99

Capitolul 8. PROTOCOLUL DE COMUNICARE N REEAUA UMTS

Principalele dou familii ale tehnologiilor pentru comunicaii mobile

mobile 3G sunt UMTS (Universal Mobile Telecommunications System) i CDMA2000 (Code Division Multiple Access). [5,6,7,12]

Tehnologia CMDA2000 este dezvoltat de compania Qualcomm ca succesor al standardului american IS95.

n Europa se folosete numai tehnologia UTMS, motiv pentru care n cadrul capitolului vor fi evideniate caracteristicile acestei tehnologii.

UMTS (Universal Mobile Telecommunications Systems) este succesor al sistemului GSM, iniial dezvoltat de ETSI, iar apoi preluat de 3GPP (Third Generation Partnership Project).

Pentru realizarea canalelor duplex exist dou modaliti i anume modul FDD (Frequency Division Duplexing) i modul TDD (Time Division Duplexing).

Iniial, majoritatea operatorilor europeni folosesc tehnologia FDD, dei modul TDD ofer performane mai mari n cazul transmisiilor de date.

Modul FDD de operare permite transmisii de date pe dou conexiuni radio, una pentru uplink i una pentru downlink. Un dezavantaj const n faptul c ambele conexiuni trebuie s aib aceeai mrime de band.

Modul TDD are o singur conexiune radio pentru transmiterea i primirea de date. Folosete sloturi de timp diferite, adaptnd ratele de uplink i downlink la cantitatea de date. Dac exist un trafic mai mic pentru uplink, bucla de timp este redus i realocat traficului pe downlink. 8.1. Arhitectura sistemului Arhitectura sistemului, din punctul de vedere logico - funcional are trei componente : [10,11,32]

- RAN (Radio Access Network) este reeaua de acces radio; - CN (Core Network) este reeaua central, care se ocup cu comutaia i

de rutarea comunicaiilor - UE (User Equipement) echipamentul terminal (al utilizatorului).

Dac accesul radio este de tip WCDMA (Wide CDMA), RAN se ntlnete sub numele UTRAN (UMTS Terrestrial RAN) sau UTRA . Reeaua de acces radio UTRAN ndeplinete mai multe categorii de funcii:

100

- controlul accesului n sistem; - criptare i de decriptare a canalului radio; - managementul resurselor radio; - funcii legate de serviciile difuzate.

Fig. 8.1.

Reeaua UTRAN este format din mai multe subsisteme radio RNS (Radio Network Subsystems). Subsistemele radio au n componen staii de baz NBs (Node Bs) care asigur comunicaia cu echipamentele terminale UE i contolere radio RNC (Radio Network Controllers) avnd rolul de administrare a frecvenelor radio .

101

Reeaua Central (CN) conecteaz UTRAN la reelele externe (spre exemplu la reeaua de telefonie public, la reeaua Internet). Echipamentul de utilizator (UE) este format din USIM (UMTS Subscriber Identification Module) i echipamentul mobil ME (Mobile Equipment). Arhitectura protocoalelor pe interfaa radio, prezentat n figura 8.1, este structurat pe trei nivele L1,..., L3. Nivelul L1 este nivelul fizic, avnd rolul de realiza legtura ntre echipamentul utilizatorului, pe canalele fizice, i nivelul de control al accesului la mediu MAC (Medium Access Control), pe canalele de transport. Canalele fizice sunt definite prin frecvena radio i cadru temporal (i codul, i puterea, .a.).

Nivelul legturii de date L2 asigur servicii i funcionaliti ca MAC, RLC. n planul de control interfaeaz subnivelul RLC cu contolerul resurselor radio RRC de la nivelul 3. n planul utilizator (U-plane information) interfaeaz subnivelul RLC cu protocolul de convergen a datelor n pachete PDCP (Packet Data Convergence Protocol) i cu controlul modurilor broadcast/multicast BMC (broadcast/multicast control).

Nivelul L3, de reea, asigur funcii pentru: - managementul resurselor radio RRM (Radio Resource Management), - controlul resurselor radio RRC (Radio Resource Control), - managementul mobilitii MM (Mobility Management), - managementul conexiunilor CM (Connection Management) , - controlul legturii logice LLC (Logical Link Control). Nivelul fizic L1 funcioneaz sub contolul nivelului 3 i anume sub controlul RRC(Radio Resource Control), prin intermediul nivelului 2 .

8.2. Canale de comunicaie Interfaa radio utilizeaz trei tipuri de canale: - canale logice (de trafic i de control), - canale de transport (comune i dedicate), - canale fizice (comune i dedicate).

