INTRODUCCION
A UMTS
Universal Mobile Telecommunications System
Claudio Avallone
avallone@fing.edu.uy
IIE
14 de septiembre de 2011
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Agenda
1
Introducción
2
Principios de CDMA
Técnicas de acceso al medio
Spread Spectrum
Códigos de spreading
Características generales
3
Arquitectura de la red
Core Network
UTRAN
4
Interfaces de la UTRAN
Interfaces Iu
Interfaz de radio W-CDMA
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Agenda
1
Introducción
2
Principios de CDMA
Técnicas de acceso al medio
Spread Spectrum
Códigos de spreading
Características generales
3
Arquitectura de la red
Core Network
UTRAN
4
Interfaces de la UTRAN
Interfaces Iu
Interfaz de radio W-CDMA
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Qué es?
Es una tecnología de telefonía móvil de tercera generación
(3G)
I
I
I
I
1G: AMPS (Advanced Mobile Phone Service, telefonía
analógica).
2G: GSM (Global System for Mobile Communications).
2.5G: GPRS (General Packet Radio Service, datos hasta
20 kbps por time slot).
2.75G: EDGE (Enhanced Data rates for GSM Evolution,
datos hasta 60 kbps por time slot).
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Características
UMTS es el sucesor de GSM, fue diseñado para ser
compatible y coexistir con dicha tecnología.
Es un proyecto desarrollado por la 3GPP, cuya primera
versión se terminó en 1999 (R99).
Permite tener acceso de datos a gran velocidad.
I
I
144 kbps sobre vehículos a gran velocidad.
384 kbps en espacios abiertos.
Basado en interfaz de radio UTRA (W-CDMA).
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Un poco de historia..
CDMA (Code Division Multiple Access) es una técnica de
acceso al medio desarrollada a principios de los años 70,
con fines militares.
Basada en la técnica de espectro expandido (Spread
Spectrum), cuenta entre sus principales ventajas:
I
I
Robustez frente a interferencias.
Buena eficiencia espectral.
Adoptada como estándar en el año ’93 (IS-95), luego
modificada en el ’95.
Primer producto comercial disponible a fines del ’95.
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Un poco de historia..
Aunque IS-95 es considerada también una tecnología 2G,
a diferencia de GSM solo penetró algunos mercados
asiáticos y norteamericano.
La diferencia en la masividad de GSM vs. IS-95 se debió
presumiblemente a que:
I
I
IS-95 logra una mayor eficiencia espectral pero a costa de
mayor complejidad en los equipos.
IS-95 es un estándar cerrado y propietario.
3G: UTRA (UMTS Terrestrial Radio Access)
I
I
Especificación de interfaz de radio de UMTS propuesta por
ETSI
Implementa W-CDMA (variante de CDMA)
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Especificación del sistema UMTS (3GPP)
Basadas en interfaz de radio UTRA y el MAP core network
de GSM/GPRS.
Existen dos modos posibles:
I
I
UTRA FDD: División de frecuencia dúplex (W-CDMA)
UTRA TDD: División de tiempo dúplex (TD-CDMA)
En ambos casos se especifica una nueva interfaz de radio
y se ’reutiliza’ el core network de GSM/GPRS
UTRA TDD no ha sido implementado masivamente.
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Agenda
1
Introducción
2
Principios de CDMA
Técnicas de acceso al medio
Spread Spectrum
Códigos de spreading
Características generales
3
Arquitectura de la red
Core Network
UTRAN
4
Interfaces de la UTRAN
Interfaces Iu
Interfaz de radio W-CDMA
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Técnicas de acceso al medio
Objetivo: Optimizar el acceso al medio compartido de
múltiples usuarios en forma simultánea.
I
FDMA: Acceso múltiple por división en frecuencia
I
TDMA: Acceso múltiple por división en el tiempo
I
CDMA: Acceso múltiple por división en el espacio de
códigos
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Técnicas de acceso al medio - FDMA
El espectro disponible se divide en varios sub-canales en
frecuencia, luego distribuidos entre los usuarios.
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Técnicas de acceso al medio - TDMA
Todo el espectro es utilizado por solo un usuario, pero
durante un time slot de determinada duración.
GSM es un sistema híbrido FDMA/TDMA
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Técnicas de acceso al medio - CDMA
Todo el espectro es compartido entre los usuarios en forma
simultánea, y sus respectivas señales son separadas mediante
el uso de un código que las identifica.
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Spread Spectrum
Los sistemas CDMA se basan en la técnica de Spread
Spectrum.
I
La señal original es transformada en otra de mucho mayor
ancho de banda ⇒ spreading.
Para generar la señal de espectro expandido, cada usuario
debe contar con un código de spreading único.
El receptor debe usar ese mismo código para demodular y
obtener la señal original de banda angosta.
