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Comunicação sem fios UMTS Introdução Devido à elevada penetração de mercado atingida pelos

sistemas de 2ª geração nomeadamente o GSM, procurou-

se criar normas para sistemas de 3ª geração totalmente

digitais com capacidade incrementada, quer a nível de

tráfego suportado, quer a nível da qualidade de serviço.

Em termos dos requisitos subjacentes à concepção deste

sistema, consideraram-se os seguintes:

• Ritmos de transmissão até 2 Mbps;

• Ritmos variáveis associados a atribuição dinâmica da

largura de banda;

• Multiplexagem de serviços com requisitos de QoS

distintos numa única ligação;

• Taxas de erro de trama compreendidas entre 0.1 e

0.00001;

• Coexistência com sistemas de 2ª geração, com

possibilidade de handover entre sistemas;

• Suporte para comunicações assimétricas a nível de

downlink e uplink;

• Elevada eficiência espectral;

• Coexistência dos modos TDD e FDD

1

Comunicação sem fios UMTS WCDMA GSM

Espaçamento entre

portadoras

5 MHz 200 KHz

Factor de reutilização de

frequência

1 1-18

Frequência de controlo

de potência

1500 Hz 2 Hz

Controlo de qualidade Algoritmos de gestão de

recursos rádio

Planeamento de

frequência

Diversidade na

frequência

5 MHz de banda Frequency hopping

Tabela 1 – Tabela comparativa WCDMA/GSM

A principal vantagem do UMTS face ao GSM reside no

aumento dos ritmos de transmissão permitindo 384 Kbps

em ligações de circuitos comutados e 2 Mbps em

comutação de pacotes. O GSM foi criado à luz da filosofia

ISDN de modo a suportar os mesmos tipos de serviços,

enquanto que UMTS é mais genérico, pois na sua

concepção foi criada uma estrutura modular que suporta

as aplicações existentes e permite uma evolução simples

de modo a abranger aplicações futuras.

No 3G foram adoptadas três variantes do CDMA

I. DS-WCDMA (Direct Sequence Wideband Code Division

Multiple Access Frequency Division Duplex).

2

Comunicação sem fios UMTS

II. DS-WCDMA-TDD (Direct Sequence Wideband Code

Division Multiple Access Time Division Duplex).

III. MC-WCDMA-TDD (Multi Carrier Wideband Code

Division Multiple Access).

A variante I usa a gama de frequências compreendida na

banda de 1920-1980 MHz para uplink e 2110-2170 MHz

para downlink. A separação entre canais duplex é de 190

MHz.

A variante II utiliza a banda de frequências existente ao

lado da banda usada para uplink na variante I. A largura

de banda máxima é de 20 MHz e a mínima de 15 MHz.

A terceira variante consiste numa técnica WCDMA com

múltiplas portadoras.

Figura 1- Exemplo de atribuições de bandas a operadores

UMTS no UK O WCDMA consiste numa técnica de espalhamento de

espectro. As técnicas de espalhamento espectral

3


remontam à década de 40, onde foram utilizadas para

sistemas de comunicação militares (USA com primeiros

sistemas baseados nesta técnica). Permitem uma

utilização eficiente do espectro já que é partilhado por

diversos utilizadores em simultâneo. Os avanços no

controlo de potência, diversidade e redução de custos

permitiram a adopção desta técnica em sistemas civis, que

passaram a beneficiar das características que levaram à

sua adopção em sistemas militares:

• Maior resistência a Jamming e interferências.

• Menor probabilidade de intercepção hostil.

• Maior resistência a interferências dada a

multiplicidade de ramos de recepção.

• Aumento do factor de reutilização para 1 e

consequente incremento da capacidade de Truncking

do sistema.

• Possibilidade de posicionamento de MS.

• Possibilidade de usar técnicas de diversidade

temporal e espacial.

• Possibilidade de atribuir acesso a qualquer utilizador

sem tempos de espera.

4


O princípio de funcionamento básico desta técnica,

consiste na geração de um sinal de banda estreita ao

ritmo R que posteriormente é convolucionado por um sinal

de banda larga de forma a criar um sinal com

espalhamento de espectro ao longo da banda W. No

domínio do tempo equivale a multiplicar o sinal original

por um sinal com um ritmo muito mais elevado (Chip

Rate)

Na recepção, o sinal é novamente multiplicado pelo sinal

de espalhamento espectral e filtrado por um filtro de

largura da banda R, para reconstituição do sinal original.

Uma vez que o sinal utilizado para realizar o

espalhamento é conhecido do emissor e receptor,

mediante uma filtragem adequada, podem-se eliminar

componentes residuais de alta-frequência, que

permanecem após a multiplicação pelo sinal de

espalhamento.

Quando existem interferências na recepção, o sinal de

espalhamento afecta de igual modo o sinal interferente,

espalhando-o ao longo da banda W. Por conseguinte após

a filtragem, a potência do sinal interferente vem reduzida

face a uma situação onde não se adopte este tipo de

técnica.

5


Figura 2 – Comparação de Técnicas TDMA, FDMA e WCDMA

O espalhamento é realizado aplicando um baralhamento

dos dados de acordo com um código PN (Pseudo Noise)

que é novamente utilizado no receptor. Estes códigos

permitem a um número de utilizadores igual ao número

de códigos existentes e uma maior imunidade face a

intrusões. A banda ocupada pelo sinal na interface Uu é

de 5 MHz, sendo 1.16 MHz destinados às bandas de

guarda.

6


5 MHz

3.84 MHz

ˆ

Figura 3 – Banda associada a portadora unidireccional no WCDMA

Notar que de acordo com os princípios da teoria de

informação, pode-se escrever para a capacidade de um

canal:

log(1 )C W SNR= +

com W a representar a largura de banda e SNR a relação

sinal ruído.

Da expressão anterior torna-se óbvio que o aumento de

banda usada permite reduzir a potência empregue. Assim

pode-se afirmar:

• Quanto maior for o espalhamento menor será a

potência necessária à transmissão de bit, isto é, o

7


aumento do factor de espalhamento permite diminuir

a potência empregue. Aplicado quando o ritmo do

sinal original é baixo.

• Quanto menor for o factor de espalhamento, maior

será a energia requerida para transmissão do sinal.

Trata-se da situação típica dos casos em que o ritmo

do sinal original é elevado.

Logo no WCDMA o bit após o espalhamento é

transformado numa sequência de bits chamada chip. A

sua dimensão depende somente do factor de

espalhamento usado, sendo a banda do sinal usado para

espalhamento de 3.84 MHz ou analogamente o ritmo

“System chip Rate” de 3.84 Mbps.

Após codificação e adaptação de ritmo, os bits são

transmitidos empregando modulações distintas no uplink e

downlink. Como cada receptor (BS ou UE) tem um código

associado, ao multiplicar pelo sinal recebido, extrai o sinal

que lhe foi enviado, já que os diversos códigos são

ortogonais entre si. O número total de códigos depende

do factor de espalhamento k utilizado

2 , 0,1, 2,..,8kK com k= =

8


Para vem 6k = 64K = , o que implica neste caso a

existência de 64 chips para cada símbolo no uplink. O

factor de espalhamento é também conhecido por ganho

de processamento Gp

UuP

bearer

B chip rate sistemaG KB Bearer bit rate

= = =

É de salientar que a Bearer bit rate inclui já overhead

devido a bits redundantes relativos à codificação interna e

codificação externa. Atendendo a que um símbolo

transporta 2 bits no uplink e 1 bit no downlink, podem-se

definir os ritmos em função do factor de espalhamento

para o downlink e uplink. Note-se que à medida que o

factor de espalhamento aumenta, e uma vez que a

potência se mantêm constante, o ritmo de símbolo

diminui. Este comportamento é evidente nos valores

apresentados nas tabelas 2 e 3.

9


K Ritmo de símbolo (ksps)

Uplink, downlink

Ritmo de bit (kbps)

512 - , 7.5

256 15,15 15, 30

128 30, 30 30, 60

64 60, 60 60, 120

32 120, 120 120, 240

16 240, 240 240, 480

8 480,480 480, 960

4 960, 960 960, 1920

Tabela 2 No WCDMA são usados três tipos de códigos, com

finalidades distintas. Assim tem-se:

Tipo Uplink Downlink Nº de códigos

Códigos de

encriptação

Diferenciação de

utilizador

Diferenciação de

BS

182 1−

Channelization

Codes

Canais de controlo

de dados

Utilizadores

dentro de uma

célula

Códigos de

espalhamento

Channelization

codex

Scrambling code

Utilizadores

dentro de uma

célula

Tabela 3

10


Os códigos de encriptação são formados por 512

conjuntos de códigos primários e 15 secundários

definidos segundo:

511,..,0,*16 == iin para conjunto i de códigos primários

15,..,1,*16 =+ kki para conjunto k de códigos secundários

São usados 8192 códigos o que corresponde a 512

conjuntos de 16 códigos.

A cada célula é atribuído um único código primário. O

primeiro canal da célula CCPCH (Common Control Physical

Channel) é sempre transmitido com o primeiro código de

encriptação. Os outros canais físicos associados ao

downlink são transmitidos usando ou o primeiro código

primário ou um dos códigos secundários do conjunto

atribuído para a célula.

No uplink, existem códigos possíveis, com a

possibilidade de todos os canais com excepção do PRACH

(Physical Random Access Channel) usarem códigos curtos

ou longos. O PRACH utiliza necessariamente um código

longo.

242

Dado o número elevado de utilizadores, é crucial um

número elevado de códigos no uplink, para diferenciação

dos diversos UE’s.

11


Os channelization codes ou códigos de separação de

canais no uplink e downlink têm factores de espalhamento

distintos, uma vez que ambas as direcções têm ritmos de

transmissão distintos. Convém salientar que o aumento do

factor de espalhamento torna mais eficiente a utilização

da banda disponível, permitindo a co-existência de mais

utilizadores com ritmos de bit baixos. A presença de

utilizadores com ritmos elevados obriga o recurso a

factores de espalhamento baixos. Assim consideram-se

256 códigos, ortogonais entre si de forma a garantir a

separação dos diferentes canais.

Cada célula usa no downlink um código de encriptação

único (não necessariamente ortogonal), que funciona

como identificador. Para obtenção do código de

encriptação, são usados os códigos de separação dos

canais.

Os códigos de espalhamento são usados para realizar o

espalhamento espectral. Permitem a partilha da banda

pelas diversas transmissões existentes em cada instante e

são atribuídos pela rede no início da transacção de rede.

Estes dependem do tipo de informação a transportar e

consequentemente do tipo de canal, sendo construídos de

acordo com a expressão:

Código de encriptação Código de separação dos canais×

12


Modulação

O WCDMA usa dois tipos de modulação consoante se trate

de downlink ou uplink. Para o downlink é usado o QPSK,

uma vez que os requisitos de eficiência de potência no

processo de amplificação não são tão restritivos. O QPSK

apresenta transições de fase de π± às quais estão

associados níveis mais elevados de flutuações de

envolvente. Na MS devido a restrições relativas à

capacidade e duração da bateria, são requeridos elevados

ganhos de amplificação com amplificadores de classe C, o

que implica que se trabalhe na zona não linear do

amplificador. Nesta situação a amplificação está associada

a uma distorção do sinal, tanto mais forte quanto maior

for a variabilidade apresentada pela envolvente. O OQPSK

ao eliminar as transições de fase anteriores, reduz o nível

de flutuações de envolvente, o que permite aumentar a

eficiência da operação de amplificação e justifica a sua

utilização no uplink. A escolha destas modulações para o

donwlink e uplink justifica-se não só devido ao problema

da amplificação, mas também devido aos requisitos

relativos ao sincronismo. Quando se considera o QPSK, a

amostragem dos sinais na saída dos filtros adaptados dos

ramos relativos às componentes em fase e quadratura,

pode ser realizada de T em T segundos, com T a

13


representar o tempo de símbolo. No caso do OQPSK, dado

que a componente em quadratura se encontra atrasada

de T/2 relativamente à componente em fase, a

amostragem realiza-se de T/2 em T/2, o que implica

consequentemente o emprego de um circuito de

sincronismo mais complexo. Logo com a escolha

efectuada nas modulações, garante-se uma amplificação

eficiente na MS associada a requisitos de sincronismo

menos existentes do ponto de vista do receptor.

Os modeladores correspondentes têm as estruturas

apresentadas a seguir.

X

~90º

X

Σ

)2cos( 00 θπ +tf

)2(sen 00 θπ +− tf

∑ −=k

ka kTtrats )()(

∑ −=k

kb kTtrbts )()(

( ) ( ){ })2(exp)()(Re)( 000 θπ ++= tfjtjststs ba

Figura 4 – Estrutura de modelador QPSK

X

~Σ

∑ −k k kTtrb )( X

s(t)

τ

90º

∑ −k k kTtra )(

Figura 5 – Estrutura de modulador OQPSK

14


Nas figuras 6 e 7, encontram-se representadas as

respectivas envolventes.

0 1 2 3 4 5 6 7 8

-1

0

1

s BP(

t)

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

-1

0

1

|s(t)|

0 1 2 3 4 5 6 7 8-1

0

1

arg(

s(t))/

π

t/T

Figura 6 – Sinal QPSK; sinal QPSK, ( )BPS t ( )S t envolvente, ( )arg ( )S tπ

fase.

15


0 1 2 3 4 5 6 7 8

-1

0

1

s BP(

t)

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

-1

0

1

|s(t)|

0 1 2 3 4 5 6 7 8-1

0

1

arg(

s(t))/

π

t/T

Figura 7 - Sinal OQPSK; sinal OQPSK, ( )BPS t( )S t envolvente, ( )arg ( )S t

π fase.

Técnicas de transmissão em modo FDD

No sistema UMTS, dados os requisitos de qualidade de

serviço impostos e o tipo de canal utilizado, pode-se

efectuar a codificação/descodificação dos dados

provenientes do nível MAC (Medium Access Control) ou

níveis superiores, de forma a oferecer serviços de

transporte de dados através do canal de rádio. O esquema

de codificação de canal consiste numa combinação de

códigos com capacidade correctora de erros e de

16


detecção. Recorre-se à concatenação de códigos e ao

interleaving dos bits/símbolos obtidos na saída do

segundo codificador, o que permite obter bons

desempenhos para o nível de potência empregue durante

a transmissão.

Devido a limitações de potência, para modulação

emprega-se uma modulação do tipo 4PSK (4 Phase Shift

Keying) ou 8PSK. As modulações de fase do tipo M-PSK

têm envolvente constante o que permite a utilização de

amplificadores a operar em zonas não lineares, sem

introdução de distorção do sinal. Esta propriedade é

importante, na medida em que a amplificação ao poder

ser realizada com os amplificadores a funcionar na zona

não linear, apresenta rendimentos melhores.

17


Figura 8 – Exemplos de transmissão no downlink e uplink em

WCDMA

Tipos de canais

A atribuição da banda no WCDMA é feita com recurso a

canais, encontrando-se definidos um conjunto de canais e

sua organização na norma do UMTS. Existem três tipos de

canais à semelhança do que acontece no GSM, conforme

consta na próxima tabela.

18

Comunicação sem fios UMTS Tipo Sentido

Físicos UE < ----> BS

Transporte UE < ---- > RNC

Lógicos UE -------> RNC

Tabela 4

Figura 9 – Tipos de canais e níveis associados

Os canais físicos correspondem aos canais utilizados na

interface Uu entre o UE e BS. Ao contrário do GSM onde o

BSC tem conhecimento destes canais, o RNC não conhece

a sua estrutura, pois só são visíveis os canais de

transporte e lógicos. A visibilidade do RNC limita-se aos

canais de transporte que ao nível da BS são mapeados em

19


canais físicos. Os canais lógicos correspondem a canais de

controlo de rede ou estão associados a ordens de

execução de operações necessárias à manutenção e

operação da rede. Estes são mapeados em canais de

transporte.

O tipo de canal considerado depende obviamente da

direcção em que se processa a comunicação, já que as

tarefas do UE são diferentes das realizadas pelo RNC.

Tipo de canal físico Sentido

PCCPCH UE < ----- BS

SCCPCH UE < ----- BS

DPDCH UE < ----- > BS

DPCCH UE < ----- > BS

PDSCH UE < ----- BS

PCPCH UE ----- > BS

PRACH UE ----- > BS

AICH UE < ----- BS

P-SCH UE < ----- BS

S-SCH UE < ----- BS

CSICH UE < ----- BS

CPICH UE < ----- BS

CD/CA-ICH UE < ----- BS

Tabela 5 – Tipos de canais físicos e respectivos sentidos

20

Comunicação sem fios UMTS A seguir procede-se à caracterização de cada um dos tipos

de canais apresentados na tabela anterior:

• PCCPCH (Primary Common Control Physical channel)

– Transporta o canal lógico BCH (Broadcast Channel)

em ambas as direcções. Todos os UE’s dentro de

uma célula podem desmodular este canal. Utiliza

códigos de espalhamento e de channelization fixos.

Tem um ritmo de 30 Ksps e um factor de

espalhamento de 256. A razão para o factor de

espalhamento ser elevado, reside na elevada

potência empregue na transmissão deste canal.

• SCCPCH (Secondary Common Control Physical

channel) – Transporta os canais de transporte PCH

(Paging Channel) e FACH (Forward Access Channel),

existindo pelo menos um canal deste tipo numa

célula. A existência de mais canais depende da

coexistência ou não dos canais PCH e FACH no

mesmo canal SCCPCH. Tem um ritmo baixo devido à

baixa potência empregue na sua transmissão.

