Este tutorial apresenta os conceitos básicos do processo de Handover na rede UMTS.

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1 Redes 3G: Handover na rede UMTS Este tutorial apresenta os conceitos básicos do processo de Handover na rede UMTS. Cesar Nunes Engenheiro de Telecomunicações pela Universidade Estácio de Sá, com formação em Gestão de Tecnologia da Informação pela Universidade Católica de Brasília (UCB), atualmente está cursando Pós Graduação em Redes de Nova Geração (NGN) na Universidade Católica de Brasília como forma de dar continuidade a formação e crescimento profissional na área de atuação. Com mais de 13 anos de experiência na área de Otimização em Telefonia Celular, atuou em vários projetos no Brasil e em outros países adquirindo experiência prática para atuar na área. Trabalhou em empresas como NEC, Motorola, Huawei e Lucent sempre na área de otimização de RF. Atualmente ocupa o cargo de Especialista de RF III na Alcatel-Lucent, onde é responsável pela Otimização de Redes de Telefonia Celular 3G/2G. [email protected] Thales Hatem Engenheiro de Telecomunicações pelo IESB (Instituto de Educação Superior de Brasília), está cursando Aluno atual do curso de Pós-Graduação em Engenharia de Energia na Faculdade FEAD-MG. Com mais de dois anos de experiência na área de RF com Planejamento e Otimização da Rede de Acesso GSM/UMTS, atuou como Engenheiro de RF em projetos de Telefonia Móvel nas empresas Huawei e Alcatel-Lucent. Atualmente ocupa o cargo de Engenheiro de RF na Alcatel-Lucent, onde é responsável pela Otimização da rede de Telefonia Celular 3G/2G. 1

2 Categoria: Telefonia Celular Nível: Introdutório Enfoque: Técnico Duração: 15 minutos Publicado em: 05/11/2012 2

3 Redes 3G: Introdução Handover em uma definição mais simples pode ser considerado como a transferência de conexão do usuário de um canal de rádio para outro. Esta simples definição de Handover já tem seu conceito bastante definido e também difundido em outras tecnologias, mesmo do advento do UMTS. A ideia principal do Handover e ter a consciência que objetivo é manter a integridade de chamada em movimento, sem que haja interrupções. Isto é necessário porque o usuário pode mover-se (talvez com alta velocidade) e seria inconveniente se a chamada caísse quando o usuário mudasse de uma célula para outra. Em muitos casos, um usuário pode até entrar em uma área onde a cobertura da rede UMTS e terminar a mesma chamada sem interrupções em uma rede GSM / GPRS. 3

4 Redes 3G: Tipos de Handover Os tipos mais comuns de Handover conhecidos são: Softer Handover; Soft Handover; Hard Handover, que pode ser do tipo Intra-frequency Hard Handover ou Inter-frequency hard handover; Inter-RAT Hard Handover. Softer Handover Neste tipo de Handover a estação móvel (UE) combina mais do que uma ligação de rádio para melhorar sua qualidade da recepção. Por outro lado a estação móvel (NodeB) combina os dados de uma de uma Célula para obter dados de boa qualidade. Resumidamente falando, o softer handover trata da transferência da chamada de um setor para outro setor de uma mesma estação móvel (NodeB). Soft Handover Figura 1: Softer Handover. Basicamente o Soft Handover é o mesmo que Softer Handover, mas neste caso os setores pertencem a diferentes estações móveis. Neste caso, a RNC combina os dados de uma de uma Célula para obter dados de boa qualidade. Desta maneira, o soft handover trata da transferência da chamada de um setor de uma estação móvel (NodeB) para outro setor de outra estação móvel (NodeB). 4

5 Figura 2: Soft Handover. Hard Handover Existem basicamente dois tipos de Hard handover: O Intra-Frequency Hard Handover e Inter-Frequency Hard Handover. O Intra-Frequency ocorre caso o código de espalhamento, isto é, o Spreading Factor e o Scrambing Code Mude, mas a frequência da portadora será a mesma. Já o Inter-Frequency Hard Handover ocorrerá quando houver mudança da portadora (frequência). Geralmente o Hard Handover é um processo iniciado pelo móvel (UE). Em resumo o Hard Handoverocorre quando a conexão com a estação móvel atual (estação servidora) é interrompida antes de ser conectar com a nova estação móvel (alvo). Ocorre quando as NodeBs possuem frequências iguais (Intra-Frequency) ou frequências diferentes (Inter-Frequency). Inter-RAT Hard Handover Figura 3: Hard Handover. O Inter-RAT Hard Handover destina-se basicamente a transferência da chamada de um sistema UMTS para GSM ou vice versa. É comunmente utilizado com duas finalidades básicas: A primeira manter a continuidade da chamada em sistema de borda de cobertura UMTS, transferindo assim a chamada sem interrupções para um sistema GSM. 5

6 Outra finalidade é para manter uma determinada célula com uma capacidade controlável, isto é, através de parâmetros configurados para este tipo de handover é possível dispara-lo quando a capacidade da celular UMTS atingir um determinado limiar, transferindo assim a chamada para a rede GSM. Figura 4: Inter-RAT Hard Handover. 6