La razón entre el ancho de banda de la señal expandida y
la original se denomina ’ganancia de procesamiento’
(también conocida como SF : spreading factor).
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Spread Spectrum
Los códigos son idealmente no correlacionados (ortogonales)
entre ellos.
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Spread Spectrum - Diferentes implementaciones
DS-CDMA (Direct Sequence CDMA):
I Se ’multiplica’ cada símbolo de la señal original por un
código de spreading de mucho mayor bit rate.
I La señal original es dispersada en todo el espectro.
FH-CDMA (Frequency Hopping CDMA):
I El espectro se divide en varias bandas.
I El transmisor cambia de portadora de acuerdo a una
secuencia (código) predefinida.
I El receptor debe conocer el código para sintonizar
correctamente y demodular la señal
MC-CDMA (Multi Carrier CDMA):
I Cada símbolo se transmite simultáneamente por N
subportadoras de banda angosta.
I A cada usuario le corresponde un código de N “chips”.
I Sobre cada una de las subportadoras, el símbolo es
’multiplicado’ por el “chip” correspondiente.
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Spread Spectrum
UTRA-FDD (3GPP) utiliza DS-Spread Spectrum.
I
A cada usuario le corresponde un código único formado
por N “chips” (Tchip = Tsimbolo
N )
I
Modulación:
I
I
I
Se multiplica cada símbolo a Tx por el código de spreading.
La energía de la señal original es dispersada en todo el
ancho de banda, la DEP se ve reducida.
De-modulación:
I
I
Se correlaciona la señal de banda ancha recibida con el
código de spreading específico del usuario (despreading).
Se acumula la energía de la señal y se obtiene el stream
original.
En DS-SS, la ganancia de procesamiento es igual al largo
de código (SF = N).
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DS Spread Spectrum - Modulación
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DS Spread Spectrum - Demodulación (1/2)
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DS Spread Spectrum - Demodulación (2/2)
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Códigos de spreading
El código de spreading es el identificador único que
permitirá recuperar el stream original de banda angosta.
Es necesario entonces que la correlación entre los
distintos códigos sea baja.
En el proceso de despreading, la sincronización de la
señal recibida con el código específico de usuario es
importante.
I
Se necesita sincronismo de ambas a nivel de chip.
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Códigos de spreading
En casos donde no podemos asumir sincronismo (ej.:
Reverse Link para UTRA-FDD), la propiedad de baja
correlación cruzada entre distintos códigos se vuelve muy
importante.
Estudiaremos 2 familias de códigos que se diferencian en
cuanto a esta propiedad:
I
I
Códigos ortogonales.
Códigos pseudo-aleatorios (PN).
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Códigos ortogonales
Condición de ortogonalidad: ci · cj =
0 si i =
6 j
1 si i = j
Ejemplo:
Código A:
Código B:
Código C:
[ −1 −1 −1
1 1 −1 1
1 ]
[ −1 −1
1 −1 1
1 1 −1 ]
[
1
1 −1
1 1
1 1 −1 ]
En este ejemplo hemos asumido que el chip offset es cero.
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Códigos ortogonales
Códigos ortogonales distintos perfectamente
sincronizados tienen correlación nula.
I
Señales de SS de distintos usuarios pueden coexistir en la
misma banda sin generar excesiva interferencia mutua.
Algunas de las familias de códigos ortogonales más
utilizadas son los códigos de Walsh y los códigos OVSF.
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Códigos ortogonales de Walsh
Códigos de largo 2n, se generan aplicando la
transformada de Haddamard repetidas veces:
0 0
H0 = 0
H1 =
0 1
HN HN
HN : inverso de HN
HN+1 =
HN HN
Cada fila de la matriz es un código de Walsh.
Todos los códigos son ortogonales entre sí.
Entre 2 filas cualesquiera la mitad de los bits coinciden y la otra
mitad no.
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Códigos OVSF
Orthogonal Variable Spreading Factor.
I
Flexibilidad para expandir señales de diferente bit rate a un
mismo ancho de banda del canal.
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Códigos OVSF
Los códigos de un nivel cualquiera se generan en base a
los del nivel anterior.
I
Sea Cn,1 = [a, b, . . .], y su negado −Cn,1 = [−a, −b, . . .].
I
Obtengo los códigos del siguiente nivel concatenando
réplicas de Cn,1 y −Cn,1 .
I
C2n,1 = [Cn,1 , Cn,1 ] , C2n,2 = [Cn,1 , −Cn,1 ]
Para preservar ortogonalidad, al utilizar un código de un nivel
dado debo inhibir el uso de códigos pertenecientes a sus ramas
inferiores.
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Códigos ortogonales - Generalidades
La función de autororrelación no tiene buenas
características (presenta más de un pico).
