REDES DA TERCEIRA GERAÇÃO

UMTS

Laurinda Fernandes nº 22317Letícia Costa nº20605

Tópicos 3G; UMTS:

Introdução; Arquitectura; WCDMA; Handovers; Canais de comunicação; Controlo de potência; Segurança; Mecanismo de acesso à rede; Serviços; QoS; Conclusão.

Sistemas Celulares - Evolução

3 G - ObjectivosOferecer alta qualidade de serviço;

Os terminais móveis podem fazer coberturas de pico, micro e macro células, sem perdas de sinal.Suportar vários utilizadores.Uso em todas as aplicações móveis;Suportar várias operações de roaming.Aumentar a flexibilidade na qualidade de serviços.Alta eficiência e suporte tanto em comutação a pacotes como a circuitos;

3 G - Terceira Geração Palavra chave: “Comunicação Multimédia com alta qualidade de serviço”.Sistemas 3G: Totalmente digitais.Características da 3G:

permite envio e recepção de informação em banda larga;

permite alta qualidade de tráfego de voz, de dados, de vídeo, videoconferência, áudio e de imagem;

Permite acesso a Internet, com possibilidade de fazer download de músicas e jogos;

alta flexibilidade na comunicação; Permite serviço de roaming global; tem um desempenho entre 144 Kbps e 2 Mbps.

3G – Operadoras

www.3gtoday.com

Verde-operadoras de 3g

Tecnologias 3G UMTS : Universal Mobile

Telecommunication System

IMT 2000 : International Mobile Telecommunication system

CDMA 2000 : Code Division Multiple Access

W-CDMA : Wideband-Code Division Multiple Access

Alguns exemplos de serviços

UMTS- Introdução [1] O UMTS é um sistema de redes celulares da terceira geração

capaz de fornecer serviços multimédia inovadores face aos sistemas de segunda geração como o GSM, combinando a utilização de componentes terrestres e de satélite.

Faixas de funcionamento: para operação em modo FFD (Frequency Division Duplex)

1920-1980 MHz -> uplink e 2110-2170 MHz ->downlink

para operação em TDD (Time Division Duplex). 1900-1920 MHz ->uplink 2010-2025 MHz ->downlink

UMTS – Introdução [2] Com o UMTS é possível enviar e

receber imagens, gráficos, comunicações vídeo, e outros serviços de banda larga, assim como serviços de voz e dados, ou qualquer combinação destes serviços, fornecendo serviços de multimédia, directamente a um utilizador móvel, esteja ele onde estiver.

UMTS – Introdução [3] As novas tecnologias requerem uma alta taxa de

transmissão e mobilidade nos terminais de modo a satisfazer os utilizadores.

O IMT 2000 forçou-se a criar uma nova interface aérea de modo a poder incrementar com eficiência a frequência de utilização. Assim surge WCDMA.

A rede UMTS requer um grande manuseamento de tráfego de dados.

Os factores considerados para escolher o protocolo de transporte:

Eficiência da largura de banda; Qualidade de serviços; Estabilidade; Atraso sensível no tempo de utilização; Permissão máxima de número de utilizador simultâneo.

UMTS - Características Débitos variáveis e elevados (até 2Mbit/s); Serviços assimétricos; Multiplexagem de serviços; Qualidade de serviço variável e garantido; Coexistência e handover com sistemas 2G; Alta qualidade de serviços; As taxas de transmissão podem variar entre 144 e 512

Kbps, alcançando um valor máximo de cerca de 2 Mbps, em uso no interior de edifícios.

Compatibilidade com o GSM; UMTS é um sistema real global que abrange os

componentes terrestres e de satélite. Serviços consistente de roaming via VHE (Virtual

Home Environment)

UMTS- Interface com utilizador

Os terminais móveis UMTS oferecem os seguintes serviços ao utilizador: enviar e receber imagens, gráficos, comunicações de vídeo, download de músicas e jogos, outros serviços de banda larga:

qualquer combinação de serviços de voz e dados, serviços de multimédia, directamente a um

utilizador móvel, esteja ele onde estiver.

