REDES DA TERCEIRA GERAÇÃO

1. REDES DA TERCEIRA GERAÇÃO UMTS Laurinda Fernandes nº 22317 Letícia Costa nº20605

2. Tópicos • 3G; • UMTS: • Introdução; • Arquitectura; • WCDMA; • Handovers; • Canais de comunicação; • Controlo de potência; • Segurança; • Mecanismo de acesso à rede; • Serviços; • QoS; • Conclusão.

3. Sistemas Celulares - Evolução

4. 3 G - 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;

5. 3 G - Terceira Geração • 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.

6. 3G – Operadoras Verde-operadoras de 3g www.3gtoday.com

7. UMTS : Universal Mobile Telecommunication System IMT 2000 : International Mobile Telecommunication system CDMA 2000 : Code Division Multiple Access W-CDMA : Wideband-Code Division Multiple Access Alguns exemplos de serviços Tecnologias 3G

8. UMTS- Introdução [1] • 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. • Faixas de funcionamento: • para operação em modo FFD (Frequency Division Duplex) • 1920-1980 MHz -> uplink • e 2110-2170 MHz ->downlink • para operação em TDD (Time Division Duplex). • 1900-1920 MHz ->uplink • 2010-2025 MHz ->downlink

9. UMTS – Introdução [2] • 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.

10. UMTS – Introdução [3] • 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.

11. UMTS - Características • 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)

12. UMTS- Interface com utilizador • Os terminais móveis UMTS oferecem os seguintes serviços ao utilizador: • enviar e receber imagens, • 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.

13. UMTS -Arquitectura da Rede

14. UMTS – Arquitectura de rede [1] 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

15. UMTS – Arquitectura de rede [3] • 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

16. UMTS - UE • USIM: UMTS Subscriber Identity Module; • Contem dados do utilizador; • Procedimentos e suporte de segurança relativa aos dados do utilizador e à rede • Tipos de identificação do UMTS: • IMSI: International Mobile Subscriber Identity • TMSI: Temporary Mobile Subscriber Identity • P-TMSI: Packet Temporary Mobile Subscriber Identity • TLLI: Temporary Logical Link Identity • MSISDN:Mobile station ISDN • IMEI: 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;

17. UMTS – IC card UMTS • Ele 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 ;

18. UMTS - Estrutura do UTRAN

19. UMTS - Funcionamento da 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;

20. UMTS – UTRAN • Node B tem como funções • Interface aéreo para transmissão e recepção • Modulação e desmodulação • Codificação CDMA • Manipulação de erros • RNC: Radio Network Controler tem como funções • Controlo dos recursos rádio • Controlo de admissão • Alocação de canal • Power control Settings • Controlo de Handover • Encriptação • Segmentação e reassemblamento • Sinalização de Broadcast

21. UMTS – Core Network [1] • 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;

22. UMTS - Core Network [2] • 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 ;

23. UMTS - Core Network [3] • 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.

24. WCDMA (UMTS):Wideband Code-Division Multiple-Access • 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

25. 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 UMTS - Modelos de operação do WCDMA

26. UMTS Handover • 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. • 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

27. UMTS – Handover [1] • Soft handover: entre 2 células (Nó B); • Softer handover : entre 2 sectores da mesma célula (Nó B); • Hard handover: entre frequências ou sistemas diferentes;

28. UMTS – Tipos de Canais

29. UMTS – Canais de transporte • 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 • Os canais de transporte encontram-se divididos em duas categorias: • Canais dedicados • DCH( 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.

30. UMTS – Canais de transporte comuns[1] BCH • 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. FACH • 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.

31. UMTS- Canais de transporte comuns [2] PCH • Canal existente no downlink que transporta informação de paging dos UE’s presentes na rede. RACH • 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.

32. UMTS – Canais de transporte comuns [3] CPCH • 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 • 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

33. UMTS - Controlo de potência 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);

34. UMTS – Controlo de potência OLPC • 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

35. 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

36. UMTS - Segurança • 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.

37. UMTS – Segurança [2] • 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. • 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.

38. UMTS – Mecanismo de acesso à rede • 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.

39. UMTS – Mecanismo de acesso à rede [1] • 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.

40. 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 – Mecanismo de acesso à rede [2]

41. 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. UMTS - Serviços Bearer

42. UMTS – Atributos de serviços SDU: Service Data user

43. UMTS - QoS • 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 rural • 384 kbit/s – exterior urbano • 2048 kbit/s – interior e exterior a curta distância

44. UMTS – QOS [2]

45. Conclusões • Na realização deste trabalho, verificamos que o UMTS é uma tecnologia multimédia com qualidade de serviço. • 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.

46. Referências • www.3gtoday.com; • www.umts-forum.org; • www.umtsworld.com; • www.three.co.uk; • WCDMA for UMTS • Radio Acess Third generation Mobile Communications • Edited by Harry Holma and Antti Toskala

47. FIM OBRIGADA!