Stiva de protocoale folosit de sistemele 4GReele de comunicaiiUniversitatea Politehnica din BucuretiFacultatea de Electronic, Telecomunicaii i Tehnologia Informaiei

TEMA 23 REELE DE COMUNICAIIStiva de protocoale folosit de sistemele 4G

Studeni:MIHALACHE GabrielTOREOIU Maria Cristina ROU Bogdan LucianVRTEJ Ioana Snziana

19.11.2013

23. Stiva de protocoale folosit de sistemele 4G 1. IntroducereLTE (Long-Term Evolution) reprezint urmtorul pas de dezvoltare pentru grupul de standarde 3GPP. Acesta prevede un traseu continuu de la 2G GSM/GPRS, dincolo de 3G UMTS/HSPA i n cele din urm la o soluie 4G.

Figura 1.1. Generaiile de reele de telecomunicaii mobileUMTS (Universal Mobile Telecommunication System) a continuat s construiasc pe succesul pe care l-a avut GSM-ul i avntul a crescut datorit mririi capacitii n mod semnificativ odat cu introducerea HSPA (High-Speed Packet Access). Modelele telefoniei clasice fixe i mobile sunt n curs de schimbri enorme odat cu trecerea la comutarea IP (Internet Protocol) i la un profil de servicii complete n comunicaii. ntre timp, ultimul deceniu a vzut dezvoltarea Internet-ului ntr-un instrument serios i accesul la puncte fixe n band larg a devenit rapid o comoditate de baz.

Figura 1.2. Evoluia UMTS i LTEAcest peisaj de pia este pregtit pentru o tehnologie care combin capaciti de band larg cu o eficient infrastructur de comutare scalabil i un mecanism flexibil de livrare a serviciilor. LTE ofer o astfel de soluie, este proiectat s rspund cererii n cretere la nivel mondial de oriunde, oricnd n band larg, meninnd n acelai timp furnizarea eficient a mai multor servicii tradiionale de telecomunicaii, i se asociaz cu alte sisteme de comunicaii.Dei LTE reprezint o cale evolutiv pentru reelele UMTS, a fost de asemenea conceput s permit ci eficiente de upgrade de la puncte de pornire ale altor tehnologii. De exemplu, operatorii GSM (Global System for Mobile Communications) au acum posibilitatea s acceseze performane 3G, prin EDGE (Enhanced Data Rates for GSM Evolution), iar acesta poate fi folosit ca o cale direct ctre LTE.

Figura 1.3. Accesul n band larg la LTEAccesul radio larg combinat cu EPC (Evolved Packet Core) reprezint o adoptare complet a unei arhitecturi full-IP, oferind capacitatea de livrare n band larg de cteva sute de megabii pe secunde i un management al calitii adecvat pentru funcionarea n timp real a vocii de nalt calitate i a video-conferinelor.LTE are un rol foarte important n conceptul de convergen a tuturor serviciilor de telecomunicaii i ar putea s ofere o cheie pentru deblocarea unei reele convergente fix/mobil. Arhitectura sa plat all-IP implic acionarea ei ca o reea de acces universal pentru o gam larg de tipuri de reele de baz.

Figura 1.4. Terminologia arhitecturiiLTE este termenul folosit pentru a descrie simultan evoluia reelei RAN (Radio Access Network) n E-UTRAN (Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network), precum i a tehnologiei RAT (Radio Access Technology) n E-UTRA (Evolved Universal Terrestrial Radio Access). Evoluia arhitecturii de sistem (SAE System Architecture Evolution) este termenul folosit s descrie evoluia reelei centrale n EPC. Exist i un termen colectiv EPS (Evolved Packet System) care se refer la combinaia E-UTRAN i EPC.

Figura 1.5. Tehnologii cheie n LTEn UMTS se folosete CDMA (Code Division Multiple Access) care const n utilizarea multiplexrii n coduri. Dezavantajul acestei metode l reprezint creterea interferenelor datorit folosirii unor coduri non-ortogonale. n LTE metodele de multiplexare folosite sunt diferite n DL (downlink) fa de cele folosite n UL (uplink).Dintre cele patru tehnologii candidate pentru interfaa radio, dou au fost alese pentru versiunea final: OFDMA (Orthogonal Frequency-Division Multiple Access) i SC-FDMA (Single-Carrier - Frequency-Division Multiple Access). Prima tehnologie, OFDMA, este folosit pe DL, astfel nct multiplexarea se face n frecvene multiple ortogonale, i se ateapt s ofere rate de transfer de pna la 300Mbps ntr-un canal de 20MHz. Cealalt, SC-FDMA este utilizat pe UL, unde spectrul de band larg se mparte n mai multe subpurttoare de band ngust, i poate livra pna la 80Mbps.

Figura 1.6. Accesul multiplu prin subpurttoare2. Arhitectura de reeaSpre deosebire de UMTS, LTE prezint o arhitectur de reea simplificat. Fiind un mediu all-IP, interfeele radio, interconectarea i interfeele de reea vor efectua doar trafic bazat pe IP. Nevoia de a suporta diferite protocoale pentru diverse tipuri de trafic, aa cum se ntmpla la Release 99, este astfel evitat. n plus, funciile nivelului 4 de transport pentru semnalizarea conexiunilor sunt efectuate folosind o alternativ a opiunilor tradiionale, TCP (Transmission Control Protocol) sau UDP (User Datagram Protocol). SCTP (Stream Control Transmission Protocol) a fost dezvoltat lund n considerare nevoile de semnalizare pe baza IP-ului i este folosit pentru a gestiona i a proteja toate serviciile de semnalizare LTE.

