UMTS - ntrodução Introdução O crescimento sem precedentes verificado nos últimos tempos no mercado da comunicação sem fios, juntamente com os avanços das tecnologias da comunicação e o desenvolvimento dos serviços suportados pelas redes fixas, obrigaram a introdução de uma nova tecnologia de comunicações moveis. A tendência dos próximos anos será a convergência das comunicações, informação e entretimento, produtos electrónicos e informáticos. O UMTS permitirá alcançar os referidos objectivos. A comunicação de voz, a transmissão de imagem, vídeo e o acesso a um vasto leque de serviços multimédia, tudo isto com um padrão de qualidade impossível nos sistemas de comunicações móveis actuais, associados a um significativo aumento da mobilidade e personalização do serviço, independentes do local, rede ou terminal, tornarão o UMTS no sistema móvel do 3º milénio O UMTS ( Universal Mobile Telecom-munications System ), é um membro da família IMT-2000 (International Mobile Telecommunications 2000) de sistemas móveis de comunicações da terceira geração (3G). O UMTS, também referido como W-CDMA (wideband code division multiple access), é um dos avanços mais significativos na evolução das telecomunicações para as redes de 3G. Este permite fornecer aos utilizadores um conjunto vasto de aplicações, fornecendo também uma ligação vital entre o sistema actual de GSM (Global System for Mobile Communication) e o futuro standard para todas as telecomunicações moveis, o IMT-2000. O UMTS é a plataforma móvel preferida para distribuir os futuros serviços de alto conteúdo e aplicações agregados. Este procura construir e melhorar a capacidade das tecnologias moveis sem fio e via satélite com uma maior capacidade de transmissão de dados e um maior número de serviços. Evolução das Comunicações Moveis Os sistemas de comunicação celulares surgiram no final da década de 70, tendo representando um avanço significativo no mundo das comunicações. Esta primeira geração de comunicações móveis (1G), permitia apenas a transmissão de voz em formato analógico. A necessidade de aumentar a qualidade, a capacidade e a cobertura das transmissões, levou à evolução para a Segunda geração de comunicações móveis (2G). Nesta geração já se tornou possível fazer algo mais do que transmissão de voz, estes dispositivos moveis permitiam o envio de fax ou de mensagens escritas. Dos vários standards que fazem parte da 2G, aquele que teve mais sucesso foi o GSM sendo usado por 250 dos 450 milhões de utilizadores das comunicações moveis. Na migração entre a 2G e a 3G, surgiram a fase 2 e a fase 2+ da 2G. Nestas foram disponibilizados novas características, que ajudam à introdução da 3G. Departamento de Engenharia Informática 2001/2002 Página 1
UMTS - Arquitectura Arquitectura de Rede UMTS Organização O UMTS será um sistema global, que complementará as componentes terrestre e satélite. Terminais multimodo irão permitir aos utilizadores usarem sistemas de 2G (segunda geração), com GSM 900 e 1800. A utilização de satélites representam uma mais valia, pois permitem proporcionar a cobertura total. Figura 3.1 Cobertura da Rede UMTS No terreno a cobertura será feita através de células dimensionadas de acordo com os débitos e a mobilidade adequados. Para áreas reduzidas, como escritórios e casas, instalam-se células pico, as quais permitem débitos acima dos 2 Mbps mas limitam a mobilidade a uma velocidade máxima de 10 Km/h. Para as áreas urbanas serão usadas células micro, as quais permitem uma cobertura de alguns quilómetros quadrados, suportando taxas de transferência entre os 384 Kbps e os 2 Mbps, permitindo uma mobilidade à velocidade máxima de 120 km/h. A nível suburbano serão usadas células macro, as quais permitem débitos na ordem dos 144 Kbps e possibilitam deslocação a 500 km/h. A cobertura de áreas remotas será garantida pela rede global de satélites, denominadas células mega. Departamento de Engenharia Informática 2001/2002 Página 2
