UMTS frente a GSM: diferencias y nuevas aportaciones.

1. 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. Tecnología

2. Índice 01 Los orígenes 02 El concepto 03 La red de acceso radio (RAN) 04 El núcleo de Red

3. 01 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.

4. 3GPP ITU PARTNERS Project Co-ordination Group Market representation partners Organizational Partners IMT 2000 Contributions RAN+SA+CN+CT+GERAN Technical Specification Group Technical Contributions INDIVIDUAL MEMBERS Support Functions Technical Specifications Partners’ Standardization Process 01 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.

5. 02 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.

6. 03 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.

7. Enlace ascendente Trama (8 intervalos)=4.615 mseg Enlace descendente 03 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  

8. Slot 1 Slot 2 Slot i Slot 15 Trama 1 Trama 2 Trama i Trama 72 03 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)!

9. 03 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.

10. SEÑAL MODULADA-TRANSMITIDA BANDA BASE SEÑAL DEMODULADA SEÑAL RECIBIDA 03 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.

11. Duración bit: 50 s Duración chip: 5 s Ganancia de Procesado: 10 03 Más claro....

12. 03 ¿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.

13. 03 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

14. 03 DS-CDMA no es ortogonal perfecto SEÑAL RECIBIDA DEMODULACIÓN ESPECTRO SE-ÑAL DE BANDA BASE SECUENCIA 1 (SEÑAL ÚTIL) + + SECUENCIA PROPIA RUIDO SECUENCIA 2 (SEÑAL AJENA) = X + + RUIDO SECUENCIA 3 (SEÑAL AJENA)

15. 03 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. Mínima relación portadora/interferente ¡ YA NO CABEN MAS USUARIOS! Mínima relación portadora/interferente AHORA CABEN MENOS USUARIOS

16. RADIO DE LA CÉLULA RADIO DE LA CÉLULA 03 Cobertura en GSM y UMTS • En UMTS, las células “respiran” NIVEL SEÑAL DISTANCIA NIVEL SEÑAL DISTANCIA

17. S(t-1) S(t-2) Señal recibida Banda base S(t-3) 03 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.

18. 03 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.

19. 03 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

20. 03 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).

21. f1 f1 f3 f3 f2 f2 f4 f1 f6 f3 f2 f5 f7 f9 f8 03 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. f1 f1 f1 f1 f1 f2 f1 f2 f1 f2 f1 f1 f1 f1 f1

22. 03 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.

23. 03 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.

24. 03 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.

25. 03 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…

26. 03 ¿Cómo se consiguen mayores velocidades en HSDPA? ¡No hay control de potencia! • 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.

27. 04 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.

28. PSTN Terminal MM GMSC MSC SGSN RNC GGSN NodoB 04 UMTS – VERSIÓN 99 Control Conmutación de circuitos Transporte Conmutación de paquetes Internet Firewall UTRAN Separación CS y PS

29. S-MSC S-MSC MGCF CSCF PSTN Terminal MM MGW MGW RNC SGSN GGSN NodoB 04 UMTS – VERSIÓN 5 Subsistema IP Multimedia SIP Control H.248/Megaco IP IP Conmutación de circuitos IP Transporte Servicios VoIP Conmutación de paquetes Firewall Internet Stack IP Red IP opcional IP en RAN

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