21


• DPCCH (Dedicated Physical Data Channel) –

Transporta tráfego de utilizador, podendo transportar

várias conexões em simultâneo. Trata-se de um

canal dedicado para a comunicação entre uma BS e

um UE. Atribuídos aos pares, sendo um usado para

transporte de informação de controlo (DPCCH) e

outro para transporte de dados (DPDCH). No

downlink são multiplexados no tempo (modulação

QPSK). No uplink são separados em componentes

I/Q (modulação OQPSK). Os dois canais transportam

a informação do canal de transporte DCH (Dedicated

Channel).

• PDSCH (Physical Downlink Shared Channel) e PCPCH

(Physical uplink Common Packet Channel)– Quando a

ligação é realizada a ritmos elevados, os códigos de

separação de canais podem ser insuficientes. A

utilização de um código de encriptação adicional

acarreta a perda de ortogonalidade, pelo que não é

aconselhada. A utilização de um canal partilhado

permite aumentar a capacidade evitando-se o

problema referido atrás. Saliente-se que o UE é

capaz de descodificar o PDSCH, o que permite a sua

utilização para efeitos de aumento de capacidade.

22


• PCCH (Physical Common Channel) – É usado quando

o UE necessita enviar dados em pacotes e a

capacidade do RACH não é suficiente. O DPCCH tem

a mesma finalidade que o PCCH, mas a nível de

downlink.

• PRACH (Physical Random Access Channel) – Como o

nome indica transporta informação relacionada com

o procedimento de acesso aleatório à rede.

• AICH (Acquisition Indication Channel)

• SCH (Sincronization Channel)

• CPICH(Common Pilot Channel)

Os canais AICH, CPICH e SCH só transportam informação

respeitante ao nível físico, o que justifica que não sejam

visíveis por outros níveis. Convém salientar que o canal

DCH é mapeado em dois sub canais, o DPDCH e DPCCH.

O primeiro transporta informação proveniente de níveis

superiores e suporta ritmos variáveis, enquanto que o

23


segundo limita-se a transportar a informação de controlo

do nível físico e tem ritmo fixo.

Estrutura de canais físicos

Uplink.

DPDCH e DPCCH

No uplink o canal DPDCH é usado para transporte de

informação de controlo gerada no nível físico. A

informação de controlo do nível físico consiste nos bits

piloto para estimação de canal para efeitos de detecção

coerente, comandos do tipo TPC (Transmit Power

Control), informação de feedback (FBI – FeedBack

Information) e indicação de combinação adoptada para o

formato de transporte (TFCI). O TFCI informa o receptor

sobre a combinação de formatos adoptada nos canais de

transporte mapeados no canal DPDCH. Existe somente um

canal DPDCH em cada ligação rádio do uplink. A estrutura

da trama associada a este tipo de canal encontra-se

representada na figura 10.

24


Pilot Npilot bits

TPC NTPC bits

DataNdata bits

Slot #0 Slot #1 Slot #i Slot #14

Tslot = 2560 chips, 10*2k bits (k=0..6)

1 radio frame: Tf = 10 ms

DPDCH

DPCCHFBI

NFBI bitsTFCI

NTFCI bits

Figura 10- Estrutura da trama para uplink do canal

DPDCH/DPCCH

Na figura anterior destacam-se os seguintes elementos:

Cada trama de 10 ms é dividida em 15 slots, com

uma duração igual ao período de controlo de

potência ao qual corresponde um comprimento

. 2560slotT chips=

O parâmetro k determina no uplink, o número de bits

por slot e está relacionado com o factor de

espalhamento SF (Spreading Factor) pela relação 2562kSF = .

O factor de espalhamento pode assumir valores entre

256 e 4.

O factor de espalhamento no uplink é sempre 256, o

que corresponde a 10 bits por slot.

Existem dois tipos de canais físicos dedicados no

uplink. Estes diferem na presença ou não do campo

25


TFCI. Quando presente, consiste num canal relativo a

diversos serviços (com ritmos eventualmente

distintos), enquanto a sua ausência está associada a

serviços de ritmo fixo

Se for usado um modo de operação multi-código no

uplink, pode-se transmitir diversos canais DPDCH em

paralelo mediante a utilização de códigos de

separação de canais (Channelization Codes) distintos.

No entanto existe somente um canal DPCCH por

cada ligação rádio.

Os bits do campo FBI, são usados em operações que

requeiram feedback do UE para a UTRAN, tais com

controlo de potência no modo closed loop e SSDT (Site

Selection Diversity Transmission). O campo FBI encontra-

se dividido segundo o esquema apresentado na figura 2.

Os bits relativos ao sub campo S estão associados a

sinalização do SSDT, podendo ter o tamanho de 0, 1 ou 2

bits. No caso de coexistência de controlo de potência com

SSDT, este sub-campo tem o tamanho de um bit. Na

tabela 7, apresentam-se os valores possíveis para o

parâmetro NFBI.

26


S field D field

NFBI Figura 11 – Estrutura do campo FBI

Na tabela 6, são contemplados igualmente os dois

formatos de slot para o modo comprimido, assinalados por

A e B.

O número de bits usados por slot e trama no canal DPDCH

em uplink são apresentados na tabela 6. Na tabela 7,

apresentam-se os valores de ritmos de transmissão de bit

e de símbolo antes do espalhamento espectral e os

diversos valores possíveis para os campos Npilot, NTFCI, NFBI,

e NTPC.

Slot Format #i Channel Bit Rate

(kbps) Channel Symbol

Rate (ksps) SF Bits/

Frame Bits/ Slot

Ndata

0 15 15 256 150 10 10 1 30 30 128 300 20 20 2 60 60 64 600 40 40 3 120 120 32 1200 80 80 4 240 240 16 2400 160 160 5 480 480 8 4800 320 320 6 960 960 4 9600 640 640

Tabela 6- Campos do canal DPDCH

27


Slot Format

#i

Channel Bit Rate (kbps)

Channel Symbol Rate

(ksps)

SF Bits/ Frame

Bits/ Slot

Npilot NTPC NTFCI NFBI Transmitted slots per

radio frame 0 15 15 256 150 10 6 2 2 0 15

0A 15 15 256 150 10 5 2 3 0 10-14 0B 15 15 256 150 10 4 2 4 0 8-9 1 15 15 256 150 10 8 2 0 0 8-15 2 15 15 256 150 10 5 2 2 1 15

2A 15 15 256 150 10 4 2 3 1 10-14 2B 15 15 256 150 10 3 2 4 1 8-9 3 15 15 256 150 10 7 2 0 1 8-15 4 15 15 256 150 10 6 2 0 2 8-15 5 15 15 256 150 10 5 1 2 2 15

5A 15 15 256 150 10 4 1 3 2 10-14 5B 15 15 256 150 10 3 1 4 2 8-9

Tabela 7 – Campos do canal DPCCH

PRACH

Como já foi dito este canal serve para transportar o canal

RACH. O acesso para efeitos de transmissão é realizado

segundo o algoritmo Slotted Aloha. O UE pode tentar

iniciar um processo de transmissão para acesso aleatório

no início de cada slot de acesso. Existem 15 slots de

acesso por cada conjunto de tramas, separados por 5120

chips, conforme se encontra representado na Figura 12.

São os níveis superiores que definem quais os slots que se

encontram livres. A transmissão para acesso aleatório é

formada por vários preâmbulos de 4096 chips seguidos de

uma mensagem com 10 ou 20 ms, conforme representado

na Figura 13.

28


#0 #1 #2 #3 #4 #5 #6 #7 #8 #9 #10 #11 #12 #13 #14

5120 chips

radio frame: 10 ms radio frame: 10 ms

Access slot #0 Random Access Transmission

Access slot #1

Access slot #7

Access slot #14

Random Access Transmission

Random Access Transmission

Random Access TransmissionAccess slot #8

Figura 12 – Numeração de slots de acesso e seu espaçamento

Message partPreamble

4096 chips10 ms (one radio frame)

Preamble Preamble

Message partPreamble

4096 chips 20 ms (two radio frames)

Preamble Preamble

Figura 13 - Estrutura da transmissão de acesso aleatório

Cada preâmbulo de comprimento igual a 4096 chips

consiste em 256 repetições de uma assinatura de 16

chips, que pode ser escolhida dentro de um conjunto de

16 possíveis. A trama de 10 ms é dividida em 15 slots de

2560 chips. Cada slot consiste numa parte de dados na

qual o RACH é mapeado e numa parte de controlo que

transporta informação de controlo relativa ao nível físico.

29


Ambas as partes são transmitidas em paralelo

(componente em fase e quadratura respectivamente). A

parte de dados consiste em 10 com k=0,1,2,3, o que

corresponde a factores de espalhamento de 32, 64, 128 e

256. A parte de controlo é formada por 8 bits piloto para

efeitos de estimação de canal e dois bits do TFCI, com um

factor de espalhamento de 256. O número total de TFCI’s

transmitido é de 15, já que é transmitido um em cada um

dos slots em que a trama de 10 ms foi dividida. No caso

da mensagem de 20 ms, esta é dividida em duas de 10

ms, sendo TFCI repetido na segunda parte da mensagem.

*2k

Pilot Npilot bits

DataNdata bits



Message part radio frame TRACH = 10 ms

Data

ControlTFCI

NTFCI bits

Figura 14 – Estrutura da parte de mensagem da trama de

acesso aleatório

PCPCH

Este canal é usado para transporte do canal CPCH. A

transmissão deste canal baseia-se numa técnica de

30


detecção de colisões DSMA-CD (Digital Sense Multiple

Access – Collision Detection) com indicação de aquisição

rápida. O UE pode iniciar a transmissão somente em

instantes bem definidos, associados aos instantes de

recepção da trama relativa ao canal BCH. Tem slots de

tempo e estrutura semelhante ao RACH. A sua estrutura

consiste num conjunto de vários preâmbulos de acesso

com 4096 chips, um preâmbulo de controlo de potência

com um comprimento de 0 a 8 slots, seguido de uma

parte relativa à mensagem com tamanho variável múltiplo

inteiro de 10 ms (ver Figura 15).

4096 chips

P0P1

Pj Pj

Collision ResolutionPreamble

Access Preamble DPCCH

DPDCH

0 or 8 slots N*10 msec

Message Part

Figura 15 – Estrutura da transmissão do canal CPCH

31


Figura 16- Estrutura das partes de dados e controlo

associadas ao canal PCPCH

Estruturas de canais físicos no downlink

Uma característica importante do WCDMA reside na

possibilidade de implementar esquemas de diversidade na

BS, ao nível da transmissão. Quando é aplicada

diversidade nos canais físicos de downlink, deve ser

aplicada nos canais P-CCPCH e SCH. São possíveis os

modos de transmissão com diversidade open loop e closed

loop em canais físicos distintos de downlink. No entanto a

utilização em simultâneo do modo STTD e closed loop não

podem coexistir no mesmo canal físico. Assim a utilização

de diversidade em ligações rádio pertencentes ao mesmo

conjunto activo, obedece às regras:

Modos diferentes de transmissão não devem ser

usados nas ligações rádio pertencentes ao mesmo

conjunto activo.

32


A transmissão com diversidade num ou diversas

ligações rádio não evita que a UTRAN aplique

diversidade na transmissão de outras ligações rádio

activas.

Na Tabela 8, apresenta-se a lista de canais com os

respectivos esquemas de diversidade associados.

Channel Open loop mode Closed loop

TSTD STTD Mode P-CCPCH – X – SCH X – – S-CCPCH – X – DPCH – X X PICH – X – PDSCH (associated with DPCH) – X X AICH – X –

Tabela 8 – Modos de diversidade aplicados aos canais de downlink

O modo de diversidade STDD é opcional na UTRAN, já

que se a nível superior é determinado que os canais P-

CPICH e S-CPICH não podem ser usados numa célula

como referência de fase para o canal de downlink DPCH, o

UE assume automaticamente que o modo STTD não é

usado. O STDD é aplicado nos blocos de bits de

informação de 4 canais consecutivos. A codificação,

interleaving e adaptação de ritmos é realizada na ausência

de diversidade. Posteriormente são geradas sequências

ortogonais para cada uma das antenas, baseadas nos 4

blocos de bits consecutivos, conforme se encontra

apresentado na Figura 1.

33


b0 b1 b2 b3

b0 b1 b2 b3

-b2 b3 b0 -b1

Antenna 1

Antenna 2Channel bits

STTD encoded channel bitsfor antenna 1 and antenna 2.

Figura 17 – Diagrama de blocos do codificador STTD

DPCH

Neste canal dedicado, é realizada a multiplexagem no

tempo do canal de transporte DCH juntamente com

informação de controlo do nível físico, como bits piloto,

comandos de controlo de potência e TFCI. Também pode

ser visto como resultado da multiplexagem no tempo dos

canais DPDCH e DPCCH. Da sua estrutura representada na

Figura 18, destacam-se os seguintes aspectos:

Cada trama de 10 ms é dividida em 15 slots com

2560 chips.

O parâmetro k determina no uplink, o número de bits

por slot e está relacionado com o factor de

espalhamento SF (Spreading Factor) pela relação

5122kSF = .

34


Existem dois tipos de canais que diferem na inclusão

ou não do TFCI. As considerações efectuadas a este

respeito para o canal DPDCH mantêm-se válidas.

No modo comprimido são usados dois tipos

diferentes de slots, identificados por A e B na tabela

4. O formato A é usado para tramas comprimidas por

meio de perfuração e o B quando a compressão é

obtida por meio de uma redução do factor de

espalhamento.

Os valores e número de bits associados aos campos

constam dos valores apresentados na tabela 4.

Pode usada transmissão multi-código no downlink.

Nesta situação vários CCTrCH são multiplexados num

canal DPCH com o mesmo factor de espalhamento

espectral. A informação de controlo é enviada

somente no primeiro DPCH.

Quando vários CCTrCH’s são mapeados em diversos

DPCH’s transmitidos para o mesmo UE, podem ser

usados diferentes factores de espalhamento para os

diferentes canais DPCH’s usados no mapeamento.

Nesta situação a informação de controlo de nível 1 é

somente enviada no primeiro canal DPCH.

35


One radio frame, Tf = 10 ms

TPC NTPC bits



Data2Ndata2 bits

DPDCHTFCI

NTFCI bitsPilot

Npilot bitsData1

Ndata1 bits

DPDCH DPCCH DPCCH

Figura 18 – estrutura da trama associada ao canal DPCH

36


DPDCH Bits/Slot

DPCCH Bits/Slot

Slot Format

#i

Channel Bit Rate (kbps)

Channel Symbol

Rate (ksps)

SF Bits/ Slot

NData1 NData2 NTPC NTFCI NPilot

Transmitted slots per

radio frame NTr

0 15 7.5 512 10 0 4 2 0 4 15 0A 15 7.5 512 10 0 4 2 0 4 8-14 0B 30 15 256 20 0 8 4 0 8 8-14 1 15 7.5 512 10 0 2 2 2 4 15

1B 30 15 256 20 0 4 4 4 8 8-14 2 30 15 256 20 2 14 2 0 2 15

2A 30 15 256 20 2 14 2 0 2 8-14 2B 60 30 128 40 4 28 4 0 4 8-14 3 30 15 256 20 2 12 2 2 2 15

3A 30 15 256 20 2 10 2 4 2 8-14 3B 60 30 128 40 4 24 4 4 4 8-14 4 30 15 256 20 2 12 2 0 4 15

4A 30 15 256 20 2 12 2 0 4 8-14 4B 60 30 128 40 4 24 4 0 8 8-14 5 30 15 256 20 2 10 2 2 4 15

5A 30 15 256 20 2 8 2 4 4 8-14 5B 60 30 128 40 4 20 4 4 8 8-14 6 30 15 256 20 2 8 2 0 8 15

6A 30 15 256 20 2 8 2 0 8 8-14 6B 60 30 128 40 4 16 4 0 16 8-14 7 30 15 256 20 2 6 2 2 8 15

7A 30 15 256 20 2 4 2 4 8 8-14 7B 60 30 128 40 4 12 4 4 16 8-14 8 60 30 128 40 6 28 2 0 4 15

8A 60 30 128 40 6 28 2 0 4 8-14 8B 120 60 64 80 12 56 4 0 8 8-14 9 60 30 128 40 6 26 2 2 4 15

9A 60 30 128 40 6 24 2 4 4 8-14 9B 120 60 64 40 12 52 4 4 8 8-14 10 60 30 128 40 6 24 2 0 8 15

10A 60 30 128 40 6 24 2 0 8 8-14 10B 120 60 64 80 12 48 4 0 16 8-14 11 60 30 128 40 6 22 2 2 8 15

11A 60 30 128 40 6 20 2 4 8 8-14 11B 120 60 64 80 12 44 4 4 16 8-14 12 120 60 64 80 12 48 4 8* 8 15

12A 120 60 64 80 12 40 4 16* 8 8-14 12B 240 120 32 160 24 96 8 16* 16 8-14 13 240 120 32 160 28 112 4 8* 8 15

13A 240 120 32 160 28 104 4 16* 8 8-14 13B 480 240 16 320 56 224 8 16* 16 8-14 14 480 240 16 320 56 232 8 8* 16 15

14A 480 240 16 320 56 224 8 16* 16 8-14 14B 960 480 8 640 112 464 16 16* 32 8-14 15 960 480 8 640 120 488 8 8* 16 15

15A 960 480 8 640 120 480 8 16* 16 8-14 15B 1920 960 4 1280 240 976 16 16* 32 8-14 16 1920 960 4 1280 248 1000 8 8* 16 15

16A 1920 960 4 1280 248 992 8 16* 16 8-14

Tabela 9

37


TransmissionPower Physical Channel 1

TransmissionPower Physical Channel 2

TransmissionPower Physical Channel L

DPDCH

One Slot (2560 chips)

TFCI PilotTPC

• •

•

DPDCH

Figura 19 – Formato do slot no downlink em transmissão

multi-código.

