UMTS Frente a GSM

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UMTS frente a GSM: diferencias y nuevas aportaciones. Conferencias de la Cátedra Telefónica de la Universidad de Zaragoza 26 de Noviembre de 2004 Telefónica Móviles España Gerencia de Tecnología de Redes – Dirección de Tecnología y Certificación de Redes – D.G. Tecnolo

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UMTS frente a GSM: diferencias y nuevas aportaciones.

Conferencias de la Cátedra Telefónica de la Universidad de Zaragoza26 de Noviembre de 2004

Telefónica Móviles EspañaGerencia de Tecnología de Redes – Dirección de Tecnología y Certificación de Redes – D.G. Tecnología

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2Telefónica Móviles EspañaGerencia de Tecnología de Redes – Dirección de Tecnología y Certificación de Redes – D.G. Tecnología

Índice

01 Los orígenes 02 El concepto

03 La red de acceso radio (RAN)

04 El núcleo de Red

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3Telefónica Móviles EspañaGerencia de Tecnología de Redes – Dirección de Tecnología y Certificación de Redes – D.G. Tecnología

Los orígenes

El caso de la 2 y la 2.5G: Organismos normalizadores (ETSI, TIA etc), trabajando

por separado y elaborando normas independientes. UIT: elabora Informes y Recomendaciones sobre

sistemas móviles. WRC: asignaciones de espectro regionales. Papel predominante de los operadores, derivado de la

época PTT.

A partir de la 3G: Organismos normalizadores trabajando

coordinadamente en proyectos conjuntos (Partnership projects).

UIT: foro de definición de los requisitos de 3G, selección de tecnologías y elaboración de Informes y Recomendaciones que definen el marco de 3G.

WRC: asignaciones globales de espectro (en la medida de lo posible).

Liderazgo de fabricantes.

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4Telefónica Móviles EspañaGerencia de Tecnología de Redes – Dirección de Tecnología y Certificación de Redes – D.G. Tecnología

Los orígenes (II)

Normativamente hablando, UMTS ha fagocitado a GSM.

La estandarización de GSM se hace ahora dentro de un TSG del 3GPP (GERAN).

Fuera del 3GPP (en el ETSI) quedan los aspectos de tarjetas inteligentes y normas armonizadas.

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Project Co-ordination Group

Technical Specification Group

Support Functions

3GPP

TechnicalSpecifications

PARTNERS

OrganizationalPartners

INDIVIDUAL MEMBERS

TechnicalContributions

ITU

IMT 2000Contributions

Partners’ Standardization Process

Market representation

partners

RAN+SA+CN+CT+GERAN

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5Telefónica Móviles EspañaGerencia de Tecnología de Redes – Dirección de Tecnología y Certificación de Redes – D.G. Tecnología

El concepto

GSM es un sistema pensado sobre todo para la voz (los SMS fueron una consecuencia inesperada). Posteriormente, se le han ido añadiendo mejoras en el soporte de la transmisión de datos: HSCSD GPRS EDGE..

UMTS es, como toda la 3G, un sistema pensado para un mercado “hambriento de kb/s”. Desde el principio se ha orientado hacia el correcto soporte de las aplicaciones de datos. Ejemplo: el modo paquete ya viene “de serie”. Comparado con GSM, UMTS proporciona un

repertorio mucho mayor de velocidades de transmisión.

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6Telefónica Móviles EspañaGerencia de Tecnología de Redes – Dirección de Tecnología y Certificación de Redes – D.G. Tecnología

La Red de acceso Radio (RAN)

Desde el punto de vista del acceso radio, UMTS rompe con GSM

GSM se basa en TDMA, y tiene dos modalidades: En modo circuito En modo paquete (GPRS)

UMTS se basa en CDMA, y tiene dos modos: FDD o WCDMA: responde al modelo

clásico de CDMA TDD: incluye un toque de TDMA. Los desarrollos y productos UMTS

realmente se centran en FDD.

