UMTS (Universal Mobile Telecomunications System)

SISTEMAS DE COMUNICAÇÃO SEM FIO
08-10-16Engº Changala
1
UNIVERSIDADE POLITÉCNICA - APOLITÉCNICA
Instituto Superior Politécnico e Universitário de Nacala
ISPUNA
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. 08-10-16Engº 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.

 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.
UMTS – ARQUITECTURA DE
REDE

 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 – ARQUITECTURA DE
REDE

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;

 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 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.
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. 08-10-16Engº Changala

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 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.
 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

UMTS

UMTS
 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.

UMTS
 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 rural
384 kbit/s – exterior urbano
2048 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
characteristic
s
- 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
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