UMTS (Universal Mobile Telecomunications System)

SISTEMAS DE COMUNICAÇÃO SEM FIO

02-05-23Engº Changala

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UNIVERSIDADE POLITÉCNICA - APOLITÉCNICA

Instituto Superior Politécnico e Universitário de NacalaISPUNA

Deprtº de Tecnologias de Informação e Comunicações

REDES DA TERCEIRA GERAÇÃO

“Acesso de informação de qualquer lugar, a qualquer hora”

RADIO ACCESS NETWORK ARCHITECTURE


3G;UMTS (Universal Mobile Telecomunications System):

Introdução;Arquitectura;WCDMA;Handovers;Canais de comunicação;Controlo de potência;Segurança;Mecanismo de acesso à rede;Serviços;QoS;Conclusão. 02-05-23Engº Changala

Sistemas Celulares - UMTS

o O UMTS é um sistema de redes celulares da terceira geração capaz de fornecer serviços multimédia inovadores face aos sistemas de segunda geração como o GSM, combinando a utilização de componentes terrestres e de satélite.

o Faixas de funcionamento: Para operação em modo FFD (Frequency

Division Duplex) 1920-1980 MHz -> uplink, 2110-2170 MHz ->downlink.

Para operação em TDD (Time Division Duplex). 1900-1920 MHz ->uplink, 2010-2025MHz->downlink.





Objectivos

Oferecer alta qualidade de serviço;

Os terminais móveis podem fazer coberturas de pico, micro e macro células, sem perdas de sinal.

Suportar vários utilizadores.

Uso em todas as aplicações móveis;

Suportar várias operações de roaming.

Aumentar a flexibilidade na qualidade de serviços.Alta eficiência e suporte tanto em comutação a pacotes como a circuitos;


Palavra chave: “Comunicação Multimédia com alta qualidade de serviço”.

Sistemas 3G: Totalmente digitais.Características da 3G:Permite envio e recepção de informação em banda larga; Permite alta qualidade de tráfego de voz, de dados, de vídeo, videoconferência, áudio e de imagem;Permite acesso a Internet, com possibilidade de fazer download de músicas e jogos; Alta flexibilidade na comunicação;Permite serviço de roaming global; Tem um desempenho entre 144 Kbps e 2 Mbps.




Verde-operadoras de 3g.



Com o UMTS é possível enviar e receber imagens, gráficos, comunicações vídeo, e outros serviços de banda larga, assim como serviços de voz e dados, ou qualquer combinação destes serviços, fornecendo serviços de multimédia, directamente a um utilizador móvel, esteja ele onde estiver.



As novas tecnologias requerem uma alta taxa de transmissão e mobilidade nos terminais de modo a satisfazer os utilizadores.

O IMT 2000 forçou-se a criar uma nova interface aérea de modo a poder incrementar com eficiência a frequência de utilização. Assim surge WCDMA.

A rede UMTS requer um grande manuseamento de tráfego de dados.

Os factores considerados para escolher o protocolo de transporte:Eficiência da largura de banda;Qualidade de serviços;Estabilidade;Atraso sensível no tempo de utilização;Permissão máxima de número de utilizador

simultâneo.02-05-23Engº Changala

Débitos variáveis e elevados (até 2Mbit/s); Serviços assimétricos; Multiplexagem de serviços; Qualidade de serviço variável e garantido; Coexistência e handover com sistemas 2G; Alta qualidade de serviços; As taxas de transmissão podem variar entre 144 e

512 Kbps, alcançando um valor máximo de cerca de 2 Mbps, em uso no interior de edifícios.

Compatibilidade com o GSM; UMTS é um sistema real global que abrange os

componentes terrestres e de satélite. Serviços consistente de roaming via VHE (Virtual

Home environment).

UMTS - CARACTERÍSTICAS


Os terminais móveis UMTS oferecem os seguintes serviços ao utilizador: Enviar e receber imagens, e gráficos, Comunicações de vídeo, Download de músicas e jogos, Outros serviços de banda larga:

Qualquer combinação de serviços de voz e dados, Serviços de multimédia, directamente a um utilizador móvel, esteja ele onde estiver.

