Umts

Elektrotehnički fakultet Univerzitet u Beogradu

Javni mobilni radio-sistemi

(UMTS)

Prof. dr Đorđe Paunović Doc. dr Aleksandar Nešković Dr. Nataša Nešković

3G - Oblasti primene Servis prema zahtevima korisnika • Informacije: WWW, kupovina, pristup javnim medijima on-line. • Edukacija: virtuelne škole, on-line pristup bibliotekama, bazama znanja, laboratorijama. • Zabava: audio, video, igre na zahtev, virtuelna putovanja ... • Društveni servisi: socijalne službe, pomoć u kući, vladine agencije. • Poslovi: virtuelna radna mesta, firme, poslovanje, banke, berza, … • Komunikacije: Komunikacije svi oblici personalnih komunikacija, video telefon, video konferencije. • Saobraćajni servisi: servisi saobraćajne informacije, navigacija. • Specijalni servisi: servisi telemedicina, nadzor i obezbedjenje, hitna pomoć on-line, ...

Osnovni uslovi: Globalni roaming & interkonencija provajdera

UMTS Servisi

• GOVOR. Servis osetljiv na kašnjenja. • SMS: E-mail i kratke poruke. Servis tolerantan na kašnjenja. • CIRCUIT SWITCHED DATA: mali protoci. Servis osetljiv na kašnjenja. • MEDIUM MULTIMEDIA: Internet, korporacijski intranet, edukacija. Servis tolerantan na kašnjenja. • HIGH MULTIMEDIA: visoki protoci, file transfer (ftp); video servis. Servis tolerantan na kašnjenja. • HIGH INTERACTIVE MULTIMEDIA: video konferencije, daljinski monitoring. Servis osetljiv na kašnjenja.

7

3G sistemi - ciljevi i nastanak • 3G sistemi treba da omoguće široku lepezu servisa kao što su telefonija, prenos multimedijalnih poruka, širokopojasni prenos podataka, kao i pristup Internetu. • 3G sistemi treba da omoguće mobilnost na globalnom nivou. • Početkom 90-tih ITU definiše osnovni koncept za 3G sisteme International Mobile Telecommunications 2000 (IMT-2000). • Na globalnom nivou izvršena je alokacija radio-spektra za potrebe IMT-2000 u frekvensijksom opsegu 2GHz. • ETSI postavlja standarde na osnovama koncepta IMT-2000 UMTS – Universal Mobile Telecommunications System • ITU usvaja UMTS kao oficijalni standard za 3G realizaciju i istovremeno daje usvaja još dva standarda CDMA2000 i TD-SCDMA (Kina) • UMTS primenjen na evoluiranoj GSMNovembar arhitekturi – 3GSM. 2003

3G – Dodeljeni frekvencijski spektar PHS

IMT-2000/UL

IMT-2000/DL

JAPAN

PCS UnLic

PCS/UL

PCS/DL

unlic

USA

1* reserved, not assigned to an operator 2* assigned to an operator 11/97 UMTS DECT TDD

DCS 1800/DL

UMTS/UL

EUROPE

UMTS/DL

PCS FDD

DCS 1800

1*

CHINA

DCS 1800

WLL FDD

1 2 3

1*

WLL TDD

IMT2000 PCS FDD 1*

2*

1 2 3

1900

IMT-2000

1*

MSS

1950

2000

MSS DL

IMT-2000 FDD

TDD

MSS DL

UL

IMT2000 FDD 1850

MSS

IMT2000

UL

DECT TDD ??

SINGAPORE

WLL FDD

MSS DL

UL Possible ext for DCS

1800

MSS

UMTS TDD

2050

2100

2150

2200

3GSM (IMT-2000) – definicija zahtevanih protoka – ITU je definisao minimalne zahteve po pitanju protoka: • Visoka mobilnost korisnika (brzina korisnika do 120km/h) - minimalan protok od 144kbs u ruralnom okruženju na otvorenom. • Potpuna mobilnost korisnika (brzina manja od 120km/h) - minimalan protok od 384kbs u urbanom orkuženju na otvorenom. • Ograničena mobilnost korisnika (brzina manja od 10km/h) - minimalan protok od 2Mbs unutar zgrade ili na manjem ograničenom otvorenom prostoru.