UMTS -Arquitectura da Rede

UMTS – Arquitectura de rede [1]

A rede UMTS consiste nas seguintes arquitecturas:

UE: User Equipment ; UTRAN: UMTS Terrestrial Radio Access Network; CN: Core Network;

UMTS está estruturado de forma modular; Adopta um modelo semelhante ao modelo OSI;

Ao nível PLMN do UMTS são definidas as seguintes interfaces: CU: interface eléctrica entre USIM e o EU; Uu: interface rádio do WCDMA. Iu: interface que estabelece a ligação entre a UTRAN e a CN; Iur: Permite realizar softs handovers entre RNC’s distintos; Iub: interliga o nó B e o RNC

UMTS – Arquitectura de rede [3]

Para uma rede, é necessário que se conheça a localização aproximada do móvel de forma que seja possível à estação fazer paging para este equipamento.

lista das áreas do sistema. UMTS systems (inclusive satélite) Public Land Mobile Network (PLMN) MSC/VLR ou SGSN Location Area Routing Area (PS domain) UTRAN Registration Area (PS domain) Célula Sub-célula

UMTS - UE

USIM: UMTS Subscriber Identity Module; Contem dados do utilizador; Procedimentos e suporte de segurança relativa aos dados do

utilizador e à rede Tipos de identificação do UMTS:

IMSI: International Mobile Subscriber Identity TMSI: Temporary Mobile Subscriber Identity P-TMSI: Packet Temporary Mobile Subscriber Identity TLLI: Temporary Logical Link Identity MSISDN: Mobile station ISDN IMEI: International Mobile Station Equipment Identity IMEISV: International Mobile Station Equipment Identity and

Software Number

ME: Mobile equipment: responsável pela transmissão rádio, e pelas correspondentes aplicações;

UMTS – IC card UMTS Ele possui várias funções:  

Suporte a uma ou mais aplicações (opcionalmente mais de uma) ;

Suporte a um ou mais perfis do utilizador no USIM ; Actualização das informações específicas no USIM através

de interface aérea ; Funções de segurança; Autenticação do utilizador;  Inclusão dos métodos de pagamento opcionais; Download seguro de novas aplicações opcionais ;

UMTS - Estrutura do UTRAN

UMTS - Funcionamento da UTRAN

É responsável pela criação e manutenção dos canais rádio RAB entre os EU’s e a CN.

È formada por vários RNS’s (Radio Network Sub-systems).

Os RNS’s encontram-se ligados entre si via interface Iur (transporte de informação de sinalização e de dados);

Iur permite a comunicação entre dois RNC’s. Cada RNS é formado por várias BTS; A implementação da interface Uu é realizada

mediante a utilização de WCDMA e o mapeamento dos canais de transporte em canais físicos;

UMTS – UTRAN Node B tem como funções

Interface aéreo para transmissão e recepção Modulação e desmodulação Codificação CDMA Manipulação de erros

RNC: Radio Network Controler tem como funções Controlo dos recursos rádio Controlo de admissão Alocação de canal Power control Settings Controlo de Handover Encriptação Segmentação e reassemblamento Sinalização de Broadcast

UMTS – Core Network [1]

CN: Core Network faz a comutação, o roteamento e

trânsito para tráfego de utilizadores. contém o banco de dados e tem as

funções de gerir a rede. É baseada na rede GSM com GPRS:

PS Domain; CS Domain ; IMS;

UMTS - Core Network [2]

Os elementos comutados a circuitos: MSC: Mobiles services Switching Centre; VLR: Visitor Location Register; GMSC:Gateway MSC;

Os elementos comutados a pacotes: SGSN: Serving GPRS Support Node; GGSN: Gateway GPRS;

Os elementos comutados a pacotes e a circuitos:

EIR: Equipment Identity Register ; HLR: Home Location Register; AUC: Authentication Center ;

UMTS - Core Network [3]

ATM (Asynchronous Transfer Mode) é definido para transmissão do core UMTS. ATM Adaptation Layer type 2 (AAL2) permite conexão comutada a circuitos.Protocolo de conexão a pacotes AAL5 é desenhado para entrega de dados.