7 Redes 3G: Parametrização/Otimização As parametrizações lógicas relacionadas ao Handover pode melhorar a rede de forma a escoar tráfego em células congestionadas, dando prioridade a outras com melhor condição e dificultando a entrada de tráfego nessas mesmas células. Esse ajuste fino, conhecido como Otimização, deve melhorar os indicadores de performance da rede de modo a atingir a satisfação do usuário final. A seguir veremos os procedimentos básicos para a otimização de Handover nos seus diferentes casos: Soft / Softer Handover No Soft / Softer Handover, durante o Handover, o equipamento móvel tem vários RLs (Radio Links) de diferentes células (Active Set). Os ganhos no Soft Handover acontecem pela utilização de vários sinais não relacionados, o que reduz o valor de desvanecimento (alterações na amplitude das ondas de rádio e caminho, ocasionando variação de potência do sinal recebido). Outra vantagem é o balanceamento de cargas, há redução da potência no Downlink e Uplink, isso também devido aos diferentes sinais de uplink recebido do móvel e por ele enviado. Além destas, usar o Soft Handover evita o ping-pong de Handover. No entanto, para este tipo de Handover, é exigido maior recurso e o ganho de potência é negativo no Downlink. As medidas de CPICH, RSCP, CPICH Ec/No e Pathloss são utilizadas no processo de Soft/Softer Handover e pode ser reportado de forma periódica ou eventual (Considerando os Eventos 1A, 1B, 1C, 1D e 1F, condições de disparo, limiar relativo e absoluto, Hysteresis e tempo de disparo). Apresenta-se a seguir a lista de eventos de medição de Soft / Softer handover: 1A,adicionar um canal piloto na lista de Active set; 1B, remover um canal piloto da lista de Active set; 1C, substituir um canal piloto na lista de Active set; 1D,substituir o melhor piloto que já está na lista de Active set; No exemplo abaixo ilustrado na Figura 5, nota-se que o nível de sinal do setor um começa a degradar e o sinal do setor 21 tem seu nível melhorado, gerando-se assim um evento 1A, reportado pelo móvel na mensagem de RRC Measurement Report. Neste caso a solicitação do evento é para adicionar o canal 21 na lista de Active set e ainda manter o canal 1, pois não houve solicitação de remoção deste último. 7

8 Figura 5: Evento 1A Soft / Softer Handover. Já no exemplo abaixo ilustrado na Figura 6, nota-se que o nível de sinal dos setores 1 e 5 começam a degradar e o sinal do setor 2 tem seu nível melhorado, gerando-se assim um evento 1C, reportado pelo móvel na mensagem de RRC Measurement Report. Neste caso a solicitação do evento é para substituir o canal 1 ou 5 na lista de Active set pelo canal 21. Figura 6: Evento 1C Soft/Softer Handover. Os parâmetros e eventuais procedimentos para ajustes de Parametrização / Otimização são apresentados a seguir. Limiar Relativo Procedimento: Ajuste os valores de 1A e 1B separadamente; 1A < 1B,o que torna mais difícil desconsiderar o RL, e evitar ping-pong de handover. Tempo de disparo Procedimento: Cada evento pode ser ajustado; 8

9 Normalmente, 1B > 1A,o que torna mais difícil desconsiderar o RL, e assim evitar ping-pong handover. Coeficiente de filtro de Layer 3 Procedimento: Somente um valor para todas as medidas intra-frequency; Sensível ao atraso do disparo do evento e ping-pong handover. Limiar absoluto do soft handover Procedimento: Ajusta conforme especificação. Inter-Frequency Hard Handover São características básicas deste tipo de Handover: A frequência de operação é alterada após o processo de completamento do handover. O modo compressed é necessário para medição da portadora alvo; Normalmente, a reinicialização de temporização é usada para hard handover. Os eventos utilizados para o processo de Inter-Frequency Hard Handover são: 2d: A qualidade da frequência usada esta abaixo de certo nível. 2f: A qualidade da frequência usada esta acima de certo nível. 2a: muda pra melhor portadora; 2b: o valor estimado de qualidade da portadora utilizada é menor que certo limiar, e a qualidade da portadora não utilizada é maior que o limiar; 2c: o valor estimado da qualidade de portadora não utilizada é maior que certo limiar; 9