Figura 2.1. Reeaua de acces i eNode BArhitectura LTE conine un singur nod numit eNode B, care preia funciile suportate de Node B i RNC prezente n 3G, inclusiv managementul resurselor radio (RRM). Toate nivelele stivei de protocoale ale interfeei radio, inclusiv elementele care se aflau anterior n RNC RRC (Radio Resource Control), RLC (Radio Link Control) i MAC (Medium Access Control) s-au mutat n staia de baz. Cum eNode B fixeaz acum legtura principal de racordare la reeaua de baz, i-a asumat i responsabilitatea pentru gestionarea dispozitivului PDCP (Packet Data Convergence Protocol), care ofer compresia antetului i faciliti de cifrare prin interfaa radio.n urma inovaiilor aduse n Release 4 i 5 asupra arhitecturii, LTE mai suport i conceptul de asociaii flexibile ntre elementele din reeaua de acces i reeaua central. Astfel, fiecare eNode B are de ales o entitate MME (Mobility Management Entity) ctre care s paseze controlul fiecrui echipament de utilizator UE. Selectarea dinamic a unei MME pentru fiecare UE este deci o responsabilitate a eNode B-ului.n plus eNode B-ul primete, planific i transmite informaii de control al canalului n celula sa, inclusiv mesaje de paginare i informaii ale sistemului de transmisie (broadcast), acestea fiind primite de la MME-uri. Nodul este responsabil pentru dirijarea traficului dintre fiecare UE i propriul S-GW (Serving Gateway).

Figura 2.2. Interfaa X2Fr RNC (Radio Network Controller) n reeaua de aces, comunicarea ntre eNode B-uri se face direct prin interfaa X2-C (Control Plane). n implementrile care trebuie s sprijine diversitatea macro, interfaa X2-U (User Plane) efectueaz schimbul de PDU (Protocol Data Unit) ntre noduri.X2-C de semnalizare este purtat de X2AP (X2 Application Protocol) i circul peste o asociere SCTP stabilit ntre eNode B-urile vecine. X2AP ndeplinete atribuii similare celor efectuate de RNSAP (Radio Network Subsystem Application Protocol), care opereaz ntre RNC-uri vecine peste interfaa lur n reelele 3G.Traficul de pe X2-U este purtat ctre protocolul deja existent GTP-U (GPRS Tunneling Protocol User plane), folosit n UMTS Release 99. Facilitile oferite de interfaa X2-U se ateapt s fie necesare doar n cazul n care macro-diversitatea HO (handover) este suportat.Ambele sub-tipuri de interfee X2 circul peste IP: SCTP/IP pentru X2-C i UDP/IP pentru X2-U.

Figura 2.3. Interfaa S1Link-urile de racordare la reeaua central sunt efectuate de interfaa S1. Folosind structura general a interfaei lub pe care o nlocuiete, traficul de pe S1 este mprit logic n dou tipuri. Fluxurile S1-U transport traficul de user plane, iar cele S1-MME duc managementul mobilitii, controlul purttoarei i transfer direct traficul de control plane.Structurile mesajelor de pe interfaa S1-MME care opereaz ntre eNode B i MME sunt definite de S1AP (S1 Application Potocol). Acesta ndeplinete sarcini care pot fi vzute ca o combinaie a celor efectuate de ctre RANAP (Radio Access Network Application Part) i GTP-C (GPRS Tunneling Protocol Control plane).Pentru a asigura redundan suplimentar, o difereniere a traficului i o echilibrare a ncrcrii (load balancing), conceptul S1-flex permite fiecrui eNode B s menin conexiuni logice la mai multe S-GW i entiti MME prin urmare, pot fi mai multe instane ale interfeei S1 la un nod.Interfaa S1-U folosete GTP-U pentru a crea i gestiona situaiile de date de user plane dintre eNode B ii S-GW.

Figura 2.4. Interfeele Sn plus fa de S1 ce conecteaz E-UTRAN de EPC, o gam mai larg de interfee S a fost definit pentru a identifica interconexiunile dintre nodurile EPC i nodurile externe.Gateway-urile i MME sunt principalele noduri n EPC. Ele sunt interconectate prin S5 i S11. Interfaa SGi ofer o conexiune la serviciile operatorului, prin IP. E posibil ca acesta s includ servicii administrate prin IMS (IP Multimedia Subsystem). n acest sens, S6a conecteaz MME la HSS i S7 asigur accesul de la PCRF la PDN-GW (Public Data Network Gateway). S3 i S4 ofer conectivitate n EPC de la SGSN-urile din 2G/3G. Totui, UTRAN poate fi conectat direct la EPC prin interfaa S12.WLAN-ul (Wireless Local Area Network) sau WiMAX-ul (Worldwide Interoperability for Microwave Access) pot comunica cu EPC prin interfaa S2. Acest lucru ar necesita o conexiune la MME, care este furnizat de interfee i funcii care nu sunt prezentate n aceast schem (fig. 2.4.).

