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