10 Inter-RAT Hard Handover Figura 7: Fluxo de Sinalização Inter-Frequency hard Handover No Inter-RAT Hard Handover a frequência de operação é diferente após o Handover. O compressed mode é necessário se o móvel tem um receptor. Quando comparado ao Intra-frequency Hard Handover a probabilidade de sucesso é maior devido ao balanceamento de cargas com diferentes frequências e pela possibilidade de uma configuração razoável para hierarquia (prioridade) de células na rede. A desvantagem é que o compressed mode utiliza recursos extras de rádio, além do aumento de tempo para realização do Handover, o que aumenta o risco de queda de chamada. Esse método é utilizado em cenários com Prioridade de Células,Disconnected Coverage e Load Handover. O Inter-RAT Hard Handover pode ocorrer por diferentes tipos de medidas: CPICH RSCP e CPICH Ec/No. Os eventos compreendidos e definidos no protocolo 3GPP TS para o Inter-RAT Hard Handoversão: 2d: A qualidade da frequência usada esta abaixo de um certo nível. 2f: A qualidade da frequência usada esta acima de certo nível. 3a: A qualidade da frequência UTRAN usada esta abaixo de certo nível e a qualidade do sistema GSM está acima de certo nível. 3c: A qualidade do outro sistema está acima de certo nível. Basicamente os eventos 2d e 2f fazem parte do processo chamado Compressed Mode ou Modo Comprimido. Compressed Mode é uma funcionalidade que habilita um móvel 3G a realizar medidas em portadoras diferentes que estão alocadas em células ou setores vizinhos. É importante destacar que isso vale também para tecnologias diferentes, ou seja, caso um móvel 3G se desloque para uma área GSM, ele consegue avaliar a qualidade da célula GSM com a funcionalidade do modo comprimido. O móvel 3G manterá na sua operação, uma lista de células vizinhas e de frequências passíveis de serem utilizadas em um Handover. Os eventos 3a e 3c destinam-se basicamente a IRAT por cobertura e por serviço. No IRAT por cobertura a ideia principal e iniciar o processo onde a qualidade de sinal do sistema UMTS já está ruim e onde a uma boa qualidade do sistema GSM para que a chamada seja transferida sem problemas. Já no IRAT por serviço a preocupação não é com a qualidade do sinal UMTS e sim em transferir o mais rápido possível, isto é, logo após a aquisição do sinal UMTS a chamada para o sistema GSM. Em ambos os eventos 3a e 3c é necessário que seja realizado os eventos 2d e 2f para que medidas do outro sistema, neste caso o GSM, seja realizadas pelo móvel e reportadas a RNC para que decisão seja tomada. Os parâmetros e eventuais procedimentos para ajustes de Parametrização / Otimização são apresentados a seguir. Parâmetros de cobertura de handover Inter-frequency Procedimentos: Relatório de Medidas Inter-frequency: reporte periódico ou reporte eventual; 10

11 Valores Inter-frequency medidos: CPICH Ec/No ou CPICH RSCP; Coeficiente de filtro de Layer 3 de medida Inter-frequency, delay trigger time e histerese; Limiar de início e fim Inter-frequency: considerando as diferentes características dos CPICH Ec/No e CPICH RSCP para domínios PS e CS, os diferentes parâmetros 2D e 2F são configurados; Handover Inter-frequency baseado em cobertura: o limiar de qualidade da célula alvo; Usando o limiar de qualidade de portadora em Hard Handover Interfrequency; O limiar de acesso mínimo para Handover Inter-Frequency. Parâmetros de Handover Inter-frequency causados por falta de cobertura Procedimentos: Coeficiente de filtro Camada 3 de medida Inter-frequency, delay trigger time e hysteresis Inter-frequency handover baseado em falta de cobertura Figura 8: Fluxo de Sinalização Inter-RAT CS hard Handover 11

12 Redes 3G: Considerações finais O Handover é um dos mais relevantes processos na telefonia móvel. Para que o mesmo seja realizado de forma imperceptível ao usuário o processo entre a célula de cobertura de origem e a célula destino deve ter toda sua parametrização e otimização conforme a realidade da rede avaliada. Os vários tipos de Handover apresentam vantagens e desvantagens, cabe ao Engenheiro de RF saber aproveitar as vantagens do método utilizado e minimizar os problemas desse mesmo. A parametrização/otimização serve para tal, minimizar ou até mesmo sanar as degradações motivadas por Falha de Handover e Congestionamento presentes na rede. Referências 3GPP, Technical Specification Group RAN, 3GPP TS Radio Resource Control (RRC); Protocol specification (Release 10). Junho, Disponível em: R. KREHER and T. RUDEBUSCH. UMTS SIGNALLING: UMTS Interfaces, Protocols, Message Flows and Procedures Analyzes and Explained. John Wiley & Sons, Ltd. Second Edition. Acesso em: 09/08/

13 Redes 3G: Teste seu entendimento 1. O processo de Handover entre diferentes tecnologias é chamado de: Soft- Handover Inter-System Hard Handover Intra-Frequency Hard Handover Inter-Frequency Hard Handover 2. O processo de Handover no qual o é possível vários números de RLs no Active Set após o Handover ocorre no: Soft-Handover Inter-System Hard Handover Intra-Frequency Hard Handover Inter-Frequency Hard Handover 3. No Inter-System Hard Handover existem Reporte de Eventos para iniciar e parar medidas GSM. Esses eventos são respectivamente: 2A e 2C. 2A e 2D. 2A e 2F. 2D e 2F. 4. Ainda no Inter-System Hard Handover, existem Eventos de disparo por cobertura ou por falta de cobertura. Esses eventos são respectivamente: 3A e 3B. 13

14 3B e 3C. 3A e 3C. 3B e 3D. 14