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Material  Docente  

Sistemas  de  acceso  móvil  3G  y  B3G  

Lucas Cuadra Rodríguez Departamento de Teoría de la Señal y Comunicaciones

Universidad de Alcalá Curso 2009-2010

Mo-vación  

Camino  evolu6vo  

2G   2.xG   3G   3.xG   4.G  

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Indice  

UMTS   HSPA   LTE  

Fundamentos  

Arquitectura  

Servicios  

Fundamentos  

Novedades   Novedades  

HSDPA   HSUPA  

UMTS:  requisitos  iniciales  

UMTS  -­‐  Universal  Mobile  Telecommunica-ons  System  -­‐  (Release  99)    

   Velocidades  de  384  Kbit/s  y  hasta  2  Mbit/s  (en  baja  movilidad  )  

   Transmisión  de  datos  en  Conmutación  de  Circuitos  y  de  Paquetes  

   Uso  de  W-­‐CDMA.  Mayor  capacidad  y  uso  eficiente  del  espectro  que  los  sistemas  anteriores  

   Amplia  gama  de    servicios  de  voz,  datos  y  mul-media  

   I6nerancia  (“roaming”)  internacional     Soporte  para  varias  conexiones  simultaneas  

   Alto  nivel  de  calidad  y  alto  grado  de  seguridad  

Fundamentos!

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UMTS:  Estructura  celular  

•  Una  sola  célula  en  el  cluster:  N=1  – Reu-lización  de  frecuencia  muy  fuerte  

•  ¿Cómo  acceder  al  medio  radio  compar-do?  

Fundamentos!

UMTS:  Acceso  radio  

¿Cómo?  

•  Cada  bit  de  la  señal  de  datos  se  mul-plica  por  un  código  (secuencia  o  “chip”)  

•  La  duración  del  chip(TC)  es  menor  que  la  del  bit  de  información  (Tb)  

•  La  señal  resulta  ensanchada.  Ventajas:  –  Más  inmune  a  

interferencias  –  Más  robusto  frente  a  

escuchas…  

W-­‐CDMA  (DS)  A  cada  comunicación  se  le  asigna  un  “código”  dis6nto  de  forma  que  el  receptor,  que  conoce  el  código,  puede  extrar  la  información:  

Fundamentos!

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UMTS:  Acceso  radio  

SF:  Spreading  Factor  o  Ganancia  de  Procesado  W:  Tasa  de  chip  (3,84  Mchip/s  en  UMTS)  

   

€

ν ≡Factor  de  utilización=1,  datos

0,67,  voz

⎧ ⎨ ⎩

       

€

pT , j ≥ pT , jU ≈

ebn0

⎛

⎝ ⎜

⎞

⎠ ⎟ ⋅

1

SF⋅pn1−η

⋅ lb

   

€

SF = gP =W

Rbν        

€

η ≡Factor  de  carga=

          =1−pn

pn + pi

Fundamentos!

UMTS:  Acceso  radio  

       

€

pT , j ≥ pT , jU ≈

ebn0

⎛

⎝ ⎜

⎞

⎠ ⎟ ⋅

1

SF⋅pn1−η

⋅ lb

   

€

SF = gP =W

Rbν        

€

η ≡Factor  de  carga=

          =1−pn

pn + pi•   ¿Influencia  del  factor  de  carga?  

     ¿Respiración  celular?  ¿Party  effect?  •   ¿Influencia  de  la  tasa  binaria?  •   La  capacidad  para  ges6onar  el  trafico  no  premanece  constante:  “So#  capacity”  

Fundamentos!

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UMTS:  Acceso  radio  

Sistema  2G   Sistema  3G  

La  capacidad  para  ges-onar  tráfico  está  fijada  en  la  fase  de  diseño    

La  capacidad  para  ges-onar  trafico  NO  es  constante  (so#  capacity)  

Depende  del  número  de  canales  disponible  en  la  célula    Es  un  sistema  limitado  por  canal  

Es  un  sistema  limitado  por  interferencia:  la  capacidad  depende  del  número  de  usuarios  ac6vos  en  la  célula  

Si  todos  los  canales  de  una  célula  están  ocupados,  un  nuevo  intento  de  llamada  se  pierde,  porque  no  se  pueden  u-lizar  los  recursos  de  otras  células  vecinas  

Puede  u-lizar  recursos  de  células  vecinas  

Capacidad  Fundamentos!

UMTS:  Traspaso  

Sistema  2G   Sistema  3G  Traspaso  sin  con6nuidad   Traspaso  con  con6nuidad  

Un  solo  -po,  llamado  “hard  handover”  

Varios  -pos:  •   Hard  handover  •   So^  handover  •   So^er  handover  

•   So^  handover:  Existe  un  intervalo  de  -empo  en  el  que  el  móvil  está  conectado  a  2  células  •   So^er  handover:  Existe  un  intervalo  de  -empo  en  el  que  el  móvil  está  conectado  a  2  sectores  del  mismo  emplazamiento  

Fundamentos!