UMTS - CARACTERÍSTICAS


UMTS – ARQUITECTURA DE REDE


A rede UMTS consiste nas seguintes arquitecturas:

UE: User Equipment ; UTRAN: UMTS Terrestrial Radio Access Network; CN: Core Network; UMTS está estruturado de forma modular; Adopta um modelo semelhante ao modelo OSI;

Ao nível PLMN do UMTS são definidas as seguintes interfaces:CU: interface eléctrica entre USIM e o EU;Uu: interface rádio do WCDMA.Iu: interface que estabelece a ligação entre a UTRAN e a CN;

Iur: Permite realizar softs handovers entre RNC’s distintos;

Iub: interliga o nó B e o RNC.



Para uma rede, é necessário que se conheça a localização aproximada do móvel de forma que seja possível à estação fazer paging para este equipamento.

lista das áreas do sistema.UMTS systems (inclusive satélite) Public Land Mobile Network (PLMN) MSC/VLR ou SGSN Location Area Routing Area (PS domain) UTRAN Registration Area (PS domain) Célula Sub-célula.



UMTS – UE USIM: UMTS Subscriber Identity Module;

Contem dados do utilizador;Procedimentos e suporte de segurança relativa

aos dados do utilizador e à redeTipos de identificação do UMTS:

IMSI: International Mobile Subscriber IdentityTMSI: Temporary Mobile Subscriber IdentityP-TMSI: Packet Temporary Mobile Subscriber Identity

TLLI: Temporary Logical Link IdentityMSISDN: Mobile station ISDNIMEI: International Mobile Station Equipment Identity

IMEISV: International Mobile Station Equipment Identity and Software Number

ME: Mobile equipment: responsável pela transmissão rádio, e pelas correspondentes aplicações;

Possui várias funções:

Suporte a uma ou mais aplicações (opcionalmente mais de uma);

Suporte a um ou mais perfis do utilizador no USIM ;

Actualização das informações específicas no USIM através de interface aérea ;

Funções de segurança; Autenticação do utilizador; Inclusão dos métodos de pagamento opcionais; Download seguro de novas aplicações opcionais.

UMTS – IC CARD UMTS


UMTS - ESTRUTURA DO UTRAN


É responsável pela criação e manutenção dos canais rádio RAB entre os EU’s e a CN.

È formada por vários RNS’s (Radio Network Sub-systems).

Os RNS’s encontram-se ligados entre si via interface Iur (transporte de informação de sinalização e de dados);

Iur permite a comunicação entre dois RNC’s. Cada RNS é formado por várias BTS; A implementação da interface Uu é realizada

mediante a utilização de WCDMA e o mapeamento dos canais de transporte em canais físicos;

UMTS - FUNCIONAMENTO DA UTRAN


Node B tem como funçõesInterface aéreo para transmissão e recepçãoModulação e desmodulaçãoCodificação CDMAManipulação de erros

RNC: Radio Network Controler tem como funçõesControlo dos recursos rádioControlo de admissãoAlocação de canalPower control SettingsControlo de HandoverEncriptaçãoSegmentação e reassemblamentoSinalização de Broadcast.

UMTS – UTRAN


UMTS – CORE NETWORK

CN: Core Network faz a comutação, o roteamento e

trânsito para tráfego de utilizadores.contém o banco de dados e tem as

funções de gerir a rede. É baseada na rede GSM com GPRS:

PS Domain;CS Domain ; IMS;





Os elementos comutados a circuitos: MSC: Mobiles services Switching

Centre;VLR: Visitor Location Register;GMSC:Gateway MSC;

Os elementos comutados a pacotes:SGSN: Serving GPRS Support Node;GGSN: Gateway GPRS;

Os elementos comutados a pacotes e a circuitos: EIR: Equipment Identity Register ; HLR: Home Location Register; AUC: Authentication Center.



ATM (Asynchronous Transfer Mode) é definido para transmissão do core UMTS. ATM Adaptation Layer type 2 (AAL2) permite conexão comutada a circuitos.Protocolo de conexão a pacotes AAL5 é desenhado para entrega de dados.