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El acceso múltiple: GSM Eje de tiempo dividido en tramas: 8 intervalos/trama 8 canales físicos por radiocanal. Canal GSM unidireccional: intervalo de frecuencia de

200 KHz + intervalo de tiempo (0.577 mseg) Bandas pareadas

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Enlace descendente

Trama (8 intervalos)=4.615 mseg

Enlace ascendente

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8Telefónica Móviles EspañaGerencia de Tecnología de Redes – Dirección de Tecnología y Certificación de Redes – D.G. Tecnología

El acceso múltiple: UMTS

Eje de tiempo dividido en tramas: 15 intervalos/trama. 1 intervalo = 0.667 ms.

Bandas pareadas (FDD) y no pareadas (TDD) Pero el tiempo no significa un canal diferente,

como en GSM: FDD: un canal = 1 código + una portadora TDD: un canal = 1 código + 1 slot

¡En FDD los intervalos de tiempo SÓLO marcan la cadencia de variación de ciertos parámetros radio (p.e el control de potencia)!

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Slot 1

Slot 2

Slot i Slot 15

Trama 1

Trama 2 Trama i Trama 72

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9Telefónica Móviles EspañaGerencia de Tecnología de Redes – Dirección de Tecnología y Certificación de Redes – D.G. Tecnología

CDMA: fundamentos (I)

Pertenece a la familia de las técnicas de espectro ensanchado (Frequency Hopping, DS-CDMA..)

Es una técnica de acceso múltiple. Significado: Direct Sequence-Code Division Multiple Access.

Las transmisiones se separan multiplicando la señal digital en banda base por una secuencia de velocidad mucho mayor.

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10Telefónica Móviles EspañaGerencia de Tecnología de Redes – Dirección de Tecnología y Certificación de Redes – D.G. Tecnología

DS-CDMA: fundamentos La señal en banda base se multiplica por una

secuencia de velocidad mucho mayor. La señal multiplicada modula a una portadora. En recepción se multiplica la señal recibida (útil +

transmisiones ajenas) por la secuencia de origen. Se recupera la señal en banda base más las otras

ajenas, que permanecen ensanchadas.

BANDA BASE SEÑAL MODULADA-TRANSMITIDA

SEÑAL RECIBIDA SEÑAL DEMODULADA

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11Telefónica Móviles EspañaGerencia de Tecnología de Redes – Dirección de Tecnología y Certificación de Redes – D.G. Tecnología

Más claro....

Duración bit: 50 sDuración chip: 5 s

Ganancia de Procesado: 10

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12Telefónica Móviles EspañaGerencia de Tecnología de Redes – Dirección de Tecnología y Certificación de Redes – D.G. Tecnología

¿Por qué ensanchar la banda? Obtenemos protección contra interferencias

selectivas en banda: Intencionadas (entornos militares) Por desvanecimientos selectivos (entornos

comerciales) A mayor ensanchamiento, se pierde menor

porción de energía transmitida por la interferencia en una porción de la banda

Ganancia de procesamiento = (ancho de banda ensanchado)/(ancho de banda de la señal útil) = duración bit/duración del chip

A mayor ganancia de procesamiento, mayor protección frente a interferencias.

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Ganancia de procesamiento UMTS

En UMTS:Ganancia de procesamiento = 3.84 megachips por segundo / velocidad de la señal a transmitir

La ganancia de procesamiento disminuye cuando aumenta la velocidad de transmisión

Las señales más veloces van menos protegidas

Las señales más veloces requieren más potencia

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14Telefónica Móviles EspañaGerencia de Tecnología de Redes – Dirección de Tecnología y Certificación de Redes – D.G. Tecnología

DS-CDMA no es ortogonal perfecto

SEÑAL RECIBIDA

DEMODULACIÓN

SECUENCIA 1 (SEÑAL ÚTIL)

SECUENCIA 2 (SEÑAL AJENA)

SECUENCIA 3 (SEÑAL AJENA)

+

+X

SECUENCIA PROPIA

=

SE-ÑAL DE BANDA BASE

RUIDO

RUIDO

ESPECTRO

+

+

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18Telefónica Móviles EspañaGerencia de Tecnología de Redes – Dirección de Tecnología y Certificación de Redes – D.G. Tecnología

calidad y capacidad en GSM y UMTS En GSM, la calidad es independiente del número de

conexiones servidas por una portadora. En UMTS, la calidad condiciona la capacidad del

enlace: El ruido de fondo viene determinado por el número de transmisiones simultáneas, separadas por secuencias diferentes cada una => capacidad y calidad van unidas.