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UMTS:  compara-va  

Ventajas   Inconvenientes  

Reu-lización  muy  fuerte  de  los  recursos  (Cluster  con  N=1  célula)  

El  sistema  es  más  complejo  

W-­‐CDMA  (DS)  permite  u-lizar  la  misma  portadora  simultáneamente  por  varios  usuarios  sin  más  que  u-lizar  un  códio  adecuado  que,  en  recepción,  permite  separar  la  comunicación  de  interes  de  todas  las  demás  

Requieres  técnicas  más  complicadas  de:  

•   Control  de  potencia  •   Control  de  admisión,  …  

Sistema  agil  y  flexible:  •   Capacidad  variable  •   U-lizar  recursos  libres  de  otras  células  vecinas  •   Varias  modalidades  de  traspasos  con  con-nuidad    

Ventajas  e  Inconvenientes  Fundamentos!

UMTS:  Arquitectura  

•  UTRAN  (UMTS  Terrestrial  Radio  Access  Network)  

•  Red  Troncal  (Core)  –  Inicialmente  aprovecha  la  red  troncal  de  GSM/GPRS:  CN-­‐CS  (Core  

Network,  Circuit  Swithc)  y  CN-­‐PS  

–  Evolución  hacia  All-­‐IP  

UMTS:  Arquitectura  Arquit

ectura!

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UMTS:  Arquitectura  

Versión   Año   Resumen  

Release  99   2000   Se  especifica  la  primera  versión  de  UMTS  en  la  que  se  incorpora  W-­‐CDMA  en  la  interfaz  radio  

Release  4   2001   Empieza  a  añadir  aspectos  relacionados  con  all-­‐IP  

Release  5   2002   Introduce  IMS  y  HSDPA  

Release  6   2004   Integra  conexión  con  redes  W-­‐LAN  y  añade  HSUPA  

Release  7   Hoy   Los  obje-vos  actuales  son  reducir  la  latencia,  mejorar  la  QoS  y  aplicaciones  en  -empo  real  como  VoIP  HSPA+(High  Speed  Packet  Access  Evolu-on)  

Release  8   En  desarrollo   LTE  /  SAE  (4G)  

Evolución  hacia  4G  Arquit

ectura!

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  u-lizar  recursos  de  red    

•  La  red  comprueba  si  puede  proporcionar  los  recursos  solicitados.  Ésta  puede  garan-zarlos  (ofreciendo  un  conjunto  reducido  de  los  mismos),  o  bien  puede  rechazar  la  solicitud    

•  El  terminal  móvil  puede  entonces  aceptar  o  rechazar  las  modificaciones  ofrecidas    

Servic

ios!

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UMTS:  Servicios  •  1.  Servicios  conversacionales  en  6empo  real.  Son  servicios  con  requisitos  de  

retardo  muy  restric-vos,  sin  almacenamiento  temporal  (no  buffering),  tráfico  simétrico,  y  tasa  de  bits  garan-zada.  Se  u-liza  en  telefonía  vocal  convencional  y  en  la  videotelefonía.  

•  2.  Servicios  interac6vos.  Son  servicios  en  los  que  se  solicitan  datos  a  un  equipo  remoto,  como  por  ejemplo  un  servidor  web  o  la  consulta  de  una  base  de  datos.  El  retardo  debe  ser  limitado  pero  no  se  requiere  una  respuesta  en  6empo  real.  Sin  embargo,  sí  es  necesario  que  la  tasa  de  errores  sea  baja,  para  preservar  el  contenido.  

•  3.  Servicios  de  6po  “streaming”.  Se  trata  de  servicios  en  los  que  se  va  reproduciendo  algún  -po  de  contenido  en  el  terminal  según  se  va  recibiendo  de  la  red.  Para  evitar  interrupciones  en  la  reproducción,  requieren  un  retardo  mínimo  (puesto  que  son  servicios  en  -empo  real).  Permite  almacenamiento  temporal  (buffering),  tráfico  asimétrico  y  tasa  de  bits  no  garan-zada.  

•  4.  Servicios  Diferidos  (background).  Se  trata  de  servicios  en  los  que  no  existe  un  requisito  de  retardo  mínimo,  como  por  ejemplo  el  correo  electrónico  y  el  servicio  de  mensajes  cortos  SMS,  permite  almacenamiento  temporal  de  tráfico  asimétrico  y  no  garan-za  tasa  de  bits.  Requieren  que  la  tasa  de  errores  sea  baja  preservando  el  contenido.  

