1. Origen del UMTS. Características de la Tercera Generación
Gran capacidad Variedad de servicios: Velocidad binaria elevada: hasta 144 kbits/s en entornos rurales 384 kbits/s en entornos suburbanos 2 Mbits/s en entornos urbanos Velocidad binaria variable dinámicamente Conmutación de circuitos y de paquetes Estructura modular y arquitectura abierta para la introducción de nuevas aplicaciones Seguridad de acceso y confidencialidad Características de la Tercera Generación
Origen de UMTS “Universal Mobile Telecommunication System” 1995 Proyecto europeo FRAMES para selección de método de acceso múltiple: propuesta con dos modos TDMA y CDMA. 1997 Proceso de selección de tecnologías para UMTS por parte de ETSI: propuesta con cinco categorías. 1998 Selección de dos tecnologías: WCDMA con FDD y TD-CDMA con TDD. 1998 Armonización de las dos tecnologías anteriores y la japonesa. Envío conjunto como candidato para IMT-2000. 1999 Creación de 3GPP y 3GPP2. Armonización de propuestas. Definición de IMT-2000: cinco modos. Pruebas no comerciales. 2003 Primeros terminales UMTS/GSM. Explotación comercial. 2006 Comienzo de HSDPA.
2. Arquitectura de la red UMTS
Iu UTRAN UE Uu CN Core Network UMTS Radio Access Network User Equipment Arquitectura general de UMTS
RNS RNC RNS RNC Core Network Node B Node B Node B Node B Iu Iu Iur Iub Iub Iub Iub Arquitectura de la red de acceso (UTRAN) (Gp:) UE Uu
3. Interfaz radio: características generales. Ensanchamiento espectral. Canales físicos, lógicos y de transporte. Estructura de tramas.
Componente terrestre: UTRA (UMTS Terrestrial Radio Access). Está prevista también una componente por satélite. UTRA: FDMA/DS-CDMA (“WCDMA”) con FDD y TDD. El modo FDD está en funcionamiento, el TDD actualmente no. Separación entre portadoras: 5 MHz Velocidad de chip: 3.84 Mc/s Ensanchamiento espectral: Códigos de canalización: códigos ortogonales con factor de ensanchamiento variable (OVSF). Códigos de aleatorización: varios tipos de códigos PN. Modulación: BPSK / QPSK Estructura de trama temporal (no TDMA) Potencia máxima del terminal móvil: 21 dBm para voz. Conmutación de circuitos y de paquetes. Velocidad binaria variable de forma estática y dinámica. Traspaso con continuidad (soft) y entre portadoras (hard). Interfaz radio: características generales
Modo FDD: bandas “emparejadas”: 12 portadoras para cada sentido de transmisión UL: 1920–1980 MHz UL: 2110–2170 MHz. Modo TDD: bandas “no emparejadas”: 7 portadoras para ambos sentidos de transmisión 1900–1920 MHz 2010–2025 MHz. Pueden usarse otras bandas en el futuro. UARFCN (UTRA ARFCN): f = 0,2n (MHz). Bandas de frecuencias
Canal lógico: definen el tipo de información enviada De control / de tráfico Canal de transporte: definen el formato de envío Comunes / dedicados Canal físico: frecuencia, secuencias código. Además pueden distinguirse por división temporal (en DL) o fase I/Q (en UL). Comunes / dedicados Asociados a canales de transporte / no. Canales lógicos, de transporte y físicos
De control BCCH (Broadcast Control Channel, DL): información general de configuración de la red PCCH (Paging Channel, DL): aviso a móviles CCCH (Common Control Channel, DL y UL): otros tipos de señalización común DCCH (Dedicated Control Channel, DL y UL): señalización dedicada De tráfico DTCH (Dedicated Traffic Channel, DL y UL): información dedicada CTCH (Common Traffic Channel, DL): información punto-multipunto Canales lógicos
Comunes BCH (Broadcast Channel, DL) PCH (Paging Channel, DL) RACH (Random Access Channel, UL) FACH (Forward Access Channel, DL) Dedicado DCH (Dedicated Channel, DL y UL) Canales de transporte
Asociados a canales de transporte P-CCPCH (Primary Common Control Physical Channel): transmite el BCH S-CCPCH (Secondary Common Control Physical Channel): FACH y PCH PRACH (Physical Random Access Channel): RACH PCPCH (Physical Common Packet Channel): CPCH DPDCH (Dedicated Physical Data Channel): DCH, parte de tráfico DPCCH (Dedicated Physical Control Channel): DCH, parte de señalización (de nivel físico). No asociados a canales de transporte CPICH (Common Pilot Channel): piloto SCH (Synchronization Channel): primario (P-SCH) y secundario (S-SCH): sincronización PICH (Paging Indication Channel): se usa junto con PCH AICH (Access Indication Channel): se usa junto con RACH Canales físicos
Correspondencias BCCH BCH PCCH PCH DCCH CCCH RACH CTCH DTCH DCH FACH Canales Lógicos Canales de Transporte P-CCPCH S-CCPCH PRACH DPDCH DPCCH Canales Físicos AICH PICH CPICH SCH
Trama temporal No se utiliza como forma de acceso múltiple, sino para: Informaciones periódicas (en cada intervalo) Modo comprimido (en cada trama) Control de potencia (en cada intervalo) Multiplexación de DPCCH y DPDCH en DL (en cada intervalo) Variación dinámica de tasa binaria (en cada trama) Trama 0 Trama i Trama 71 Trama 1 TS 0 TS j TS 14 Intervalo: 2/3ms Trama: 10 ms Supertrama 720 ms
Canales físicos dedicados DL: Factor de ensanchamiento: 4, 8, 16, …, 512 (chips/símbolo) DPDCH y DPCCH multiplexados en el tiempo Tasa variable en DPDCH a nivel de trama, mediante transmisión discontinua. UL: Factor de ensanchamiento: 4, 8, 16, …, 256 (bits/símbolo) DPDCH y DPCCH multiplexados en I/Q (para evitar interferencia audible cuando no haya DPDCH) Tasa variable en DPDCH a nivel de trama, modificando el factor de ensanchamiento y la potencia.