CPICH

Está associado à estimação de canal por parte do

receptor, para efeitos de recepção coerente e transmite

uma sequência de símbolos pré-definida. Tem um ritmo

fixo de 30 kbps, com um factor de espalhamento de 256.

Em caso de aplicação de diversidade na transmissão de

downlink, é transmitido por ambas as antenas com os

mesmos códigos de baralhamento e de channelization.

Nesta situação diferem as sequências de símbolos pré-

definidas, conforme exemplificado na Figura 21.

38


Pre-defined symbol sequence


Tslot = 2560 chips , 20 bits = 10 symbols

1 radio frame: Tf = 10 ms Figura 20 – Estrutura da trama CPICH

slo t #1

Fram e#i+1Fram e#i

slo t #14

A A A A A A A A A A A A A A A A A A A A A A A A

-A -A A A -A -A A A -A A -A -A A A -A -A A A -A -A A A -A -AA ntenna 2

A ntenna 1

slo t #0

Fram e B oundary

Figura 21 - Padrão de modulação para o CPICH ( A = 1+j)

Existem os subtipos P-CPICH e S-CPICH. Como

características importantes relativas ao P-CPICH

destacam-se:

Baralhamento com o primeiro código de

baralhamento

Existência de um único canal deste tipo por célula

É difundido para a totalidade de uma célula

Serve de referência de fase para os canais SCH, P-

CCPCH, AICH, PICH, AP-AICH, CD/CA-ICH, CSICH,

CPCH e DPCH.

39


Tem ritmo fixo de 30 kbps com um factor de

espalhamento de 256 e é usado para transportar a

informação do canal BCH.

Usado com referência de fase para canais que usem

diversidade em anel fechado.

O S-CPICH apresenta por sua vez as características:

Utilização de código arbitrário do tipo channelization

com um factor de espalhamento de 256.

Baralhado com o primeiro ou segundo código de

baralhamento.

Pode não existir ou existir um ou vários numa célula.

Pode ser difundido à totalidade ou parte de uma

célula.

Pode servir de referência de fase ao canal DPCH, no

caso dos níveis superiores comunicarem ao UE.

Pode servir de referência de fase a canais que usem

diversidade em anel aberto.

Não pode coexistir com o canal primário como

referência de fase ao canal DPCH.

Tem um factor de espalhamento entre 4 e 256.

Ritmos iguais aos relativos ao canal DPCH no

downlink.

40


Permite múltiplas combinações de formatos de

transporte através da utilização do TFCI, ao contrário

do canal primário que só permite um formato.

Os canais FACH e PCH podem ser mapeados no

mesmo ou em canais separados do tipo S-CCPCH’s.

No caso de serem mapeados no mesmo canal, são

também mapeados na mesma trama.

Data18 bits


Tslot = 2560 chips , 20 bits


(Tx OFF)

256 chips

Figura 22 - Estrutura de trama para o Primary Common Control Physical Channel



Pilot Npilot bits

DataNdata bits


TFCI NTFCI bits

Figura 23 – Estrutura de trama para o Secondary Common Control Physical Channel

41


SCH

Trata-se do canal de sincronização, usado para efeitos de

busca de célula. É formado por um canal primário e um

secundário, cujas as tramas de 10 ms são divididas em 15

slots com 2560 chips.

O canal primário consiste num código com comprimento

de 256 chips. O código primário de sincronização (PSC –

Primary Synchronization channel) representado por pC é

transmitido em todos os slots e é o mesmo para todas as

células presentes no sistema. O código secundário,

representado por ,i ksC , é formado por 15 sequências de

256 chips, sendo transmitido em paralelo com o código

primário. Permite identificar a célula, sendo seleccionado

dentro de um conjunto de 16 códigos de comprimento

igual a 256. Em ,i ksC , onde representa o grupo de código

de baralhamento e k o número do slot.

Na Figura 25, apresenta-se a situação referente à

transmissão do canal SCH por meio de um esquema TSTD

(Time Swiched Transmit diversity). Nos slots pares os

canais primário e secundário são transmitidos via antena 1

e nos slots impares via antena 2.

42


PrimarySCH

SecondarySCH

256 chips

2560 chips

One 10 ms SCH radio frame

acsi,0

acp

acsi,1

acp

acsi,14

acp

Slot #0 Slot #1 Slot #14

Figura 24 – Estrutura do canal de Sincronização (SCH)

Antenna 1

Antenna 2

acsi,0

acp

acsi,1

acp

acsi,14

acp

Slot #0 Slot #1 Slot #14

acsi,2

acp

Slot #2

Figura 25 – Esquema de transmissão TSTD do canal SCH PDSCH

Este canal físico transporta o canal partilhado de downlink

DSCH (Downlink Shared Channel).

43




DataNdata bits


Figura 26 – Estrutura de trama do canal PDSCH AICH O canal de indicação de aquisição é usado para transporte

dos indicadores de aquisição de canal, associados ao

algoritmo slotted Aloha já referido atrás. Os indicadores

de aquisição correspondem a assinaturas presentes no

canal PRACH. Este canal tem um ritmo fixo, com um

factor de espalhamento de 256. O AICH consiste numa

repetição de 15 slots de acesso, com um comprimento de

5120 chips cada e tem como referência de fase o canal P-

CPICH.

AS #14 AS #0 AS #1 AS #i AS #14 AS #0

a1 a2a0 a31 a32a30 a33 a38 a39

AI part Unused part

20 ms

Figura 27 – Estrutura do canal AICH

44


Cada slot de acesso é formado por duas partes. A primeira

formada por 32 símbolos reais definidos por

∑=

=15

0js,sj bAIa

s

com os sAI de valores 1± ou 0, a representarem o

indicador de aquisição correspondente à assinatura s. As

assinaturas e sequências bs,0, …, bs,31 correspondentes são

apresentadas na Tabela 10.

Um valor do indicador de aquisição igual a 1 corresponde

a uma confirmação afirmativa (positive acknowledgement)

e –1 corresponde por sua vez a uma confirmação

negativa. O valor 0 é usado nos indicadores, quando o

valor da assinatura S não pertence ao conjunto de

assinaturas, definido nas classes de serviço associadas ao

PRACH correspondente.

A outra parte tem uma duração de 1024 chips e não está

associada a transmissão, pelo que não faz parte do AICH.

45


Tabela 10

AP-AICH

Cada slot de acesso é formado por duas partes. A primeira

formada por 32 símbolos reais definidos por 15

j s0

a APIs=

= ∑ s,jb

com os sAPI de valores 1± ou 0, a representarem o

indicador de aquisição AP correspondente à assinatura s

do preâmbulo de acesso. As assinaturas e sequências

correspondentes são apresentadas na Tabela

10. Um valor do indicador de aquisição igual a 1

corresponde a uma confirmação afirmativa (positive

acknowledgement) e –1 corresponde por sua vez a uma

confirmação negativa. O valor 0 é usado nos indicadores,

quando o valor da assinatura S não pertence ao conjunto

de assinaturas, definido para o canal PCPCH

correspondente.

( ,0 ,31,...,s sb b )

46


A outra parte tem uma duração de 1024 chips e não está

associada a transmissão, pelo que não faz parte do AP-

AICH.

CD/CA-ICH

No processo de acesso ao canal é necessário um indicador

de sucesso e um de colisão, devido ao algoritmo de

contenção associado ao slotted Aloha. Este canal, com

estrutura semelhante aos dois anteriores, transporta o

indicador de colisão CDI (Collision Detection Indicator) e o

indicador de atribuição de canal CAI (Channel Assigment

Indicator). O conjunto de assinaturas é o mesmo do canal

anterior. Os símbolos podem estar somente associados

ao indicador CDI quando o CAI está inactivo ou estar

associados a ambos os indicadores.

ja

PICH

Este canal transporta os indicadores de paging e está

associado ao canal S-CCPCH no qual o canal PCH é

mapeado. A trama relativa a este canal tem uma duração

de 10 ms e é formada por 300 bits, em que os 12 últimos

não são transmitidos. Os 288 restantes estão associados a

indicadores de paging. A parte não usada está reservada

para futuras utilizações. Em cada trama são transmitidos

47


pN indicadores de paging ( )0 ,...,pNP P −1 , podendo o pN

assumir os valores 18, 36, 72 ou 144. O indicador de

paging PI usado por um UE é calculado pelos níveis

superiores, estando associado ao indicador de paging .

O valor de é calculado em função do PI, do número de

sistema de trama (SFN – System Frame Number) e do

número de indicadores de paging por trama Np, segundo

a expressão:

qP

q

( )( )( )18 / 8 / 64 / 512 mod144 mod144

PP

Nq PI SFN SFN SFN SFN N⎛ ⎞⎢ ⎥= + × + + + ×⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥⎣ ⎦ ⎣ ⎦ ⎣ ⎦⎜ ⎟⎢ ⎥⎣ ⎦⎝ ⎠

Quando um indicador de paging dentro de uma trama tem

o valor 1, significa que o UE associado a este indicador e

ao valor de PI está apto a ler a trama correspondente ao

canal S-CCPCH associado. O mapeamento dos indicadores

PI em bits do PICH é realizado segundo a regra

apresentada na Tabela 11.

b1b0

288 bits for paging indication 12 bits (undefined)

One radio frame (10 ms)

b287 b288 b299

Figura 28 – Estrutura do canal PICH

48

Comunicação sem fios UMTS Number of PI per frame (N) PIp = 1 PIp = 0

N=18 {b16p, …, b16p+15} = {1,1,…,1} {b16p, …, b16p+15} = {0,0,…,0}N=36 {b8p, …, b8p+7} = {1,1,…,1} {b8p, …, b8p+7} = {0,0,…,0} N=72 {b4p, …, b4p+3} = {1, 1,…,1} {b4p, …, b4p+3} = {0, 0,…,0}

N=144 {b2p, b2p+1} = {1,1} {b2p, b2p+1} = {0,0} Tabela 11

Canais de transporte e seu mapeamento em canais

físicos.

Os dados gerados pelos níveis superiores são

transportados por meio de canais de transporte que no

UTRA são mapeados em canais físicos. Note-se que o

nível físico suporta canais de transporte de ritmo variável

de forma a oferecer serviços que solicitem atribuição de

banda a pedido e permite a multiplexagem de diversos

serviços numa única conexão.

A cada canal de transporte é associado um indicador de

tipo TFI (Transport Format Indicator) que identifica de

forma unívoca os canais de transporte associados a dados

provenientes dos níveis superiores. No nível físico, os

vários elementos identificadores são combinados num

único identificador TFCI, transmitido através do canal

físico e que permite na recepção o conhecimento dos

canais de transporte presentes na trama recebida. A

49


descodificação do TFCI permite obter os TFI’s que são

indicados aos níveis superiores. Desta forma esses níveis

têm a lista de canais activos na conexão que está a ser

utilizada.

Figura 29 – Interface entre nível físico e níveis superiores.

Os canais de transporte encontram-se divididos em duas

categorias:

I. Canais dedicados ou DCH que transportam a

informação proveniente de níveis superiores, relativa

a um determinado utilizador. Nesta informação

abrangem-se os dados propriamente ditos, bem

como informação de controlo associada aos níveis

superiores. Do ponto de vista do nível físico, ambos

os tipos de informação são tratados da mesma

50


forma. Note-se que já não existe separação entre

canais de dados e de controlo. Portanto canais como

o DCH estão associados ao controlo de potência,

adaptação de ritmo de transmissão e soft handover.

II. Canais comuns – No UTRA existem 6 subtipos que se

descrevem a seguir:

o BCH (Broadcast Channel) – Consiste num canal

de transporte associado a difusão. A informação

deste canal é respeitante à informação típica da

UTRA ou da célula. Por intermédio deste canal é

difundida informação sobre códigos de/ou para

acesso aleatório, slots de acesso e informação

relativa aos métodos de diversidade. O registo

de um UE só é possível se este for capaz de

descodificar este canal. Consequentemente para

abranger a totalidade dos UE’s presentes numa

célula, este canal é transmitido com uma

potência mais elevada que os restantes canais.

O ritmo de transmissão é baixo para garantir

compatibilidade com todos os terminais.

o FACH (Forward Access Channel) – É um canal

de downlink, responsável pelo transporte de

informação de controlo relativa ao

51


posicionamento de um UE dentro de uma célula.

Podem coexistir vários canais deste tipo. Trata-

se de um canal com um ritmo de transmissão

baixo e não tem associado controlo de potência

rápido.

o PCH (Paging Channel) – É um canal existente

no downlink que transporta informação

referente à operação de paging dos UE’s

presentes na rede.

o RACH (Random Access Channel) – É o 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 usado

para transmissão de pacotes entre UE e BS.

Tem de abranger necessariamente toda a área

de cobertura de uma célula.

o CPCH (Common Packet Channel) – Trata-se de

um canal existente no uplink. Pode ser

considerado como uma extensão do RACH e é

usado para a transmissão de pacotes. O seu

equivalente no downlink é o FACH. Do ponto de

vista do nível físico difere do RACH no que

respeita ao mecanismo de detecção de colisões,

52


à utilização de controlo de potência rápido,

procedimentos de monitorização e número de

tramas associadas ao processo de transmissão.

o DSCH (Dedicated Signalling channel) – É um

canal de transporte usado para transmissão de

dados de utilizador e/ou dados de controlo e

que pode ser partilhado por diversos

utilizadores. Suporta ritmos variáveis e controlo

rápido de potência. Pode ter associadas várias

técnicas de diversidade em associação com o

canal DCH.

No conjunto anterior, os canais essenciais para operação

da rede são o RACH, FACH e PCH sendo os restantes

opcionais.

As associações possíveis entre os canais anteriores e

canais físicos, para downlink e uplink são as que se

apresentam a seguir:

53


Canal de transporte Canal físico

DCH Dedicated Physical Data

Channel (DPDCH)

Dedicated Physical Control

Channel (DPCCH)

RACH Physical Random Access Channel

(PRACH)

CPCH Physical Common Packet Channel

(PCPCH)

Common Pilot Channel (CPCH)

BCH Primary Common Control Physical

Channel (P-CCPCH)

FACH Secondary Common Control Physical

Channel (S-CCPCH)

PCH Secondary Common Control Physical

Channel (S-CCPCH)

DSCH • Synchronization Channel (SCH)

• Physical Downlink Shared

Channel (PDSCH)

• Acquisition Indicator Channel

(AICH)

• Access Preamble Acquisition

Indicator Channel (AP-AICH)

• Paging Indicator Channel

(PICH)

• CPCH Status Indicator Channel

(CSICH)

• Collision-Detection/Channel

Assignment Indicator Channel

(CD/CA-ICH) Tabela 12

54

Comunicação sem fios UMTS Entre os canais físicos destacam-se os canais CPICH, SCH

e AICH por serem somente visíveis pelo nível físico e por

serem transmitidos por todas as estações base existentes

na rede. Os canais CSICH (CPCH Status Indication

Channel) e CD/CA-ICH (Colision Detection/Channel

Assigment Indication Channel) são sempre usados quando

o canal CPCH se encontra activado.

55


Arquitectura de sistema

O UMTS está estruturado de forma modular, não

especificando-se as estruturas internas e modos de

implementação de cada elemento constituinte da rede.

Adopta-se uma filosofia semelhante à implementada no

modelo OSI, onde se especificam as interfaces entres os

diferentes elementos lógicos que formam a rede. Assim ao

nível do PLMN do UMTS são definidas as seguintes

interfaces:

• CU – Interface eléctrica entre o USIM (UMTS

subscriber Identity Module) e o equipamento de

utilizador UE.

• Uu – Interface rádio do WCDMA. Trata-se da

interface pela qual o UE acede à rede fixa do

sistema.

• Iu – Interface que estabelece a ligação entre a

UTRAN (UMTS Radio Access Network) e a CN

(Core Network). O facto, da norma que especifica

a interface Iu ser aberta, permite que vários

fabricantes forneçam equipamento para

implementação da UTRAN e da CN.

• Iur – Permite a realização de softs handovers

entre RNC’s distintos (fabricantes) e suporta as

seguintes funcionalidades:

56


Mobilidade inter-RNC

Canal de tráfego dedicado

Canal de tráfego Comum

Gestão geral de recursos

• Iub – Interliga o nó B e o RNC. Também é aberta.

CoreNetwork

USIM

ME

Nó B

RNC

Nó B

RNC

Uu Iu Cs Iu Ps

RNC

RNC

IurIub

Iub Iur

Iur

UTRAN

Iub

Cu

Figura 30 – Estrutura UTRAN e Interfaces

UTRAN

Funcionalidades da UTRAN

A UTRAN tem a seu cargo a criação e manutenção de

canais rádio (RAB – Radio Access Bearer) entre as UE’s e

a CN a Core Network (CN). O RAB garante aos elementos

57


da CN, uma “comunicação fixa” via rádio link, libertando a

CN da necessidade de gerir qualquer aspecto relacionado

com a interface rádio.

De acordo com o que já foi referido atrás, a UTRAN

consiste na parte do sistema formada pela BS (Nó B) e

RNC, contida entre as interfaces Uu e Iu.

Consequentemente do ponto de vista funcional a

finalidade da UTRAN é providenciar os serviços de

transporte entre estas duas interfaces, garantindo o

cumprimento dos requisitos de QoS impostos pela CN.

Entre as diversas funções associadas ao RNC, algumas já

descritas atrás, encontra-se o cumprimento dos requisitos

de QoS impostos no acesso em rádio frequência.

É conveniente frisar que o encapsulamento da parte de

acesso rádio, existente no UMTS, permite que alterações

nesta parte do sistema não afectem os restantes

componentes.