Servic

ios!Indice  

UMTS   HSPA   LTE  

Fundamentos  

Arquitectura  

Servicios  

Fundamentos  

Novedades   Novedades  

HSDPA   HSUPA  

HSDPA y HSUPA son mejoras de UMTS que se engloban dentro del concepto HSPA!

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HSDPA  

HSDPA  (High-­‐Speed  Downlink  Packet  Access)  es  una  mejora  de  UMTS  en  lo  que  respecta  al  enlace  descendente  de  la  red  de  acceso  radio.  Algunas  de  sus  novedades  son:  

•  Un  nuevo  canal  compar6do,  HS-­‐DSCH  (High  Speed  Downlink  Shared  CHannel),  que  puede  ser  compar-do  simultáneamente  por  varios  usuarios  

HSDPA  UL:  384  Kbps  DL:  14,4  Mbps  

HS

DPA: N

ovedades!

HSDPA  

•  El  TTI  (Transmission  Time  Interval)  más  corto  de  2ms  (comparado  con  el  TTI  de  UMTS  R99  que  está  comprendido  entre  10  y  80  ms)  se  traduce  en  que  el  sistema  reacciona  más  rápidamente  a  variaciones  en  las  condiciones  radio  o  de  los  usuarios,  y  puede,  de  forma  más  ágil,  reasignar  capacidad  a  los  usuarios.  

•  La  programación  rápida  (Fast  Scheduling)  en  el  Nodo  B  -ene  como  obje-vo  que,  adaptándose  a  las  variaciones  de  las  condiciones  radio,  la  estación  base  pueda  asignar  a  un  usuario  par-cular,  durante  un  periodo  corto  de  -empo,  tanta  capacidad  de  la  celda  como  sea  posible,  o  en  defini-va,  que  pueda  recibir  tantos  datos  como  las  condiciones  del  canal  radio  lo  permitan.  

HSDPA  UL:  384  Kbps  DL:  14,4  Mbps  

HS

DPA: N

ovedades!

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HSDPA  

•  La  técnica  AMC  (Adap6ve  Modula6on  and  Coding)  se  traduce  en  que  la  modulación  y  los  códigos  se  pueden  cambiar  de  acuerdo  con  las  variaciones  de  las  condiciones  del  canal,  lo  que  lleva  a  mayores  velocidades  de  transmisión  de  datos.  Mientras  que  UMTS  R99  u-liza  solo  modulación  QPSK,  HSDPA  introduce  la  posibilidad  de  u-lizar  la  modulación  16-­‐QAM  cuando  el  enlace  es  suficientemente  robusto,  lo  que,  finalmente,  desemboca  en  un  incremento  de  la  velocidad  de  transmisión  de  datos  

•  Fast  H-­‐ARQ  (Hybrid  AutomaGc  Response  reQuest):  –  permite  que  los  paquetes  erróneos  se  puedan  re-­‐enviar  dentro  de  una  

ventana  temporal  de  10  ms,  asegurando  que  el  rendimiento  permanezca  alto    

–  En  HSDPA,  la  técnica  H-­‐ARQ  se  traslada  a  la  estación  base  (en  clara  diferencia  con  UMTS  R99  donde  se  encuentra  en  el  RNC).  

HSDPA  UL:  384  Kbps  DL:  14,4  Mbps  H

SD

PA: N

ovedades!

HSUPA  

•  HSPA  (High  Speed  Packet  Access)  •  De  forma  similar  a  HSDPA  en  el  enlace  descendente,  HSUPA  

define  una  nueva  interfaz  radio  pero  ahora  para  las  comunicaciones  en  el  enlace  ascendente  (UL:  5.76  Mbps)  

Como  resumen  de  las  novedades  técnicas  introducidas  por  HSUPA  podemos  mencionar:  

– Un  nuevo  canal  dedicado  de  subida,  –  Introducción  de  H-­‐ARQ  (Hybrid  ARQ),  – Programación  (schedulling)  rápida  en  el  nodo  B    

HSUPA  UL:  5,76  Mbps  DL:  14,4  Mbps  

HS

UPA: N

ovedades!

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Indice  

UMTS   HSPA   LTE  

Fundamentos  

Arquitectura  

Servicios  

Fundamentos  

Novedades   Novedades  

LTE  (Long  Term  Evolu-on)  

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  

Perspec6va:  

EVO

LU

CIÓ

N!