102

Canalele logice sunt definite prin tipul de informaii care se transfer prin interfaa radio (date de utilizator, semnalizri pentru controlul funcionrii UE, informaii de sistem sau de control general, etc.). Nivelul MAC asigur servicii de transfer de date pe canale logice. n funcie de serviciul asigurat canalele logice pot fi canale de trafic TCH (pentru informaii din planul de utilizator) i canale de control CCH (pentru informaii din planul de control). [8] Spre exemplu cnd un terminal mobil (UE) trebuie s efectueze orice schimb de informaii cu reeaua, trebuie mai nti s stabileasc o legtur de semnalizare cu UTRAN. UE va transmite o cerere de acces pe un canal de control comun (CCCH), iar legtura de semnalizare se va desfura pe un canal de control dedicat (DCCH). Canalele logice de trafic asigur servicii, care sunt clasificate dup calitatea impus (QoS) n patru clase: Conversational, Streaming, Interactive i Background. Canale logice de trafic sunt DTCH (Dedicated Traffic Channel) canal bidirectional punct la punct dedicat unui UE pentru transferul datelor utilizator (fax, Web browsing); CTCH (Common Traffic Channel) canal unidirecional punct multipunct, folosit pe DL pentru transferul unor informaii utilizator dedicate tuturor mobilelor sau numai unui grup precizat. Canale logice de control sunt CCCH (Common Control Channel) - folosit de terminalele UE pentru a stabili o conexiune de nceput RRC cu reeaua, DCCH (Dedicated Control Channel) -canal bidirecional punct la punct pentru transferul de informaii de control dedicate ntre reea i un anumit UE , BCCH (Broadcast Control Channel) pentru a difuza informaii de contol tuturor mobileleor, PCCH (Paging Control Channel) pentru a localiza un mobil.

Canalele de transport au rolul de vehiculare datelor, la debite variabile, ntre nivelele sistemului. Canalele de transport sunt definite prin modul n care se face transferul de date precum i prin caracteristicile fluxului de date (codarea, debitul, ntrzierea de transfer necesar, .a.). Un singur tip de canal de transport este dedicat DCH (Dedicated Channel), restul BCH, FACH, PCH, RACH, CPCH i DSCH sunt canale comune. Canalele comune au nume diferite n funcie de destinaia datelor i n funcie de sensul comunicaiei (uplink sau downlink).

103

Canalele fizice sunt definite prin frecven a purttoarei, faz a purttoarei (numai pe uplink), cod, putere, cadru temporal, .a.

Un cadru radio (radio frame) conine 15 intervale temporale. Lungimea unui cadru corespunde duratei a 3840 chips.

Intervalul temporal (slot) este o unitate compus din cmpuri, ce conin bii de informaie. Un interval temporal corespunde duratei a 2650 chips. Resursa fizic de baz o reprezint planul cod-frecven. Pentru uplink exist dou canale fizice dedicate, din care unul pentru date, DPDCH (Dedicated Physical Data Channel) i unul pentru control, DPCCH (Dedicated Physical Control Channel) . Canalele DPDCH i DPCCH sunt multiplexate n cuadratur pe durata fiecrui cadru. Pentru downlink exist un singur tip decanal fizic dedicat DPCH (Dedicated Phisical Channel). Exist 3 canale comune pe uplink i 10 pe downlink difereniate n funcie de informaia vehiculat.

Caracteristicile sistemului UMTS Accesul multiplu pe interfaa radio se poate face n dou moduri: - DS-CDMA de band larg cu duplex frecvenial, WCDMA (FDD); - DS-CDMA de band larg cu duplex temporal, WCDMA (TDD). [5,20] Sistemul european UMTS, n varianta pentru reele terestre, utilizeaz pentru interfaa radio WCDMA, benzile de frecven - 1920-1980 MHz pentru downlink; - 2110-2170 MHz pentru uplink. Pentru interfaa radio WCDMA n modul TDD s-au alocat benzile frecven: - 1900-1920 MHz pentru downlink; - 2170-2200 MHz pentru uplink. Banda unui canal radio modulat QPSK este de 5 MHz , durata cadrului de 10 ms, numrul de sloturi temporare este 15, debitul chip de 3,84 Mcps sunt aceleai att pentru modul FDD ct i pentru modul TDD. Difer factorul de mprtiere DL (Down Link)/UL (Up Link) de 512:4/256:4 la FDD respectiv 16:1/16:1 la TDD i rata de simbol pe purttoare 7,5/15kbps i 240/240 kbps respectiv pentru modul FDD i modul TDD. Numrul de canale radio n band este de 12 la modul FDD i de 4 la modul TDD. n figura 8.2 sunt prezentate sloturile de pe o purttoare.

104

Fig. 8.2.

Distana dintre dou purttoare este mare de 4,2,..., 5 MHz (cu un rastru de 200 kHz) pentru ca s nu se produc interferene ntre canale. Canalele de transport, implementate pe canalele radio, sunt expandate spectral cu coduri de canalizare (spreading) i marcate cu coduri de mprtiere - amestecare (scrambling) pentru a permite identificarea UE sau a BS, n funcie de sensul transmisiei.