A arquitectura do Core Network pode mudar quando novos serviços e características são introduzidas no sistema.

Number Portability DataBase (NPDB) será usado para habilitar o usuário a mudar de rede enquanto mantém seu número de telefone antigo.

Gateway Location Register (GLR) pode ser usado para optimizar o subscriber handling entre redes vizinhas.

WCDMA (UMTS):Wideband Code-Division Multiple-Access

É um das principais tecnologias para a implementação de sistemas 3G. É básico em técnica de acesso de rádio proposta por ETSI group Alfa e

especificações finalizado 1999.

A implementação: muito complexo;

Complexidade de cada algoritmo; Complexidade do sistema global; Complexidade computacional de um receptor;

Muito versátil; Nível de ligação de simulação são 10 vezes mais intensivo que

simulação na 2G actuais; Diferentes utilizadores podem transmitir simultaneamente diferentes

taxas de dados ao mesmo tempos; suportar todos os serviços da 2G e muitas outras novas aplicações e serviços

UMTS - Modelos de operação do WCDMA

FDD: Frequency Division Duplex 2 bandas emparelhadas

Uplink banda inferior 5 MHz Downlink banda superior 5 MHz Transmissão simultânea Apropriado para serviços

simétricos (mesmo débito nos dois sentidos)

TDD: Time Division Duplex Mesma banda usada para uplink

e downlink 5 MHz Separação no tempo Apropriado para serviços

assimétricos

Banda de frequência WCDMA: 1920 MHz -1980 MHz UL 2110 MHz - 2170 MHz DL

Banda de frequência WCDMA mínima requerida:

~ 2x5MHz

UMTS Handover No UMTS existe duas razões para a realização de handover:

Qualidade de sinal: Neste caso é realizado o handover quando a QoS ou nível de potência não cumprem os critérios impostos pelo RNC. Pode ser aplicado tanto no uplink como no downlink.

Tráfego: Neste caso o handover pode ser despoletado quando o limite de capacidade de uma célula está próximo de ser atingido. Nesta situação o UE comuta para outra célula sujeita a menor carga. Este handover permite obter uma distribuição mais uniforme do tráfego através das células que formam o sistema. Éste handover é executa pelo MSC.

São possíveis os seguintes tipos de handover: Intra BS ou intra células (softer handover) Inter BS, incluindo soft e hard handover Inter RNC incluindo os tipos de handover hard, soft e soft-softer. Inter MSC Inter SGSN (Serving GPRS Support Node) Inter system

UMTS – Handover [1] Soft handover: entre

2 células (Nó B);

Softer handover : entre 2 sectores da mesma célula (Nó B);

Hard handover: entre frequências ou sistemas diferentes;

UMTS – Tipos de Canais

UMTS – Canais de transporte

Os canais de transporte encontram-se divididos em duas categorias:

Canais dedicados DCH( Required Transport

Channel): Transportam a

informação proveniente de níveis superiores, relativa a um determinado utilizador;

Este tipo de canal está associado ao controlo de potência, adaptação de ritmo de transmissão e soft handover.

Canais comuns: BCH (Broadcast Channel) FACH( Forward Acess

Channel) PCH (Paging Channel) RACH ( Random Acess

Channel) CPCH( Uplink Common

Packet Channel) DSCH( Downlink Shared

Channel)

Os canais essenciais para operação de rede são o RACH, FACH e PCH

UMTS – Canais de transporte comuns[1]

BCH

Usado para transmitir informação específica para rede UTRA ou para determinada célula.

Para abranger a totalidade de UE’s presentes na célula, este canal transmite com uma potência mais elevada que os outros canais

O ritmo de transmissão é baixo para garantir a compatibilidade com todos os terminais.

FACH

Canal de downlink responsável pelo transporte de informação de controlo relativa ao posicionamento de UE dentro de uma célula.