I
Se dificulta la detección del comienzo de un código.
La correlación cruzada entre códigos (chip offset 6= 0)
tampoco tiene buenas características.
I
Si no hay sincronismo en la recepción de secuencias de
distintos usuarios, se pierde la ortogonalidad ⇒ se genera
interferencia.
La necesidad de sincronismo en recepción limita
fuertemente el uso de códigos ortogonales de spreading.
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Códigos PN
Códigos pseudo-aleatorios o de pseudo-ruido (PN)
Secuencias de números binarios que simula ser aleatorio,
pero es determinística.
Propiedades de secuencias binarias aleatorias:
I
I
I
Balance: cantidad de 1s y 0s difieren en uno.
Ráfagas: 1/2n de las ráfagas son de largo n.
Offset: La misma secuencia corrida coincide en la mitad de
los bits con la original.
Porqué son necesarios?
I
Útiles en caso de que la recepción de los distintos streams
sea asíncrona.
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Códigos PN - Generación de secuencias-m
Son un tipo de códigos PN utilizados, generados con “shift
registers” que se componen de latches en cascada con
conexiones de realimentación.
Con N etapas se pueden generar 2N estados distintos, pero el
estado de todos cero no es válido.
El período máximo de una secuencia es 2N − 1 (secuencia-m).
La realimentación depende del polinomio característico.
Ej.: P(x) = x 3 + x + 1
Estados: 001, 100, 010, 101, 110, 111, 011, 001,. . .
Salida: 1001011
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Códigos PN - Generalidades
La correlación entre 2 secuencias PN se define como:
Corr = (N° coincidencias) - (N° no coincidencias)
Dos secuencias son ortogonales sii:
I correlación = k con chip offset = 0.
I correlación = 0 con chip offset 6= 0.
Las secuencias PN no cumplen con esta condición.
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Códigos PN - Secuencias-m
Aunque su correlación cruzada no es cero, los códigos PN
tienen buenas propiedades de autocorrelación.
La autocorrelación de una secuencia-m de largo
L = 2N − 1 toma los siguientes 2 valores:
I
I
I
Ra (chip offset = 0) = L
Ra (chip offset 6= 0) = −1
Normalizando por el largo de código, obtenemos:
I
I
Ra (chip offset = 0) = 1
Ra (chip offset 6= 0) = −1/L
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Códigos PN - Secuencias-m
Si L suficientemente grande, la autocorrelación adquiere
buenas propiedades en cuanto a capacidad de detección
de comienzo de código.
Por otro lado, la correlación cruzada de secuencias-m de
mismo período tiene picos relativamente altos.
Otros tipos de códigos PN son los códigos de Gold y los
de Kasami.
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Características generales de CDMA
El proceso de spreading implica incrementar el ancho de
banda del sistema, sin aparente ganancia en la capacidad
del mismo.
Cuáles son los incentivos para su implementación?
I
Mayor robustez frente a interferencias :
I
Díficil detección por agentes ajenos a la comunicación.
La energía es dispersada en un ancho de banda grande.
Su DEP se asemeja a ruido del canal.
I
El factor de reúso de frecuencias es 1.
I
Aprovechamiento de propagación multicaminos.
Se planifica en términos de códigos y no de frecuencias.
Su alta resolución temporal permite aprovechar el multipath
mediante receptores Rake.
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Características generales de CDMA
Cuáles son los problemas a tener en cuenta en CDMA?
I
I
I
En un sistema real, las señales de usuarios distintos no
son ortogonales entre sí.
Esto genera MUI (interferencia multi usuario).
Cuando la MUI se vuelve excesiva, el sistema se torna
inestable.
El control de potencia es un factor clave en esta
tecnología.
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Agenda
1
Introducción
2
Principios de CDMA
Técnicas de acceso al medio
Spread Spectrum
Códigos de spreading
Características generales
3
Arquitectura de la red
Core Network
UTRAN
4
Interfaces de la UTRAN
Interfaces Iu
Interfaz de radio W-CDMA
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Arquitectura de la red
Topológicamente las redes UMTS están compuestas por dos
grandes subredes:
Red de acceso (UTRAN)
Núcleo de la red (Core Network, CN), el cual se separa en
dos dominios:
I
I
La red de Circuitos (Circuit Switched, CS)
La red de Paquetes (Packet Switched, PS)
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Arquitectura de la red
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Core Network - Funciones
Transporte de datos, voz y señalización.
Interconexión con otras redes de telecomunicaciones:
I
I
I
I
I
PSTN
PLMNs (2G, 3G)
Intranets
Internet
..
.
Registro de los datos de usuario, manejo de sesión.
Se reutiliza el core de GSM/GPRS.
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UTRAN
UMTS Terrestrial Radio Access Network.
Basada en la interfaz de radio UTRA, implementa
W-CDMA en el acceso.