3. Protocoale de acces radioLTE a cerut o reducere a complexitii relaiei dintre UE i RAN. Acest lucru permite de asemenea o reducere a complexitii reelei de acces. Anterior, protocoalele interfeei radio la UMTS care operau din UE interacionau cu destinaii mprtiate; nivelul fizic (physical layer) funciona ntre UE i Node B, n timp ce MAC, RLC, PDCP i RRC erau toate transmise la RNC.n E-UTRA, toate protocoalele interfeei radio opereaz ntre UE i doar eNode B. Toate nivelurile de protocoale sunt afiate mai jos (fig. 3.1.).

Figura 3.1. Stiva de protocoale de acces radioNivelul MAC este responsabil pentru gestionarea accesului aleator, planificri, prioritizri, multiplexri, corectarea erorii HARQ (Hybrid ARQ) i selectarea formatului de transport. Nivelul RLC este responsabil de gestionarea diferitelor moduri de transfer, transferul sub-nivelului (upper-layer) PDU, corecii de erori prin ARQ (Automatic Repeat reQuest), concatenri, segmentri i reasamblri de SDU (Service Data Units).3.1. STCP, PDCP i RRCn UMTS Release 99, traficul interfeei lu a fost transportat pe ATM (Asynchronous Transfer Mode) cu diferite tipuri de AAL (ATM Adaptation Layer), ce sunt utilizate pentru ncapsularea i pentru traficul trasnportului de control-plane i user-plane. Specificaiile din Release 5 au prevzut o cale de upgrade ctre transportul prin IP, care a permis traficului existent de user-plane s fie ncapsulat prin IP, n loc de ATM.Specificaiile despre EPS din Release 8 au descris un mediu de reea all-IP, n care formatele mesajelor se schimb singure, folosind protocoalele S1AP i X2AP pentru traficul control-plane-ului, iar amndou folosesc IP. Pentru a asigura transportul eficient al mesajelor de semnalizare, protocolul folosit la nivelul 4 trebuie s asigure transmisia datelor rapid i sigur (reliable).Cele mai des folosite protocoale la nivelul 4 n stiva de protocoale IP, UDP i TCP, nu pot oferi un serviciu destul de bun pentru trafic. UDP asigur un serviciu rapid, dar fr conexiuni (connectionless), unde nu exist posibilitatea retransmiterii pachetelor eronate, a eliminrii pachetelor duplicate sau nu se asigur livrarea ordonat. TCP ofer fiabilitatea cerut, dar are probleme de sincronizare cauzate de exemplu de blocarea n timp cnd se pierde un pachet sau se retransmite un pachet eronat.

Figura 3.2. SCTPSCTP este un protocol de transport de uz general, conceput de ctre IETF pentru aplicaii orientate spre mesaj, precum semnalizri. Acesta depete problemele de la TCP i UDP ntr-o stiv convenional de protocoale, prin ruperea fluxurilor de mesaje ntre dou dispozitive identice ntr-o serie de fluxuri diferite fiecare flux i gestioneaz propriul proces de retransmisie, astfel nct retransmisia unui pachet eronat ce aparine unui flux nu ncetinete livrarea pachetelor ce aparin celuilalt flux.SCTP mai introduce tolerana la erori la nivel de reea, prin caracteristica sa de localizare multipl (multihoming), care permite unui dispozitiv s fie conectat prin link-urile IP n mai multe reele.Protocolul a fost iniial conceput ca o metod sigur de transport a mesajelor de semnalizare SS7 (Signalling System No.7) peste o reea IP, dar poate transporta mesaje pentru o varietate mare de alte protocoale de comunicaie.

Figura 3.3. PDCP, RRC i MACPDCP este responsabil pentru: compresia antetului folosind RoHC (Robust Header Compression); cifrarea datelor din user-plane i control-plane; protecia integritii datelor de tip control-plane; transferul datelor de tip user-plane i RRC.Nivelul RRC este responsabil pentru: crearea informaiei de sistem BCH (Broadcast Channel); crearea i gestionarea canalului PCH (Paging Channel); gestionarea conexiunii RRC dintre eNode B i UE-uri, inclusiv prin generarea identificatorilor temporari precum C-RNTI (Cell Radio Network Temporary Identifier) sau prin funcii legate de mobilitate precum rapoarte de msurare, HO inter-celule sau inter-eNode B; gestionarea QoS; transfer direct de mesaje de la NAS (Non-Access Stratum) la UE.

3.2. MACNivelul superior al E-UTRA este format n principal din blocuri de transport. Aceste blocuri sufer mai multe etape de formatare nainte de a ajunge la nivelul MAC i de a fi incluse n MAC PDU-uri.Structura de baz a unei uniti MAC este format din dou entiti, antet i partea util (MAC header i MAC payload). Partea util conine numere variabile de MAC SDU-uri, MAC CE-uri, si la nevoie, un cmp suplimentar. Dac cmpurile interioare ale MAC PDU pot varia ca dimensiune, PDU-ul nsi trebuie s fie dimensionat pentru a se potrivi n blocurile de resurse din nivelul fizic la care acestea vor fi mapate. Nu este permis s existe discontinuiti n transmisie, dar de obicei cantitatea de informaie transportat de ctre PDU nu se ncadreaz n dimensiunea blocurilor cu resurse din nivelul fizic. Astfel, este necesar completarea cu cmpuri.