A arquitectura do Core Network pode mudar quando novos serviços e características são introduzidas no sistema. Number Portability DataBase (NPDB) será

usado para habilitar o usuário a mudar de rede enquanto mantém seu número de telefone antigo.

Gateway Location Register (GLR) pode ser usado para optimizar o subscriber handling entre redes vizinhas.


É um das principais tecnologias para a implementação de sistemas 3G. É básico em técnica de acesso de rádio proposta por ETSI group Alfa e especificações finalizado 1999.

A implementação: Muito complexo;

Complexidade de cada algoritmo;Complexidade do sistema global;Complexidade computacional de um receptor;

Muito versátil;Nível de ligação de simulação são 10 vezes mais intensivo que simulação na 2G actuais;Diferentes utilizadores podem transmitir simultaneamente diferentes taxas de dados ao mesmo tempos;

suportar todos os serviços da 2G e muitas outras novas aplicações e serviços.

WCDMA (UMTS):Wideband Code-Division Multiple-Access

UMTS Modelos de operação do WCDMA

FDD: Frequency Division Duplex 2 bandas emparelhadas

Uplink banda inferior 5 MHz

Downlink banda superior 5 MHz

Transmissão simultânea Apropriado para serviços

simétricos (mesmo débito nos dois sentidos)

TDD: Time Division Duplex Mesma banda usada para

uplink e downlink 5 MHz Separação no tempo Apropriado para serviços

assimétricos

Banda de frequência WCDMA: 1920 MHz -1980 MHz UL 2110 MHz - 2170 MHz DL

Banda de frequência WCDMA mínima requerida:

~ 2x5MHz

No UMTS existe duas razões para a realização de handover:

Qualidade de sinal: Neste caso é realizado o handover quando a QoS ou nível de potência não cumprem os critérios impostos pelo RNC. Pode ser aplicado tanto no uplink como no downlink.

Tráfego: Neste caso o handover pode ser despoletado quando o limite de capacidade de uma célula está próximo de ser atingido.

Nesta situação o UE comuta para outra célula sujeita a menor carga. Este handover permite obter uma distribuição mais uniforme do tráfego através das células que formam o sistema.Éste handover é executa pelo MSC.

UMTS Handover



São possíveis os seguintes tipos de handover:Intra BS ou intra células (softer handover); Inter BS, incluindo soft e hard handover;Inter RNC incluindo os tipos de handover hard, soft e soft-softer; Inter MSC; Inter SGSN (Serving GPRS Support Node);Inter system.

UMTS Handover



UMTS Handover



Soft handover: entre 2 células (Nó B);

Softer handover : entre 2 sectores da mesma célula (Nó B);

Hard handover: entre frequências ou sistemas diferentes;

UMTS – HANDOVER



UMTS

Tipos de Canais



UMTS é baseada em um serviço dividido em seções. No topo está a seção de serviços, que oferece organização rápida de serviços e localização centralizada

UMTS

Tipos de Canais


Os canais de transporte encontram-se divididos em duas categorias:

Canais dedicadosDCH( Required Transport Channel):

Transportam a informação proveniente de níveis superiores, relativa a um determinado utilizador;Este tipo de canal está associado ao controlo de potência, adaptação de ritmo de transmissão e soft handover.

Canais comuns: BCH (Broadcast Channel) FACH( Forward Acess Channel) PCH (Paging Channel) RACH ( Random Acess Channel) CPCH( Uplink Common Packet Channel) DSCH( Downlink Shared Channel)

Os canais essenciais para operação de rede são o RACH, FACH e PCH

UMTS – Canais de transporte

BCH (Broadcast Channel)

Usado para transmitir informação específica para rede UTRA ou para determinada célula.

Para abranger a totalidade de UE’s presentes na célula, este canal transmite com uma potência mais elevada que os outros canais

O ritmo de transmissão é baixo para garantir a compatibilidade com todos os terminais.

