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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
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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).
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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
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Comunicação sem fios UMTS
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.
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Comunicação sem fios UMTS
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.
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Comunicação sem fios UMTS
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.
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Comunicação sem fios UMTS
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
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Comunicação sem fios UMTS
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= =
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Comunicação sem fios UMTS
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.
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Comunicação sem fios UMTS
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
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Comunicação sem fios UMTS
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.
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Comunicação sem fios UMTS
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×
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Comunicação sem fios UMTS
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
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Comunicação sem fios UMTS
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
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Comunicação sem fios UMTS
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.
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Comunicação sem fios UMTS
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
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Comunicação sem fios UMTS
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.
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Comunicação sem fios UMTS
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.
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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
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Comunicação sem fios UMTS
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
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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.
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Comunicação sem fios UMTS
• 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.
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Comunicação sem fios UMTS
• 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
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Comunicação sem fios UMTS
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.
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Comunicação sem fios UMTS
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
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Comunicação sem fios UMTS
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.
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Comunicação sem fios UMTS
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
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Comunicação sem fios UMTS
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.
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Comunicação sem fios UMTS
#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
Comunicação sem fios UMTS
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
Slot #0 Slot #1 Slot #i Slot #14
Tslot = 2560 chips, 10*2k bits (k=0..3)
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
Comunicação sem fios UMTS
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
Comunicação sem fios UMTS
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
Comunicação sem fios UMTS
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
Comunicação sem fios UMTS
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
Comunicação sem fios UMTS
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
Comunicação sem fios UMTS
One radio frame, Tf = 10 ms
TPC NTPC bits
Slot #0 Slot #1 Slot #i Slot #14
Tslot = 2560 chips, 10*2k bits (k=0..7)
Data2Ndata2 bits
DPDCHTFCI
NTFCI bitsPilot
Npilot bitsData1
Ndata1 bits
DPDCH DPCCH DPCCH
Figura 18 – estrutura da trama associada ao canal DPCH
36
Comunicação sem fios UMTS
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
Comunicação sem fios UMTS
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
Comunicação sem fios UMTS
Pre-defined symbol sequence
Slot #0 Slot #1 Slot #i Slot #14
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
Comunicação sem fios UMTS
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
Comunicação sem fios UMTS
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
Slot #0 Slot #1 Slot #i Slot #14
Tslot = 2560 chips , 20 bits
1 radio frame: Tf = 10 ms
(Tx OFF)
256 chips
Figura 22 - Estrutura de trama para o Primary Common Control Physical Channel
Slot #0 Slot #1 Slot #i Slot #14
Tslot = 2560 chips, 20*2k bits (k=0..6)
Pilot Npilot bits
DataNdata bits
1 radio frame: Tf = 10 ms
TFCI NTFCI bits
Figura 23 – Estrutura de trama para o Secondary Common Control Physical Channel
41
Comunicação sem fios UMTS
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
Comunicação sem fios UMTS
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
Comunicação sem fios UMTS
Slot #0 Slot #1 Slot #i Slot #14
Tslot = 2560 chips, 20*2k bits (k=0..6)
DataNdata bits
1 radio frame: Tf = 10 ms
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
Comunicação sem fios UMTS
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
Comunicação sem fios UMTS
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
Comunicação sem fios UMTS
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
Comunicação sem fios UMTS
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
Comunicação sem fios UMTS
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
Comunicação sem fios UMTS
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
Comunicação sem fios UMTS
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
Comunicação sem fios UMTS
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
Comunicação sem fios UMTS
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
Comunicação sem fios UMTS
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
Comunicação sem fios UMTS
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
Comunicação sem fios UMTS
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
Comunicação sem fios UMTS
• 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
Comunicação sem fios UMTS
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
Comunicação sem fios UMTS
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
Comunicação sem fios UMTS
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
Comunicação sem fios UMTS
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
Comunicação sem fios UMTS
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
Comunicação sem fios UMTS
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
Comunicação sem fios UMTS
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
Comunicação sem fios UMTS
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
Comunicação sem fios UMTS
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
Comunicação sem fios UMTS
Nível físico
Protocolo deaplicação
Fluxo(s) dedados
Bearer(s) dedados
Bearer(s) desinalização
Bearer(s) desinalização
Rede de TransportePlano de utilizador
Rede de TransportePlano de utilizador
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
Comunicação sem fios UMTS
Figura 35 – Estrutura do protocolo para a interface Iu Cs
Figura 36 - Estrutura protocolar da interface Iu ps
71
Comunicação sem fios UMTS
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
Comunicação sem fios UMTS
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
Comunicação sem fios UMTS
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
Comunicação sem fios UMTS
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
Comunicação sem fios UMTS
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
Comunicação sem fios UMTS
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
Comunicação sem fios UMTS
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
Comunicação sem fios UMTS
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
Comunicação sem fios UMTS
• 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
Comunicação sem fios UMTS
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
Comunicação sem fios UMTS
• 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
Comunicação sem fios UMTS
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
Comunicação sem fios UMTS
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
Comunicação sem fios UMTS
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
Comunicação sem fios UMTS
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
Comunicação sem fios UMTS
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
Comunicação sem fios UMTS
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
Comunicação sem fios UMTS
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
Comunicação sem fios UMTS
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