Figura 3.4. Structura unui PDS MACAntetul MAC-ului este compus din mai multe sub-antete, fiecare dintre ele referindu-se la cte un SDU, MAC CE i, n anumite circumstane, i la cmpurile suplimentare. Ordinea acestor antete secundare este ntocmai cu ordinea cmpurilor din partea util. Fiecare antet secundar este constituit din 6 elemente: doi bii rezervai, un bit de extensie, o identitate de 5 bii - LCID (Logical Channel Identity), un bit rezervat cmpului F i un numr de bii variabili pentru cmpul ce indic lungimea pachetului. Bitul E indic dac exist antete secundare ce preced partea util a cmpului MAC. Cmpul LCID are dublu rol, pe de o parte identific identitatea canalului logic corespunztor SDU-ului corelat, iar pe de alt part, dac header-ele se refer la un element de control al MAC sau cmp suplimentar, are rolul de a indica tipul cmpului. Bitul F indic dimensiunea cmpului ce indic lungimea n octei a pachetului corespunztor (poate varia de la 7 pn la 15 bii), iar indicatorul de lungime, aa cum am menionat mai devreme, indic dimensiunea SDU-ului corespunztor, n octei. Blocurilor de transport nu li se permite suprapunerea pe mai multe pachete MAC din moment ce pentru fiecare UE se poate transmite maxim un pachet per bloc de transport. Un bloc de transport va fi transmis de-a lungul TTI (Transmission Time Interval), definit pentru E-UTRA ca o perioada de sub-cadru, sau o 1ms.Procedura de acces aleatoriu este controlat de ctre MAC si nivelul fizic i folosete o combinaie ntre PRACH (Physical Random Access Channel) i PDCCH (Physical Downlink Control Channel).UE-urile sunt informate de gama de preambuluri de acces aleatoriu disponibile n celula curent prin PBCH. Cnd necesit acces aleatoriu, UE ndeplinete urmtoarele funcii: Alege aleatoriu un preambul; Verific BCCH (Broadcast Control Channel) pentru configuraia curent a PRACH, cutnd sa indice locaia i periodicitatea resurselor PRACH din UL; Calculeaz parametrii de control al puterii buclei deschise: puterea iniial, puterea maxim i pasul;

Figura 3.5. Procedura de acces aleatoriuAsemntor sistemelor WCDMA, odat ce UE transmite un pachet RACH, acesta va avea un timp de ateptare (RA_WINDOW) nainte de a rencerca iniierea procesului de acces. Controlul puterii buclei deschise asigur pentru fiecare ncercare succesiv o putere suplimentar. n momentul n care UE primete un rspuns pozitiv n urma cererii RACH, eNode B-ul va calcula ajustarea puterii pentru UE pe baza puterii i ntrzierii semnalului recepionat. De asemenea, va planifica capacitatea de UL garantat s asigure UE transmiterea de detalii suplimentare cererii fcute. Dac este necesar, va atribui un RNTI (Radio Network Temporary Identifier) pentru a fi folosit de ctre UE pentru mobilitate radio.Funcia principal a MAC-ului este de a gestiona accesul la un mediu comun de transmisiune pentru multiple dispozitive. Acest lucru este realizat de funcia eNode B-ului de planificare/programare. Alocarea de resurse va fi fcut pe baza unui algoritm de planificare, ale crui carateristici nu sunt definite de standardul de comunicaie. Totui, vor fi luate n considerare performana canalului, ncrcarea buffer-ului de date, puterea UE i prioritatea traficului.

Figura 3.6. Funciile de planificare ale MAC-uluindat ce UE stabilete o relaie RRC cu un eNode B, este atribuit un C-RNTI, care va identifica n mod unic acel UE n cadrul celulei. C-RNTI-ul va fi folosit pentru a adresa orice mesaj de control i planificare/programare spre sau de la UE. Fiecare UE este capabil s stabileasc multiple purttoare EPS, care reprezint traficul NAS i conexiunile de semnalizare ce sunt transportate de la UE la reeaua central.Alocrile iau forma unui sau mai multor PRB (Physical Resource Block), care vor fii populate folosind o MCS (Modulation and Coding Scheme) specific. Alocrile pot fi fcute pentru una sau mai multe perioade TTI. Tehnologia LTE ofer trei moduri de planificare. Primul, cunoscut ca planificare dinamic, implic folosirea de mesaje MAC de DL i mesaje de garantare a UL-ului n PDCCH pentru a aloca resursele cerute. Pentru traficul VoIP (Voice over IP), unde este necesar o alocare regulat i sigur pentru a ndeplini cerinele QoS, LTE ofer planificare persistent. Aceasta este asigurat printr-o combinaie ntre semnalizarea RRC n DL-SCH (Downlink Shared Channel), pentru specificaiile iniiale ale intervalului n care se aloc resurse, i semnalizarea MAC n PDCCH pentru informaii PRB si MCS mai specifice.A treia opiune de planificare, cunoscut ca planificarea semi-persistent, este folosit exclusiv cu scopul alocrii resurselor pentru stabilirea sau reconfigurarea unei resurse planificat persistent. n acest caz, o SPS (Semi Persistent Scheduling) va fi folost pentru a adresa UE, care este diferit de C-RNTI-ul UE-ului.Fiecrui flux de date n parte, transportnd unul sau mai multe conexiuni ale purttoarei EPS, i este atribuit o LCID corespunztoare nivelului fizic.

