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SERVICIOS Y PROTOCOLOSUniversal Mobile Telecommunications System

Claudio [email protected]

IIE

14 de septiembre de 2011

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Agenda

1 Servicios y Bearers

2 Canales RadioCanales lógicosCanales de transporteCanales físicos

3 ProtocolosProtocolos de RedProtocolos de Radio

4 Procedimientos básicos

5 Planificación en W-CDMA

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Agenda






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Servicios y Bearers

UMTS Bearer:I Servicio básico que ofrece la capacidad de transmisión

pura de señales entre el UE y el GGSN/GMSC.I Pueden ser clasificados en servicios CS o PS.

CS (Circuit Switched): voz y videollamadas.PS (Packet Switched): datos.

I La QoS de cada servicio puede ser negociada entre laUTRAN y el Core

Tipo de tráfico, CBR o VBR, Maximum transfer delay, BERobjetivo, DataRate, etc.

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Servicios y Bearers

RAB (Radio Access Bearer)I Provee transporte de señalización y datos entre el UE y el

CN correspondiente, con la apropiada QoS.I Se mapean en Iu Bearers y Radio Bearers.

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Servicios y Bearers

RB (Radio Bearers)I Servicios encargados de intercambiar información entre el

UE y la UTRAN, con una QoS pre-establecida.I Durante el transcurso de una llamada, estos parámetros de

QoS puden ser re-negociados.

I Pueden ser clasificados en SRBs y TRBs.I SRB (Signalling Radio Bearers):

Intercambio de información de acceso entre UE y UTRAN.Encaminamiento de información NAS (non-access stratum;ej.:Location Update), cuyo destino final es el Core.Tasas de 13.6Kbps (inicio de llamada) y 3.4Kbps.

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Servicios y Bearers

TRB (Traffic Radio Bearers)I Tráfico del usuario.I Un RAB puede mapearse a varios RBs.I Se definen 4 clases, según la QoS requerida:

Conversational: tráfico bidireccional y casi simétrico.Utilizado para servicios de ’tiempo-real’: voz, video-llamadaPS Interactive: tráfico de paquetes asimétrico (navegaciónweb, etc), Más tolerante al delay que clase ’Conversational’.PS Background: tráfico asimétrico de paquetes sinrestricciones de delay.Streaming: tráfico muy asimétrico (ej.: videostreaming) conrequirementos para la variación del delay.

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Servicios y Bearers

Los Radio Bearers se mapean en canales lógicos, de transportey finalmente canales físicos.

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Agenda






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Canales radio

En la UTRAN, los canales radio se definen en tres nivelesdistintos:

I Canales Lógicos.

I Canales de Transporte.

I Canales Físicos.

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Canales Lógicos

Definen el tipo de información a transmitir.Se clasifican en canales de control y canales de tráfico.Además, pueden ser canales dedicados o comunes.

BCCH Broadcast control channel (DL):I Información de control del sistema.I Información específica de la celda (ej.: CellID)

PCCH Paging control channel (DL):I Información de paging.

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Canales Lógicos

DCCH Dedicated control channel (UL/DL):I Información de control específica a un móvil en el contexto

de una llamada.I Ej.: Establecimiento del RB, envío de reportes, HOs, etc.

CCCH Common control channel (UL/DL):I Información de control común.I Ej: Acceso inicial, cell update, etc.

DTCH Dedicated Traffic channel (UL/DL):I Tráfico de datos de un UE en particular.

CTCH Common Traffic channel (DL):I Tráfico de datos a un grupo de UEs (ej.:SMS broadcast)

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Canales Lógicos

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Canales de Transporte

Proveen funcionalidades adicionales, previo al pasaje dela información a la capa física:

I Flexibilidad en el envío de información, permitiendoadaptarse a las variaciones del tráfico en general.

I Multiplexación de varios canales de transporte a un mismocanal físico.

Se permite la variación de datos a enviar en cada TTI(Time Transmission Interval, TTImin = 10mseg).

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Los canales lógicos de mapean en canales de transporte.

Se pueden dividir en canales comunes y dedicados.

