INTERFAZ DE RADIO W-CDMA Universal Mobile Telecommunications System Claudio Avallone [email protected] IIE

14 de septiembre de 2011

1 / 70

Agenda 1

Introducción

2

Capa física Modulación en banda base Spreading Scrambling

3

Diversidad en W-CDMA Propagación multi-trayectos Receptor Rake

4

Handovers Hard Handover Soft Handover

5

Macrodiversidad

6

Control de potencia 2 / 70

Agenda 1

Introducción

2

Capa física Modulación en banda base Spreading Scrambling

3

Diversidad en W-CDMA Propagación multi-trayectos Receptor Rake

4

Handovers Hard Handover Soft Handover

5

Macrodiversidad

6

Control de potencia 3 / 70

Interfaz de Radio (Uu) - WCDMA

Estudiaremos la interfaz de radio UTRA-FDD I

I

FDD (Frequency Division Duplex), comunicaciones bidireccionales con dos portadoras (Uplink / Downlink). Comúnmente conocida como W-CDMA (Wideband CDMA).

También se encuentra estandarizado el acceso del tipo TDD (Time Division Duplex), el cual no ha sido implementado masivamente → no será estudiado en este curso.

4 / 70

Generalidades de capa física

El ancho de canal utilizado por el sistema es fijo en 5Mhz. UMTS-FDD fue definido originalmente para la banda de 2100Mhz (UL/DL: 1920-1980/2110-2170 Mhz).

Actualmente también existen redes operando en las bandas de 850Mhz y 1900Mhz.

5 / 70

Agenda 1

Introducción

2

Capa física Modulación en banda base Spreading Scrambling

3

Diversidad en W-CDMA Propagación multi-trayectos Receptor Rake

4

Handovers Hard Handover Soft Handover

5

Macrodiversidad

6

Control de potencia 6 / 70

Capa física

Muy básicamente, la cadena de Tx se compone de: I I I I

Modulación de la señal de banda angosta (BB). Spreading de la señal de banda angosta (’chipping’). Scrambling de la señal de banda ancha. Modulación de la señal de banda ancha aleatorizada (RF).

En Rx se aplican las operaciones inversas. 7 / 70

Modulación en banda base

Los esquemas de modulación son distintos en UL y en DL. Downlink: I I

Modulación QPSK La señal se separa en 2 streams independientes, modulados en BPSK (I/Q).

Esto aplica para todos los canales excepto el de sincronización.

8 / 70

Modulación en banda base

Downlink: I

I

Los canales de Datos y de Control son multiplexados en el tiempo. Control de potencia → el canal de control es enviado de forma continua.

9 / 70

Modulación en banda base

Problemas en UL: I

I

No siempre hay datos para transmitir → multiplexación temporal puede derivar en discontinuidades en la transmisión. El Tx está cercano al sistema de audio del Ue. I I

I

Esto generaría gaps audibles que son molestos. Se afecta la calidad de la llamada.

Se utiliza entonces multiplexación en I/Q.

10 / 70

Modulación en banda base

Uplink: I

Multiplexación en I/Q: Canal de control se envía por Q y primer canal de datos por I, modulación BPSK en ambos.

I

El canal de control se transmite a diferente potencia que el de datos. Canales adicionales de datos van tanto por I como por Q.

I

11 / 70

Spreading

Expansión o spreading de la señal de banda angosta. La señal original se multiplica por una secuencia de mayor tasa (código de canalización o spreading).

Para un codigo de canalización de largo SF, se obtiene una señal de banda ancha, de tasa: chiprate = datarate × SF

12 / 70

Spreading

En WCDMA el chiprate utilizado es fijo en 3.84Mcps. El sistema debe elegir el SF adecuado para matchear la tasa de la señal original → datarate = 3,84Mcps . SF O visto de otra manera, la velocidad binaria para un usuario en particular dependerá directamente del largo del código de canalización utilizado.

13 / 70

Spreading Los códigos de canalización son ortogonales entre sí. Se usan códigos del tipo OVSF → la ortogonalidad se mantiene aunque se utilicen SF distintos.