A parte física de suporte ao UTRAN é denominada UTRA

(Universal Terrestial Radio Access) e utiliza WCDMA-FDD⊗

ou WCDMA para efeitos de implementação dos serviços.

Como características da UTRAN destacam-se:

⊗ Só na primeira fase de implementação do sistema

58


• Colocada entre as interfaces Uu e Iu.

• O RAB garante a QoS especificada pelo CN.

• Manter e criar o RAB garantindo a QoS requerida.

• Filosofia semelhante à adoptada no AMPS, com o

encapsulamento da parte rádio para que esta possa

ser alterada sem repercussões no resto do sistema.

• Suportar ritmos de transmissão de:

o 144 kbps para ambientes rurais

o 384 kbps para ambiente urbano

o 2048 kbps em ambientes indoor ou micro-

células

• Suportar posicionamento dos UE’s com precisão de

50 metros.

• RNC (Radio Network Controler) que garante a QoS

através da ligação rádio e CN que garante a QoS na

interface Iu.

• Bearer Iu mais estável.

• Bearer RB mais instável que obriga à manutenção de

três RB entre UE e o RNC.

59


UE RNCBS

IuUu

UTRAN

SGSN

MSC/VLR

END to END Service

UMTS Bearer Service

Radio Access Bearer Service

Radio Bearer Service

Physical Bearer Service

Iu Bearer Service

UTRA Service

Local Bearer Service

MTTE

Figura 31- Arquitectura/organização de Bearer/QoS na UTRAN

Serviço Bearer

No UMTS, os parâmetros da classe do serviço bearer

estão directamente relacionados com a aplicação utilizada

e tipos de redes que ligam os pontos terminais da ligação.

É permitida a negociação das características do serviço

bearer, pelo que o QoS de ser flexível de forma a permitir

a negociação até para aplicações futuras.

O serviço bearer está organizado por níveis conforme

exemplificado na figura anterior. Assim cada serviço

bearer presente num nível específico oferece o seu

serviço, utilizando os serviços disponibilizados pelos níveis

situados abaixo, tal como no modelo OSI.

60


Divisão de serviços e aplicações.

A negociação do nível de QoS num serviço bearer,

implica a definição de parâmetros referentes à

qualidade de serviço como :

• Ritmo mínimo de transmissão

• Ritmo de bit garantido

• Atraso máximo permitido

e características de tráfego como tipo de ligação (ponto a

ponto, ponto multiponto, unidireccional, etc..) na

descrição do RAB (Radio Access Bearer) a implementar

pela UTRAN.

São identificadas 4 classes de QoS, à semelhança do

GPRS, correspondendo cada uma a requisitos distintos de

atraso:

I. Classe conversacional com ritmo fixo, sem buffering,

tráfego simétrico e ritmo de bits garantido.

II. Classe de streaming com atraso mínimo fixo, com

buffering, tráfego assimétrico e ritmo de bit garantido.

III. Classe interactiva com atraso moderado, buffering,

tráfego assimétrico e sem garantia de ritmo de bits

mínimo.

61


IV. Classe de background com atraso elevado e variável,

buffering quando necessário e tráfego assimétrico e

sem garantia de ritmo de bits mínimo.

Na negociação do QoS associado a uma classe de serviço

são negociados uma grande variedade de atributos, tais

como os que constam na Tabela 13.

Tipo de

classe de

tráfego

Classe

conversacional

Classe de

streaming

Classe

iterativa

Classe de

backgroud

Ritmo Máx.

(kbps)

<2000 <2000 <2000 <2000

Entrega

sequencial

Sim/não Sim/não Sim/não Sim/não

Tamanho

máximo da

SDU

<1500 <1500 <1500 <1500

Taxa de erro

das SDU’s

2 3 4 510 ,10 ,10 ,10− − − − 2 3 4 510 ,10 ,10 ,10− − − − 3 410 ,10 ,10 6− − − 3 410 ,10 ,10− − −6

Atraso de

transferência

(ms)

100 500

Ritmo de bit

garantido

(kbps)

<2000 <2000

Tabela 13 – Valores de atributos dos Serviços Bearer

62


Arquitectura da UTRAN

Arquitectura

A UTRAN é formada por vários RNS’s (Radio Network

subsystems). Os diversos RNS’s encontram-se ligados

entre si via interface Iur (transporte de informação de

sinalização e de dados) que permite a comunicação entre

dois RNC’s. Cada RNS é por sua vez formado por várias

BTS (Base Station), localizadas entre as interfaces Uu e

Iub (interface entre BTS e RNC). A implementação da

interface Uu é realizada mediante a utilização de WCDMA

e o mapeamento dos canais de transporte em canais

físicos, segundo as regras estabelecidas pelo RNC, para a

realização do mapeamento.

Pode ser formada por vários subsistemas RNS (Radio

Network Sub-systems) e pelo UE. Um RNS é por sua vez

formado pelos seguintes elementos:

Um RNC ou vários que podem estar ligados via

interface Iur;

Nó B ligado aos RNC’s através de interfaces Iub.

Interface Uu entre RNS e UE.

Interface Iur entre RNC’s.

Interface Iu entre RNS e CN.

63


RNC

BS

BS

RNC

BS

BS

IurIuUu

RNS

RNS

UTRAN

Figura 32 - Estrutura da UTRAN

O RNC é o elemento de rede responsável pela gestão de

recursos de rádio da UTRAN. Faz a interface com a CN e é

o ponto terminal de execução do protocolo RRC (Radio

Resource Control) que define as mensagens e

64


procedimentos existentes entre UE e a UTRAN. Fazendo

uma analogia com o GSM, corresponde ao BSC do GSM.

Um RNC pode ser dividido nos seguintes elementos

funcionais:

CRNC – Responsável pelo controle do nó B. Executa

controlo de carga (tráfego), controlo de admissão,

alocação de ligações rádio e gestão de congestão;

SRNC – Trata-se do elemento funcional do RNC que

termina a ligação da interface Iu para transporte de

dados de utilizador e a ligação RANAP ( ) de

sinalização da e para a CN. Realiza igualmente

operações de gestão de recursos rádio, tais como o

mapeamento de canais de transporte nos canais

Bearer da interface ar, o handover e controlo de

potência.

DRNC – Trata-se de qualquer RNC que controle as

células utilizadas por um UE. Existe também no UE,

pode realizar operações de macro-diversidade e

divisão celular. Um Ue pode conter um ou vários

DRNC’s.

O nó B ou estação base só executa operações do nível 1,

tais como codificação de canal, adaptação de ritmo,

65

Comunicação sem fios UMTS interleaving e espalhamento espectral. Está localizada

entre a interface Uu e a interface Iub, isto é entre a BS e

RNC. Implementa a interface Uu mediante a utilização de

WCDMA para acesso aos canais de rádio físicos e

transporta informação nos canais físicos de acordo com o

mapeamento definido pelo RNC. A sua estrutura lógica é

formada pelas interfaces Iub e Uu.

Do ponto de vista estrutural, a BTS é vista de forma

distinta consoante a interface considerada. Assim a

estrutura funcional será a apresentada na próxima figura.

Do ponto de vista da interface Iub é formada por duas

entidades lógicas:

• Common transport - Representa os canais de

transporte comuns a todos os UE’s presentes na

célula e os utilizados para acesso inicial. Contem

um porto de controlo para efeitos de operação e

manutenção.

• Traffic Terminatin Points (TTP) – conjunto de

recursos dedicados, requeridos pela UE quando

está no modo dedicado. Contem pelo menos um

canal dedicado do tipo DCH (Downlink Channel)

e um canal partilhado de downlink DSCH

(Downlink Shared Channel).

66


A entidade de transporte comum, contem os canais

comuns a todos os UE’s presentes numa célula, os canais

usados para inicialização de acesso e canais usados em

operações de controlo e manutenção da rede (node B

control port). A entidade TTP (Traffic Termination Points)

agrupa todos os recursos dedicados que são utilizados

para um UE em modo dedicado. Contem necessariamente

um DCH (Dedicated Channel) e contem igualmente no

downlink um canal partilhado do tipo DSCH.

Do ponto de vista do acesso rádio ou interface Uu, a BS é

formada por um conjunto de células, caracterizadas por

um código de baralhamento próprio e um identificador de

célula. Cada célula tem no mínimo um TRx, que mantém

os canais físicos (onde são mapeados os canais de

transporte) através da interface Uu. A cada célula está

igualmente atribuído um canal do tipo P-CCPCH para

difusão da informação associada ao canal BCH.

A técnica de transmissão baseia-se no WCDMA que usa

dois tipos de modulação consoante se trate de downlink

ou uplink.

67


Figura 33- estrutura lógica da BS

Interfaces e estrutura protocolar.

As interfaces no UMTS são definidas tendo em atenção a

estrutura protocolar adoptada no sistema. A UTRAN

encontra-se organizada em níveis e planos verticais

independentes entre si. Logo à semelhança do modelo

OSI, alterações num nível não se repercutam para os

níveis adjacentes.

A estrutura do UTRAN encontra-se desta forma dividida

em duas camadas:

Nível de rede rádio

Nível de transporte

68


E nos planos verticais (associados a funcionalidades):

Plano de controlo

Plano de transporte

Plano de utilizador

O plano de controlo inclui todas as funções de sinalização

de controlo da rede. Inclui o protocolo dependente da

interface considerada, o RANAP para a interface Iu, o

RNSAP para a interface Iur e o NBAP para a interface Iub.

Inclui igualmente o Bearer de sinalização necessário ao

transporte de mensagens associadas ao protocolo. O

protocolo é usado para estabelecer o acesso rádio na Iu e

a ligação rádio entre as interfaces Iur e Iub.

O plano de controlo da rede de transporte é usado pela

sinalização de controlo do nível de transporte. Actua entre

o plano de utilizador e de controlo. Permite que o

protocolo de aplicação no plano de controlo seja

totalmente independente da tecnologia usada na

implementação do bearer de dados do plano de utilizador.

O plano de utilizador é responsável pelo transporte dos

dados enviados e recebidos pelo utilizador.

69


Nível físico

Protocolo deaplicação

Fluxo(s) dedados

Bearer(s) dedados

Bearer(s) desinalização

Bearer(s) desinalização

Rede de TransportePlano de utilizador



Nível deTransporte da

rede

Nível rádio daRede Plano de controlo Plano de utilizador

Figura 34 – Modelo protocolar geral para interfaces da UTRAN

Interface Iu

Esta interface liga a UTRAN à CN e a sua especificação é

uma norma aberta. Consoante o tipo de comunicação

existem diversos tipos de interface. Assim tem-se

Iu cs, para ligação da UTRAN com a CN em

comutação de circuitos.

Iu ps, para ligação da UTRAN com a CN em

comutação de pacotes.

Iu bc, para suporte de serviços de difusão e

conecta a UTRAN com a parte de difusão da CN.

70


Figura 35 – Estrutura do protocolo para a interface Iu Cs

Figura 36 - Estrutura protocolar da interface Iu ps

71


O nível físico pode ser implementado recorrendo a SONET,

STM1, E1, etc..

Das figuras anteriores, destaca-se o protocolo RANAP

associado à interface Iu e que contem toda a informação

de controlo relativa ao nível da rede rádio. As funções

associadas a este protocolo são:

Recolocação entre RNS, devido a hard handover ou

inter-system handover:

o SNRS – Neste caso é realizada a recolocação

entre SNRS’s sem alteração dos recursos rádio

que se encontram atribuídos e sem interrupção

da comunicação.

o Inter-SRNS hard handover – usado para

transitar entre RNS’s com alteração dos recursos

rádio, através de um hard handover na interface

Uu. O requisito prévio implica que a Ue esteja

na região fronteira das células em questão.

Gestão do RAB (Radio Access Bearer) e combina

todas as RAB respeitantes a:

o Setup

o Modificação das características de um RAB

actual

o Finalizar um RAB

72


o Libertação da Iu com libertação de todos os

recursos associados.

o Detecção de transmissão de dados sem

sucesso. Permite ao CN saber a partir da UTRAN

se existiram transmissões de dados associados a

UE’s que falharam.

o Gestão de ID comum, nomeadamente o envio

de identificação do UE, entre o CN e a UTRAN.

Isto permite a coordenação de operações de

paging devidas a dois CN’s distintos.

o Paging.

o Tracing que permite à CN solicitar que a UTRAN

registe todo o processo de conexão entre um

UE e a UTRAN. Normalmente é usada para

efeitos de manutenção.

o Transferência de informação de sinalização

entre UE e CN que é realizada em dois modos:

UE -> UTRAN ->CN

ou

UE -> CN

o Controlo de segurança, utilizado para ligar ou

desactivar a encriptação ou confirmação de

integridade.

73


o Gestão de sobrecargas, usado para controlar a

carga através da interface Iu de modo a

evitarem-se sobrecargas na CN ou na UTRAN.

o Reset que é utilizado para realizar a inicialização

da interface Iu do lado da CN ou da UTRAN em

situações de erro anómalas.

o Reporting de localização, usado pela CN para

receber informação respeitante à localização de

um UE.

Interfaces internas da UTRAN

Destaca-se a interface Iur entre RNC’s e que está

associada à sinalização de protocolo RNSAP. Esta interface

suporta 4 funcionalidades distintas estando associados

subtipos de interface a cada uma delas. Assim é possível

definir os subtipos:

Iur 1 – mobilidade inter-RNC

Iur2 – Canal de tráfego dedicado

Iur3 – Canal de tráfego comum

Iur4 – Gestão global de recursos

Entre as funções da Iur 1 destacam-se:

Recolocação do SRNC

74


Suporta inter-RNC e realiza actualização do registo

de área ao nível da UTRAN.

Suporta paging inter-RNC

Reporta erros protocolares

Funções associadas à Iur 2 (Iur DCH):

Estabelecimento, modificação e libertação do canal

dedicado/partilhado no DRNC, devido a um

handover;

Estabelecimento e libertação de canais de transporte

dedicados, através da interface Iur;

Transferência de blocos de transporte associados ao

DCH entre a SRNC e o DRNC;

Gestão das ligações rádio estabelecidas no DRNS.

Funções do Iur 3 (Módulo do canal de transporte):

Estabelecimento e libertação da ligação de transporte

para o tráfego de dados associados ao canal comum,

através da interface Iur.

Dividir o Mac nos sub-níveis MACEDO (associado ao

SRNC) e MAC-c (associado ao DRNC).

Controlo de fluxo entre MAC-d e MAC-c

Funções implementadas ao nível da Iur 4:

75


Transferência de informação respeitante a células e

mediadas, entre dois RNC’s.

Transferência de parâmetros de posicionamento

entre controladores.

Transferência de informação de sincronismo do nó B,

entre dois RNC’s.

Interface Iub

Consiste na interface situada entre o RNC e o nó B. A

sinalização associada a esta interface, encontra-se dividida

em duas subcategorias:

NBAP comum que utiliza uma ligação comum de

sinalização. As funções associadas são:

o Estabelecimento do 1º RC de um UE e selecção

do ponto de terminação de tráfego;

o Configuração celular;

o Gestão dos canais RACH, FACH, PCH e CPCH;

o Inicialização e relatório de medições ao nível da

célula e do nó B;

o Controlo da LMU (Localization measurement

Unit);

o Gestão de falhas.

NBAP dedicada que usa uma ligação dedicada de

sinalização. As funções desempenhadas são:

76


o Adição, libertação e reconfiguração de ligações

rádio ao nível do UE;

o Manipulação de canais dedicados e partilhados;

o Inicialização e reporting de medições sobre a

ligação rádio;

o Gestão de falhas da ligação rádio.

Figura 37 – Estrutura protocolar da interface Iub

RNC

O RNC é o comutador da UTRAN, e por analogia é

equivalente ao MSC do GSM. Encontra-se localizado entre

as interfaces Iub, Iu e Iur (usada par ligação intra RNS’s).

A sua estrutura lógica pode ser representada na forma.

77


Comutador

Funçõesde

controloda UTRAN

RRM

InterfaceO&M

(operaçãoe

manutenção)

Uni

dade

s de

Inte

rfac

es

Uni

dade

s de

Inte

rfac

es

Iub

Iur

BS's

OutrosRNC's

CN

gestão e manutenção darede

Iu

Figura 38 – Estrutura lógica do RNC

No RNC, identificam-se os seguintes elementos associados

a funcionalidades distintas:

• SRNC (Serving RNC e consiste no RNC pela

manutenção de um bearer relativo a um UE através

da interface Iu)

• CRNC (Controlling RNC - De acordo com o modelo

da estação base o RNC vê esta como formada pela

entidade de transporte comum e pelo conjunto de

nós do tipo B. O CRNC é o elemento funcional que

controla estas entidades numa estação base)

• DRNC (Drifting RNC)

78


Em termos funcionais o RNC encontra-se divido em duas

unidades lógicas, o RRM e funções de controlo. O RRM

(Radio Resource Management) é responsável pela

implementação dos algoritmos necessários à manutenção

da ligação rádio e cumprimento dos requisitos de QoS

impostos. Desta forma executa funções como:

Controlo de potência

Gestão de handover

Controlo de admissão

Gestão de códigos

Packet scheduling.

Convém salientar que na UE existe igualmente uma

unidade lógica RRM, para efeitos do controlo de potência

e gestão de handover.

A segunda entidade funcional, relativa às funções de

controlo, engloba funções de controlo associadas ao

estabelecimento, manutenção e libertação de radio

Bearers.

Handover

No UMTS podem existir duas razões para a realização de

handover (tal como nos sistemas de 2ª geração):

79


• Qualidade do 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.