Comunicação sem fios UMTS
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
Sector 1Frequência f1
Sector 3Frequência f1
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
Comunicação sem fios UMTS
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
Comunicação sem fios UMTS
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
Comunicação sem fios UMTS
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
Comunicação sem fios UMTS
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
Comunicação sem fios UMTS
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
Comunicação sem fios UMTS
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
Comunicação sem fios UMTS
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
Comunicação sem fios UMTS
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
Comunicação sem fios UMTS
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
Comunicação sem fios UMTS
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
Comunicação sem fios UMTS
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
Comunicação sem fios UMTS
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
Comunicação sem fios UMTS
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
Comunicação sem fios UMTS
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
Comunicação sem fios UMTS
TPC para aumento depotênciaTPC para aumento de
potência
TPC para aumento depotência
BSBS
BSUE
TPC para baixar potência
TPC para aumento depotência
TPC para aumento depotência
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
Comunicação sem fios UMTS
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
Comunicação sem fios UMTS
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
Comunicação sem fios UMTS
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
Comunicação sem fios UMTS
- Multiplexagem dos canais de transporte
- Segmentação do canal físico
- Mapeamento em canais físicos
110
Comunicação sem fios UMTS
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
Comunicação sem fios UMTS
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
Comunicação sem fios UMTS
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
Output 1 G1 = 663 (octal)
Output 2 G2 = 711 (octal)
Output 0 G0 = 561 (octal)
Input D D D D D D D D
Output 1 G1 = 753 (octal)
(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
Comunicação sem fios UMTS
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
Comunicação sem fios UMTS
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
Comunicação sem fios UMTS
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
Comunicação sem fios UMTS
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
Comunicação sem fios UMTS
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
Comunicação sem fios UMTS
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
Comunicação sem fios UMTS
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
Comunicação sem fios UMTS
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
Comunicação sem fios UMTS
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
Comunicação sem fios UMTS
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
Comunicação sem fios UMTS
• 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
Comunicação sem fios UMTS
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
Comunicação sem fios UMTS
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
Comunicação sem fios UMTS
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
Comunicação sem fios UMTS
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
Comunicação sem fios UMTS
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
Comunicação sem fios UMTS
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
Comunicação sem fios UMTS
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
Comunicação sem fios UMTS
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
Comunicação sem fios UMTS
• 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
Comunicação sem fios UMTS
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
Comunicação sem fios UMTS
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
Comunicação sem fios UMTS
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
Comunicação sem fios UMTS
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
Comunicação sem fios UMTS
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
Comunicação sem fios UMTS
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
Comunicação sem fios UMTS
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
Comunicação sem fios UMTS
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
Comunicação sem fios UMTS
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
Comunicação sem fios UMTS
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
Comunicação sem fios UMTS
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
Comunicação sem fios UMTS
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
Comunicação sem fios UMTS
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
Comunicação sem fios UMTS
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
Comunicação sem fios UMTS
• 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
Comunicação sem fios UMTS
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
Comunicação sem fios UMTS
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
Comunicação sem fios UMTS
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
Comunicação sem fios UMTS
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.
Adaptação de ritmos
Mapeamento de canais de transporte em canais
físicos
152
Comunicação sem fios UMTS
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
Comunicação sem fios UMTS
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
Comunicação sem fios UMTS
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
Comunicação sem fios UMTS
Figura 77
Figura 78
156
Comunicação sem fios UMTS
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
Comunicação sem fios UMTS
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
Comunicação sem fios UMTS
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
Comunicação sem fios UMTS
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
Comunicação sem fios UMTS
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
Comunicação sem fios UMTS
Figura 82
Figura 83
162
Comunicação sem fios UMTS
Figura 84
Figura 85
163
Comunicação sem fios UMTS
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
Comunicação sem fios UMTS
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.
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Comunicação sem fios UMTS
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
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Comunicação sem fios UMTS
Na parte dinâmica, constam os elementos:
TTI
Esquema de protecção de erros
Rate de codificação
Adaptação de ritmos
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
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Comunicação sem fios UMTS
Figura 87 – Exemplo de codificação de canal e multiplexagem para o canal DCH no downlink.
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Comunicação sem fios UMTS
Figura 88 - Exemplo de codificação de canal e multiplexagem de canal PCH com dois canais FACH no downlink.
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Comunicação sem fios UMTS
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)
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Comunicação sem fios UMTS
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)
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Comunicação sem fios UMTS
Figura 91- Exemplo de codificação de canal e multiplexagem para dados por pacotes a 384 Kbps com TTI de 10 ms .
(downlink)
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Comunicação sem fios UMTS
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)
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Comunicação sem fios UMTS
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)
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Comunicação sem fios UMTS
Figura 97 – Exemplo para dados a 12.2 kbps. (uplink)
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Comunicação sem fios UMTS
Figura 98 – Exemplo para pacotes a 384 kbps. (uplink)
Figura 99 – Exemplo de mapeamento de canal DCCH (3.4 kbps dados). (uplink).
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Comunicação sem fios UMTS
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)
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Comunicação sem fios UMTS
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.
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Comunicação sem fios UMTS
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Comunicação sem fios UMTS
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.
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Tabela 17 – Combinações para uplink no modo FDD
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Tabela 18 – Combinações de canais para uplink no modo TDD
a 3.84 Mcps
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Comunicação sem fios UMTS
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.
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Tabela 20 - Combinações de canais para downlink no modo TDD a 3.84 Mcps
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Tabela 21 - Combinações de canais para downlink no modo TDD a 1.28 Mcps
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Tabela 22 – (continuação) Combinações de canais para downlink no modo TDD a 1.28 Mcps
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