Figura 3.7. Multiplexarea resurselorPlanificarea traficului non-multicast/broadcast are loc per UE, sau, mai precis, bazat per C-RNTI. Alocarea capacitii DL i UL pentru un UE este semnalat n PDCCH prin includerea lui C-RNTI i a parametrilor capacitii alocate. O PDU MAC va fi mapat n cadrul capatii astfel semnalizate. Formatul PDU al MAC face posibil multiplexarea unui numr de SDU-uri i mesaje de control mpreun. n acest scenariu, fiecare PDU MAC va suporta trafic pentru un singur UE, dar va fi capabil sa multiplexeze mpreun traficul de la cteva servicii paralele conectate la acel UE.Definirea QoS este responsabilitatea nivelului RRC, dar are ns importan i n funcionalitatea planificrii MAC. n DL, SAE-urilor li se atribuie un nivel QoS fie GBR (Guaranteed Bit Rate), fie AMBR (Aggregate Maximum Bit Rate).GBR este aplicat purttoarelor individuale, n timp ce AMBR este aplicat unui grup de purttoare agregate crora nu le este setat nicio rat garantat, dar n schimb trebuie sa mpart banda cu ali membrii ai grupului.n UL, purttoarelor EPS li se atribuie mai nti un nivel de prioritate, determinat de tipul traficului sau de ali difereniatori. Fiecrui grup prioritar dintr-o celul i este atribuit un PBR (Prioritized Bit Rate), care limiteaz biii disponibili pentru membrii fiecrui grup. Adiional, fiecrei purttoare i este asociat propriul MBR (Maximum Bit Rate). Planificarea pentru alocrile UL vor fii controlate pe baza prioritii descresctoare. De exemplu, EPS cu cea mai mare prioritate este planificat prima, apoi celelalte n ordinea descreterii prioritii. 3.3. Operaia HARQ (Hybrid automatic Repeat reQuest)Procesul ARQ este controlat de nivelul RLC, n timp ce HARQ este controlat de nivelul fizic si MAC. Ambele procese au rolul de a manageria transmisia i retransmisia blocurilor de transport. ARQ realizeaz retransmiterea PDU-urilor RLC care nu ajung la destinaie. Bazat pe rspunsuri de confirmare de la entitatea RLC partener, ARQ pur i simplu va retransmite PDU-urile care nu au ajuns la destinaie n aceeai ordine.

Figura 3.8. Procesul HARQHARQ este proiectat s mreasc viteza ciclurilor de retransmisie i s reduc problemele ce pot aprea ca efect al retransmisiei. Acest lucru se realizeaz n doua moduri. n primul rnd, HARQ implic medote de codare complexe TB (Transport Block) care iniial reduc cantitatea de informaii transmise n fiecare bloc. Aceasta se realizeaz prin tehnica perforrii/alterrii, ceea ce presupune ca biii specifici din fiecare TB sunt eliminai din bloc n urma unui algoritm de perforare. Dimensiunea redus a fiecrui TB face ca interfaa radio sa aib o capacitate mai mare. La destinaie, blocurile ajunse fr erori sunt prelucrate i datele lips sunt refcute.HARQ gestioneaz situaiile n care are de-a face cu blocuri de transport eronate n dou moduri: combinarea prin urmrire i redundan incremental. Combinarea prin urmrire presupune pur i simplu retransmiterea blocurilor cu erori, iar staia receptoare ncearc s compun o versiune bun din toate versiunile primite. Redundana incremental este mult mai complex i utilizeaz trei algoritmi de perforare pe care i aplic blocurilor de transport. Dac blocul iniial, asupra cruia s-a aplicat un algoritm descris mai sus, ajunge la destinaie cu erori, acesta va fii retransmis dup ce se va supune aciunii unui algoritm alternativ. Din nou, la recepie se va ncerca crearea unei copii bune a blocului iniial.Cealalt tehnic folosit de HARQ este Procesul N Start i Stop. Aceast procedur const n divizarea irului de TB transmise pe o purttoare ntr-un numr de subcanale HARQ. Retransmiterea unui TB cu erori aparinnd subcanalului A afecteaz numai TB-urile din acel subcanal. Celelalte TB-uri nu vor fii afectate de nevoia de a opri procesul i a atepta ca TB-urile lips s fie retransmise.

3.4. RLC (Radio Link Control)Nivelul RLC este responsabil pentru gestionarea fluxului fiecrei purttoare EPS pe interfaa radio. Pentru a face fa tuturor tipurilor de purttoare EPS, acesta trebuie s sprijine trei moduri diferite de transfer: TM (Transparent Mode), UM (Unacknowledged Mode) i AM (Acknowledged Mode). Perechile de niveluri RLC care se ocup cu transferul de o purttoare sunt cunoscute ca entiti RLC.Purttoarele TM nu primesc vreun serviciu din nivelul RLC, nici mcar adugarea unui antet RLC pentru PDU. Blocurile de transport sunt pur i simplu ncapsulate i transferate. Serviciile de corectare a erorilor, de retransmisie i segmentare pentru conexiuni TM au loc la nivelele superioare sau chiar deloc. n acest caz, un PDU RLC este nivelul superior al blocului de transport fr date protocol suplimentare adugate.Purttoarele UM primesc un serviciu fr conexiune din nivelul RLC. Segmentarea i reasamblarea PDU RLC pot fi cerute, dac este necesar; transferul secvenial i reordonarea PDU-urilor vor fi efectuate, duplicate, iar cele eronate vor fii eliminate, retransmisia nefiind acceptat.AM ndeplinete toate funciile de UM, dar de asemenea sprijin i retransmisiile PDU-urile eronate sau care lipsesc.Pentru conexiuni de tip UM i AM, nivelul RLC adaug un antet i poate sau nu efectua segmentarea sau concatenarea blocurilor de transport cum este necesar.