Canal com ritmo de transmissão baixo

Não tem associado controlo de potência rápida.

UMTS- Canais de transporte comuns [2]

PCH

Canal existente no downlink que transporta informação de paging dos UE’s presentes na rede.

RACH

Canal de acesso aleatório associado ao uplink.

Transporta toda a informação de controlo, referente ao equipamento terminal, necessária para o estabelecimento de ligações.

Pode ser utilizada para transmissão de pacotes entre UE e BS.

Abrange toda a área de cobertura de uma célula.

UMTS – Canais de transporte comuns [3]

CPCH

Canal existente no uplink; Extensão do RACH e é

utilizado para a transmissão de pacotes.

O seu equivalente no downlink é o FACH.

Do ponto de vista ao nível físico, o canal é constituído:

Mecanismo de detecção de colisões;

Controlo de potência rápido; Procedimentos de

monitorização; Número de trama associada

ao processo de transmissão.

DSCH

Transmite dados de utilizador e/ou dados de controlo e pode ser partilhado por diversos utilizadores.

Suporta ritmos variáveis e controlo rápido de potência.

Pode ser associadas várias técnicas de diversidade em associação com o canal DCH

UMTS - Controlo de potência

O controlo de potência é realizado a uma frequência de 1500 Hz.

Existem dois mecanismo de controlo de potência:

Open_Loop Power Control (OPLC);

Closed Loop Power Control (CLPC);

UMTS – Controlo de potência OLPC

Este mecanismo é usado para ajuste de potência no uplink e downlink.

É usado para ajustar a potência de transmissão no canal físico de acesso.

O MT mede a potência recebida no downlink, para efeitos de estimação da atenuação introduzida pelo canal e do nível da SIR do sinal recebido.

Com os dados anteriores ajusta o nível de potência de emissão, de forma a conseguir-se o valor da SIR (Signal-to-Interference Ratio) difundido pela BS.

O ajuste de potência é realizado com base na estimativa do nível de potência do canal CPICH (Common Pilot Channel, canal físico) associado à BS.

A BS envia periodicamente no canal BCH, os parâmetros de potência permitidos para a MS que se encontra em standby.

Potência tolerada: ±9 dB e ±12 dB

UMTS – Controlo de potência CLPC Uplink:

O CLPC ajusta a potencia de transmissão do UE de forma a garantir um SIR acima do limiar definido pela rede.

A BS gera um comando TPC (Transmit Power Control) de controlo de potência para ajuste da potência de emissão do UE pretendido.

Como existe várias ligações activas, devido à presença de diversas estações base, o UE ajusta a potência tendo em atenção os diversos comandos TPC recebidos:

Se o número comandos forem concordantes no aumento de potência, o UE aumenta a potência.

Se existir um comando para baixar a potência, UE baixa a potência

Downlink: A técnica CLPC é também utilizada, mas com alteração dos

papéis entre BS e MS

UMTS - Segurança A segurança das redes UMTS foram baseadas nas regras

de segurança GSM, algumas foram substituídas e outras acrescentadas.

As regras que fazem parte da rede GSM: Autenticação dos subscritores; Identidade do subscritor é confidencial; O SIM pode ser removido do terminal; Encriptação.

Regras acrescentadas pela UMTS: Alerta quando utiliza uma falsa base station, mesmo que

esta tenha uma autenticação mutua; A encriptação é feita entre o Nó-B e o RNC. Os dados são protegidos: atribuição de chave e dados

autenticados pelo sistema; Mecanismo de melhoramento das características de

segurança.

UMTS – Segurança [2] Network access security(I): conjunto de

características que protegem os utilizadores no acesso aos serviços 3G e contra aos ataques nos canais de acesso rádio.

Network domain security(II): conjunto de características que permite aos nós, no domínio fornecido, de fazer troca de sinalização segura e se proteger contra os ataques à rede.

User domain security(III): conjunto de características que protege o acesso as estações móveis.

Application domain security(IV): conjunto de características que protege a comunicação entre o provedor e o utilizador.