UMTS - Arquitectura Tipo de Célula Mobilidade Taxa de Transferência Área Coberta Macro Alta 144 Kbps Dezenas de Km Micro Media 384 Kbps / 2 Mbps Acima de um Km Pico Baixa 2 Mbps Dezenas de metros Espectro Para os futuros sistemas do IMT-2000, no qual se inclui o UMTS, foram definidas as faixas de frequência de 1885 2025 MHz e 2110 2200 MHz, sendo a faixa de 1980 2010 MHz destinada à componente satélite dos sistemas. Acesso-Rádio Frequências O sistema UTRA (UMTS Terrestrial Radio Acess) suportará a operação do sistema com alta eficiência espectral e qualidade de serviço. Os terminais UMTS poderão não operar todo o tempo na taxa mais alta de transmissão de dados, e em áreas remotas ou muito congestionadas os serviços poderão só suportar taxas de dados mais baixas. Estas limitações podem-se dever a dificuldades de propagação do sinal ou devido a razões económicas, restrições no dimensionamento e construção da rede. Afim de permitir o acesso permanentemente à rede, os serviços serão flexíveis às diferentes taxas de transmissão oferecidas pelas redes e a outros parâmetros de Qualidade de Serviço (QoS). Figura 3.2 Usos do TDD e FDD As duas técnicas utilizadas no acesso-rádio frequência são o W-CDMA (Wideband Code Division Multiple Acess) e o TD-CDMA (Time Division Code Division Multiple Acess), figura XX. O W-CDMA, também conhecido no contexto UMTS por UTRA- FDD (UTRA-Frequency Division Duplex), é usado nas células de maior cobertura por que permite uma mobilidade elevada. Esta técnica usa bandas de comunicação simétricas, isto é, tem igual largura de banda na emissão e recepção, 2 x 60 MHz. O TD-CDMA ou, no referido contexto, UTRA-TDD (UTRA-Time Division Duplex), é utilizado nas células de menor cobertura onde a taxa de transferência é preponderante à mobilidade. Esta técnica usa bandas de comunicação assimétricas, ou seja, tem diferentes larguras de banda para a emissão e recepção, sendo a recepção superior. No conjunto as duas bandas perfazem 35 MHz. Esta diferença justifica-se pelo facto de a quantidade de dados recebidos ser, geralmente, muito superior à transmitida. Departamento de Engenharia Informática 2001/2002 Página 3
UMTS - Arquitectura Elementos de Rede da Fase 1 do UMTS O UMTS difere da fase 2+ do GSM principalmente nos novos princípios usados no interface de transmissão aérea (W-CDMA em substituição do TDMA/FDMA). Assim é introduzido um novo RAN (Radio Access Netowork), chamado UTRAN (UMTS terrestrial radio access network). De modo a suportar esta mudança são apenas necessárias ligeiras alterações, assim como funções de compressão de voz, a nível do CN (Core Network). UTRAN O protocolo UMTS pode ser visto como uma extensão das redes já existentes. São inseridos dois novos elementos de rede no UTRAN, o RNC (Radio Network Controller) e o Node B (estação emissora de UMTS). O UTRAN está dividido em RNSs (sistemas de redes de radio individuais), onde cada RNS é controlada por um RNC. O RNC está ligado a um conjunto de elementos Node B, cada um dos quais pode servir uma ou mais células. Figura 3.3 Elementos de rede UMTS Alguns elementos de rede existentes actualmente podem ser adaptados de modo a suportarem os requerimentos do UMTS, no entanto o RNC e o Node B são elementos novos, tendo que ser completamente desenhados. Departamento de Engenharia Informática 2001/2002 Página 4
UMTS - Arquitectura O UMTS define quatro novos interfaces: Uu: Interface entre o equipamento do utilizador (UE) e Node B (ULTRA, interface aéreo UMTS W-CDMA) Iu: Interface entre RNC e GSM Fase 2+ CN (MSC (mobile services switching center, message sequence chart)/vlr(visitor location register) ou SGSN(serving GPRS support node)) Iu-CS para dados circuit-switched Iu-PS para dados packet-switched Iub: Interface entre o RNC e o Node B Iur: Interface entre RNCs Os interface Iu, Iub e Iur são baseados em princípios de transmissão ATM (Asynchronous Transfer Mode). RNC (Radio Network Controller) O RNC possibilita a gestão autónoma dos recursos de radio pelo UTRAN. Este fornece o controlo central para os elementos RNS. O RNC é responsável pelas operações e manutenção de todo o RNS, sendo responsável pelas comunicações protocolares entre os interfaces Iu, Iur e Iub. Como os interfaces são baseados em ATM, o RNC transfere células ATM entre eles. Os dados do utilizador, tanto circuit-switched com packetswitched, provenientes dos interfaces Iu-CS e Iu-PS são multiplexados juntamente para transmissões multimédia via os interface Iur, Iub e Uu, destinados ou provenientes do Equipamento do Utilizador. Figura 3.4 - RNC Departamento de Engenharia Informática 2001/2002 Página 5