Novembar 2003

4 tipa saobraćaja (QoS klase)

Osnovni koncept UMTS • UMTS koristi ATM u domenu transporta i W-CDMA u domenu radio-kanala. • Radi podrške velikim protocima, u radio-opsegu sistem se realizuje kao širokopojasni sistem koji radi u frekvencijskom FDD (frekvencijski dupleks) i vremenskom TDD (vremenski dupleks) modu. • ATM prenosi podatake u ćelijama fiksne dužine sa različitim garantovanim kvalitetima za pojedine servise. • Sistem prenosa može istovremeno da prihvati različite brzine komunikacije, sa saobraćajem različitih servisa. • U domenu transporta sve više se koristi IP prstup.

Wideband CDMA – WCDMA (UMTS – radio-interfejs) •

Novembar 2003

WCDMA - osnovni principi •

Novembar 2003

Wideband CDMA – WCDMA (UMTS – radio-interfejs)

Novembar 2003

Wideband CDMA – WCDMA (UMTS – radio-interfejs)

Spreading factors vary from 4 to 512 in FDD UMTS to spread over ~5MHz. Spreading process gain canNovembar in expressed 2003 in dBs (Spreading factor 128 = 21dB gain).

Interference Margin (WCDMA) WCDMA uses spreading factors 4 - 512 to spread the base band data over ~5MHz band. Spreading factor in dBs indicates the process gain. Spreading factor 128 = 21 dB process gain). Interference margin is calculated from that: Interference Margin = Process Gain - (Required SNR + System Losses) •Required Signal to Noise Ration is typically about 5 dB •System losses are defined as losses in receiver path. System losses are typically 4 - 6 dBs

Širenje spektra

Skupljanje spektra

Izdvajanje korisnog signala

Nemogućnost izdvajanja korisnog signala

Širenje spektra

• ortogonalni kodovi sa promenljivim faktorom širenja (orthogonal variable spreading factor [OVSF] codes) koji obezbeđuju različite bitske protoke na radio interfejsu

Matrice za generisanje ortogonalnih kodova

Volšovo stablo

Izdvajanje različitih signala iz zajedničkog

Funkcije ortogonalnih i pseudoslučajnih kodova

Uplink sobraćaj

Downlink sobraćaj

UMTS – tehničke karakteristike –1/3 (WCDMA – FDD – osnovna tehnologija) • Frequency band:1920 MHz -1980 MHz and 2110 MHz - 2170 MHz (Frequency Division Duplex) UL and DL • Minimum frequency band required: ~ 2x5MHz • Frequency re-use: 1 • Carrier Spacing: 4.4MHz - 5.2 MHz • Maximum number of (voice) channels on 2x5MHz: ~196 (spreading factor 256 UL, AMR 7.95kbps) ~98 (spreading factor 128 UL, AMR 12.2kbps) • Voice coding: AMR codecs (4.75 kHz - 12.2 kHz, GSM EFR=12.2 kHz) and SID (1.8 kHz) • Channel coding: Convolutional coding, Turbo code for high rate data • Duplexer needed (190MHz separation), • Asymmetric connection supported • Tx/Rx isolation: MS: 55dB, BS: 80dBNovembar 2003 • Receiver: Rake

UMTS – tehničke karakteristike – 2/3 (WCDMA – FDD – osnovna tehnologija) • Receiver sensitivity: Node B: -121dBm, Mobile -117dBm at BER of 10-3 • Data type: Packet and circuit switch • Modulation: QPSK • Pulse shaping: Root raised cosine, roll-off = 0.22 • Chip rate: 3.84 Mcps • Channel raster: 200 kHz • Maximum user data rate (Physical channel): ~ 2.3Mbps (spreading factor 4, parallel codes (3 DL / 6 UL), 1/2 rate coding), but interference limited. • Maximum user data rate (Offered): 384 kbps (year 2002), higher rates ( ~ 2 Mbps) in the near future. HSPDA will offer data speeds up to 8-10 Mbps (and 20 Mbps for MIMO systems) Novembar 2003 • Channel bit rate: 5.76Mbps

