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Planejamento de Sistemas de Comunicações Celulares e de Radioacesso

7 - Sistemas WCDMA e Evoluções

CETUC-PUC/Rio ELE 2614 – Cap6 – Sistemas WCDMA e Evoluções 2

  Conceito 3G

  UMTS e WCDMA

  Canais Lógicos

  HSDPA & HSUPA

  Tendência

Agenda

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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

Necessidade de Nova Geração


  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

IMT-2000

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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


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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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


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 da família IMT-2000

Sistemas “vencedores”

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Sistemas 3G “vencedores”

Tecnologia Agosto/2008 Abr/2009

WCDMA 974.901 1.434.216

CDMA 2000 517.209 249.753

Quantidade de aparelhos celulares por tecnologia 3G no Brasil

Fonte: teleco.com


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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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


Qualidade de Serviço (QoS)

  Classe Conversacional: baixo retardo (400 ms máximo) e tráfego simétrico   Aplicações: voz, vídeo telefonia e video games

  Classe Streaming   Streaming: técnica de transferência de dados de modo a garantir o

processamento (reprodução) de forma contínua   Aplicações: streaming multimídia

  Classe Interativa   Internet e jogos em rede

  Classe Background   Recebimento de dados (por exemplo e-mail) em background

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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


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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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


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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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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  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



  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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  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


 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

Fator de Espalhamento

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Conceitos – Ganho de Processamento

  Definido por (em dB)

  Descreve a melhoria na relação sinal-ruído (SNR). É a representação, em decibel, do fator de espalhamento

  Por exemplo, no caso apresentado:

dados de taxachip de taxa=PG

dB 1532log10ksimb/s 120Mchips/s 84,3log10 ≈=⎟

⎠⎞⎜

⎝⎛=PG


Múltiplas Taxas de Transmissão: Códigos Walsh de Comprimento Variável no Espalhamento

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Alocação de banda no WCDMA


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)

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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


Conceitos – Códigos de Embaralhamento Scrambling Codes

  Uplink   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

  Downlink   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


Canais de Comunicação Canais de Transporte

Canais Dedicados de Transporte Canais Comuns de Transporte

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Camadas (Layers) da UTRAN


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

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Canais de transporte comuns

  Broadcast Channel   Transporta parâmetros essenciais à comunicação (códigos de acesso

aleatórios, slots de acesso, etc). Terminal não pode transmitir sem tê-lo 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



  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)

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  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


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

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  Canais físicos de downlink

  DPCH – Downlink Dedicated Physical Channel   Carrega DCH

  CPICH – Common Pilot 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 BCH

  S-CCPCH – Secondary Common Control Physical Channel   Carrega FACH e PCH

  PDSCH – Physical Downlink Shared Channel

Canais de Comunicação Canais de Físicos


  Canais físicos de downlink (para uso interno, L1)

  AICH – Acquisition Indicator Channel   Carrega Acquisition Indicator como resposta a PRACH e PCPCH

  CSICH – CPCH Status Indicator Channel   Carrega informação de status de CPCH

  PICH – Page Indicator Channel   Carrega Page Indicator, que indica se PCH para determinado grupo de paging está disponível

  CPICH – Common Pilot 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

  SCH – Synchronization Channel   Usado para busca de célula (cell search)


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  Canais físicos de uplink

  DPDCH – Dedicated Physical Data Channel   Carrega DCH

  DPCCH – Dedicated Physical Control Channel   Carrega informação de controle gerada em L1

  PRACH – Physical Random Access Channel   Carrega RACH

  PCPCH – Physical Common Packet Channel   Carrega CPCH



Mapeamento

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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


Mercado – Crescimento UMTS

O crescimento do UMTS tem sido mais rápido que foi o do GSM

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Aplicações 3G

  Mudança de paradigma:

de “Voz e Dados” para “Comunicação Multimídia sobre IP”

  Infraestrutura harmônica em uma topologia “all-IP”

Arte: Siemens


Aplicações 3G

Fonte: Siemens

e VOZ!!

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  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

HSDPA

Fonte: teleco.com


  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)

HSDPA

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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


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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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


Requisição e repetição automática híbrida e Classes de terminais

  Requisição e repetição automática híbrida

  Categorias de terminais HSDPA

Fonte: teleco.com

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WCDMA e HSDPA no mundo

*A GSA atualizou os números para tecnologia WCDMA em novembro e HSDPA em dezembro.

Fonte: teleco.com


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   Transmissão multicódigo   Short TTI (Transmission Time Interval)   Fast Scheduling: despacho rápido   Requisição e repetição automática híbrida

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  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

Categorias de terminais HSUPA e Evolução dos sistemas

Fonte: teleco.com


Comparativo WCDMA & algumas evoluções

Fonte: teleco.com

+

2.000/384 14.000/384 14,0/5,8

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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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