Visibility and configurity of security(V): conjunto de características que informam o utilizador quando uma operação e o uso dos serviços não são seguros.

UMTS – Mecanismo de acesso à rede

Identificação por identidade permanente: o

utilizador é identificado permanentemente através do IMSI (permanent subscriber identity).

Caso o utilizador não puder ser identificado pelo IMSI, o mecanismo deverá recorrer ao servidor da rede para que seja identificado pela sua identificação temporária TMSI. O mecanismo é utilizado quando é a primeira vez que o utilizador se regista no servidor, ou quando o servidor não consegue recuperar o IMSI do TMSI. Processo inicia quando a VLR/SGSN pede ao utilizador para enviar sua identificação permanente, a resposta do utilizador contem o IMSI.

o IMSI também será utilizado na encriptação e na autenticação dos dados.

UMTS – Mecanismo de acesso à rede [1]

Identificação por identidades temporárias: mecanismo que identifica o utilizador através do TMSI. O TMSI só tem significado local, ou seja, o utilizador pode ser identificado apenas numa area local. Fora dessa area o utilizador terá que ser identificado pela LAI (Location Area Identification) ou pela RAI (Routing Area Identification) para evitar ambiguidades.

O VLE (Visited Location Register) regista a identificação do utilizador, ou seja, o IMSI e o TMSI. O TMSI é usado quando o utilizador pretende requisitar “paging”, actualizar localizações, serviços, restabelecer conexões, attachs e detachs.

UMTS – Mecanismo de acesso à rede [2]

Processo de autenticação e encriptação: O mecanismo realiza autenticação mútua entre o usuário e a rede. A rede passa a conhecer a chave secreta que é partilhada entre eles, e esta encontra-se disponível apenas para USIM e o AuC no Home environment HE do utilizador.Este mecanismo é escolhido de tal forma que mantenha a máxima compatibilidade com a arquitectura de segurança GSM de modo a facilitar a migração GSM e o UMTS.

UMTS - Serviços Bearer

No UMTS os parâmetros da classe do serviço bearer, estão directamente relacionados com a aplicação utilizada e tipos de redes que ligam os terminais da ligação.

O serviço bearer está organizado por níveis, assim cada nível oferece o seu serviço, utilizando os serviços disponibilizados pelos níveis inferiores.

UMTS – Atributos de serviços

SDU: Service Data user

UMTS - QoS Os serviços de provedor têm como parâmetros de QoS:

Máximo atraso na transferência; Variação do atraso (jitter); Taxa de erro de bit; Tipo de ligação:

Ponto a ponto; Ponto multiponto; Unidireccional.

Taxas de transferência alvo: 144 kbit/s – satélite e exterior rural 384 kbit/s – exterior urbano 2048 kbit/s – interior e exterior a curta distância

UMTS – QOS [2] · Traffic class Conversational

class

Real Time

Streaming class

Real Time

Interactive class

Best Effort

Background class

Best Effort

Fundamental characteristics

- Preserve time relation (variation) between information entities of the stream

- Conversational pattern (stringent and low delay )

- Preserve time relation (variation) between information entities of the stream

- Request response pattern

-Preserve payload content

-Destination is not expecting the data within a certain time

-Preserve payload content

Example of the application

  voice   streaming video

  web browsing   telemetry, emails

Conclusões Na realização deste trabalho, verificamos que o UMTS é

uma tecnologia multimédia com qualidade de serviço.

Com o UMTS os utilizadores adquirem a vários tipos de serviços em tempo real.

UMTS é muito genérico, na sua concepção foi criada uma estrutura modular que suporta as aplicações existentes e permite uma evolução simples de modo a abranger aplicações futuras.

O UMTS serve de suporte à 4G.

Referências www.3gtoday.com; www.umts-forum.org; www.umtsworld.com; www.three.co.uk; WCDMA for UMTS

Radio Acess Third generation Mobile Communications

Edited by Harry Holma and Antti Toskala

FIM

OBRIGADA!