UMTS – tehničke karakteristike – 3/3 (WCDMA – FDD – osnovna tehnologija) •Frame length: 10ms (38400 chips) • Number of slots / frame: 15 • Number of chips / slot: 2560 chips • Handovers: Soft, Softer, (interfrequency: Hard) • Power control period: Time slot = 1500 Hz rate • Power control step size: 0.5, 1, 1.5 and 2 dB (Variable) • Power control range: UL 80dB, DL 30dB •Mobile peak power: Power class 1: +33 dBm (+1dB/-3dB) = 2W; class 2 +27 dBm, class 3 +24 dBm, class 4 +21 dBm • Number of unique base station identification codes: 512 / frequency • Physical layer spreading factors: 4 ... 256 UL, 4 ... 512 DL Novembar 2003

UMTS – tehnčke karakteristike – 1/2 (WCDMA – TDD) • Frequency band: 1900 MHz -1920 MHz and 2010 MHz - 2025 MHz (Time Division Duplex) Unpaired, channel spacing is 5 MHz and raster is 200 kHz. Tx and Rx are not separated in frequency, but by guard period. • Minimum frequency band required: ~ 5MHz, ~ 1.6MHz with 1.28 Mcps • Frequency re-use: 1 • Voice coding: AMR (and GSM EFR) codec • Channel coding: Convolutional coding, Turbo code for high rate data TDMA frame consist of 15 timeslots Each time slot can be transmit of receive Duplexer not needed Asymmetric connection supported Data by packet and circuit switch QPSK modulation Novembar 2003 • Receiver: Joint Detection, (mobile: Rake)

UMTS – tehnčke karakteristike – 2/2 (WCDMA – TDD) •Channel raster: 200 kHz • Maximum RF ch bit rate (kbps): ~ 3.3Mbps (1/2 rate coding, spreading factor 1, 15 timeslots, ex overheads), but interference limited • Frame length: 10ms • Number of slots / frame: 15 • Handovers: Hard • Power control period: 100 Hz or 200 Hz UL, ~ 800 Hz DL • Power control step size: 1, 2, 3 dB (Variable) • Power control range: UL 65dB, DL 30dB • Mobile peak power: Power class 1: +33 dBm (+1dB/-3dB) = 2W; class 2 +27 dBm, class 3 +24 dBm, class 4 +21 dBm • Number of unique base station identification codes: 512/frequency • Physical layer spreading factors: 1, Novembar 2, 4, 8, 16 2003

Organizacija spektra

• Osnovni chip rate 3.84 Mcps •

Razmak između nosilaca: od 4.4 MHz do 5.0 MHz sa rasterom 200 kHz

• •

FDD spektar 2 x 60 MHz -> 12 carriers TDD spektar 15 + 20 MHz

– Podrška za nekoliko scenarija u pogledu interferencije – GSM kompatibilnost

15 MHz

UMTS operator

Other UMTS operator

Micro/Pico/Macro Layers

4.4 - 5.0 MHz

f 5.0 MHz

UMTS arhitektura mreže

Novembar 2003

Uu

Iu Node B

MSC/ RNC

GMSC

VLR

USIM

PLMN,P STN, ISDN ...