¡ YA NO CABEN MAS USUARIOS!

Mínima relación portadora/interferente

Mínima relación portadora/interferente

AHORA CABEN MENOS USUARIOS

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19Telefónica Móviles EspañaGerencia de Tecnología de Redes – Dirección de Tecnología y Certificación de Redes – D.G. Tecnología

Cobertura en GSM y UMTS En UMTS, las células “respiran”

DISTANCIA

NIVEL SEÑAL

RADIO DE LA CÉLULA

DISTANCIA

NIVEL SEÑAL

RADIO DE LA CÉLULA

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20Telefónica Móviles EspañaGerencia de Tecnología de Redes – Dirección de Tecnología y Certificación de Redes – D.G. Tecnología

El multitrayecto en GSM y en UMTS En GSM el multitrayecto se compensa. Mediante

una secuencia de entrenamiento, se estima la respuesta impulsiva del canal, y se aplica la contraria.

En UMTS se recuperan y aprovechan las contribuciones de varios de los trayectos (típicamente hasta 6), gracias a la detección RAKE.

S(t-3)

S(t-2)

S(t-1)

Señal recibida Banda base

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21Telefónica Móviles EspañaGerencia de Tecnología de Redes – Dirección de Tecnología y Certificación de Redes – D.G. Tecnología

El traspaso en GSM En GSM, el traspaso es “duro”

Termina la comunicación con una estación base antes de establecer la comunicación con la nueva estación base.

Cambio de la frecuencia portadora.

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22Telefónica Móviles EspañaGerencia de Tecnología de Redes – Dirección de Tecnología y Certificación de Redes – D.G. Tecnología

El traspaso en UMTS En UMTS el traspaso puede ser “suave” (con

continuidad) Dos o más EB transmiten la misma señal sobre

códigos diferentes. El receptor decodifica cada camino y los suma,

gracias a la detección RAKE. Finalmente selecciona la EB de la que recibir el

servicio.

Consume más recursos

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23Telefónica Móviles EspañaGerencia de Tecnología de Redes – Dirección de Tecnología y Certificación de Redes – D.G. Tecnología

Dimensionamiento de los emplazamientos radio

En GSM, se dimensionan añadiendo portadoras. Cada portadora aporta un conjunto de 8 intervalos (canales)

En UMTS se dimensionan añadiendo o quitando ELEMENTOS DE CANAL. Un ELEMENTO DE CANAL es el módulo que realiza

el procesamiento necesario para generar la secuencia final de alta velocidad, a partir de la señal en banda base.

La capacidad de un elemento de canal depende de la velocidad del usuario, existiendo ciertas equivalencias entre ellas. Así, un módulo puede soportar p.e. 32 usuarios de voz a 18 kb/s o 5 a 64 kb/s.

La cantidad de elementos de canal en una estación base dependerá del tráfico previsto para la célula (en nº de abonados y sus velocidades).

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24Telefónica Móviles EspañaGerencia de Tecnología de Redes – Dirección de Tecnología y Certificación de Redes – D.G. Tecnología

Planificación celular (I)

En GSM lo importante es jugar bien con la reutilización de frecuencias

En UMTS nos olvidamos de los patrones de reuso de frecuencias. Lo que separa las comunicaciones son los códigos.

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25Telefónica Móviles EspañaGerencia de Tecnología de Redes – Dirección de Tecnología y Certificación de Redes – D.G. Tecnología

Planificación celular (II) En GSM el control de potencia ayuda a reducir el

nivel general de ruido y a mejorar la C/I. El salto de frecuencia contribuye positivamente a ello.

En UMTS el control de potencia es FUNDAMENTAL. A mayor potencia, MENOR CAPACIDAD.

Especialmente delicado es el problema de la polución de pilotos.

¡La planificación ha de hacerse para la red cargada! => simulación.