O primeiro tipo de handover é gerido pelo RNC. No 2º tipo

o MSC pode tomar igualmente a decisão de desencadear o

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

80


Soft Handover Softer Handover

SRNC DRNC

CN

SRNC

CN

Iur

Soft Handover Softer Handover

Nó B

SRNC DRNC

CN

Nó B

SRNC

CN

Iur

Figura 39 – Esquemas de soft e softer handover Para efeitos de handover são realizadas as seguintes

medições pelo UE:

• Medidas intra-frequência incluindo medições da

potência dos canais físicos de downlink para sinais

com as mesmas frequências.

• Medidas inter-frequência, abrangendo as medições

de potência de canais físicos de downlink associados

a sinais de frequência distintas.

81


• Medições de cobertura inter-sistemas, abrangendo as

medições de potência de canais de downlink

pertencendo a outros sistemas (exemplo GSM).

• Medição do volume de tráfego existente no uplink.

• Medição de parâmetros de QoS incluindo a taxa de

erros de blocos no downlink.

• Medições da potência de emissão da UE (uplink) e do

sinal recebido pela UE(downlink).

Figura 40 – Esquema com passos associados ao controlo de potência

As medições anteriores podem ser activadas por qualquer

uma das razões apresentadas a seguir:

Mudança para uma célula melhor.

82


Mudança no nível de sinal associado ao canal.

PCPICH (Primary Common Pilot channel).

Mudança no nível do sinal do canal P- CCPCH.

Mudança no nível da SIR.

Mudança no nível do ISCP (Interference Signal Code

Power).

Relatórios periódicos.

Tempo de activação.

No UMTS há que associar em simultâneo o critério e o

procedimento adequados, dada a profusão de critérios e

medições possíveis. Qualquer um dos tipos de handovers,

referidos anteriormente é realizado em três fases

distintas.

83


Fase de medição

Fase de Decisão

Fase de execução

Figura 41 – Fases para realização de handover

Existem dois tipos de classificação para os handovers,

consoante o tipo de decisão realizada. O NEHO (Network

Evaluated Handover) onde o SRNC é responsável pela

decisão do handover e o MEHO (Mobile Evaluated

Handover) onde o UE é que é responsável pela decisão do

handover. Embora no segundo tipo se afirme que o UE é

responsável pelo handover, a decisão final e execução

propriamente dita é feita pelo SRNC.

É de salientar que não existe estandardização

relativamente aos algoritmos utilizados no handover.

Como exemplo considera-se a seguir o handover baseado

84


na potência do sinal reportada pelo UE. Neste tipo de

handover intervêm as seguintes grandezas:

• Limiar superior – É o nível de potência máximo do

sinal aceitável para a QoS requerida.

• Limiar inferior – nível de potência mínimo do sinal

para o qual a QoS requerida é cumprida. A potência

não pode ir abaixo deste nível sem acarretar uma

quebra na ligação.

• Margem de handover - consiste no valor em que a

potência da célula vizinha tem de exceder a potência

da célula actual, durante um intervalo de tempo pré-

determinado.

• Conjunto activo – Lista de células através das quais o

UE tem ligações com a UTRAN.

Assumindo que a MS se encontra na célula A e que vai

transitar para a célula B, os passos envolvidos no

handover serão:

1. A MS está a afastar-se da estação base da

célula A, o que implica que a potência associada

a esta célula se aproxime do limiar inferior de

potência. Nas medições efectuadas pela MS e

reportadas ao RNC, detecta-se um sinal

85


proveniente de B que se situa dentro da

margem de handover. Este sinal é adicionado

ao sinal proveniente de A.

2. Nível de sinal proveniente de B maior que o

sinal proveniente de A. No caso de B ter

potência suficiente para cumprir os requisitos de

QoS impostos e se a soma dos sinais

provenientes de A e B exceder o limite superior

de potência (causa de interferência adicional) é

realizado o handover e A é eliminada do

conjunto de ligações activas.

Caracterização de tipos de handover.

Os tipos de handover já foram referidos atrás,

procedendo-se agora à caracterização de cada um dos

tipos.

Como hard handover, entende-se qualquer processo de

handover onde exista uma interrupção momentânea da

ligação entre os instantes de finalização da ligação

existente e o estabelecimento da nova ligação. Este tipo

de handover é usado para alteração da banda de

frequências de uma conexão entre UE e UTRAN ou para

alteração de uma célula mantendo a frequência quando

não existe da parte da rede, suporte a esquemas de

86


macro-diversidade. Também pode ser utilizado para

comutar entre os modos FDD e TDD. Este procedimento é

usado somente no estado Cell_DCH. Embora não estejam

definidas mensagens de sinalização dedicada para o

handover do tipo hard, os procedimentos a executar pelo

RRC abrangem necessariamente:

Reconfiguração do canal físico

Estabelecimento do RAB

Reconfiguração de Radio Bearers

Libertação de Radio Bearers

Reconfiguração de canais de transporte

87


Figura 42 – Handover rígido.

I. Handover intra-frequência do tipo rígido (intra-

frequency hard).

No caso do handover intra-frequência, a portadora usada

após o handover é a mesma que era usada antes da

realização do handover.

88


RNC RNCIur

UE

BSFrequência f1

BSFrequência f2

Figura 43 – Handover intra frequência do tipo rígido

UE

BSFrequência f1

BSFrequência f2

Figura 44- Handover inter frequência do tipo rígido

89


Figura 45 – Passos e entidades envolvidas no handover rígido e recolocação de SNRS.

No handover rígido inter-frequência, existe mudança de

portadora após a execução da operação de handover. No

caso dos RNC’s envolvidos na operação não estarem

ligados via Iur, não é possível um soft handover entre

RNC’s. Nesta situação é somente possível um handover

rígido inter-frequência e consequentemente um handover

inter-RNC (ver Figura 44). O handover inter-frequência

pode ocorrer entre macro e micro-células que usem

portadoras distintas dentro da mesma área de cobertura,

que é a situação associada a handover entre sistemas

distintos GSM/WCDMA uma vez que acarreta

necessariamente alteração da portadora. Este tipo de

handover é sempre do tipo NEHO. O handover entre

90


sistemas pode ser usado para efeitos de controlo de

tráfego ou para garantir continuidade de sessões, em

zonas onde dois sistemas coexistam.

No soft handover é estabelecida uma nova ligação antes

de se terminar a ligação antiga. Pode ser realizado entre

duas estações base não pertencentes ao mesmo RNC.

Neste tipo de handover as células envolvidas têm as

mesmas frequências.

O softer handover está por sua vez associado a um

esquema de micro diversidade ao nível da estação base

ou a estações base em que foram empregues técnicas de

sectorização.

Sector 2Frequência f1

BS



UE

Figura 46 –Soft Handover intra frequência

Na micro diversidade, a selecção e combinação dos sinais

é realizada num receptor tipo RAKE existente na estação

base(ver Figura 47). Pode existir igualmente um esquema

91


de macro diversidade no RNC, conforme consta na Figura

48.

UE

Uplink

Receptor RAKE(Aplicação de técnicade micro diversidade)

Figura 47 – Micro diversidade aplicada numa BS

Conjuntode ligações

activas

BS

BS

BS

UESRNC

DRNC

Ponto demacrodiversidade

Figura 48 – Esquema de macro diversidade ao nível do RNC

92


Handover entre sistemas

GSM/BSS para UTRAN

UE

BSWCDMA

BSGSM/DCS

Figura 49- Handover entre sistemas

Neste tipo de handover quando o RRC da rede recebe um

comando do tipo Hard handover Proceed 2 do protocolo

RANAP, atribui um RNTI para a conexão RRC e selecciona

os parâmetros necessários à configuração dos canais de

transporte e definição dos conjuntos de canais. Assim o

RRC executa as operações de controlo da admissão e

reserva de recursos, configurando os parâmetros

associados aos canais de transporte (tipo e formatos) no

nível 1 e nível 2 de forma a estabelecer um canal lógico

do tipo DCH.

Os parâmetros seleccionados incluindo o RNTI, são

previamente transmitidos ao UE via mensagem Hard

93


handover Proceed 1 do protocolo RANAP e mensagem

Handover command do GSM. Ao receber a mensagem

Handover command, o nível RR do GSM transmite os

parâmetros requeridos ao nível RRC do UMTS via primitiva

RR-data-ind. O RRC da UE configura os níveis 1 e 2 de

acordo com os parâmetros recebidos, de forma a

estabelecer localmente o canal lógico DCH. O nível físico

indica ao RRC a obtenção de sincronização e é iniciada

pelo UE uma ligação de sinalização entre o RLC e o UE.

Por fim é enviada a mensagem Handover Complete.

Figura 50 – Procedimentos para execução de handover entre sistemas GSM --> UTRAN

O handover entre sistemas pode dar-se no sentido UTRAN

para GSM, desde que o UE tenha em uso pelo menos um

94


RAB pertencente ao domínio dos serviços e comutação de

circuitos (CSD – Circuit Switched Domain). Este handover

baseia-se na informação medida pelo UE presente na

UTRAN, logo é enquadrável na categoria MEHO. Em caso

de handover, é enviado em modo confirmado, no canal

DCCH, um comando do tipo Handover From Utran

Command. Assim que este comando é recebido pelo UE,

inicia-se neste a transição para o estado Connected Mode.

A transição do UE para o estado ligado no GSM é por sua

vez finalizada quando este envia a mensagem Handover

Complete. Os passos realizados para execução deste

handover são:

1. UTRAN envia uma mensagem de pedido de

recolocação ao CN/AS, que contem a informação

necessária ao GSM para realizar o handover (célula

actual, nova célula, classe de MS, etc..).

2. O CN/AS envia um pedido de handover ao RR do

controlador da BS, reservando os recursos

necessários de forma a ser capaz de receber a MS.

Confirma o seu envio, por meio do envio da

mensagem de confirmação Handover Request

Acknoledge ao CN/AS. A mensagem de confirmação

contém uma mensagem do tipo RR-GSM com toda a

95


informação necessária à UE para realização do

handover.

3. O CN/AS envia o comando de recolocação

(Relocation Command) à UTRAN para esta começar o

processo de handover. Contem toda a informação

necessária para o UE comutar para a célula GSM e

realizar o handover para o novo sistema.

4. O UE ao receber a mensagem Handover From Utran

Command, o respectivo RRC reenvia a mensagem

GSM-RR à entidade MS-RR. A entidade MS-RR pede

por sua vez à entidade MS-RRC para libertar a

conexão.

5. A entidade MS-RRC liberta os recursos atribuídos nos

níveis RLC, MAC e físico do UE.

6. Após comutar para o canal GSM definido na

mensagem Handover From Utran Command, a

entidade GSM-MS (GSM-Mobile Station) envia

mensagens do tipo Handover Access para aceder ao

processo de handover do GSM.

7. O RR do controlador da BS, depois de receber a

mensagem Handover Access indica a sua recepção

ao CN/AS, enviando uma mensagem do tipo

Handover Detect. O RR do controlador da estação

base envia a informação de configuração de

96


transmissão ao nível físico, para que a transmissão

por parte da MS se processe correctamente.

8. Após as ligações do nível 1 e 2 estarem

estabelecidas, a MS envia a mensagem de Handover

Complete.

9. O CN/AS envia uma mensagem Iu Release Command

à UTRAN para esta libertar os recursos usados pelo

UE no modo conectado. Os recursos usados nos

níveis RLC, MAC e físico são libertados, sendo

posteriormente enviada a mensagem de confirmação

Iu release Complete.

Figura 51 - Procedimentos para execução de handover entre sistemas UTRAN --> GSM

97


Controlo de potência

Uma vez que existem diversos utilizadores partilhando a

mesma banda de frequência, as potências dos sinais

recebidos na estação base, diferem já que as diversas MS

se encontram a distâncias diferentes. No FDMA cada

conexão tem uma portadora associada e no TDMA é

associado um time slot , o que garante o isolamento da

ligação. No CDMA a separação entre estas é garantida

mediante o emprego de códigos ortogonais, uma vez que

as conexões partilham o mesmo meio de transmissão. No

entanto, a presença de códigos ortogonais não impede

que os sinais relativos aos diversos UE’s presentes

interfiram entre si, pelo que o controlo de potência é

fundamental, já que se trata de um sistema de

interferência limitada.

O uso de códigos ortogonais permite distinguir no

receptor, o sinal útil associado a um determinado

utilizador da interferência

C

I proveniente dos sinais de

outros utilizadores presentes na rede. Portanto é

fundamental limitar o nível de interferência mantendo a

relação CI dentro de níveis que a separação dos sinais,

isto é, acima da margem anti-Jamming AJ. Abaixo deste

limiar, o sistema perde a capacidade de isolar o sinal

associado a uma conexão, já que não existe isolamento

98


suficiente entre as diversas conexões activas dentro da

célula. A solução para este problema consiste em

minimizar a interferência detectada na BS, mediante o

emprego de controlo de potência. Saliente-se que o

controlo de potência por si só não consegue anular a

interferência proveniente de terminais presentes em

células adjacentes. Nesta situação recorre-se ao soft

handover, associado a esquemas de macro diversidade

para selecção da estação base mais apropriada.

O controlo de potência é empregue no downlink e uplink.

No downlink destina-se a minimizar a interferência

proveniente de outras células de forma a se obter um SIR

aceitável. No uplink é essencial para compensar o efeito

near-far e garantir que a potência recebida de cada MS

seja a mesma, de forma a minimizar a interferência dentro

da célula ao nível do receptor da BS. Este controlo é

realizado à frequência de 1500 Hz.

Existem dois mecanismos de controlo de potência:

Open-Loop Power Control (OLPC)

Closed Loop Power Control (CLPC)

99


Outer loop fastPower control

Inner loop fastPower control

RNC

CLPC

BS

UE

OLPC

Figura 52 – Mecanismos de controlo de potência em WCDMA

Configuração do Inner-loop: sinalização RRC

por incrementos discretos, algoritmo de combinação, potência máxima permitida para

UL Tx

Configuração do Inner-loop: sinalização RRC

por incrementos discretos, algoritmo de combinação, potência máxima permitida para

UL Tx

Inic. Outer-loop : sinalização NBAP Actualização Outer-loop : in-band

SIR pretendida

Inic. Outer-loop : sinalização NBAP Actualização Outer-loop : in-band

SIR pretendida

Procedimento Outer-loop

Procedimento Outer-loop

Actualização Inner-loop: DPCCH

ComandosTPC

Actualização Inner-loop: DPCCH

ComandosTPC

Procedimento Inner-loop

Procedimento Inner-loop

UTRAN access point

RNC

UE

Figura 53 - Entidades funcionais da rede e controlo de

potência

OLPC

Este mecanismo é usado para ajuste de potência no

uplink. O OLPC é usado para ajustar a potência de

transmissão no canal físico de acesso. Antes da

100


transmissão do burst de acesso, a MS deve medir a

potência recebida no downlink, para efeitos de estimação

da atenuação introduzida pelo canal e do nível da SIR do

sinal recebido. Com estes dados ajusta o nível de potência

de emissão, de forma a conseguir-se o valor da SIR

difundido pela estação base.

O ajuste de potência é realizado com base na estimativa

do nível de potência do canal CPICH associado à BS. A BS

envia periodicamente no canal BCCH, os parâmetros de

potência permitidos para a MS que se encontra em

standby. O controlo de potência processa-se da seguinte

forma:

1. A MS estima o nível de potência do piloto enviado

pela BS no downlink.

2. Uma vez medida a potência do piloto, a potência de

transmissão é ajustada segundo a expressão

EPTRX P

P 1=

com a representar a estimativa da potência do

sinal piloto. Desta forma consegue-se compensar o

desvanecimento lento do canal.

EPP

101


CPLC

No uplink, o CLPC ajusta a potência de transmissão do UE

de forma a garantir um SIR acima do limiar definido pela

rede. A estação base deve estimar simultaneamente a

potência do sinal recebido na saída do receptor e a

potência total de interferência na banda utilizada pela

portadora, de forma a obter uma estimativa do valor da

SIR e assim realizar o controlo de potência. Com base

nesta informação, gera um comando TPC de controlo de

potência para ajuste da potência de emissão do UE

pretendido. Como existem várias ligações activas, devido

à presença de diversas estações base, o UE ajusta a

potência tendo em atenção os diversos comandos TPC

recebidos. Assim se todos os comandos forem

concordantes no aumento da potência, é realizado um

aumento de potência de emissão. No caso de existir um

comando para baixar a potência, esta é reduzida segundo

o decremento associado a comando TPC.

Na presença de diversidade espacial ou soft handover na

estação base, os comandos TPC devem ser gerados tendo

em atenção o valor da SIR obtido na saída do combinador

do receptor.

O CLPC é usado para ajustar a potência de transmissão

quando a ligação já se encontra estabelecida, tendo como

102


principal finalidade a compensação dos efeitos devidos ao

desvanecimento rápido. O CPLC é implementado por meio

da realização das seguintes operações:

1. A BS procede à actualização da potência transmitida

pela MS com base em incrementos de 1, 2 ou 3 dB, a

uma frequência de 1.5 KHz.

2. A BS mede periodicamente a SIR, a BER, a taxa de

erro de trama (FER) e a potência recebida.

3. A BS com base nos parâmetros medidos e na

potência recebida, realiza a comparação com o limiar

pré-definido, aumentando a potência de transmissão

consoante o limiar seja ultrapassado ou não.

No ajuste de potência relativo ao downlink, a técnica CLPC

é também utilizada, mas com alteração dos papéis entre a

BS e MS.

Encontram igualmente definidos outros esquemas de

controlo de potência como:

• Soft handover - Como existem ligações da Ms com

diversas BS’s, coexistem em simultâneo vários TPC

(Transmission Power Control) activos. Para se evitar

conflitos e impasses, a potência é decrementada desde

103


que um dos TPC’s existentes se pronuncie nesse

sentido.