UMTS – Canais de transporte comuns

FACH ( Forward Acess Channel) Canal de downlink responsável pelo transporte de informação de controlo relativa ao posicionamento de UE dentro de uma célula.

Canal com ritmo de transmissão baixo

Não tem associado controlo de potência rápida.

UMTS – Canais de transporte comuns

PCH(Paging Channel)

Canal existente no downlink que transporta informação de paging dos UE’s presentes na rede.

RACH ( Random Acess Channel

Canal de acesso aleatório associado ao uplink.Transporta toda a informação de controlo, referente ao equipamento terminal, necessária para o estabelecimento de ligações.Pode ser utilizada para transmissão de pacotes entre UE e BS.Abrange toda a área de cobertura de uma célula.

UMTS

Canais de transporte comuns

CPCH( Uplink Common Packet Channel)

Canal existente no uplink;Extensão do RACH e é utilizado para a transmissão de pacotes.O seu equivalente no downlink é o FACH.Do ponto de vista ao nível físico, o canal é constituído:

Mecanismo de detecção de colisões;Controlo de potência rápido;Procedimentos de monitorização;Número de trama associada ao processo de transmissão.

DSCH( Downlink Shared Channel)Transmite dados de utilizador e/ou dados de controlo e pode ser partilhado por diversos utilizadores.Suporta ritmos variáveis e controlo rápido de potência.Pode ser associadas várias técnicas de diversidade em associação com o canal DCH

UMTS

Canais de transporte comuns

O controlo de potência é realizado a uma frequência de 1500 Hz.

Existem dois mecanismo de controlo de potência:

Open_Loop Power Control (OPLC);

Closed Loop Power Control (CLPC);

Este mecanismo é usado para ajuste de potência no uplink e downlink.É usado para ajustar a potência de transmissão no canal físico de acesso.O MT mede a potência recebida no downlink, para efeitos de estimação da atenuação introduzida pelo canal e do nível da SIR do sinal recebido.Com os dados anteriores ajusta o nível de potência de emissão, de forma a conseguir-se o valor da SIR (Signal-to-Interference Ratio) difundido pela BS.O ajuste de potência é realizado com base na estimativa do nível de potência do canal CPICH (Common Pilot Channel, canal físico) associado à BS. A BS envia periodicamente no canal BCH, os parâmetros de potência permitidos para a MS que se encontra em standby.Potência tolerada: ±9 dB e ±12 dB

UMTS Controlo de potência OLPC

UMTS Controlo de potência CLPC

Uplink: O CLPC ajusta a potencia de transmissão do UE

de forma a garantir um SIR acima do limiar definido pela rede.

A BS gera um comando TPC (Transmit Power Control) de controlo de potência para ajuste da potência de emissão do UE pretendido.

Como existe várias ligações activas, devido à presença de diversas estações base, o UE ajusta a potência tendo em atenção os diversos comandos TPC recebidos: Se o número comandos forem concordantes

no aumento de potência, o UE aumenta a potência,

Se existir um comando para baixar a potência, UE baixa a potência.

Downlink: A técnica CLPC é também utilizada, mas com

alteração dos papéis entre BS e MS

A segurança das redes UMTS foram baseadas nas regras de segurança GSM, algumas foram substituídas e outras acrescentadas.

As regras que fazem parte da rede GSM:Autenticação dos subscritores;Identidade do subscritor é confidencial;O SIM pode ser removido do terminal;Encriptação.

Regras acrescentadas pela UMTS:Alerta quando utiliza uma falsa base station,

mesmo que esta tenha uma autenticação mutua;A encriptação é feita entre o Nó-B e o RNC.Os dados são protegidos: atribuição de chave e

dados autenticados pelo sistema;Mecanismo de melhoramento das características

de segurança.

UMTS SEGURANÇA

Network access security(I): conjunto de características que protegem os utilizadores no acesso aos serviços 3G e contra aos ataques nos canais de acesso rádio.

Network domain security(II): conjunto de características que permite aos nós, no domínio fornecido, de fazer troca de sinalização segura e se proteger contra os ataques à rede.