Figura 3.9. Structura unui PDU la nivel de RLCSunt puin diferite formatele antetului la PDU n cazul UM i AM, dar amndou modurile suport urmtoarele cmpuri: SN (Sequence Number) numr de ordine FI (Framing Information) informaii despre fragmentare E (Extension headers present indicator) antetele extinse LI (Length Indicator) indicator de lungime (opional)Spre deosebire de nivelul RLC din unele variante UMTS i GSM, RLC-ul din E-UTRA nu are o dimensiune fix pentru PDU. Unele sisteme mai vechi segmentau tot traficul n PDU-uri de dimensiuni fixe i apoi forau nivelul MAC s concateneze mai multe SDU RLC-uri ntr-un dingur PDU.E-UTRA evit aceaste segmentri i concatenri inutile acolo unde este posibil. Nivelul RLC ncearc s fac fa TB-urilor de nivel i va segmenta doar cnd TB (plus date RLC) este mai mare dect PDU-ul MAC-ul care l va transporta.

3.5. Operaia PDCP (Packet Data Convergence Protocol) i protecia integritiiRelativ trziu n dezvoltarea E-UTRA, PDCP-ul a fost programat s opereze ntre eNode B i reeaua central prin interfaa S1 sau ntre dou eNode B-uri peste interfaa X2 n timpul transferurilor. Pn la prima lansare a specificaiilor din octombrie 2007, funcionalitatea fusese mutat la eNode B.

Figura 3.10. PDCPFunciile de baz al nivelului PDCP sunt compresia antetului pachetului din nivelul superior (IP), codarea i protecia integritii a mesajelor de control.Protocolul de compresie a antetului se bazeaz pe cadrul RoHC. Exist mai muli algoritmi de compresie a antetelor, numite profiluri, definite pentru cadrul RoHC. Fiecare profil este specific unui nivel particular - reea (Layer 3), transport (Layer 4) sau unei combinaii de protocoale - TCP/IP i UDP/RTP/IP. E-UTRA accept n prezent numai profile de RoHC care se ocup de fluxurile TCP/IP.Codificarea i decodificarea n E-UTRA sunt efectuate la nivelul PDCP, n detrimentul nivelurilor fizic, MAC sau RLC. O descriere detaliat a serviciilor de codificare E-UTRA nu a fost nc publicat, dar detaliile disponibile pn acum indic faptul c funcioneaz dup aceleai principii ca i schemele de codificare folosite n GSM i UMTS Release 99.PDCP trebuie s se asigure de asemenea c mesajele de control ntre eNode B i fiecare UE sunt protejate i c orice intercepie sau modificare a mesajelor este detectabil. Schema proteciei integritii utilizeaz un mecanism de MAC (Message Authentication Code) bazat pe algoritmul lui Kasumi. Autentificarea CMAC (bazat pe cifrul MAC) ofer o metod simpl de a verifica autenticitatea unui mesaj i de a determina dac acesta a fost falsificat "n zbor".

Figura 3.11. Protecia integritiiMesajele de management sunt prevzute cu o etichet CMAC, care este generat folosind o combinaie ntre algoritmul CMAC, coninutul mesajului i sistemul de criptare. Emitorul insereaz un CMAC n fiecare mesaj transmis. i receptorul generez propriile tag-uri CMAC pe baza coninutului mesajului primit, a algoritmului CMAC i copia sistemului de criptare. Dac mesajul este autentic i nealterat, eticheta CMAC generat local trebuie s corespund cu cea anexat la mesaj i mesajul de management. Prin urmare, mesajul este acceptat ca autentic. Integritatea proteciei este activat de parametrul IK (Integrity Key), mprtit de SIM i de HSS. 3.6. Funciile i strile RRC (Radio Resource Control)La fel ca alte protocoale din E-UTRA, nivelul RRC, care anterior era n RNC, a fost cedat eNode B-ului. Principalele funcii RRC principale realizate de eNB includ: crearea de informaii de sistem BCH; crearea i administrarea PCH; managementul conexiunii RRC ntre eNode B i UE, inclusiv generarea de identificatori temporari, precum C-RNTI; funcii legate de mobilitate precum raportarea de msurtori, schimbul inter-celule i schimbul inter-eNode B UE; managementul calitii QoS; transfer direct de mesaje de la NAS la UE.RRC deine n general controlul resurselor radio n fiecare celul i este responsabil pentru colectarea i gestionarea informaiilor relevante referitoare la UE-urile active n domeniu.Fiecare eNode B este responsabil pentru gestionarea transferurilor inter-celule ntre toate celulele pe care le controleaz. Cnd eNode B-ul necesit trecerea la alt celul, el va transmite detaliile ale UE-ului curent vecinului su. Acestea includ detalii despre identitile utilizate, istoricul msurtorilor efectuate i purttoarele EPS active.n comparaie cu GSM i UMTS, E-UTRA utilizeaz un set foarte simplu de descrieri de stare RRC. Starea inactiv RRC se refer la terminalele care sunt alimentate i au acces la reea, dar n prezent nu sprijin nicio conexiune. Aceste terminale vor monitoriza canalul de paginare n celula curent i vor efectua reselectarea celulei. UE-urile n ateptare nu au niciun coninut RRC legat de vreun eNode B, deci nu au atribuit niciun C-RNTI.Un UE conectat va avea un context RRC activ n legtur cu unul sau mai multe eNode B-uri. Locaia sa va fi astfel cunoscut i va avea cel puin un C-RNTI atribuit.