14 / 70

Spreading

Los SF pueden variar de a potencias de 2 desde: I I

4 - 256 en UL 4 - 512 en DL

Por tanto, puede ser necesario agregar bits de padding para matchear el valor adecuado de SF (rate matching). A cada celda le corresponde un árbol OVSF independiente de las restantes celdas. La asignación de sus códigos es controlada por el RNC.

15 / 70

Spreading

Cuál es la funcionalidad de los códigos de canalización? I

I

UL : Permiten separar distintos canales físicos de un mismo Ue. DL : Permiten separar canales físicos de distintos Ue’s servidos por una celda dada.

En DL, un árbol OVSF es compartido por todos los usuarios servidos por una misma celda. Los códigos de canalización son códigos específicos de señal.

16 / 70

Spreading

Se utilizan tramas de 10ms, que se dividen en 15 slots.

Se transmiten entonces 2560

chips slot .

Con esto se obtienen tasas de 7.5kbps a 960Kbps en DL. Esta estructura permite variar el datarate (o el SF utilizado) en cada trama (solo en UL).

17 / 70

Spreading y acceso al medio

En un sistema ideal, el uso de códigos ortogonales permite diferenciar a un usuario de los restantes. En un sistema real, hay algunos temas para resolver: I

UL: La transmisión de los distintos UEs no es síncrona, la ortogonalidad no se preserva entre ellos → se genera MUI.

I

DL: El número de códigos disponibles en el árbol OVSF es finito, por tanto deben ser reutilizados en cada celda → se genera inter-cell interference.

Para mitigar estos efectos se implementa una etapa de aleatorización de las senãles.

18 / 70

Scrambling

En la etapa de scrambling o aleatorización, la señal de banda ancha obtenida en la etapa anterior se multiplica por un código PN de tasa 3.84Mcps. Durante este proceso no se produce expansión del espectro → operación ’chip por chip’.

Los códigos de scrambling son específicos de equipos.

19 / 70

Scrambling

Los códigos de scrambling se utilizan para diferenciar distintos ’equipos’ : I

UL: Separación entre terminales (UEs). Hay 224 códigos largos y 224 códigos cortos → no hay necesidad de planificación.

I

DL: Separación entre distintas celdas. Se utilizan códigos PN largos (8192 códigos posibles).

Scrambling en DL: I

I

Los 8192 códigos largos se agrupan en 512 sets de 16 códigos (1 código primario y 15 códigos secundarios). Para facilitar el procedimiento de sincronización e identificación de una celda, el uso se limita a los 512 códigos primarios. 20 / 70

Scrambling

Scrambling en DL: I

I

Una celda es identificada por un código PN largo (truncado a 38400 chips) de 512 opciones posibles. La planificación necesaria es casi trivial

En caso de escasez de códigos para una celda dada, un segundo código de scrambling puede ser habilitado I

Como desventaja se degrada la ortogonalidad entre usuarios.

Ventajas del scrambling: I I

Reutilización del árbol OVSF a nivel de celda, en DL. Separación de UEs en UL y mitigación de MUI.

21 / 70

Cadena de transmisión

Downlink: I

Mismo código de canalización en I y Q.

22 / 70

Cadena de transmisión

Downlink:

I

DPDCH: canal de datos dedicado.

I

DPCCH: canal de control dedicado.

23 / 70

Cadena de transmisión Uplink: I

Datos y control son multiplexados en I/Q.

El canal de control de trasmite a diferente potencia que los de datos. Durante bursts de datos, la transmisión se puede desbalancear. Dual-channel QPSK: se utiliza un código de scrambling complejo para redistribuir la potencia equitativamente entre I /Q. 24 / 70

Cadena de transmisión

Uplink:

I

DPDCH: canal de datos dedicado.

I

DPCCH: canal de control dedicado.