Node B Cu ME

Iub Node B

HLR

Iur

RNC

SGSN

GGSN

Internet

Node B UE

UTRAN

CN

Ekster ne mreže

Elementi UMTS arhitekture. • UTRAN (UMTS Terrestrial Radio Access Nework) – sve funkcije radio-pristupa • CN (Core Network), komutacija i rutiranje govornih poziva i prenos podataka • UE (User Equipment), pristup korisnika radio-mreži. • Node B (Base Station), bazna stanica • Iub - žični interfejs za bazne stanice • RNC (Radio Network Controller), kontroliše radio resurse, • Iur – interfejs za povezivanje RNC

Struktura ramova i okvira

Novembar 2003

Klasifikacija fizičkih kanala • Frequency

Novembar 2003

Klasifikacija logičkih kanala • Frequency

Novembar 2003

Bazna stanica (Node B) - arhitektura -

Frekvencijsko planiranje (GSM) 7 cell re-use pattern f7 f6

f2

f7

f1

f6

f5

f2

f3

f1

f4 f2

f5 f7

f6

f3 f4

f2

Frekvencijsko planiranje (UMTS) f1 f1

f1

f1

f1

f1

f1

f1

f1

f1

f1 f1

f1 f1

f1

f1 f1

f1

• potencijalna pojava istokanalne interferncije • u velikoj meri zavisi od “kodova za širenje”

Hard handover

f2 f1

RNC Novembar 2003

Soft handover

f1 f1

RNC

Softer handover

UMTS - handover

• soft • softer • hard

UMTS – tipovi handovera • Handover 3G -3G (i.e. between UMTS and other 3G systems) • FDD soft/softer handover • FDD inter-frequency hard handover • FDD/TDD handover (change of cell) • TDD/FDD handover (change of cell) • TDD/TDD handover • Handover 3G - 2G (e.g. handover to GSM) • Handover 2G - 3G (e.g. handover from GSM)

RAKE receiver

Kontrola snage • Bazne stanice i mobilne jedinice uvek treba da rade sa minimalnom snagom potrebnom da se zadovolji zahtevani kvalitet veze. • BS i MS kontinulano mere kvalitet sisgnala. • Snaga BS i MS se reguliše u fiksnim koracima od najmanje do najveće. • Automatsko podešavanje snage predajnika se sprovodi 1500 puta u sek! • Nedovoljno efikasna kontrola snage u sistemu dovodi do povećanja intereferencije, odnosno smanjenja kapaciteta.

Disanje ćelija (cell breathing) • Kapacitet i zona pokrivanja međusobno su zavisne veličine. • Veći broj uspostavljenih veza -> veća interferencija. • Kada interferencija poraste, MS povećava snagu.

• Kada MS radi sa maksimalnom snagom, veza se može održati samo na kraćim rastojanjima.

Površina servisnog područja ćelije se menja u skladu sa saobraćajnim opterećenjem (broja korisnika)

Handover (nepoznati susedi) • Handover se može realizovati samo na ćeliju koja je definisana u listi suseda servisne ćelije. • Ako je signal neke ćelije koja se ne nalazi na listi suseda dominantan handover se ne može sprovesti, a taj signal predstavlja izuzetno jaku interferenciju. • U procesu planiranja mreže izuzetno je bitno inicijalno generisanje pravilne liste suseda.

Interferencija uzrokovana pilot signalima • Svakoj ćeliji WCDMA sistema pridružuje se jedinstven pilot signal. • Na osnovu pilot signala MS određuje propagacione uslove. • Pilot signal omogućava identifikaciju i raspoloživost sektora. • Na osnovu pilot signala određuju se uslovi u susednim sektorima. • Interferncija pilot signala može nastati u područjima velike gustine ćelija gde MS prima veliki broj pilot signala. • O interfernciji pilot signalima se posebno vodi računa u fazi sistemskog planiranja mreže.

UMTS – Karakteristike servisa Services

User net bit rate (kbit/s)

Coding factor

Effective Call duration (S) 144

Service bandwidth (kbit/s)

2

Asymmetry Factors (uplink/ downlink) 1/1

High interactive multimedia

128

High multimedia

2000

2

0.005/1

53

20/4000

Medium multimedia

384

2

0.026/1

14

20/768

Circuit switched data

14

3

1/1

156

42/42

Simple messaging

14

2

1/1

30

28/28

16

1.75

1/1

60

28/28

Voice

Packet Switched

256/256

Circuit switched 8