UMTS - Arquitectura O RNC usa o interface Iur para controlar todo o RRM (Radio Resource Management), deixando essa tarefa de ser da responsabilidade do CN (2G). As funções de controlo de serviços assim como a admissão e a ligação do RRC (Radio Resource Control) ao UE, são da responsabilidade de apenas um RNC (SRNC). Se outro RNC estiver envolvido na actividade da ligação este é declarado como drift RNC (DRNC). É possível haver uma mudança do SRNC para o DRNC, sendo isto da responsabilidade do RNC de controlo (CRNC). Node B O Node B é a unidade física para a transmissão/recepção radio com as células. Uma ou mais células podem ser servidas pelo mesmo Node B. O mesmo Node B pode suportar os modos FDD (Frequency Division Duplex) e TDD (Time Division Duplex) simultaneamente. O Node B liga-se com o UE através do interface radio W-CDMA Uu, e com o RNC através do interface baseado no Iub ATM. A principal tarefa do Node B é a conversão de dados provenientes e destinados ao interface radio Uu. Isto inclui a correcção de erros e a adaptação da taxa de transferencia. Mede a qualidade da ligação e determina a taxa de erros, transmitindo esses dados para o RNC. {PRIVATE "TYPE=PICT;ALT=Figure 5"} {PRIVATE "TYPE=PICT;ALT=Figure 7"} Figura 3.5 Node B Departamento de Engenharia Informática 2001/2002 Página 6
UMTS - Interfaces Interfaces Para as quatro interfaces do UMTS (Iu, Iur, Iub, Uu) foram desenvolvidos vários protocolos, de seguida apresenta-se uma descrição do modelo geral dos protocolos usados, assim como uma descrição geral das interfaces. Modelo Geral do Protocolo A interface UTRAN é constituída por um conjunto de camadas horizontais e verticais. Para os requisitos de transmissão do UTRAN é utilizada a camada horizontal radio network. A camada vertical control plane é usada para controlar uma ligação, enquanto que a user plane é usada para transmitir os dados das camadas superiores de forma transparente. Os requisitos de transmissão standard independentes do UTRAN são aplicados na camada horizontal transport network. Figura 4.1 Interface UTRAN General Protocol Model Identificam-se no protocolo cinco blocos principais: Signaling bearers (portadores de sinal) Transmitem para as camadas superiores sinalização e informação de controlo. Data bearers (portadores de dados) Transportam as data streams. Application protocols (protocolos de aplicação) Fornecem sinalização e controlo específicos do UMTS dentro do UTRAN, assim como activar bearers na camada radio network. Data Streams Contem os dados do utilizador que são transmitidos entre os elementos da rede. Alcap (Access link control application part) Através dos pedidos vindos da camada radio network, activam, mantêm e libertam os data bearers. Fazem parte do UMTS quatro interfaces, o Iu, o Iur, o Iub e o Uu, os quais fazem a interligação entre os vários constituintes da rede UMTS. Departamento de Engenharia Informática 2001/2002 Página 7
UMTS - Interfaces Iu O interface Iu é responsável pela interligação entre o RNC e o CN. Identificam-se com principais funções as seguintes: Gestão do radio access bearer, inclui setup, manutenção e libertação Pedidos de paginas da CN para o equipamento do utilizador Tratamento das situações de erro e de overload Suporta os serviços de Broadcast Transferência de sinalização NAS (nonaccess stratum) entre o UE e o CN Serviços de localização Acesso simultâneo a vários CNs por um único UE Reserva de recursos para pacotes de dados Iur O Iur é responsável pela interligação entre RNCs. Identificam-se como principais funções as seguintes: Gestão da rede de transporte O Iur