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1 UMTS Este tutorial apresenta os conceitos básicos do Universal Mobile Telecommunications System (UMTS) padrão de 3ª Geração de sistemas celulares para evolução de redes GSM. Autor: Eduardo Tude Engenheiro de Teleco (IME 78) e Mestre em Teleco (INPE 81) tendo atuado nas áreas de Redes Ópticas, Sistemas Celulares e Comunicações por Satélite. Ocupou várias posições de Direção em empresas de Teleco como BMT, Pegasus Telecom e Ericsson. Duração estimada: 15 minutos Publicado em: 19/01/

2 UMTS: Sistemas de 3ª Geração As primeiras gerações se sistemas celulares foram desenvolvidas visando principalmente o tráfego de voz. A tabela a seguir apresenta os principais padrões para estas gerações. Geração Sistemas Padrões 1ª Analógicos AMPS 2ª Digitais GSM, TDMA IS-136, CDMA IS-95 A exemplo do que ocorre com a rede fixa, usada cada vez mais para tráfego de dados, na década de 90 surgiram uma série de esforços para ampliar o tráfego de dados nas redes de celulares. IMT-2000 Estes esforços levaram ao projeto IMT-2000 (International Mobile Telecommunications-2000) da UIT que definiu os requisitos de um sistema celular de 3ª Geração como sendo: Altas taxas de dados: 144 kbit/s em todos os ambientes e 2 Mbit/s em ambientes "indoor" e de baixa mobilidade. Transmissão de dados simétrica e assimétrica. Serviços baseados em comutação de circuitos e comutação de pacotes. Qualidade de voz comparável à da telefonia fixa. Melhor eficiência espectral Vários serviços simultâneos para usuários finais, para serviços multimídia. Incorporação suave dos sistemas celulares de 2º geração. Roaming global. Arquitetura aberta para a rápida introdução de novos serviços e tecnologias. A recomendação ITU-R M.1457 adotou vários padrões de interfaces rádio para estes sistemas, sendo os principais o Cdma 2000, o Wideband Code Division Multiple Access (WCDMA) e o EDGE. A migração de uma operadora para sistemas de 3ª geração envolve investimentos vultosos. A escolha do sistema e estratégia de migração depende de uma análise da situação atual da operadora, e deve considerar aspectos como a rede atual, espectro disponível e serviços a serem oferecidos. De modo a minimizar os custos nesta transição buscou-se desenvolver padrões de 3ª Geração que facilitassem a evolução dos padrões existentes de 2ª Geração. Isto deu origem a duas grandes linhas de evolução de tecnologias: UMTS e o cdma

3 UMTS O Universal Mobile Telecommunications System (UMTS) é o termo adotado para designar o padrão de 3ª Geração estabelecido como evolução para operadoras de GSM e que utiliza como interface rádio o WCDMA ou o EDGE. Até o ano de 2000 o desenvolvimento de padrões para o GSM foi conduzido pelo European Telecommunications Standards Institute (ETSI). A partir desta data a responsabilidade passou a ser do 3rd Generation Partnership Project (3GPP), que é um esforço conjunto de várias organizações de standards ao redor do mundo para definir um sistema celular global de 3º Geração UMTS (Universal Mobile Telecommunications System). Cdma 2000 O cdma 2000 é o padrão de 3ª Geração de sistemas celulares baseados no IS-95. O 3rd Generation Partnership Project 2 (3GPP2) é a organização responsável pelas especificações. Consulte os tutoriais do Teleco CDMA e 1x-EVDO. 3

4 UMTS: Arquitetura A arquitetura do UMTS pode ser representada simplificadamente pela figura a seguir. onde UE UTRAN CN User Equipment, ou equipamento do usuário. É o terminal móvel e seu módulo de indentidade de serviços do usuário (USIM) equivalente ao SIM card dos terminais GSM. UMTS Terrestrial Rádio Access Network, ou rede terrestre de acesso rádio do UMTS baseada no Wideband Code Division Multiple Access (WCDMA). Core Network ou núcleo da rede que suporta serviços baseados em comutação de circuitos e comutação de pacotes. Uu e Iu são as interfaces entre estas entidades. A figura a seguir apresenta uma visão mais detalhada desta arquitetura. 4