25 / 70

WCDMA vs. IS-95

Diferencias mas notorias entre WCDMA e IS-95 (CDMA clásico): Característica Espectro Chip Rate Sincronización

WCDMA 5 Mhz 3.84 Mcps Innecesaria

IS-95 1.25 Mhz 1.2288 Mcps GPS

Mayor ancho de banda de W-CDMA brinda mayor diversidad por multitrayecto. W-CDMA utiliza nodosB asíncronos. HHO Inter-frecuencia: No especificado en IS-95, sí en W-CDMA.

26 / 70

WCDMA

Figura: Espectro en W-CDMA. 27 / 70

Agenda 1

Introducción

2

Capa física Modulación en banda base Spreading Scrambling

3

Diversidad en W-CDMA Propagación multi-trayectos Receptor Rake

4

Handovers Hard Handover Soft Handover

5

Macrodiversidad

6

Control de potencia 28 / 70

Diversidad por multi-trayectos

En ambientes NLOS, los diversos obstáculos causan reflecciones, difracción y scattering de la señal transmitida. Consecuentemente, la señal arriba al receptor via distintos trayectos, con diferente potencia, fase, y con retardo variable.

En un ambiente urbanizado, el delay spread del canal es típicamente del orden unos pocos µs.

29 / 70

Diversidad por multi-trayectos

Figura: Mecanismos de propagación en ambientes NLOS.

30 / 70

Diversidad por multi-trayectos

Para aprovechar la diversidad por multitrayectos, el delay debe ser comparable con la resolución del sistema (Tchip = 0.26µs). Sistemas no-CDMA: I Escasa resolución temporal no permite discriminar distintas “copias"de la señal. I Las distintas señales se suman o cancelan aleatoriamente. I Se reduce la calidad de la señal.

Figura: Despreading en sist. no CDMA.

31 / 70

Diversidad por multi-trayectos W-CDMA: I

I I

La resolución temporal es menor que el delay spread del canal para ambientes urbanizados. Se puede discriminar las distintas señales. Se puede incluso mejorar la calidad de la señal.

Figura: Despreading en W-CDMA. Para esto es necesario el uso de de receptores de tipo Rake. 32 / 70

Receptores Rake

En W-CDMA toda la información de un UE está contenida sobre una misma carrier. El decodificado de la señal es solo una cuestión de capacidad de procesado de la misma. Un receptor Rake es capaz de decodificar varias copias de una misma señal en esa carrier. I

Es necesario que los delays entre ellas sean mayores a Tchip .

33 / 70

Receptores Rake

El receptor Rake está compuesto por varios ”correladores", comúnmente llamados ’fingers’.

34 / 70

Receptores Rake

Cada ’finger’ demodula de forma independiente una de las copias recibidas de la señal original. Para esto, se introducen delays del orden de ’chips’ entre ellos. El receptor Rake permite demodular en paralelo varias ’copias’ de una misma señal. La salida del receptor puede proveer: I Varias señales independientes. I Combinar las señales decodificadas para obtener mayor calidad. La cantidad de correladores del receptor es específica de la implementación.

35 / 70

Agenda 1

Introducción

2

Capa física Modulación en banda base Spreading Scrambling

3

Diversidad en W-CDMA Propagación multi-trayectos Receptor Rake

4

Handovers Hard Handover Soft Handover

5

Macrodiversidad

6

Control de potencia 36 / 70

Handover

El handover es el procedimiento que permite al UE mantener activas sus conexiones mientras se mueve a través de la red de acceso. Es sustancialmente diferente en W-CDMA que en otras tencologías. Básicamente existen 2 tipos: Hard y Soft Handovers. El Soft Handover es exclusivo de las tecnologías basadas en CDMA.

37 / 70

Hard Handover

Break-before-Make: Primero libero recurso establecido, luego establezco el nuevo enlace. Utilizado en GSM (el receptor tiene la necesidad de sintonizar distintas frecuencias para realizar el pasaje).

38 / 70

Hard Handover

Durante un HHO, la frecuencia sintonizada por el UE cambia. I

Inter-frequency HHO:

I

Inter-RAT HHO:

Cambio a una carrier diferente en UMTS. Cambio de tecnología de acceso (GSM).