• Site Selection Diversity (SSDT) - No caso do SSDT, é a

estação base com maior potência que é escolhida como

transmissora, desactivando-se os canais DPDCH

associados às outras BS presentes, como se pode ver

na figura 48. Trata de um esquema de macro

diversidade.

• Compressed Mode (Slotted mode)

De seguida passa-se a enumerar os diversos passos

envolvidos no soft handover para efeitos de controlo de

potência:

1. Na estação base é realizada uma estimativa da

qualidade dois sinais recebidos. Se esta indicar

que a qualidade do sinal está abaixo do nível

pretendido, é enviado um comando TPC para

aumento da potência. Em caso contrário é

ordenado ao UE para baixar a potência de

emissão. Note-se que todas as estações base

responsáveis pelo conjunto de ligações activas

enviam comandos de controlo de potência ao UE.

104


2. O UE compara os vários comandos TPC recebidos,

aumentando a potência de emissão somente no

caso em que todos os comandos TPC são

concordantes a esse respeito. Na ocorrência de um

comando de diminuição da potência o UE reduz a

potência. Quando existem vários comandos para

decrementar a potência, a redução é feita segundo

o maior decremento solicitado por um dos

comandos TPC recebido do conjunto activo.

3. O limiar de qualidade para as estações base

pertencentes ao conjunto activo é ajustado em

seguida com base no Outer Loop Power Control,

que é implementado no RNC associado ao nó da

rede onde o soft handover foi realizado.

O objectivo do Outer Loop no uplink é ajustar o nível do

limiar da SIR usado no CLPC. A SIR é ajustada

independentemente para cada conexão, tendo como base

a estimativa do nível de qualidade da conexão.

105


TPC para aumento depotênciaTPC para aumento de

potência

TPC para aumento depotência

BSBS

BSUE

TPC para baixar potência



BSBS

BSUE

Figura 54 – Controlo de potência associado ao soft handover

DPDCH off

DPDCH off

X

X

BSBS

BSUE

Figura 55 – Esquema SSDT. Seleccionada a célula com

melhor QoS dentro do conjunto de ligações rádio activas

Controlo de Admissão

O controlo de admissão desempenha um papel

fundamental na limitação do nível de interferência, já que

este aumenta à medida que o número de MS presentes

cresce. Também uma vez que a banda é partilhada pela

106


totalidade dos utilizadores, há que limitar o nível de

interferência para que a separação entre sinais

interferentes e o sinal desejado, permita à BS distinguir os

diversos códigos existentes. Define-se margem de

interferência segundo a expressão:

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−

=acdefactor arg1

1log10τ

Para níveis de carga superiores a 70%, o controlo de

interferência não consegue ser realizado de forma

eficiente, pelo que a carga é limitada a um factor máximo

de 50%. Convém referir que o controlo de admissão tem

de gerir igualmente o tráfego em tempo real e o tráfego

associado à transmissão de pacotes.

Gestão de códigos

O RNC tem também a seu cargo a gestão dos dois tipos

de códigos usados no sistema:

Schannelization codes ou códigos de identificação de

canais

Scrambling codes ou códigos de baralhamento

Os primeiros códigos são aplicados sobre um código de

scrambling. O acesso a uma célula por parte de uma MS,

é possível desde que a MS conheça o código de

107


scrambling usado no canal BCH e que é atribuído pelo

RNC. Este funciona como identificador da célula. Assim os

códigos de scrambling têm de estar correlacionados entre

si, enquanto os primeiros têm de ser ortogonais, para

garantir a separação entre os diversos canais associados a

utilizadores distintos.

108


Codificação/Transmissão no modo FDD

O processo de codificação do canal de transporte e

multiplexagem em vários canais, associado ao Uplink e

Downlink, encontra-se esquematizado na Figura 56. Como

se pode ver os dados são entregues ao bloco que realiza a

codificação e multiplexagem em blocos em cada intervalo

de transmissão. As durações dos intervalos de tempo

associados à transmissão estão definidas para o canal de

transporte, podendo assumir qualquer um dos valores do

conjunto {10 ms, 20 ms, 40 ms, 80 ms}. O processo de

transmissão de dados pode ser reduzido ao conjunto de

operações apresentadas a seguir:

- Adição de CRC (Cyclic Redundancy Check) a cada

bloco de dados a transportar

- Concatenação TrBk e segmentação de blocos de

código

- Codificação de canal

- Normalização de tamanho de trama

- Interleaving ( em dois estágios se necessário)

- Segmentação de tramas

- Adaptação de ritmos

109


- Multiplexagem dos canais de transporte

- Segmentação do canal físico

- Mapeamento em canais físicos

110


Ratematching

Physical channelsegmentation

PhCH

#1PhC

H#2

iiTiii dddd ,,,, 321 K

iiNiii eeee ,,,, 321 K

Radio frame segmentation

iiViii ffff ,,,, 321 K

Sssss ,,,, 321 K

pUppp uuuu ,,,, 321 K

)()(3)(2)(1)( ,,,,tUtttt vvvv K

2nd interleaving

Physical channel mapping

iiEiii cccc ,,,, 321 K

iirKiririr oooo ,,,, 321 K

Channel coding

iimAimimim aaaa ,,,, 321 K

Rate matching

iimBimimim bbbb ,,,, 321 K

TrBk concatenation /Code block segmentation

CRC attachment

iiTiii tttt ,,,, 321 K

Radio frame equalisation

1st interleaving

TrCH Multiplexing

pUppp wwww ,,,, 321 K

Figura 56 - Codificação, multiplexagem e transmissão no

Uplink e Downlink

111


Convêm salientar que o WCDMA (Wide Code Division

Multiple Access) oferece três classes de serviços básicos

relativamente a códigos empregando a metodologia FEC:

• Serviços standard com codificação convolucional

• Serviços de alta qualidade com concatenação de

código externo sobre código convolucional

• Serviços com códigos específicos, para os quais o

nível 1 do WCDMA não tem nenhum código pré-

especificado

Código interno e interleaving

Quanto à estrutura de codificação adoptada, consiste num

código convolucional interior de rate 1/3 para ritmos

baixos e rate ½ quando são exigidos ritmos mais

elevados. Os polinómios geradores dos códigos

convolucionais internos são os que se apresentam na

forma octal na tabela 14, estando representadas nas

figuras as estruturas dos respectivos codificadores

convolucionais.

112


Tabela 14 - Parâmetros referentes aos códigos convolucionais (polinómios geradores na forma octal).

Output 0 G0 = 557 (octal)

Input D D D D D D D D




Input D D D D D D D D


(a) Codificador convolucional de Rate 1/2

(b) Codificador convolucional de Rate 1/3

Figura 57 - Esquemas dos codificadores convolucionais adoptados

Convém frisar que o tipo de codificação empregue não é o

mesmo para os diversos canais existentes no UMTS, tendo

canais distintos esquemas de codificação diferentes de

acordo com os ritmos e qualidade de serviço pretendidos,

conforme exemplificado na Tabela 15.

113


Tipo de canal de Transporte

Tipo de codificação Rate de código

BCH PCH FACH RACH

1/2 Convolucional

1/3, 1/2 Turbo código 1/3 DCH, DSCH, USCH

Sem código Tabela 15 - Tipos de canais e codificações associadas

O interleaving é aplicado após o codificador convolucional.

O tipo de interleaving depende obviamente do tipo de

atraso associado ao serviço em questão. Assim para

serviços com atrasos relativamente baixos aplica-se um

interleaving dentro dos bits da trama com um

comprimento de duração 10 ms. No caso de os atrasos

serem consideráveis realiza-se também interleaving entre

tramas com uma duração máxima de 150 ms, ou seja, 15

tramas.

Código externo e interleaving

Em serviços que requeiram uma taxa de erros

compreendida entre e , é necessário um código

externo que consiste num turbo-código em paralelo. Após

310− 610−

114


esta codificação externa é realizado um interleaving ao

nível dos símbolos que compõem cada bloco obtido.

Multiplexagem de serviços

Normalmente múltiplos serviços pertencendo à mesma

conexão são multiplexados no tempo, podendo esta

multiplexagem ser realizada antes ou depois da

codificação interna ou externa, conforme exemplificado na

figura.

Os canais de transporte associados aos serviços são

convertidos num único fluxo de bits que posteriormente

pode ser mapeado num ou vários canais físicos, se o ritmo

requerido exceder o limite para uma transmissão com

código único.

Alternativamente, os vários serviços podem ser tratados

paralelamente com códigos e interleaving's independentes

e mapeados em diversos canais do tipo CCTrCH (Coded

Composite Transport Channels), o que corresponde à

existência de vários feixes de bits em paralelo, podendo

cada um deles ser posteriormente mapeado num ou

vários canais físicos(alguns exemplos são considerados

mais à frente). Adopta-se desta forma um modo de

transmissão que implica um controlo de potência e

qualidade de cada serviço independente. Nesta situação é

115


necessária uma transmissão multi-código em WCDMA,

com o consequente impacto na complexidade da estação

móvel.

Adaptação de ritmos

Após a codificação e multiplexagem, realiza-se a

adaptação de ritmos de acordo com os atributos de

adaptação de ritmo definidos pelos níveis superiores, para

cada canal TrCH (Transport Channels). Esta adaptação é

feita com recurso a operações de repetição de bits ou

eliminação (A eliminação de bits também é conhecida

como Perfuração ou Puncturing). Os atributos definidos

pelos níveis superiores são essenciais para o

conhecimento dos bits que se têm de repetir ou no caso

da perfuração definem a regra a aplicar nesta operação.

116


Estrutura Lógica do UMTS O UMTS está organizado em três níveis:

I. Nível físico

II. Nível lógico

III. Nível de rede

No UTRA FDD, a interface ar encontra-se dividida em dois

sub-níveis com protocolos distintos:

MAC (Médium Access Control Protocol)

RLC (Rádio Link Control Protocol)

Do lado do utilizador em adição aos protocolos anteriores,

existem ainda dois protocolos dependentes do serviço

realizado:

PDCP (Packet Data Convergence Protocol)

BMC (Broadcast/Multicast Control Protocol)

Ao nível de rede propriamente dito estão por sua vez

associados protocolos como o RRC (Rádio Resource

Control) relativo ao plano de controlo e protocolos de

controlo de chamadas (Call Control), MM (Mobility

117


Managment), SMS (Short Message Service), etc.. Em

termos das entidades UE, UTRAN e Core Network pode-se

adoptar a estrutura protocolar representada na próxima

figura. As funcionalidades de níveis mais elevados

encontram-se por sua vez agrupadas no estrato de acesso

e de não acesso. O estrato de acesso oferece os seus

serviços ao estrato de não acesso via SAP’s do tipo:

Controlo geral (GC)

Notificação (Nt)

Controlo dedicado (DC)

Figura 58 – Arquitectura protocolar o UMTS

De acordo com a estrutura de níveis existente, o nível

físico presta serviço ao MAC, através dos canais de

118


transporte. O MAC fornece por sua vez os seus serviços ao

RLC, via os canais lógicos que disponibiliza. Por fim o RLC

fornece serviços aos níveis superiores por intermédio dos

pontos de acesso de serviço SAP (Service Access Point).

Do lado do pano de controlo, os serviços prestados pelo

RLC são usados pelo RRC para transporte de sinalização.

Do lado do plano do utilizador, os serviços prestados pelo

RLC são utilizados por protocolos como PDCP, BMC ou

SMS ou outras funções associadas aos níveis superiores.

Os serviços do RLC são chamados Signaling Rádio Bearers

quando vistos do plano de controle e rádio Bearers no

plano de utilizador, desde que não usem os protocolos

PDCP e BMC.

119


Figura 59 – Estrutura lógica da interface rádio

Na figura anterior, referente à arquitectura protocolar da

interface rádio, com os SAP’s associados a uma

comunicação ponto a ponto, assinalados por círculos nas

interfaces entre sub-níveis. O SAP entre o MAC e o nível

físico fornece os canais de transporte. Os SAP’s entre MAC

e o RLC são responsáveis pela disponibilização dos canais

lógicos ao RLC. O nível RLC tem 3 tipos de SAP’s, relativos

a cada um dos modos de operação do RLC:

UM (Unconfirmed Mode)

120


AM (Acknoledged Mode)

TM (Transparent Mode)

O serviço fornecido pelo nível 2 é denominado Radio

Bearer, enquanto que os serviços fornecidos pelo RLC ao

RRC são chamados Signalling Radio Bearers.

Na figura são igualmente representadas as ligações entre

RRC e MAC, RRC e nível físico, que permitem a execução

de serviços de controlo entre níveis adjacentes e não

adjacentes. Entre o RRC e RLC, RRC e BMC e RRC e PDCP

existe igualmente uma interface com o mesmo propósito.

Estas interfaces permitem ao RRC controlar a

configuração dos diversos níveis existentes abaixo dele.

Na interface rádio existem dois tipos de mensagens de

sinalização. A sinalização proveniente do RRC e as

mensagens do tipo NAS, de sinalização proveniente de

níveis superiores. Quando se estabelece uma conexão

para dados de sinalização entre entidades do tipo RRC,

são estabelecidas 2 ou 4 RAB’s de sinalização. Duas são

para transporte de sinalização gerada pelo RRC, uma para

transferir mensagens no modo não confirmado do RLC e

outra para a transferência no modo confirmado da

entidade RLC. Um dos RAB’s de sinalização é usado para

transferir mensagens do tipo NAS com elevada prioridade

121


atribuída pelos níveis superiores. O outro RAB, opcional, é

usado para transferir mensagens do tipo NAS com baixa

prioridade atribuída pelos níveis superiores.

O nível RRC oferece serviços aos sinais superiores via

SAP’s, que são usados pelos protocolos desses níveis do

lado do UE ou pelo protocolo RANAP Iu do lado da UTRAN

Toda a sinalização de níveis mais elevados (MM, Call

Control, SM, etc..) é encapsulada nas mensagens RRC de

forma a ser possível a sua transmissão através da

interface rádio.

Entre o nível MAC e os protocolos de níveis mais baixos,

existem interfaces que permitem ao RRC configurar os

protocolos dos níveis abaixo, como parâmetros para

configuração de canais físicos, lógicos ou de transporte.

Também estas interfaces são usadas pelo RRC para

ordenar a execução de tarefas, como medições e

reporting de erros aos níveis situados abaixo deste.

MAC

Trata-se do nível/protocolo onde os canais lógicos são

mapeados em canais físicos. É igualmente responsável

pela selecção do formato de transporte apropriado para

cada canal de transporte de acordo com o ritmo de dados

de cada canal lógico.

122


O nível MAC é formado por três entidades lógicas:

• MAC-b Entidade responsável pelo canal BCH.

Existe uma entidade deste tipo no UE e na

UTRAN para cada célula.

• MAC-c/sh Entidade responsável pelos canais

comuns e partilhados:

o PCH (Paging channel)

o FACH (Forward link Access Channel)

o CPCCH (Common Packet Channel)

o DSCH (Downlink Shared Channel)

Existe uma entidade deste tipo em cada UE que

use canais partilhados e uma entidade para

cada célula controlada pelo RNC da UTRAN.

• MAC-d Entidade responsável pelos canais dedicados

(DCH) atribuídos ao UE no modo conectado. Existe

um MAC-d no UE e um no RNC por cada UE

controlado.

Funções do MAC As funções associadas a este nível são:

• Mapeamento/desmapeamento entre canais lógicos e

de transporte.

123


• Selecção do formato de transporte apropriado, a

partir do conjunto de combinações de formatos de

transporte, para cada canal de transporte segundo o

ritmo de transmissão instantâneo.

• Gestão de prioridades entre fluxos de dados de um

UE, por meio da selecção de formatos de transporte

do tipo “high bit rate” e “low bit rate” para fluxos de

dados distintos.

• Gestão de prioridades entre UE’s, mediante

calendarização (scheduling) dos canais FACH e

DSCH.

• Identificação dos UE’s associados aos canais de

transporte, mediante a inclusão no header do nível

MAC do identificador C-RNTI (Cell Rádio Network

Temporary Identify) ou U-RNTI (UTRAN Rádio

Network Temporary Identify).

• Multiplexagem/desmultiplexagem das PDU’s

provenientes dos níveis superiores em blocos de

informação entregues ou recebidos do nível físico via

canais de transporte comuns (RACH, FACH e CPCH).

Notar que o nível físico não realiza esta operação.

• Multiplexagem/desmultiplexagem das PDU’s

provenientes dos níveis superiores em blocos de

informação entregues ou recebidos do nível físico

124


através de canais de transporte dedicados. O MAC

permite multiplexar serviços com os mesmos

requisitos de QoS. O nível físico multiplexa qualquer

tipo de serviço, mesmo com requisitos de QoS

distintos.

• Monitorização do volume de tráfego

• Alteração dinâmica do tipo de canal de transporte.

Neste caso alterna entre os tipos comum e dedicado,

baseado na decisão realizada pelo RRC.

• Criptografia.

• Selecção da classe de serviço (ASC) para transmissão

de RACH. Os recursos PRACH são divididos em

diversas classes de acesso de serviço de forma a

fornecer prioridades diferentes à utilização do RACH.

O número máximo do ASC é 8, sendo da

responsabilidade do MAC indicar ao nível físico o ASC

associado a cada PDU.

Os serviços de transferência do nível MAC, são prestados

via canal lógicos que se encontram divididos em dois

grupos, consoante o tipo de serviço prestado pelo MAC.