5 RNS: Radio Network Subsystem RNC: Radio Network controller Iur: é a interface entre dois RNS Os protocolos utilizados na comunicação entre entidades nesta arquitetura procuram manter compatibilidade com os definidos atualmente para o GSM, principalmente no que se refere a parte do usuário. A sinalização SS7 utilizada foi, no entanto modificada nas partes inferiores do protocolo MTP de modo a suportar um o transporte de dados com taxas mais altas. A comunicação realizada através da interface rádio do UTRAN utiliza 3 tipos de canais como apresentado a seguir. 5

6 Lógicos Transporte Físicos São mapeados nos canais de transporte. RNC lida com canais de transporte utilizados para transportar diferentes fluxos de informação. Compõe a existência física da interface Uu. Diferentes tipos de banda podem ser alocadas para diferentes finalidades 6

7 UMTS: WCDMA A interface rádio Uu entre terminal do usuário e sua rede terrestre de acesso rádio (UTRAN) é baseada no Wideband Code Division Multiple Access (WCDMA). O WCDMA é um padrão de interface rádio, entre o terminal celular e a Estação Rádio Base, desenvolvido para o UMTS e padronizado pela UIT. O WCDMA tem dois modos de operação: Frequency Division Duplex (FDD), no qual os enlaces de subida e descida utilizam canais de 5 MHz diferentes e separados por uma frequência de 190 MHz. Time Division Duplex (TDD), no qual o link de subida e descida compartilham a mesma banda de 5 MHz. Os sistemas iniciais utilizam o WCDMA FDD. O modo TDD deve ser desenvolvido no futuro. O WCDMA utiliza como método de múltiplo acesso o CDMA de Sequência Direta (DS-CDMA), com os vários terminais compartilhando uma mesma banda de freqüências mas utilizando códigos diferentes de espalhamento espectral. O WCDMA e o Cdma2000 1x utilizam o CDMA como método de múltiplo acesso, mas apresentam diferenças como apresentado na tabela a seguir. WCDMA Cdma2000 1x Banda por portadora 5 MHz 1,25 MHz Chip rate 3,84 Mcps 1,2288 Mcps Frequência do controle de potência 1500 Hz 800 Hz Sincronismo na ERB Não precisa Necessita O Cdma2000 1x manteve a banda por portadora em 1,25 MHz de modo a manter a compatibilidade com os sistemas CDMA (IS-95) existentes. Já o WCDMA, por estar implantando uma interface totalmente nova pode ampliar esta banda para 5 MHz. A tabela a seguir sumariza as principais características do WCDMA FDD. 7

8 WCDMA Método de múltiplo acesso DS-CDMA, Sequência Direta CDMA Fator de reuso de frequência 1 Banda por portadora Chip rate Frame 5 MHz 3,84 Mcps 10 ms (38400 chips) Nº de slots/frame 15 Nº de chips/slot 2560 chips (Max bits) Fator de espalhamento enlace de subida Fator de espalhamento enlace de descida Taxa do canal 4 a a 512 7,5 Kbit/s a 960 Kbit/s. 8