UMTS SEGURANÇA

User domain security(III): conjunto de características que protege o acesso as estações móveis.

Application domain security(IV): conjunto de características que protege a comunicação entre o provedor e o utilizador.

Visibility and configurity of security(V): conjunto de características que informam o utilizador quando uma operação e o uso dos serviços não são seguros.

UMTS SEGURANÇA


Identificação por identidade permanente: o utilizador é identificado permanentemente através do IMSI (permanent subscriber identity).

Caso o utilizador não puder ser identificado pelo IMSI, o mecanismo deverá recorrer ao servidor da rede para que seja identificado pela sua identificação temporária TMSI. O mecanismo é utilizado quando é a primeira vez que o utilizador se regista no servidor, ou quando o servidor não consegue recuperar o IMSI do TMSI. Processo inicia quando a VLR/SGSN pede ao utilizador para enviar sua identificação permanente, a resposta do utilizador contem o IMSI.

o IMSI também será utilizado na encriptação e na autenticação dos dados.

UMTS MECANISMO DE ACESSO À REDE





Identificação por identidades temporárias: mecanismo que identifica o utilizador através do TMSI.

O TMSI só tem significado local, ou seja, o utilizador pode ser identificado apenas numa area local. Fora dessa area o utilizador terá que ser identificado pela LAI (Location Area Identification) ou pela RAI (Routing Area Identification) para evitar ambiguidades.

O VLE (Visited Location Register) regista a identificação do utilizador, ou seja, o IMSI e o TMSI. O TMSI é usado quando o utilizador pretende requisitar “paging”, actualizar localizações, serviços, restabelecer conexões, attachs e detachs.



Processo de autenticação e encriptação: O mecanismo realiza autenticação mútua entre o usuário e a rede.

A rede passa a conhecer a chave secreta que é partilhada entre eles, e esta encontra-se disponível apenas para USIM e o AuC no Home environment HE do utilizador.Este mecanismo é escolhido de tal forma que mantenha a máxima compatibilidade com a arquitectura de segurança GSM de modo a facilitar a migração GSM e o UMTS.

UMTS SERVÍÇO BEARER

Serviços de transporte de dados usados para conectar dois elementos de uma rede como acesso ao X.25 com taxas de dados de 2400 a 9600 bit/s.

No UMTS os parâmetros da classe do serviço bearer, estão directamente relacionados com a aplicação utilizada e tipos de redes que ligam os terminais da ligação.

O serviço bearer está organizado por níveis, assim cada nível oferece o seu serviço, utilizando os serviços disponibilizados pelos níveis inferiores.

São seviços de transporte de dados

UMTS SERVÍÇO BEARER

Os serviços de provedor têm como parâmetros de QoS:

Máximo atraso na transferência;Variação do atraso (jitter);Taxa de erro de bit;Tipo de ligação:

Ponto a ponto;Ponto multiponto;Unidireccional.

Taxas de transferência alvo:144 kbit/s – satélite e exterior rural384 kbit/s – exterior urbano2048 kbit/s – interior e exterior a curta distância

UMTS - QoS


UMTS - QoS

Traffic class Conversational class

Real Time

Streaming class

Real Time

Interactive class

Best Effort

Background class

Best Effort

Fundamental characteristics

- Preserve time relation (variation) between information entities of the stream

- Conversational pattern (stringent and low delay )

- Preserve time relation (variation) between information entities of the stream

- Request response pattern

-Preserve payload content

-Destination is not expecting the data within a certain time

-Preserve payload content

Example of the application

voice streaming video

web browsing

telemetry, emails

UMTS - QoS

O UMTS é uma tecnologia multimédia com qualidade de serviço em comparação com as tecnologias anteriores.

Com o UMTS os utilizadores adquirem a vários tipos de serviços em tempo real.

UMTS é muito genérico, na sua concepção foi criada uma estrutura modular que suporta as aplicações existentes e permite uma evolução simples de modo a abranger aplicações futuras.

O UMTS serve de suporte à 4G.

UMTS

Universal Mobile Telecomunications System

Obrigado!

Education

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