Assim existe o grupo de canais de controlo utilizado para

transporte de informação relativa ao plano de controle e o

grupo de canais de tráfego que transporta informação

125


associada ao plano de utilizador. Os canais de controlo

existentes são:

• BCCH (Broadcast Control Channel) – canal de difusão

associado ao downlink.

• PCCH (Paging Control Channel) – canal de downlink

para transferência de informação de paging.

• DCCH (Dedicated Control Channel) – canal

bidireccional para transporte de informação de

controlo dedicada entre UE e RNC. Este canal é

estabelecido durante o procedimento executado pelo

RRC, para estabelecimento de uma conexão.

• CCCH (Common Control Channel) – canal

bidireccional para transmissão de informação de

controlo entre rede e os UE’s. Este canal lógico é

sempre mapeado nos canais RACH/FACH. É

necessária a inclusão do U-RNI para direccionamento

das mensagens de uplink para o RNC correcto,

mesmo numa situação em que o RNC que recebe a

mensagem não é o RNC associado ao UE.

Os canais de tráfego considerados são:

• DTCH (Dedicated Traffic Channel) – trata-se de um

canal para comunicação ponto a ponto e dedicado a

126


um UE, para a transferência de informação de

utilizador. Existem quer em downlink quer em uplink.

• CTCH (Common Traffic Channel) – canal associado a

uma ligação ponto/multiponto no downlink. É usado

para transporte de informação de utilizador para

todos ou grupos de UE’s (corresponde a um canal de

difusão).

No uplink, para efeitos de mapeamento dos canais lógicos

em canais de transporte, são possíveis as seguintes

associações:

PCCH com PCH

BCCH com BCH ou FACH

DCCH e DTCH com RACH e FACH ou CPCH e FACH

ou RACH e DSCH ou DCH e DCH.

CCCH com RACH e FACH

CTCH com FACH

No entanto as associações dependem da direcção da

ligação. Para o downlink são validas as associações:

BCCH com BCH ou FACH

PCCH com PCH

CCCH com FACH

DCCH com FACH ou DSCH ou HS-DSCH ou DCH

DTCH com FACH ou DSCH ou HS-DSCH ou DCH.

127


CTCH com FACH

SHCCH com FACH no modo TDD

SHCCH com DSCH no modo TDD

Esquematicamente, as associações anteriores entre canais

lógicos e de transporte podem ser representadas na forma

apresentada na Figura 60 e Figura 61.

Figura 60 – Mapeamento de canais de transporte em canais físicos para uplink

Figura 61 - Mapeamento de canais de transporte em canais físicos para downlink

Esquematicamente pode-se considerar o diagrama

funcional relativo ao MAC, representado a seguir.

128


CTC

H

CC

CH

BC

CH

PCC

HSelecção de canal de transporte MAC SDU

MAC SDU

MAC SDU

MAC SDU

Bloco de transporte (MAC PDU)

C/TUEidTipoTCTF

C/TTipo de UE+ UE id

C/TMultiplexagem(SCH)

Multiplexagem(SCH)

Multiplexagem(CCH)

Atribuição deprioridades

Atribuição deprioridades

Selecçãode TFC para DL

Controlo de fluxo Criptografia

Controlo de fluxo

Adição de identificadores deutilizador (UE id e UE id type)

TCTF mux

Calendarização/gestão de prioridades

Selecção de TF para DL Atribuição decódigo no DL

FACHFACH DSCH DCHFACHPCH

DTCHDCCH

Figura 62 – MAC do ponto de vista da UTRAN e exemplo de construção de PDU para mapeamento de canais DTCH e

DCCH no canal FACH. (DL – Downlink; TF- Transport Format).

Exemplo de operação do MAC

Considera-se a informação proveniente da rede para os

canais DCCH e DTCH. Nesta situação são executados os

seguintes passos:

1. Selecção do tipo de transporte, com selecção do

FACH

129


2. Adição por parte da unidade que realiza a

multiplexagem, de campo C/T indicando o canal

lógico fonte dos dados. O campo C/T pode ter 4 bits,

permitindo desta forma distinguir 15 tipos de canais

lógicos multiplexados num canal de transporte.

3. Atribuição pelo MAC-d de prioridade para o FACH e

DSCH. Estas prioridades são usadas posteriormente

pelo MAC-C/sh para organização dos dados nos

canais de transporte.

4. Controlo de fluxo na interface Iur

5. Recepção no MAC-c/sh dos dados enviados pelo

MAC-d e adição dos seguintes elementos:

6. Tipo de identificação do UE (2 bits)

7. Identificação do UE (C-RNTI de 16 bits ou U-RNTI de

32 bits)

8. TCTF (Target Channel Type Field) usado para

separação dos canais lógicos que utilizam o mesmo

canal de transporte.

9. Envio da PDU construída, para o nível físico via canal

de transporte FACH.

130


MAC SDU

MAC SDU

MAC SDU

MAC SDU

Bloco de transporte (MAC PDU)

C/TUEidTipoTCTF

C/TTipo de UE+ UE id

C/T

FACH

Figura 63 – Exemplo de construção de PDU.

Protocolo de controlo da ligação rádio ou RLC

(Rádio Link controler)

A finalidade do RLC consiste no fornecimento de serviços

segmentação e retransmissão de dados de utilizador e de

controlo. O serviço prestado pelo RLC ao plano de

controlo, chama-se SRB (Signalling Rádio Bearer),

enquanto que o serviço prestado ao utilizador é

131


denominado RB (Rádio Bearer) quando os protocolos

PDPC e BMC não são utilizados, pois em caso contrário o

serviço RB é prestado pelos protocolos PDCP ou BMC.

O conjunto de funções realizadas pelo nível RLC é

formado por:

• Segmentação e reconstrução. Consiste na função que

realiza a segmentação/reconstrução das PDU’s de

tamanho variável em PU’s do RCC. Cada PDU do RLC

tem um PU, sendo definido o tamanho a PDU de

acordo com o ritmo de bit mínimo associado a um

serviço que utilize o RLC.

• Concatenação, quando o conteúdo de uma SDU do

RLC não preenche um número inteiro de PDU’s.

Neste caso, o primeiro segmento da próxima SDU é

colocado na PU do RLC realizando a concatenação

com o último segmento da SDU anterior.

• Padding. Quando não é aplicável a concatenação e

os bits restantes preenchem a totalidade de uma

PDU, o espaço restante reservado aos dados é

ocupado com bits de preenchimento (padded bits).

• Transferência de dados de utilizador, suportando os

modos confirmado, não confirmado e transparente. A

transferência é realizada de acordo com os

parâmetros de QoS estabelecidos para o serviço.

132


• Correcção de erros por meio de retransmissões

realizadas em transmissão no modo confirmado.

• Entrega sequencial de PDU’s aos níveis mais

elevados. Esta função permite a entrega segundo a

ordem de envio das PDU’s transferidas pelo RLC no

modo confirmado. No caso do serviço ser em modo

não confirmado, a entrega é realizada sem garantia

de preservação da ordem de envio.

• Detecção de duplicados

• Controlo de fluxo

• Teste de número de sequência (no modo não

confirmado). Garante a integridade das PDU’s

reconstruídas e permite detectar PDU’s corrompidas

por meio de teste de número de sequência das

PDU’s, quando estas são usadas para reconstruir

uma SDU. As corrompidas são eliminadas.

• Detecção de erros e recuperação de erros associados

a operação do RLC.

• Criptografia nos modos confirmado e não

confirmado.

• Suspensão e recomeço de transferência de dados.

Usada a suspensão de transferência para

comparação das chaves de encriptação pelas

entidades em comunicação.

133


Exemplo de operação em modo confirmado AMD-PDU

(Acknoleged Mode Data-PDU). Os passos realizados são:

1. As SDU’s recebidas dos níveis mais elevados via AM-

SAP são segmentadas e concatenadas em PU’s de

comprimento fixo.

2. Para efeitos de concatenação e preenchimento, é

introduzida informação respeitante ao tamanho na

última PU, onde foram inseridos dados de uma SDU.

No caso de serem inseridas várias SDU’s numa PU,

estas são concatenadas e os indicadores de tamanho

são inseridos no começo da PU.

3. Colocação da PU no buffer de transmissão.

4. Construção de uma PDU do RLC retirando uma PU

do buffer de transmissão, adicionando um cabeçalho

do RLC. Se a PU não preencher a totalidade da PDU,

são adicionados bits de preenchimento ou uma

mensagem relativa ao estado de Piggybacking.

5. Encriptação da PDU do tipo AM-RLC. Os dois

primeiros octetos contendo o número sequencial da

pdu e o bit de poll (p), não são encriptados. O

número da PDU é utilizado como parâmetro no

algoritmo de encriptação.

134


6. Envio da PDU construída ao nível MAC.

Na recepção são executados os passos:

1. Recepção via canal lógico do nível MAC de uma

AMD-RLC-PDU.

2. Verificação dos erros por meio do CRC calculado no

nível físico. O RLC recebe a informação do nível

físico respeitante à verificação do CRC. Caso não

seja válido é pedida a retransmissão.

3. Desencriptação das várias PU’s e envio das PU’s

para o buffer.

4. Reconstrução da SDU assim que a totalidade das

PU’s associadas a uma SDU encontra-se no buffer.

5. Detecção de entrega em sequência e de duplicados.

6. Entrega da SDU ao nível superior.

A seguir apresentam-se de uma forma esquemática a

troca de informação entre níveis adjacentes e o MAC, para

cinco modos de operação.

135


Figura 64 – Transmissão de dados entre RLC e MAC no modo transparente.

Figura 65 - Transmissão de dados entre RLC no modo transparente e MAC no modo não transparente.

136


Figura 66 - Transmissão de dados entre RLC no modo não transparente e MAC no modo transparente.

Figura 67 - Transmissão de dados entre RLC e MAC no modo não transparente.

137


Figura 68 - Transmissão de dados entre RLC e MAC no modo não transparente mapeados no canal HS-DSCH.

Protocolo PDCP (Packet Data Convergence

Protocol)

Este protocolo é utilizado para serviços que requeiram a

transmissão de pacotes IP na interface rádio. Tem

associados algoritmos de compressão que garantem

elevada eficiência espectral e só existe no plano do

utilizador. As funções desempenhadas são:

Compressão de informação redundante do protocolo

na entidade de transmissão e sua descompactação

na entidade receptora (informação redundante

entende-se os cabeçalhos dos protocolos TCP/IP e

RTP/UDP/IP)

Transferência de dados de utilizador.

Suporte de actualização de localização de SRNS

138


Protocolo BMC (Broadcast/Multicast Control

Protocol)

Trata-se de um protocolo do nível 2, existente no plano de

utilizador. É utilizado para os serviços de difusão de

mensagens via a interface ar. Cada mensagem SMSCB é

enviada para uma área geográfica, sendo o RNC

correspondente, responsável pelo envio para a célula

correspondente. Utiliza um RLC-UM-SAP, o canal lógico

CTCH que é mapeado no canal de transporte FACH.

Dentro das suas funções destacam-se:

Armazenamento de mensagens de difusão recebidas

pela interface CBC-RNC no BMC existente no RNC,

para transmissão posterior segundo a calendarização

definida.

Gestão de tráfego e solicitação de recursos rádio

para a BS. O BMC estima os recursos rádio

requeridos para transmissão das mensagens

recebidas através da interface CBC-RNC e pede a

atribuição dos recursos CTCH/FACH apropriados ao

RRC.

Calendarização das mensagens

Transmissão de mensagens BMC para o UE de

acordo com o Scheduling definido.

139


Recepção e entrega de mensagens de difusão aos

níveis superiores.

O envio de mensagens para uma célula pela primeira vez,

implica que o CTCH tem de ser confirmado e o canal de

transporte usado tem de ser indicado a todos os UE’s

presentes via a informação que o RRC difunde no canal

BCH.

RRC (Rádio Resource Control Protocol)

Trata-se do protocolo responsável pela maior parte das

mensagens de sinalização entre UE e UTRAN. As

mensagens associadas ao RRC contêm todos os

parâmetros necessários para configurar, alterar ou libertar

as entidades envolvidas nos protocolos do nível 1 e nível

2.

140


Figura 69 – Modelo de referência para o protocolo da interface

rádio

Todo o controlo do equipamento (UE) no modo ligado é

realizado por meio de sinalização do RRC, abrangendo

operações como medidas, handover, reconfiguração de

células, alteração de células, etc..

Funcionalmente o RRC está dividido em quatro entidades:

• DCFE (Dedicated Control Function Entity) – entidade

responsável pelas funções de sinalização especificas

de um UE. No SRNC existe uma entidade DFCE para

cada UE com uma ligação RRC com o RNC. Utiliza o

modo AM-SAP do RLC embora certas mensagens

141


possam usar o modo não confirmado ou

transparente.

• PNFE (Paging and Notification Control Function

Entity) –Entidade responsável pelo paging dos UE’s

no modo idle. Existe pelo menos um PNFE no RNC

para cada célula controlada pelo RNC. Usa o canal

lógico PCCH via SAP transparente do RLC, podendo

no entanto usar UM-SAP.

• BCFE (Broadcast Control Function Entity) – entidade

responsável pela difusão de informação de sistema.

Existe um BCFE para cada célula presente no RNC e

pode usar os canais lógicos BCCH ou FACCH via SAP

transparente ou UM-SAP.

• RFE (Routing Function Entity) – Tem como função

encaminhar as mensagens de níveis mais elevados

para entidades MM/CM distintas no UE ou domínios

distintos da core Network (lado da UTRAN).

Modos de operação do RRC.

Existem dois modos:

Modo idle

Modo connected

No segundo modo são definidos 4 estados possíveis:

142


I. cell_DCH

II. cell_FACH

III. cell_PCH

IV. URA_PCH

No estado I, está atribuído um canal físico dedicado ao UE

sendo o UE conhecido pelo RNC responsável pela célula

onde se encontra. Neste estado o UE procede às medições

para envio de relatórios de acordo com as instruções

dadas pelo RNC. Existe a possibilidade de usar o canal

DSCH tendo o UE capacidade de utilizar o FACH para

recepção de mensagens com informação do sistema.

No estado II não existe atribuição de canal físico dedicado

ao UE, podendo este usar no entanto os canais RACH e

FACH para transmissão de dados se sinalização e de

utilizador. O UE pode adquirir informação via canal BCM

podendo ser utilizado o canal CPCH desde que esteja

autorizado pela UTRAN. Neste estado, o UE pode proceder

a re-selecções de células, pelo que após a re-selecção

procede ao envio de informação para actualização de

célula para o RNC. Neste processo de actualização, a UE

usa o identificador U-RNI de forma a permitir que a

UTRAN encaminhe a mensagem de actualização para o

RNC correcto. Note-se que o U-RNTI faz parte da

143


mensagem do RRC, embora no cabeçalho associado às

PDU’s do MAC exista o campo C-RNTI para identificação

da célula/UE’s. Quando a nova célula pertence a outro

sistema (ex. GPRS) a UE entra novamente no estado idle.

No estado III, embora o SRNC conheça a existência do

UE, só pode aceder a este último via canal de paging

(PCH). Trata-se de um estado de standby, associado a

menor consumo de potência (note-se que o paging não é

uma operação realizada da forma continua). O UE

continua a obter informação de sistema periodicamente,

via canal BCH. No caso do UE suportar o serviço CBS (Cell

Broadcast Service) é capaz de receber mensagens BMC

neste estado. Se proceder à re-selecção de uma célula,

transita automaticamente para o estado II, para execução

do procedimento de actualização de célula. No fim transita

novamente para o estado III. Quando a nova célula

pertence a outro sistema, entra no estado idle.

144


Figura 70 – Procedimento de actualização de célula.

O estado IV é em tudo semelhante ao estado III. Neste

estado já não é realizado o procedimento de actualização

de célula, após a re-selecção de célula, limitando-se a ler

informação URA difundida no canal de difusão. Somente

no caso de alterações na URA é que a UE informa o SRNC

acerca da sua localização. Esta actualização quando

realizada é feita mediante execução do procedimento de

actualização da URA, similar ao procedimento de

actualização da célula. Notar que uma célula pode

pertencer em simultâneo a vários URA’s, pelo que

somente na situação em que a UE não encontra a sua

145


última identificação na URA (na lista de URA’s associadas

à célula) é que realiza o procedimento de actualização da

URA (assim evita-se o efeito de ping pong referido no

GSM).

Figura 71 – Início de procedimento de actualização de URA.

146


Figura 72 – Continuação do procedimento de actualização da URA com confirmação através do canal DCCH.

Figura 73 – Continuação do procedimento de actualização da URA com confirmação através do canal CCCH.

Como funções associadas ao RRC destacam-se:

• Difusão de informação de sistema associada ao

estado connected e not connected.

• Paging.

• Selecção inicial da célula e re-selecção no modo idle.

• Estabelecimento, manutenção e libertação de

ligações RRC entre UE e UTRAN.

• Controlo dos canais de transporte, canais físicos e

rádio Bearers.

• Controlo de funções de segurança.

• Protecção de integridade de mensagens de

sinalização

147


• Medições por parte da UE e reporting

• Suporte e recolocação de SRNS.

• Suporta no downlink controlo de potência do tipo

outer loop no UE.

• Open loop power control.

• Implementa funções relacionadas com o serviço de

difusão nas células.

• Suporta as funções de posicionamento das UE’s.

Parte das operações realizadas pelo RRC envolvem o BSI

(Broadcast System Information) existente entre a Core

Network e os nós B. A informação de difusão associada ao

canal lógico BCCH é mapeada nos canais de transporte

BCH ou FACH. Uma mensagem do tipo SI (System

Information) transporta vários blocos SIB que agrupam

elementos de informação de sistema do mesmo tipo. Uma

mensagem SI pode transportar vários SIB’s ou somente

uma parte de um SIB, dependendo somente do tamanho

dos SIB’s a transmitir. No entanto, tem de caber sempre

no bloco de transporte de um canal BCH ou FACH, pelo

que o RRC pode realizar preenchimento com bits

adicionais (padding).