Canales físicos dedicados en UL DPCCH: SF = 256: Tasa binaria = 15 kb/s (BPSK): 10 bits/intervalo. DPDCH: SF = 28-k, k = 0,…,6: SF = 256, 128, …, 4:Tasa binaria = 15, …, 960 kb/s.Puede haber varios DPDCH en paralelo. No usual. Pilot: bits piloto (para la demodulación) TPC (transmit power control): control de potencia en bucle cerrado TFCI (transport format combination indicator): formato de transporte (para tasa binaria variable; campo opcional) FBI (feedback indicator): para diversidad de transmisión (SSDT) I Q
Canales físicos dedicados en DL DPCCH -DPDCH: SF = 29-k, k = 0,…,7: SF = 4, …, 512:Tasa binaria = 15, …, 1920 kb/s (QPSK). Puede haber más canales DPDCH (sin DPCCH) en paralelo. No usual. Pilot: bits piloto TPC: transmit power control TFCI: transport format combination indicator
C8,1=(1,1,1,1,1,1,1,1) C4,1=(1,1,1,1) C2,1=(1,1) C1=(1) C2,2=(1,-1) C4,2=(1,1,-1,-1) C8,2=(1,1,1,1,-1,-1,-1,-1) C8,3=(1,1,-1,-1,1,1,-1,-1) C8,4=(1,1,-1,-1,-1,-1,1,1) C8,5=(1,-1,1,-1,1,-1,1,-1) C4,3=(1,-1,1,-1) C4,4=(1,-1,-1,1) C8,6=(1,-1,1,-1,-1,1,-1,1) C8,7=(1,-1,-1,1,1,-1,-1,1) C8,8=(1,-1,-1,1,-1,1,1,-1) SF = 2 SF = 4 SF = 8 Secuencias código de canalización: OVSF Son secuencias ortogonales (basadas en las de Hadamard). Proporcionan varios posibles factores de ensanchamiento, cada uno la mitad del anterior. Dos secuencias cualesquiera del árbol son ortogonales siempre que una no descienda de la otra.
Secuencias código de canalización: OVSF
Secuencias código pseudoaleatorias DL: se utiliza una familia de códigos “largos”, de periodo 38400 chips (10 ms). UL: dos opciones: Códigos “largos”, de periodo 38400. Son los utilizados normalmente. Códigos “cortos”, de periodo 256. Son más adecuados para el uso de detección multiusuario en la base.
(Gp:) I (Gp:) S (Gp:) j (Gp:) c (Gp:) d,1 (Gp:) b (Gp:) d (Gp:) S (Gp:) long,n (Gp:) o S (Gp:) short,n (Gp:) I+jQ (Gp:) DPDCH (Gp:) 1 (Gp:) Q (Gp:) c (Gp:) d,3 (Gp:) b (Gp:) d (Gp:) DPDCH (Gp:) 3 (Gp:) c (Gp:) d,5 (Gp:) b (Gp:) d (Gp:) DPDCH (Gp:) 5 (Gp:) c (Gp:) d,2 (Gp:) b (Gp:) d (Gp:) DPDCH (Gp:) 2 (Gp:) c (Gp:) d,4 (Gp:) b (Gp:) d (Gp:) DPDCH (Gp:) 4 (Gp:) c (Gp:) d,6 (Gp:) b (Gp:) d (Gp:) DPDCH (Gp:) 6 (Gp:) c (Gp:) c (Gp:) b (Gp:) c (Gp:) DPCCH (Gp:) S Ensanchamiento en UL Cd,i, Cc: códigos de canalización: reales slong,n: código de aleatorización largo: complejo sshort,n: código de aleatorización corto: complejo bd, bc: factores de ganancia
Constelación en UL Constelación antes de aleatorización Efecto de la aleatorización
Ensanchamiento en DL Cch,SF,m: código de canalización: real Sdl,n: código de aleatorización, largo: complejo G: factores de ganancia