El proceso ’break-before-make’ genera un ’gap’ audible en la transmisión. Además, previo a la ejecución del HHO es necesario realizar mediciones preliminares en la carrier/tecnología correspondiente.

39 / 70

Hard Handover

Hay dos soluciones: I I

Receptor Dual Compressed Mode

Receptor Dual I I

I I

Un receptor realiza Tx/Rx normal en UMTS. El otro receptor realiza mediciones inter-frecuencia o inter-RAT. Requiere HW adicional → $$. Dependiendo de las bandas sintonizadas, puede generar interferencia inter-carrier.

40 / 70

Hard Handover

Compressed Mode (CM) I

No todos los time slots se utilizan para la transmisión de datos.

I

La UTRAN define un patrón de time slots ’vacíos’ (“transmission gap"): Largo de y ubicación de la ”transmission gap". Patrón de repetición de la “transmission gap". Duración del período de CM.

I

Durante el CM, el UE puede realizar las medidas necesarias.

41 / 70

Hard Handover

Figura: Ejemplo de patrón de CM.

42 / 70

Hard Handover

Compressed Mode (CM) I

Hay distintos métodos para crear los ’gaps. Reducción de SF Puncturing Reducción de datarate desde capas superiores.

I

En cualquier caso, la performance del sistema se degrada.

Luego de realizar las mediciones e informar al RNC, se comienza el procedimiento de HHO. Esto incluye intercambio de información entre entre el S-RNC, Core y sub-sistema de acceso destino.

43 / 70

Soft Handover Durante un soft handover (o soft handoff), el móvil está conectado simultáneamente con varias celdas. Esto es posible ya que las celdas transmiten en la misma carrier. I Se precisa una sola cadena de Rx con suficiente capacidad de procesamiento para realizar la decodificación.

44 / 70

Soft Handover Los receptores Rake son claves para realizar el soft handoff. Downlink: I El UE recibe la misma información desde varias celdas distintas. I El receptor Rake emplea un ’finger’ para cada celda decodificada, correlacionando con el código de scrambling correspondiente. I Para el UE no hay mayor diferencia entre este procedimiento, o recibir varias componentes multitrayectos provenientes de una misma celda. En Uplink el receptor Rake funciona de la misma manera. Luego, se pueden combinar de diversas formas las distintas señales para mejorar la calidad. 45 / 70

Soft Handover

En sistemas TDMA/FDMA el handover es un procedimiento breve y que acarrea un corte en la comunicación. En W-CDMA el UE está realizando SHO gran parte del tiempo. I Se evita el ’gap’ en la llamada. I Se puede mejorar la calidad de la señal. I Mayor robustez frente a shadowing (las distintas señales recibidas son afectadas por distintos canales). Como contrapartida, tanto el UE como las celdas deben implementar receptores Rake.

46 / 70

Soft Handover

En el contexto de una llamada en particular, se pueden dividir las celdas de la UTRAN en: I I

I

Active Set: Celdas participando del SHO. Monitored Set: Celdas que no están participando del SHO, pero que son candidatas. Detected Set: Celdas no elegibles según el RNC, pero que son detectadas durante las mediciones.

La lista de celdas elegibles (AS+MS) es enviada al UE por el RNC.

47 / 70

Soft Handover

El UE realiza medidas periódicas de estas celdas. En base a umbrales de add/drop configurados por el RNC, el UE dispara el envío de reportes. El RNC decide en base a estos reportes (y también otros factores) las modificaciones pertinentes al AS. El RNC también se encarga de realizar modificaciones en la lista de celdas “vecinas"(elegibles) si es necesario. Softer Handover: Las celdas del AS pertenecen a un mismo NodoB.