A organização dos blocos de informação é realizada de

acordo com o que se encontra representado na figura

148


seguinte. Saliente-se que no estado cell-DCH, só o SIB 10

é que tem informação relevante para as operações deste

estado, sendo o único enviado via canal FACH enquanto

os outros são enviados através do canal BCH.

Figura 74 – Estrutura dos blocos de informação de sistema

No paging o RRC pode difundir via canal PCCH,

informação da rede para a UE seleccionada. Esta operação

pode estar associada a situações como:

• Processo de inicialização ou chamada proveniente da

Core Network.

• Alteração do estado do UE, cell_PCH ou URA_PCH

para cell_FACH.

• Indicação de alteração de informação de sistema.

Neste caso o RNC envia uma mensagem de paging

para todos os UE’s presentes numa célula.

149


Estabelecimento, manutenção ou libertação de

conexões RRC.

O estabelecimento de uma conexão RRC e rádio Bearers

entre UE e UTRAN (RNC) é iniciado por meio de um

pedido proveniente dos níveis superiores do lado do UE.

No caso de ser do lado da rede, o estabelecimento da

conexão é precedido por uma mensagem de paging

proveniente do RRC. Somente com o UE no estado idle, é

que não existe ligação RRC e o UE pode iniciar o

procedimento de estabelecimento de conexão com o RRC.

Se existem mais ligações de sinalização entre UE e CN,

estas partilham a mesma conexão RRC.

Neste processo não existe período de contenção como no

GSM, já que o identificador utilizado pelo UE no pedido e

mensagens de setup é único. A mensagem de setup deve

incluir um pedido de atribuição de um canal físico para o

UE (alteração para o estado cell_DCH) ou pode ordenar ao

UE para utilizar canais comuns (alteração para o estado

cell_FACH). No último caso é usado qualquer um dos

identificadores U-RNTI ou C-RNTI, para identificação do

UE nos canais de transporte comuns atribuídos ao UE. O

procedimento de estabelecimento de conexão cria três ou

quatro SRB’s (Signalling Radio Bearers) designados RB#0,

150


RB#1, RB#2, RB#3 e RB#4 (O RB#0 é reservado para

sinalização que utilize o canal CCCH). Estes SRB’s são

usados pelo RRC, para sinalização, de acordo com as

regras:

• RB#1 usado em todas as mensagens enviadas no

DCCH e RLC-UM.

• RB#2 usado para todas as mensagens enviadas no

DCCH e RLC-AM, excepto para mensagens de

transferência directa.

• RB#3 é usado para mensagens de transferência

directa usando o DCCH e RLC-AM, que transportam

informação de sinalização proveniente de níveis

superiores. Isto permite definir prioridades à

sinalização entre UE e UTRAN na sinalização que

utiliza os serviços RLC entre UE e CN. Usado para

mensagens de sinalização de levada prioridade.

• RB#4 é opcional, sendo usado para sinalização de

baixa prioridade, tal como o SMS. Utiliza igualmente

o canal DCCH e o RLC-AM.

• RB#0, que é usado para sinalização via canal CCCH.

151


Nível Físico

O nível físico oferece aos restantes níveis o serviço de

transporte de dados. O acesso a estes serviços processa-

se mediante os canais de transporte disponibilizados no

nível MAC. As características dos canais de transporte, são

definidas de acordo com o formato específico de cada

canal deste tipo, que especifica o tratamento a realizar

pelo nível físico para cada canal, nomeadamente o código

convolucional aplicado, tipo de interleaving e necessidade

de adaptação de ritmo.

De uma forma geral, o nível físico deve garantir a

realização das seguintes operações:

Macro diversidade e soft handover.

Detecção de erros e sua indicação aos níveis

superiores.

Codificação/descodificação FEC, interleaving/de-

interleaving dos canais de transporte

Multiplexagem/desmultiplexagem dos canais lógicos

em canais de transporte e vice-versa.


Mapeamento de canais de transporte em canais

físicos

152


Combinação de canais físicos e controlo de potência

Modulação e espalhamento/compressão dos canais

físicos

Sincronização de tempo e frequência

Medições e reporting (FER, SIR, potência de

transmissão, potência de interferência, etc..)

Processamento RF

Suportar Timming Advance nos canais de uplink

(somente no modo TDD)

Suportar sincronização no uplink (somente no modo

TDD)

Efectuar controlo de potência Closed Loop

A cada bloco de dados aceite pelo nível físico é adicionado

um CRC, sendo realizada a transmissão de um bloco de

informação em cada TTI (Transmission Time Interval) A

multiplexagem dos canais de transporte em canais ou

num canal físico, é igualmente realizada pelo nível físico,

excluindo o canal HS-DSCH. Hierarquicamente tem-se a

estrutura representada na Figura 75.

153


Figura 75 – Modelo hierárquico da estrutura de níveis e primitivas associadas.

As primitivas PHY permitem disponibilizar as seguintes

funções:

Transferência de blocos de transporte via interface

rádio.

Indicação de estado do nível 1 ao nível 2 (ex:

notificações de ocorrências de erro)

Entre o RRC e nível físico também existe uma interface,

cujas primitivas associadas permitem ao RRC controlar e

configurar o nível físico.

As PDU’s são mapeadas em blocos de transporte

adicionando-se o respectivo CRC. A detecção de erro,

efectuada pelo nível físico ao nível de cada PDU, permite:

Indicação de erro ao MAC, no uplink para efeitos de

implementação de esquemas de diversidade.

154


Indicação de erro para cada bloco de transporte no

modo transparente ou modo não confirmado do RLC.

Indicação de cada bloco de transporte errado ao

MAC, no modo confirmado do RLC.

Independentemente do resultado da verificação do CRC,

todos os blocos são entregues ao nível 2, juntamente com

as indicações dos erros detectados.

Do ponto de vista do UE, podem-se apresentar os

seguintes modelos para o nível físico.

Figura 76

155


Figura 77

Figura 78

156


Figura 79

Figura 80

No modelo DCH, podem ser processados e multiplexados

um ou vários canais DCH com o mesmo esquema de

codificação e multiplexados no mesmo canal físico. A saída

do codificador (única neste caso) forma o CCtrCH (Coded

Composite Trasport Channel). Neste caso os bits do

157


CCTrCH podem ser mapeados no mesmo canal físico

tendo o mesmo parâmetro C/I associado (isto diferentes

canais DCH têm os mesmos requisitos em termos de C/I).

No downlink podem ser usados múltiplos CCTrCH num UE.

Em FDD só é necessário um anel de controlo de potência

rápido, para todos os canais CCTrCH com requisitos

distintos de C/I, de forma a cumprir as diferentes QoS

associados aos diversos canais de transporte resultantes

do mapeamento.

Em TDD é possível aplicar anéis de controlo de potência

distintos para diferentes CCTrCH, podendo um canal

físico conter somente bits associados a um CCTrCH. No

uplink só pode ser usado um CCTrCH. No caso do TDD

podem ser utilizados diversos CCTrCH em simultâneo.

Quando são usados vários CCTrCH por um UE, são

utilizados vários TFCI’s (Transport Format Combination

Indicator). No modo FDD são mapeados no mesmo canal

DPCCH. No TDD os diferentes TFI’s podem ser mapeados

em canais DPCCH distintos. O fluxo de dados relativo ao

CCTrCH pode ser dividido em diversos canais de fluxo de

dados na unidade Demultiplexing/splitting.

A configuração referente à codificação e multiplexagem

aplicados é comunicada à rede de 10 ms em 10 ms, isto é,

para cada trama. Esta configuração quando presente na

158


informação de sinalização é representada pelos bits TFCI.

No uplink só existe um TFCI representativo dos formatos

de todos os canais DCH associados ao CCTrCH.

No modo TDD, o canal de fluxo de dados que transporta

o TFCI é mapeado num canal físico que transporta os bits

de controlo de potência e bits pilotos. No modo TDD, o

TFCI é multiplexado no tempo nos mesmos canais físicos,

tal como nos canais DCH’s. A localização exacta e

codificação do TFCI são definidas pelos níveis superiores.

Neste caso quer o DCH ou USCH podem realizar a

operação de Timing Advance no modo TDD.

O RACH consiste num canal do tipo Common Transport

Channel no uplink. De acordo com o modelo apresentado

é sempre mapeado num canal físico do tipo PRACH, isto é,

não existe multiplexagem no nível físico de RACH’s e como

tal só pode existir um RACH-TrCH num RACH-CCTrCH. A

multiplexagem do serviço prestado pelo RACH é realizada

no nível MAC. Convém salientar que uma célula pode ter

vários pares RACH/PRACH.

No modo FDD os RACH’s mapeados nos PRACH’s

empregam o mesmo formato de transporte e conjuntos de

combinações de formatos de transporte, embora seja

159


possível que conjuntos individuais de formatos de

transporte sejam aplicados a cada par RACH/PRACH.

No modo TDD não é Transmitido o TFCI no burst, pelo

que cada RACH é configurado com um único formato de

transporte no seu TFS (Transport Format Signal). Os

diversos RACH’s mapeados nos PRACH’s empregam o

mesmo formato de transporte, embora seja possível

aplicar formatos de transporte individuais de RACH a cada

combinação RACH/PRACH existente.

No modo FDD, os vários PRACH’s distinguem-se entre si,

mediante a aplicação de códigos de baralhamento de

preâmbulo distintos ou mediante a utilização do mesmo

código mas com partições disjuntas das assinaturas

disponíveis e sub canais existentes. No modo TDD a

distinção dos diversos canais PRACH’s faz-se por meio da

utilização de time slots distintos ou utilizando o mesmo

time slot mas com recurso a partições diferentes dos

códigos de channelization e sub canais disponíveis.

No modelo do canal CPCH representado na figura xxx ,

verifica-se que existe sempre um canal CPCH mapeado

num canal PCPCH. Consequentemente existe uma

correspondência unívoca entre o TFCI do CPCH e o TFCI

transportado pelo PCPCH. Só pode existir um CPCH- TrCH

num CPCH-CCTrCH. O canal de transporte CPCH pertence

160


a um conjunto CPCH, que é identificado por um conjunto

específico de códigos de baralhamento para acesso e

detecção de colisões.

No modo FDD, quando se considera um canal de

transporte HS-SCH, um canal físico é configurado para

efeitos de confirmação do bloco de transporte do canal

HS-DSCH e indicação de qualidade do canal. No modo

TDD é um canal físico partilhado (HS-SICH) que é

configurado para esse efeito, abrangendo igualmente os

símbolos associados ao controlo de potência de

transmissão.

Os respectivos modelos de downlink, para os modos TDD

e FDD são os que constam nas figuras apresentadas a

seguir.

Figura 81

161


Figura 82

Figura 83

162


Figura 84

Figura 85

163


Figura 86

Para o DCH, o mapeamento entre DCH’s e canais físicos

processa-se da mesma forma para downlink e uplink,

embora o número de canais DCH considerados possa

diferir entre ambos.

Um PCH e um ou diversos canais FACH, podem ser

codificados e multiplexados conjuntamente para formar

um CCTrCH. Tal como no DCH existe um TFCI para cada

164


CCTrCH, para indicação dos formatos de transporte

usados em cada PCH e FACH. O PCH é associado a um PI

(Physical channel carrying page Indicator), que é usado

para activar no UE a recepção dos canais físicos que

transportam canais PCH. O FACH ou o PCH podem ser

mapeados individualmente em canais físicos separados. O

canal BCH é mapeado num canal físico sem

multiplexagem com outro canal de transporte. Assim só

pode existir um BCH-TrCH num BCH-CCTrCH.

No modo TDD, um CCTrCH transportando um PCH e um

ou vários FACH’s, pode ser multiplexado em diferentes

fluxos físicos de dados (Physical data streams).

Em cada HS-DSCH TTI, cada canal HS-SCCH transporta a

sinalização de downlink relacionada com o canal HS-

DSCH. Esta informação abrange:

Formato de transporte e indicador de recursos (TFRI)

Informação ARQ híbrida (HARQ)

Identidade do UE via utilização de CRC específico

Número de sequência cíclico (HCSN) para modo TDD

No caso do modo TDD a 1.28 Mcps, o HS-SCCH transporta

também informação para controlo de potência e os

símbolos de sincronização.

165


Os canais de transporte são definidos pelo conjunto de

parâmetros:

Bloco de transporte + CRC

Conjuntos de blocos de transporte, que consiste no

conjunto de blocos de transporte trocados entre

MAC e L1, usando o mesmo canal de transporte.

Tamanho do bloco de transporte ( o tamanho dos

blocos de transporte pertencentes ao mesmo

conjunto é igual)

Tamanho do conjunto de blocos de transporte

Intervalo de tempo de transmissão ou TTI – Trata-se

da periodicidade com que um conjunto de blocos de

transporte é transferido via a interface ar, pelo nível

físico. É um múltiplo inteiro do período mínimo de

interleaving (10 ms que corresponde à duração de

uma trama). O MAC entrega um conjunto de blocos

de transporte do TTI segundos em TTI segundos.

Assim o formato de transporte abrange uma parte estática

e uma dinâmica. Na primeira constam elementos como:

Tamanho do bloco de transporte

Tamanho do conjunto de blocos de transporte

TTI

166


Na parte dinâmica, constam os elementos:

TTI

Esquema de protecção de erros

Rate de codificação


Tamanho do CRC

A seguir apresentam-se de uma forma esquemática

algumas operações de codificação e multiplexagem

realizadas pelo nível físico, para diversos canais

abrangendo os modos FDD e TDD

167


Figura 87 – Exemplo de codificação de canal e multiplexagem para o canal DCH no downlink.

168


Figura 88 - Exemplo de codificação de canal e multiplexagem de canal PCH com dois canais FACH no downlink.

169


Figura 89 - Exemplo de codificação de canal e multiplexagem de canal DPCH (pode ser aplicado a canal DCCH). Admite-se

que o ritmo de dados no RRC é de 3.6 Kbps. O overhead relativo ao RRC e MAC é de 12 bits. (downlink)

170


Figura 90 - Exemplo de codificação de canal e multiplexagem de canal DPCH (pode ser aplicado a canal DCCH). Admite-se

que o ritmo de dados no RRC é de 12.2 Kbps. O overhead relativo ao RRC e MAC é de 12 bits. (downlink)

171


Figura 91- Exemplo de codificação de canal e multiplexagem para dados por pacotes a 384 Kbps com TTI de 10 ms .

(downlink)

172


Figura 92 – Multiplexagem TrCH em canal físico para dados a 3.4 Kbps. Pode ser aplicado ao canal DCCH. (downlink)

Figura 93 – Exemplo de multiplexagem de dados a 12.2 kbps e dados a 3.4 kbps. (múltiplos canais de voz e canal DCCH).

(downlink)

Figura 94 – Exemplo de multiplexagem de dados (pacotes) a 64/128/144/3842 kbps e dados a 3.4 kbps.. (downlink)

173


Figura 95 – Exemplo de codificação e multiplexagem para o canal PRACH. (uplink)

Figura 96- Exemplo para canal DCH que pode ser aplicado ao DCCH com dados a um ritmo de 3.4 Kbps. (uplink)

174


Figura 97 – Exemplo para dados a 12.2 kbps. (uplink)

175


Figura 98 – Exemplo para pacotes a 384 kbps. (uplink)

Figura 99 – Exemplo de mapeamento de canal DCCH (3.4 kbps dados). (uplink).

176


Figura 100 - Exemplo de multiplexagem de dados a 12.2 kbps e dados a 3.4 kbps. (múltiplos canais de voz e canal DCCH).

(uplink)

Figura 101 - Exemplo de multiplexagem de dados (pacotes) a 64/128/144/3842 kbps e dados a 3.4 kbps.. (uplink)

Figura 102 - Exemplo de multiplexagem de canais de voz, dados (pacotes) a 64/128/144/3842 kbps e canal DCCH )dados

a 3.4 kbps).. (uplink)

177


Modo comprimido

No modo comprimido são criados tempos mortos entre

tramas sucessivas, que permitem à UE efectuar medições

durante esses intervalos de tempo. O modo comprimido é

definido pelo nível 2, nomeadamente pelo sub-nível RRC

que usa os canais de transporte para esse efeito. Assim o

RRC define:

Número de ocorrências de tramas comprimidas.

Buffering e adaptação de ritmos para evitar a perda

de dados no modo comprimido.

Existem para efeitos de medição dois tipos de intervalos,

que estão presentes na sequência que define a alternância

entre tipos. As combinações possíveis no modo FDD para

downlink são as que constam na próxima tabela.

178


179


Tabela 16 – Combinações de canais para downlink no modo FDD

Para uplink as combinações de canais físicos e de

transporte possíveis são as que constam na Tabela 17

para o modo FDD e nas tabelas 18 e 19 para o modo

TDD.

180


Tabela 17 – Combinações para uplink no modo FDD

181


Tabela 18 – Combinações de canais para uplink no modo TDD

a 3.84 Mcps

182


183


Tabela 19 - Combinações de canais para uplink no modo TDD a 1.28 Mcps

No downlink em modo TDD são possíveis os

mapeamentos e combinações que constam nas tabelas

apresentadas a seguir.

184


Tabela 20 - Combinações de canais para downlink no modo TDD a 3.84 Mcps

185


Tabela 21 - Combinações de canais para downlink no modo TDD a 1.28 Mcps

186


Tabela 22 – (continuação) Combinações de canais para downlink no modo TDD a 1.28 Mcps

187

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