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Planificación celular (III)

En GSM, la planificación se hace para una C/I ligada a unos servicios básicos. Opcionalmente, en ciertas zonas se mejoran las prestaciones al poder utilizar: Esquemas de codificación GPRS más veloces

(pero menos robustos frente a interferencias) Velocidades EDGE mayores.

En UMTS, es preciso decidir primero el repertorio de velocidades a proporcionar, y el perfil de velocidades del tráfico, así como el soportado por los terminales. El cálculo de capacidad en un entorno

multiservicios no es evidente analíticamente => simulaciones y medidas prácticas.

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Canales radio

En GSM, existen dos tipos de canales: lógicos y físicos.

En UMTS se introduce una categoría intermedia: los canales de transporte => mayor flexibilidad para definir formatos de transporte de la señal. Un concepto importante: Portador de Acceso

Radio (RAB o Radio Access Bearer). Es el conjunto de parámetros que define el

servicio portador de información en la interfaz radio (entrelazado, códigos CRC, codificación turbo o convolucional, etc..).

¡Hay unos 2 millones de posibilidades! => necesidad de una lista corta.

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28Telefónica Móviles EspañaGerencia de Tecnología de Redes – Dirección de Tecnología y Certificación de Redes – D.G. Tecnología

El plus (+) en GSM y UMTS

En GSM es la 2.5 G, que aporta: El modo GPRS (mayores velocidades según

diferentes esquemas de codificación) EDGE (mayores velocidades gracias a

esquemas de modulación más veloces, pero menos robustos)

En UMTS viene dado por la adición de: HSDPA (High Speed Downlink Packet

Access): incorpora un toque de TDD. No tiene control de potencia. Se sirve al mejor posicionado para ello.

En el futuro HSUPA (High Speed Uplink Packet Access). Y tal vez OFDM con MIMO…

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29Telefónica Móviles EspañaGerencia de Tecnología de Redes – Dirección de Tecnología y Certificación de Redes – D.G. Tecnología

¿Cómo se consiguen mayores velocidades en HSDPA?

Modulación y codificación adaptativa (AMC): Adaptar el esquema de codificación y la modulación en función de la calidad del enlace.

Programación rápida de transmisiones: Control de las transmisiones en el Nodo B (en vez del RNC), teniendo en cuenta la calidad el enlace, capacidades del terminal, QoS, potencia/códigos disponibles.

Retransmisiones rápidas (H-ARQ): Las peticiones de retransmisión se gestionan en el Nodo B. Se utiliza redundancia incremental.

¡No hay control de potencia!

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El núcleo de red

El GSM y el UMTS (en su fase inicial) se basan en un mismo concepto de núcleo de red.

Es en la evolución hacia el IP Multimedia Subsystem (IMS) donde el UMTS se separa de este concepto.

IMS permitirá una separación nítida entre los planos de red (transporte y control) y el de servicios => acceso al desarrollo de servicios por terceros.

P la n o d e t ra n s p o r te (c o m p a r t id o )

P la n o d e c o n t ro l (n o d o s d e c o n t r o l )

P la n o d e s e rv ic io s A P I

D e s a r r o l lo s a je n o s

M S CS e r v e r

M e d iaG a te w a y

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UMTS – VERSIÓN 99

PSTN

Control

Transporte

NodoB RNC SGSNMSC

Firewall

Internet

Conmutación de

circuitos

GGSN

GMSCConmutación de

paquetes

Terminal MM

UTRAN Separación CS y PS

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32Telefónica Móviles EspañaGerencia de Tecnología de Redes – Dirección de Tecnología y Certificación de Redes – D.G. Tecnología

UMTS – VERSIÓN 5

CSCF MGCF

Conmutación de

circuitos

Conmutación de

paquetesNodoB RNC

Terminal MM

S-MSC

MGWSGSN

PSTN

Control

S-MSC

Transporte

FirewallInternet

MGW

GGSN

Subsistema IP

Multimedia

Servicios VoIP

SIP

H.248/Megaco

Red IP opcionalIP en RAN

Stack IP

IP

IP

IP

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