48 / 70

Soft Handover

Figura: Soft Handover. 49 / 70

Agenda 1

Introducción

2

Capa física Modulación en banda base Spreading Scrambling

3

Diversidad en W-CDMA Propagación multi-trayectos Receptor Rake

4

Handovers Hard Handover Soft Handover

5

Macrodiversidad

6

Control de potencia 50 / 70

Macrodiversidad

La macrodiversidad es consecuencia del SHO → el Rx recibe la misma señal de varias fuentes distintas. El receptor puede combinar las distintas señales recibidas para aumentar la calidad de la recepción. Se puede recibir tantas señales como ’fingers’ tenga el receptor Rake. Sin embargo, en DL se corre el riesgo de aumentar la interferencia del sistema.

La ganancia obtenida es máxima cuando todas las ramas del AS se reciben con potencia y calidad similares.

51 / 70

Macrodiversidad Existen distintas formas de combinar las señales recibidas. SSDT (Site-Selection Diversity Transmission) Dinámicamente se elige una celda del AS como ’Primaria’. La celda Primaria transmite canales de control y datos. Las restantes celdas del AS solo transmiten canal de control.

MRC (Maximum Ratio Combining) Se combinan las señales recibidas en una sola.

Frame Selection En cada trama, se elige la de mejor calidad.

Downlink: La transmisión de cada celda contribuye a aumentar el nivel de interferencia. Generalmente se utiliza SSDT para limitar la polución. El SHO ayuda en este caso a reducir los tiempos de handover y no a mejorar la calidad de la señal 52 / 70

Macrodiversidad

Uplink: La macrodiversidad se puede gestionar en 2 niveles. S-RNC: Cuando se gestiona a nivel de RNC, generalmente se utiliza ’Frame Selection’. NodoB : En caso de softer handover, el nodo B implementa MRC para maximizar la energía recibida.

La recombinación local en el NodoB de las tramas recibidas también contribuye a optimizar los recursos de transporte en Iub.

53 / 70

Agenda 1

Introducción

2

Capa física Modulación en banda base Spreading Scrambling

3

Diversidad en W-CDMA Propagación multi-trayectos Receptor Rake

4

Handovers Hard Handover Soft Handover

5

Macrodiversidad

6

Control de potencia 54 / 70

Control de potencia Los sistemas CDMA son inestables por naturaleza, un control de potencia eficiente es clave para mantener buena calidad de servicio.

Figura: DEP en W-CDMA. 55 / 70

Control de potencia Si la interferencia es muy alta, no es posible decodificar la señal. Se implementa control de potencia tanto en UL como en DL. Problema ”Near-Far" Se manifiesta cuando el UE B está mucho más cerca que el UE A. La potencia interferente es superior a la potencia de la señal deseada.

56 / 70

Control de potencia Problema ”Near-Far" Si la interferencia es muy alta, no es posible decodificar la señal. La potencia máxima de Tx de un UE es entre 21 y 24dbm.

Se busca reducir la potencia de transmisión de los terminales al mínimo necesario para garantizar la calidad de comunicación.

57 / 70

Control de potencia

Interferencia en DL Las señales transmitidas por una celda son ortogonales entre sí. Sin embargo, al pasar por un canal NLOS esa ortogonalidad se pierde → auto-interferencia. Diferentes scrambling codes no son perfectamente ortogonales → interferencia inter-celda.

Objetivos: Reducir efectos del problema Near-Far Limitar la interferencia en DL Minimizar efectos de las fluctuaciones del fading.

58 / 70

Control de potencia en lazo abierto El UE estima las pérdidas del canal en base a la señal recibida. Luego ajusta la potencia de Tx. Ej.: Si la potencia en recepción es baja, el UE asume que está lejos del nodo y aumenta la potencia.

Como los canales de DL y UL no se son duales, el algoritmo es de baja precisión. Solo se utiliza para setear la potencia inicial de una conexión en UL.