Figura 3.12. Strile RRC

3.7. Funciile RRMStaia eNode B a motenit nivelulul RRM, care n cazul 3G se afla stocat n RNC. Setul de baz de funcii RRM efectuate de eNodeB sunt descrise mai jos.Functiile RBC (Radio Bearer Control) n reeaua E-UTRAN au mai multe n comun cu cele din HSPA dect cu cele din Release 99 din cauza lipsei unei structuri dedicate ale canalului. Aceste funcii sunt strns legate de cele de planificator astfel nct amndou sunt concentrate pentru a realiza cea mai bun utilizare posibil a resurselor radio disponibile n celul.RAC (Radio Admission Control) are sarcina de a accepta sau de a respinge cererile de stabilire a unor conexiuni radio. Fiecare cerere nou fcut n urma unui rspuns la o cerere a unui utilizator, la un eventiment de chemare sau la un handover este evaluat n funcie de ncrcarea curent pe celul i de efectul pe care l-ar putea avea noua conexiune asupra conexiunilor deja existente.CMC (Connection Mobility Control) se preocup cu funciile de management ale mobilitii precum funciile de creare i control ale parametrilor canalului de broadcast care ajut selecia i reselecia celulei pentru utilizatorii (UE-uri) n idle-mode. De asemenea, CMC administreaz evenimentele de tip handover pentru utilizatorii n modul activ, precum i colaionarea i analiza msurtorilor asociate evenimentelor de handover.DRA (Dynamic Resource Allocation) sau PS (Packet Scheduling ) are sarcina de a aloca sau de a retrage resursele staiei eNodeB i interfeei radio pentru trasmisiunea pachetelor de user i control plane. La nivel fizic aceasta include selecia resurselor bloc, iar la nivele mai nalte include aceste funcii preiau aspecte precum prioritatea i calitatea serviciilor ( QoS ). ICIC (Inter-Cell Interference Coordination ) administreaz resursele radio astfel nct nivelul interferenelor din cadrul celului este meninut sub control. Acesta poate include comunicarea peste interfaa X2 astfel nct staiile eNode B vecine s i coordoneze activitile ICIC.LB (Load Balancing) caut s asigure o distribuire n mod egal a traficului din interfaa radio ctre celulele controlate de staia eNode B astfel nct nicio celul individual s nu fie suprancrcat. 3.8. Achiziia sistemuluiCutarea celulei este o activitate obligatorie pentru a intra ntr-o reea i trebuie s fie fcut de fiecare dat cnd un utilizator se afl ntr-un spaiu n care nu are detalii (stocate sau atribuite) valide despre canalul de conexiune.

Figura 3.13. Procesul de achiziie a sistemuluiComparativ cu sisteme de GSM sau UMTS, care utilizeaz lrgimi de band fixe ale canalului, E-UTRAN suport o variaie a lrgimii de band a canalului de conexiune de la 1.4 MHz la 20 MHz. Aceasta face cutarea celulei mai dificil. Cu toate acestea se asigur o cutare similar pentru toate lrgimile de band.Cu toate c majoritatea canalelor au lrgimi de band diferite, ele sunt construite din blocuri de lrgime fix care sunt ntotdeauna de 180 kHz. n plus, indiferent de limea de band, funcionalitatea canalului principal de control este coninut n 72 de subpurttoare n centrul canalului. Utilizatorul va stoca pe SIM detalii despre ultimul canal utilizat n momentul n care dispozitivul se nchide i va ncerca s reutilizeze acelai canal n momentul n care pornete din nou. Dac vechiul canal nu este disponibil, atunci UE-ul va utiliza lista de canale definite de operator, n cazul n care aceast list exist. Dac nu exist, UE-ul este forat s efectueze o cutare complet de celul n limita limii de band a canalului pe care le suport. 3.9. Suprafaa de urmrire i procedura de chemareUE-urile aflate n modul idle (de ateptare) vor realiza reselecia celular pentru a se asigura c se afl pe cea mai bun celul. Dup reselecie, UE va monitoriza BCH-ul noii celule. Dac ID-ul ariei de urmrire n noua celul difer de cel trasmis de vechea celul, atunci se mut n starea de conectat RRC i realizeaz o actualizare a locaiei. MME-ul va urmri locaiile fiecrui UE i va actualiza informaiile stocate prin operaia TAU (Tracking Area Update).

Figura 3.14. Procedura de pagingn cazul GSM, urmrirea locaiei era n responsabilitatea VLR-ului (Visitor Location Register) care era n serviciul MSC-ului (Mobile-services Switching Centre). Fiecare VLR avea n responsabilitate un set specific de staii astfel nct dac se defecta, atunci se ntrerupeau chemrile (paging) i odat cu acestea i actualizrile de locaie. n cazul LTE, facilitatea interfeei S1-flex face ca fiecare eNode B s aib legturi cu mai multe MME-uri i S-GW-uri, iar aceast flexibilitate asigur o redundan. Fiecare eNode B este responsabil pentru a-i compila canalul propriu de paging, bazat pe o cerere de paging din partea MME-ului. n interfaa S1-flex, fiecare eNode B va primi informaiile de chemare de la mai multe entiti MME care vor fi combinate i propagate n toate celulele sale. 3.10. Tipuri de handover pentru LTEReeaua LTE ofer dou mecanisme pentru traficul continuu de date n timpul trecerii unui UE dintr-o suprafa de acoperire a unei celule ctre o suprafa de acoperire a altei celule. Odat ce o decizie de handover a fost efectuat, sistemul poate transfera datele fie printr-un handover seamless, fie printr-un handover lossless.