Constelación en DL Efecto de la aleatorización
Códigos utilizados en DL
4. Modulación, codificación, entrelazado.
Modulación en UL BPSK en cada eje I/Q, con ensanchamiento complejo Filtrado en coseno alzado con factor de caída (roll-off) 0,22 (Gp:) Filtro (Gp:) Filtro (Gp:) p (Gp:) /2 (Gp:) f (Gp:) c (Gp:) + (Gp:) – (Gp:) Salida Re Im I S j c d,1 b d Slong,no Sshort,n I+jQ DPDCH 1 Q c d,3 b d DPDCH 3 c d,5 b d DPDCH 5 c d,2 b d DPDCH 2 c d,4 b d DPDCH 4 c d,6 b d DPDCH 6 c c b c DPCCH S Ensanchamiento Modulación
Modulación en DL QPSK Filtrado en coseno alzado con factor de caída (roll-off) 0,22 Convertidor Serie a Paralelo Filtro Chips Impares Eje Q Filtro Chips Pares Eje I p /2 f c + – Salida RF Flujo de chips
Codificación de canal Código interno, detector: CRC de 8, 12, 16 ó 24 bits Código externo, corrector: Código convolucional de tasa 1/2 o 1/3 y longitud (constraint lenght) 9. Código turbo de tasa 1/3. Entrelazado de profundidad 10, 20, 40 u 80 ms.
5. Procesos asociados a la transmisión: control de potencia, traspaso con continuidad
Bucle abierto: se usa en el PRACH y otros canales comunes. La potencia se calcula a partir de atenuación (medida por el móvil) y nivel de interferencia (indicado por la base) Bucle cerrado: se usa en DPCCH y DPDCH. Mide la SIR, compara con la SIR objetivo y envía órdenes para subir o bajar la potencia. Hay dos algoritmos. Es efectivo a velocidades del móvil bajas (hasta 30–50 km/h) Bucle externo: se usa en conjunción con el cerrado. Ajusta la SIR objetivo para garantizar una calidad (BLER) Debe ajustarse a cambios en las condiciones de propagación Los posibles algoritmos no están estandarizados. Control de potencia
Los NTPC bits de control de potencia recibidos en cada intervalo se combinan para obtener una orden de control de potencia. La potencia varía en un paso constante, determinado por la red. Hay dos algoritmos: Algoritmo 1: la orden indica “subir” o “bajar” la potencia en cada intervalo. En traspaso en el UL, el móvil baja la potencia si la orden recibida de al menos una base es “bajar”. Algoritmo 2: cada 5 intervalos, si las 5 órdenes son “subir” se sube la potencia; si las 5 órdenes son “bajar” se baja la potencia; si no la potencia no varía. En traspaso en el UL, el móvil primero combina las 5 órdenes de cada base, y con los resultados calcula una media para decidir si sube, baja o mantiene la potencia. Pasos posibles: UL: 1, 2, 3 dB. DL: 0,5, 1, 1,5, 2 dB. Usualmente 1 dB. Algoritmos de bucle cerrado
Traspaso Soft. Entre células o sectores de emplazamientos distintos. UL: selección en RNC. DL: combinación o SSDT. Softer. Entre sectores del mismo emplazamientos. UL: combinación en el emplazamiento. DL: combinación o SSDT. Hard. Puede ser entre portadoras UMTS, o entre sistemas (UMTS-GSM). Se basan en la realización de medidas en el móvil y en la base. El móvil envía informes de medidas a la base, bien de manera periódica o de forma guiada por eventos. Los algoritmos de traspaso no están estandarizados. El 3GPP propone como referencia algunos algoritmos, basados en el nivel recibido en el canal piloto de cada base.
Modo comprimido Consiste en crear huecos en la transmisión para posibilitar medidas a otras frecuencias (para traspasos hard) Por decisión de la red, se modifica la transmisión durante parte de la trama, de alguna de estas formas: Dividiendo el factor de ensanchamiento entre 2 Planificación de tráfico por capas superiores a la física y se suspende la transmisión en el resto de la trama. Para mantener la calidad hay que incrementar la potencia durante la parte activa de la trama.
6. Protocolos. Servicios.
Protocolos en la interfaz radio Plano de control: protocolos relativos a señalización Detalle: canales físicos, de transporte y lógicos
Protocolos en la interfaz radio Plano de usuario: protocolos relativos a información de tráfico
Servicios Gran variedad y flexibilidad Voz: Códec AMR (Adaptive Multirate): varias tasas entre 4,75 y 12,2 kb/s (seleccionables por la red) y tramas SID para DTX Código convolucional Calidad objetivo: BLER = 1-2% Vídeollamada: 64 kb/s Código turbo Calidad objetivo: BLER = 0.1-0.2% Datos en modo circuito y en modo paquete …
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