CPICH: canal piloto que es transmitido continuamente en DL 59 / 70

Control de potencia en lazo cerrado

En lazo cerrado, la estimación de las pérdidas se realiza en Rx, para luego realimentar los resultados al transmisor. Es un mecanismo mucho más preciso que el lazo abierto, pero también más lento. Se utiliza tanto en DL como en UL. En la UTRAN, se puede dividir en dos procesos: Lazo interior (Fast Loop) Lazo exterior (Outer Loop)

60 / 70

Control de potencia en lazo cerrado

Lazo interior: En UL, la celda estima el SIR en base al canal de control recibido. SIRest =

RSCP .SF ISCP

Luego se generan comandos TPC (Transmit power control) siguiendo la regla: SIRest < SIRtarget → TPC= 1 (aumentar potencia en ∆tpc ). SIRest > SIRtarget → TPC= 0 (disminuir potencia en ∆tpc )

El valor ∆tpc es configurado por el RNC, típicamente 1 o 2 db. El valor SIRtarget también es seteado por el RNC.

61 / 70

Control de potencia en lazo cerrado Lazo interior: Estos comandos son enviados al UE en cada time slot (ftpc = 1500Hz). En base a ellos se modifica la potencia de los canales de control y datos.

En DL el lazo de control es similar (puede estar basado en otro indicador de calidad). 62 / 70

Control de potencia en lazo cerrado Lazo interior durante SHO - Uplink: Las diferentes celdas participando del SHO envian sus TPCs de forma independiente. Para un mismo time slot, el UE puede recibir comandos TPCs opuestos de distintas celdas.

En base a los diferentes TPCs, se debe derivar un solo TPCcmd . 63 / 70

Control de potencia en lazo cerrado

Lazo interior durante SHO - Uplink: Para la combinación de los TPCs: [0,1] → [-1,+1] Hay dos algoritmos definidos según la 3GPP. Algoritmo 1: Se deriva un TPCcmd en cada slot → ftpc = 1500Hz TPCcmd = [−1, +1]

Algoritmo 2: Se deriva un TPCcmd cada 5 slots → ftpc = 300Hz TPCcmd = [−1, 0, +1]

La función de combinación de los TPCs depende de la implementación del UE.

64 / 70

Control de potencia en lazo cerrado

Lazo interior durante SHO - Downlink: El UE envía TPCs de acuerdo a la implementación de su lazo interior de control. Estos son recibidos por todas las celdas del AS.

65 / 70

Control de potencia en lazo cerrado

Lazo interior durante SHO - Downlink: Cada celda deriva su comando TPCcmd interno. TPC: [0,1] → TPCcmd : [+1,-1] Se aplica un algoritmo de balanceo de potencia en cada celda: P(t) = P(t − 1) + Ptpc (t) + Pbal (t) Pbal es un término correctivo que amortigua diferencias grandes entre las distintas ramas del SHO.

66 / 70

Control de potencia en lazo cerrado

Lazo exterior: En UL, este algoritmo funciona entre el RNC y nodo B. De acuerdo al servicio requerido, el RNC fija un valor de BLER (Block Error Rate) objetivo. En base a este BLER, se deriva un valor de SIRtarget inicial, el cual es enviado al nodo B. Este valor de SIR será utlilizado en el algoritmo de lazo interior por el mismo.

67 / 70

Control de potencia en lazo cerrado

Lazo exterior: Periódicamente, el RNC reajusta SIRtarget en base a la realimentación del nodoB en cuanto al BLER en UL. La periodicidad de la realimentación es típicamente entre 10-100Hz.

En DL, el algoritmo funciona de forma similar: En base al servicio, el RNC envía el BLER objetivo al UE. Sin embargo, el lazo de control es dependiente de la implementación del móvil. No es mandatorio según la 3GPP.

68 / 70

Control de potencia en lazo cerrado

Figura: Control de potencia en lazo cerrado. 69 / 70

Referencias

Introduction to 3G mobile communications. Juha Korhonen. Artech House. ISBN 1-58053-287. 3GPP TS 25.213 “Spreading and Modulation"(FDD) 3GPP TS 25.301 “Radio Interface Protocol Architecture" 3GPP TS 25.331 “RRC Protocol" 3GPP TS 25.322 “RLC Protocol" 3GPP TS 25.321 “MAC Protocol" 3GPP TS 25.304 “UE proc. in Idle Mode".

70 / 70