Soporta división de tiempo duplex (UTRA-TDD), y división
de frecuencia duplex (UTRA-FDD).
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UTRAN - Componentes
La UTRAN consiste en RNCs y nodos B.
I
I
Radio Network Controller (RNC) ⇔ BSC en GSM
Nodo B ⇔ BTS en GSM
Un RNC y nodos B asociados forman un RNS (radio network
subsystem)
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UTRAN - Componentes
Radio Network Controller (RNC)
I
I
Es el componente ’inteligente’ de la UTRAN.
Controla los recursos de radio en su dominio (de todos los
Nodos B asociados a él).
Control de potencia de RF.
Asignación de códigos, etc.
I
I
Maneja los recursos de transporte de todos los Nodos B
asociados a él.
Controla la conexión de los usuarios
Control de admisión.
Control de congestión, etc.
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UTRAN - Componentes
Radio Network Controller (RNC)
I
I
I
I
Establecimiento y liberación de los servicios (Radio Access
Bearers).
Provee los servicios al Core.
Gestiona la movilidad de los usuarios.
Control del Handover y SoftHandover.
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UTRAN - Componentes
Nodo B
I
Es el responsable de la transmisión - recepción de radio en
una o mas celdas (usualmente 3).
Modulación/demodulación, spreading/despreading.
Sincronización.
Rate Matching.
I
I
Participa en el manejo de los recursos de radio.
Participa en el control de potencia.
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UTRAN - Componentes
Nodo B
I
I
I
I
Codificación y decodificación de los canales de radio.
Combinación/distribución de macro-diversidad.
Ejecución de soft handover.
Envío periódico de reportes de interferencia UL, potencia
en DL, medidas de radio en general, hacia el RNC.
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Agenda
1
Introducción
2
Principios de CDMA
Técnicas de acceso al medio
Spread Spectrum
Códigos de spreading
Características generales
3
Arquitectura de la red
Core Network
UTRAN
4
Interfaces de la UTRAN
Interfaces Iu
Interfaz de radio W-CDMA
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Interfaces
Las interfaces en UMTS se pueden clasificar en:
I
I
Interfaz de radio (Uu)
Interfaces de red (interfaces Iu, Iub, Iur)
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Interfaces
Implementación física de las interfaces:
I
I
La interfaz Uu implementa W-CDMA.
Las interfaces Iu se implementan generalmente sobre ATM
(R4) e IP (R7).
Las funciones de todos los elementos de la red están
claramente definidos por la 3GPP.
Por tanto, tanto las interfaces Iu como la Uu son abiertas y
“multi-vendor".
I
I
En la práctica, solo lo son realmente las interfaces Uu y
Iu-CS/PS
Justamente son las interfaces que delimitan la UTRAN.
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Interfaz Iu
La interfaz Iu es la frontera de la UTRAN con el Core
Network.
Puede tener dos instancias físicas: Iu-CS y Iu-PS
I
I
Iu-CS conecta al RNC con el core CS, un MSC.
Iu-PS conecta al RNC con el core PS, un SGSN.
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Interfaz Iub
La interfaz Iub es el nexo entre el RNC y los nodos B asociados.
Generalmente no es ’multi-vendor’ en la práctica.
Utilizada por el RNC para controlar a los nodosB
I Recursos de transporte, canales comunes y dedicados,
control de la sincronización, etc.
Utilizada por los nodosB para envío de reportes periódicos al
RNC.
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Interfaz Iur
Es una interfaz lógica que conecta directamente dos RNCs.
Sobre esta interfaz se gestiona la macrodiversidad inter-RNS.
Los RNCs interconectados via la Iur deben pertenecer a la
misma PLMN.
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Interfaz de Radio (Uu) - WCDMA
Estudiaremos la interfaz de radio UTRA-FDD
I FDD (Frequency Division Duplex), comunicaciones
bidireccionales con dos portadoras (una para Uplink y otra
para Downlink).
I Comúnmente conocida como W-CDMA (Wideband CDMA).
También se encuentra estandarizado el acceso del tipo TDD
(Time Division Duplex), el cual no ha sido implementado
masivamente → no será estudiado en este curso.
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Interfaz de Radio (Uu) - WCDMA
El ancho de canal utilizado por el sistema es fijo en 5Mhz.
UMTS-FDD fue definido originalmente para la banda de
2100Mhz (UL/DL: 1920-1980/2110-2170 Mhz).
Actualmente también existen redes operando en las
bandas de 850Mhz y 1900Mhz.
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Referencias
Introduction to 3G mobile communications. Juha Korhonen.
Artech House. ISBN 1-58053-287.
3GPP TS 25.213 “Spreading and Modulation (FDD)"
3GPP TS 25.301 “Radio Interface Protocol Architecture".
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