é responsável por permitir a mobilidade do UE entre várias RNSs, realizando a negociação, a gestão dos recursos de rádio e a sincronização entre os RNSs. Possibilita o transporte de dados do utilizador e informação de controlo entre o SRNC e o Node B, através do DRNC. Paging Medição dos recursos dos canais de transporte dedicados Iub O Iub é responsável pela ligação do RNC ao Node B As principais funções do Iub são: Gestão dos recursos de transporte do Iub Gestão da configuração das células Performance da rede de rádio Gestão do sistema de informação Gestão de trafico dos canais comuns Gestão do trafico dos canais dedicados Gestão do trafico dos canais Partilhados Gestão da sincronização Departamento de Engenharia Informática 2001/2002 Página 8
UMTS - Interfaces Uu O Uu é responsável pela ligação entre o UE e o Node B O Uu tem como principais funções: - Paginação e notificação. - Informação de broadcasting. - Gestão dos radio bearers, que inclui a sua activação, manutenção e libertação. - Protecção da integridade da mensagem. Iu, Iur, Iub sobre ATM As comunicações broadband vão desempenhar um papel importante no UMTS. Para além da voz também vão ser transmitidas aplicações multimédia (videoconferência, navegar na Internet e partilha de documentos). A tecnologia ATM foi escolhida por ser necessária uma tecnologia que conseguisse lidar com transmissão circuit-switched e packet-switched e ainda isochrnous e assíncrona. Os dados do utilizador são organizados e transmitidos em cada ligação como uma stream de células ATM. As AALs (ATM adaptation layer) são definidas para efectuarem os diferentes tipos de serviços com o correspondente comportamento de tráfego. - Iu-CS, Iur, Iub: Através da AAL2 (ATM adaptation layer type 2) são suportadas ligações connection-oriented em modo isochrnous com um bit rate variável e delay mínimo. Esta camada foi desenhada para serviços em tempo real com data rates variáveis (ex.: vídeo). Excepto para a interface Iu- PS a AAL2 é sempre usada para transportar as data streams do utilizador. - Iu-PS, Iur, Iub: Através da AAL5 (ATM adaptation layer type 5) numa ligação connection-oriented em modo isochrnous com bit rate variável. Esta camada é usada para a sinalização e emulação do IP em LAN. - IU,IUR,IUB: O SSCOP (service-specific connection-oriented protocol) é um protocolo connection-oriented que se situa no topo da AAL, que disponibiliza uma transferência de dados fiável entre os peers. Transfere dados das camadas superiores garantindo a sequência, controlo de fluxo, no caso de um longo intervalo sem transferir dados mantém a ligação. A correcção de erros é efectuada por: - Informação de controlo do protocolo - Retransmissão - Informação à camada gestora - Informação de status IP sobre ATM O IP (Internet protocol) pode ser encapsulado e depois transmitido numa rede ATM. Actualmente o IP é um protocolo de camada 3 e o UDP (user datagram protocol) de camada 4. Tendo sido a tecnologia ATM escolhida para a camada 2, no entanto os Departamento de Engenharia Informática 2001/2002 Página 9
UMTS - Interfaces protocolos das camadas superiores usados na camada transport network indicam uma maior abertura do UMTS para uma solução IP pura. Departamento de Engenharia Informática 2001/2002 Página 10
UMTS - Bibliografia Bibliografia http://www.iec.org/online/tutorials/umts/ http://www.3gmaster.com.br/tutorial/umts/ http://www.cellular.co.za/umts.htm http://www.tbm.tudelft.nl/webstaf/rudiw/tb9612/umts/umts0.htm http://www.geocities.com/comunicacao_3gs/a_umts.htm 3rd Generation Partnership Project, Technical Specification Group Radio Access, Network, UTRAN Iu Interface: General Aspects and Principles (Release 1999) 3rd Generation Partnership Project, Technical Specification Group Radio Access, Network, UTRAN Iur Interface: General Aspects and Principles (Release 1999) 3rd Generation Partnership Project, Technical Specification Group Radio Access, Network, UTRAN Iub Interface: General Aspects and Principles (Release 1999) Departamento de Engenharia Informática 2001/2002 Página 11