9 UMTS: Migração A implantação do UMTS por uma operadora envolve uma série de aspectos que vão da disponibilidade de terminais a existência de serviços desenvolvidos para o usuário. Aborda-se aqui dois aspectos importantes na implantação destes sistema: disponibilidade de espectro e integração com a rede existente. Disponibilidade de espectro O UMTS assumiu como hipótese de que o novo sistema seria implantado utilizando novas faixas de frequências a serem adquiridas pelas operadoras. Isto possibilitou a adoção do WCDMA com canais de 5 MHz. O IMT-2000 na WRC2000 alocou frequências para os sistemas móveis celulares possibilitando não só a implantação de novos sistemas como um alinhamento global das frequências utilizadas de modo a facilitar a sua implantação nas várias partes do mundo. A figura a seguir apresenta as frequências alocadas nas principais regiões do mundo. A alocação das frequências de 1,8 GHz para as bandas D e E no Brasil teve como objetivo preservar a faixa de 1,9 GHz para os sistemas de 3ª Geração. Este novo espectro denominado UMTS foi objeto de leilões, muitas vezes milionários na Europa. As operadoras de GSM dispõem ainda de estratégias mais graduais de migração para o UMTS, sem aquisição de novo espectro, através da implantação do EDGE. 9

10 Integração com a rede existente. O UMTS deverá ser introduzido gradualmente nas redes das operadoras passando a existir durante um longo tempo a convivência deste sistema com sistemas já existentes, inclusive do usuário devido a uma cobertura inicial menor do UMTS. A figura a seguir apresenta a arquitetura desta rede. O que se nota é a convivência de uma Core Network GSM/UMTS com das duas opções de acesso rádio: GSM/EDGE através da GSM EDGE Radio Access Network (GERAN) WCDMA através da UMTS Terrestrial Radio Access Network (UTRAN) Até o release 4, as especificações do GERAN desenvolvidas pelo 3GPP estavam baseadas na hipótese de que existiam duas interfaces separadas entre o BSC e a core network, denominadas: A, interface entre BSC e MSC para os serviços de comutação a circuito. Gb entre o BSC e nós de suporte para os serviços comutados a pacote do GPRS e EDGE. A partir do release 5 o GERAN passou adotar a interface Iu definida pelo UMTS, de modo a garantir que um conjunto similar de serviços possa ser fornecido através das duas opções de acesso rádio: GSM/EDGE e WCDMA. Garantiu-se desta forma uma características de multi-radio integração para UMTS. Assim serviços desenvolvidos para o núcleo do UMTS poderão ser usados por estas interfaces rádio e outras como as de WLAN, a serem incorporadas. 10

11 UMTS: Considerações finais Este tutorial apresentou os conceitos básicos do Universal Mobile Telecommunications System (UMTS) padrão de 3ª Geração de sistemas celulares para evolução de redes GSM. Este padrão está sendo desenvolvido pelo 3GPP devendo incorporar em seus releases futuros o IP Multimedia Subsystem (IMS) em sua core network, o que permitirá que um usuário estabeleça uma sessão multimídia com outro usuário. Com a implantação do High speed downlink packet access (HSDPA) a taxa de dados poderá também ser ampliada. As primeiras redes UMTS entraram em operação em O UMTS Forum mantém uma relação de redes em operação e terminais disponíveis. Referências UMTS UMTS Forum. Informações sobre sistema UMTS e WCDMA. 3GPP Responsável pela padronização da evolução do GSM para 3 G. ETSI GSM World 3Gamericas Desenvolveu as normas para o GSM. É possível fazer download gratuito das normas. Site da associação mundial do GSM. Estatísticas do GSM no mundo. Site da associação do GSM nas Americas. Informação técnica e estatísticas de adoção das tecnologia. 11

12 UMTS: Teste seu Entendimento 1) O que é UMTS? O mesmo que WCDMA O mesmo que 3 G O Universal Mobile Telecommunications System (UMTS) é o termo adotado para designar o padrão de 3ª Geração estabelecido como evolução para operadoras de GSM. Nome dado ao core das redes GSM de 3ª Geração 2) UTRAN é a rede terrestre de acesso rádio do UMTS é baseada no: EDGE WCDMA Cdma2000 GSM 3) A interface entre o GERAN e a core network do UMTS é: Uu A Iu Gb 12

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