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LTE  

Necesidad   Solución  

Red  op-mizada  de  conmutación  de  paquetes  

Evolución  de  UMTS  hacia  un  sistema  basado  solo  en  conmutación  de  paquetes  

Mayores  velocidades  de  transmisión  

-­‐  HSDPA/HSUPA  

-­‐  LTE  Mejor  calidad  de  servicio   -­‐  Reducir  Round  Trip  Delay  :  LTE  

-­‐  Always-­‐on  experience:  reduce  la  latencia  en  el  plano  de  control  

Infraestructura  más  barata   Simplificar  la  arquitectura:  reducir  el  número  de  elementos  de  la  red:  LTE/SAE  

Mo6vación  para  la  4G:  

MO

TIV

AC

IÓN!

LTE/SAE  

•  Hay  dos  aspectos  claves  de  LTE:  – Conseguir  hacer  realidad  la  banda  ancha  móvil.  Para  tener  baja  latencia  y  alta  velocidad  de  transmisión,  LTE  hace  uso  de  una  combinación  de  OFDM  (Orthogonal  Frequency-­‐Division  MulGplexing)  /  MIMO  (MulGple-­‐Input  and  MulGple-­‐Output).  Se  deja  de  u-lizar  la  técnica  CDMA  caracterís-ca  de  UMTS.  

– Simplificar  al  máximo  la  arquitectura  de  la  red,  caracterizada  por  tener  un  núcleo  de  red  basado  en  all-­‐IP.  A  esa  arquitectura  más  sencilla  (“plana”)  del  núcleo  de  la  red  basada  en  all-­‐IP  se  le  denomina  System  Architecture  EvoluGon  (SAE)  y  a  veces  Evolved  Packet  Core  (EPC).  

LTE  UL:  75  Mbps  DL:  300  Mbps  

NO

VED

AD

ES!

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LTE/SAE  

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.  Así,  OFDM  reduce  el  impacto  nega-vo  del  desvanecimiento  por  propagación  mul--­‐camino  ya  que  los  datos  a  transportar  se  envían  simultáneamente  sobre  múl-ples  sub-­‐portadoras  (de  banda  estrecho  o,  en  el  -empo,  un  larga  duración).    

FU

ND

AM

EN

TO

S!

LTE/SAE  

•   Se  u-lizan  múl-ples  antenas  transmisoras  (NTX  )  y  receptoras  (NRX)    •   La  idea  básica  es  transmi-r  varios  flujos  de  datos  en  paralelo    •   El  canal  MIMO,  idealmente,  consiste  en  NTXxNRX  caminos  de  propagación  incorrelados.    •   Intui-vamente  MIMO  u-liza  una  especie  de  mul-plexación  espacial  que  permite  que  diferentes  flujos  de  datos  se  transmitan  simultáneamente  desde  diferentes  antenas  transmisoras  de  forma  que  se  incrementa  la  capacidad  de  la  celda:      

       

€

CMIMO =BC ln 1+ SIR×min NTX ,NRX( )( )

LTE  UL:  75  Mbps  DL:  300  Mbps  

Fundamentos!

MIMO:  

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LTE/SAE  LTE  UL:  75  Mbps  DL:  300  Mbps  

Arquit

ectura!

Arquitectura:  

LTE/SAE  

Desde  el  punto  de  vista  técnico,  los  obje-vos  básicos  de  LTE/SAE  son:  

1. Ofrecer  mayores  velocidades  de  transmisión  de  datos,  tanto  en  el  enlace  descendente  como  en  el  ascendente  

2. Reducir  el  -empo  de  latencia  de  los  paquetes.  

Esto  permi-ría,  por  ejemplo  proveer  de  VoIP,  videoconferencia  o  juegos  en  -empo  real.  

LTE  UL:  75  Mbps  DL:  300  Mbps  

Resumen  Resumen!

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LTE/SAE  

•   La  interfaz  aire  mejorada  permite  incrementar  las  velocidades  de  transmisión  de  datos:  

•   LTE  está  basado,  en  la  combinación  de  esquemas  OFDM  (que  reparten  el  espectro  de  la  señal  entre  portadoras,  cada  una  de  las  cuales  transporta  una  porción  de  la  señal)  y  MIMO.  •   Su  rendimiento  es  en  promedio  cinco  veces  mejor  que  el  de  HSPA.    

•   Latencia  reducida:  reducir  el  round-­‐trip-­‐Gme  hasta  10ms,  o  incluso  menos  (comparado  con  los  40-­‐50ms  de  HSPA),  permite  proporcionar  servicios  interac-vos,  en  -empo  real,  tales  como  videoconferencia  de  alta  calidad  o  juegos  con  múl-ples  jugadores.  •   Entorno  “All-­‐IP”:    

•   Núcleo  de  red  “plano”  basado  en  IP,  SAE  (System  Architecture  EvoluGon)  -­‐  Evolved  Packet  Core  (EPC).    •   SAE/EPC  permite  proporcionar  servicios  más  flexibles  junto  con  una  interconexión  mas  sencilla  con  otras  redes.    

Resumen!