8.3. Coduri n figura 8.3. este sintetizat modul de mprtiere a datelor (expandare spectral) , n cazul FDD, pe ntreg spectrul de frecvene.

Fig. 8.3.

105

Codul de canalizare (channelization code) transform fiecare simbol (bit) de date ntr-un numr de chip-uri. Pentru a obine un debit de chip de 3,84 Mcps pentru diferite debitul de bit al datelor se modific factorul de mprtiere spectral SF (Spread Factor) i implicit debitul codului de canalizare. Rezultatul expandrii spectrale este prelucrat mpreun cu codul de scrambling, la debit fix (3,84 Mcps) Codul de scrambling este cel care difereniaz i premite identificarea treminalului utilizatorului, respectiv permite identificarea i decodarea informaiei trimis de staia de baz pentru mobil.. Utilizarea codurilor la staia de baz si la terminalul mobil este prezentat n figura 8.4.

Fig. 8.4.

Codurile de canalizare Codurile de canalizare (channelization codes) sunt coduri ortogonale cu factor de mprtiere variabil, OVSF (Orthogonal Variable Spreading Factor), care permit o separare ntre a canaleor fizice. Codurile ortogonale OVSF au lungimea de 4256 chips pe UL i de 4512 chips pe DL.

Transmisia datelor pe legtura ascendent (UL) se face cu ajutorul a dou purttoare n cuadratur. Pe calea I se transmite un canal de date DPDCH, iar pe calea Q un canal de control DPCCH, pe ambele ci fiind folosit modulaia BPSK.

106

Fig. 5.

Se folosesc coduri de canalizare Cd, i diferite pentru fiecare canal de date n parte, respectiv codul Cc pentru canalul de control. Fiecare cod are factorul de mprtiere SF corelat cu rata de transmisie de pe canalul respectiv. Semnalele rezultate sunt ponderate cu factori de ctig d (reprezentai pe trei bii), care sunt identici pentru canalele DPDCH, dar difer de cel folosit pentru canalul DPCCH.

107

Dup transformarea semnalului real n semnal complex, are loc multiplicarea cu o secven de cod Sdpch, n de valoare complex pentru operaia de bruiaj. Pe UL se pot transmite de la unul pn la ase canale de date DPDCH, mpreun cu un canal de control DPCCH. Dac sunt mai multe, canalele de date DPDCH se distribuie alternativ pe cile I i Q. Pe DL, unde se folosete modulaia QPSK, procedura de expandare spectral presupune iniial o conversie serie-paralel a datelor de intrare. Aceste date sunt destinate unui utilizator i conin un canal DPDCH i un canal DPCCH multiplexate. Fiecare pereche de simboluri consecutive este distribuit pe cile I (simbolurile pare) i respectiv Q (simbolurile impare) prin conversie serie-paralel. Se poate observa c, spre deosebire de cazul anterior, n DL debitele pe cile I i Q sunt egale. Cele dou ci sunt apoi multiplicate cu acelai cod de canalizare Cch, SF, m i convertite ntr-o secven de chip-uri complex. Datele pentru ali utilizatori sunt expandate spectral cu alte coduri de canalizare. Urmeaz operaia de codare cu secvena de cod de bruiaj, prin multiplicare cu Sdl, n, care este o secven de cod complex, specific unei anumite celule sau unui anumit sector de celul, aa cum se arat n figura 8.6.

Fig. 8.6.

Codurile de bruiaj Codurile de bruiaj (scrambling) folosite pe interfaa radio UTRA difer n funcie de utilizarea pe legtura ascendent (UL) sau pe cea descendent (DL). Ele sunt obinute, n general, prin truncherea unor secvene de cod mai lungi. Pentru UL se folosesc dou tipuri de coduri de scrambling: - Coduri lungi (n lungime de 38400 chips). Exist 224 coduri distincte, care se obin prin trunchierea unor secvene Gold, avnd lungimea iniial de 241.

108

- Coduri scurte (n lungime de 256 chips). Exist 224 coduri distincte, care se obin prin trunchierea unor secvene S(2) extinse. Pentru DL se folosesc numai coduri lungi, obinute prin trunchierea unor secvene Gold, avnd lungimea iniial de 218. Teoretic, sunt 262141 (218 - 1) coduri posibile, dar numai 8192 de coduri sunt utilizate. Aceste secvene sunt mprite n 512 seturi. Un set este compus dintr-un cod primar i 15 coduri secundare, ca n figura 8.7.

Fig. 8.7. Cele 512 seturi sunt divizate n 64 de grupe a cte 8 coduri primare fiecare. Astfel se simplific alocarea codurilor pentru DL, iar un termina mobil trebuie s recunoasc un cod din numai 512 coduri primare posibile. Recunoaterea codului de bruiaj al unei celule se realizeaz de fapt n dou etape. n prima etap se identific una din cele 64 de grupe, iar n cea de-a doua etap se identific un cod din cele 8 coduri primare.