Figura 3.15. Comparaie ntre cele dou tipuri de handoverUn handover seamless este dorit pentru serviciile netolerante la ntrzieri, precum VoIP. n general, acest tip de handover este aplicat pentru graniele radio utiliznd modul UM al RLC. n aceast procedur, pachetele netransmise pot fi transferate de la eNode B-ul surs la cel destinaie dar nu se va asigura nicio operaie de luare la cunostiin. n exemplul ilustrat, pachetul numrul 3, transmis cu secvena de PDCP nerecunoscut, va fi pierdut. Numai pachetul 4 de PDCP este transferat att timp ct nu a fost nc transmis. Cnd trasmisiunea este reluat pe noua celul, PDCP i ali contori sunt resetai. Aceasta rezult ntr-un handover rapid dar potenial de pierderi de pachete.Pentru serviciile de date care pot tolera ceva ntrzieri dar nu pot accepta deloc pierderi de pachete se folosete un handover lossless. n general, acest tip de handover este folosit pentru graniele radio care folosesc modul AM al RLC. n aceast procedur, PDCP este transferat de la eNode B-ul surs la eNode B-ul destinaie. PDCP i ali contori vor continua secvena existent. n exemplul ilustrat pachetul PDCP numrul 3 este retransmis ctre eNode B-ul destinaie, dar fr ca acesta s fie luat la cunostin de acesta.4. Anex List de abrevieri

3GPPThird Generation Partnership ProjectAALATM Adaptation LayerAMAcknowledged ModeAMBR Aggregate Maximum Bit RateARQAutomatic Repeat reQuest sau Automatic Repeat QueryATMAsynchronous Transfer ModeBCCHBroadcast Control ChannelBCHBroadcast ChannelC-RNTI Cell Radio Network Temporary IdentifierCDMACode Division Multipe AccessCEControl ElementCMC Connection Mobility ControlCNCore Network, reeaua centralDLDownlinkDL-SCHDownlink Shared ChannelDRA Dynamic Resource AllocationE-UTRANEvolved Universal Terrestrial Radio Access NetworkEDGEEnhanced Data Rates for Global EvolutionEPCEvolved Packet CoreEPSEvolved Packet SystemGBR Guaranteed Bit RateGPRSGeneral Packet Radio ServiceGSMGlobal System for Mobile Communications, iniial Groupe Special MobileGTP-UGPRS Tunneling Protocol Control planeGTP-U GPRS Tunneling Protocol User planeHARQHybrid ARQHOHandoverHSPAHigh Speed Packet AccessICICInter-Cell Interference CoordinationIETFInternet Engineering Task ForceIMSIP Multimedia SubsystemLB Load BalancingLCIDLogical Channel IdentityLTE Long Term EvolutionMACMedium Access ControlMBRMaximum Bit RateMCSModulation and Coding SchemeMSCMobile-services Switching CentreNASNon-Access StratumOFDMAOrthogonal Frequency-Division Multiple AccessPBRPrioritized Bit RatePCHPaging ChannelPDCCHPhysical Downlink Control ChannelPDCPPacket Data Convergence ProtocolPDN-GwPacket Data Network GatewayPDUProtocol Data UnitPRACHPhysical Random Access ChannelPRBPhysical Resource BlockPSPacket SchedulingQoSQuality of ServiceRAC Radio Admission ControlRANRadio Access NetworkRANAPRadio Access Network Application PartRATRadio Access TechnologyRBCRadio Bearer ControlRLCRadio Link ControlRNCRadio Network ControllerRNSAPRadio Network Subsystem Application ProtocolRNTI Radio Network Temporary IdentifierRoHCRobust Header CompressionRRCRadio Resource ControlRRMRadio Resource ManagementS-GWServing GatewayS1APS1 Application PotocolSAESystem Architecture EvolutionSC-FDMASingle-Carrier FDMASCTPStream Control Transmission ProtocolSDUService Data UnitSGSNServing GPRS Support NodeSPSSemi Persistent SchedulingSS7Signalling System No.7TAUTracking Area UpdateTB Transport BlockTCPTransmission Control ProtocolTM Transparent ModeTTITransmission Time IntervalUDPUser Datagram ProtocolULUplinkUMUnacknowledged ModeUMTSUniversal Mobile Telecommunication SystemVLRVisitor Location RegisterVoIPVoice over IPWiMAXWorldwide Interoperability for Microwave AccessWLANWireless Local Area NetworkX2APX2 Application Protocol

5. Bibliografie

1. 3G Evolution HSPA and LTE for Mobile Broadband, Erik Dahlman, Stefan Parkvall, Johan Skld, Per Beming, MPG Books Ltd, United Kingdom2. An introduction to LTE: LTE, LTE-advanced, SAE and 4G mobile communications, Cristopher Cox, John Wiley & Sons Ltd, United Kingdom3. LTE/SAE Engineering Overview, www.wraycastle.com4. Mobile Network Architecture Fundamentals, Cisco5. Technical Specification Group Radio Access Network; Requirements for Evolved UTRA (E-UTRA) and Evolved UTRAN (E-UTRAN) (Release 7), 3rd Generation Partnership Project, 3GPP TR 25.913.4

3