BCH Broadcast channel (DL):I Utilizado para enviar el BCCH.I Transmitido a potencia alta, con un bitrate bajo y fijo (debe

de poder ser decodificado por todos los UEs en la celda).

PCH Paging channel (DL):I Utilizado para enviar el PCCH (mensajes de paging)

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FACH Forward Access channel (DL):I Es un canal común a todos los móviles de una celda.I Generalmente utilizado durante el acceso inicial, puede

llevar datos a tasas bajas.

I RACH Random Access channel (UL):I Canal común a todos los móviles de una celda.I Utilizado durante el acceso inicial (riesgo de colisiones).I Se puede transmitir datos a tasas bajas.

I DSCH Downlink Shared channel (DL):I Canal de transporte compartido por varios UEs.I Envío de información dedicada de control o datos.I Siempre se asocia a un DCH, el cual provee control de

potencia.

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CPCH Common Packet channel (UL):I Utilizado para enviar información de control y también

datos a ráfagas.I Al igual que el RACH, hay riesgo de colisiones en acceso.I Asociado a un DCH, el cual provee control de potencia.

DCH Dedicated channel (UL/DL):I Canal de transporte dedicado, utilizado para enviar tanto

control (DCCH) como datos (DTCH).I El bitrate sobre el canal debe variar para satisfacer las

distintas tasas requeridas (3.4kbps:384kbps).I Participa en el SHO y utiliza ’fast power control’ (lazo

interior a 1500Hz).

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Figura: Mapeo de canales comunes lógicos

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Figura: Mapeo de canales dedicados lógicos

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Canales Físicos

Canales enviados directamente sobre la interfaz de radio.Para una celda dada, son modulados simultáneamente enfrecuencia y tiempo, separados mediante códigos de SFadecuado a la tasa.

Pueden clasificarse en canales:I Asociados con canales de transporte

Señalización de UTRAN (MM), señalización de Core (aut.)Tráfico de usuario.

I No asociados con canales de transporteSeñalización de capa física en general (canal piloto,sincronización, etc).

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Canales Físicos

No asociados a canales de transporte:

CPICH Common Pilot channel (DL):I Canal transmitido a tasa fija de 30Kbps.I Utilizado para obtener el Scrambling Code de la celda.I Utilizado como referencia para estimación del canal en el

UE (ej.: handover, cell selection).

PICH Page Indicator channel (DL):I Utilizado para indicar la presencia de mensaje de paging

en el PCH.

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Canales Físicos

SCH Synchronization channel (DL):I Consiste en 2 sub-canales: primario y secundario.I P-SCH : sincronización a nivel de slot.I S-SCH : sincronización a nivel de trama, obtención de

grupo de 8 scrambling codes.

AICH Acquisition Indicator channel (DL):I Utilizado en el acceso inicial, para reconocer solicitudes de

uso del P-RACH de un UE.

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Canales Físicos

Canales comunes asociados a canales de transporte:

P-CCPCH Primary Common Control channel (DL):I Canal transmitido a tasa fija de 30Kbps.I Utilizado para enviar el BCH.I Se transmite de forma constante y multiplexado (en tiempo)

con el SCH.

S-CCPCH Secondary Common Control channel (DL):I Canal transmitido a tasa fija de 30kbps.I Utilizado para enviar el FACH y PCH.I Dependiendo de la implementación, estos se pueden

mapear en canales distintos (varios S-CCPCHs).I Transmitido solo cuando hay información a enviar.

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Canales Físicos

PRACH Physical Random Access channel (UL):I Utilizado para enviar el RACH.

PDSCH Physical DL Shared channel (DL):I Utilizado para enviar el DSCH.

PCPCH Physical Common Packet channel (UL):I Utilizado para transmitir el CPCH.

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Canales Físicos

Canales dedicados asociados a canales de transporte:

DPDCH Dedicated Physical Data channel (UL/DL):I Utilizado para enviar el DCH.I Se puede mapear uno o varios DCHs de un mismo UE.

DPCCH Dedicated Physical Control channel (DL):I Es un canal de control dedicado a nivel de capa física (ej.:

control de potencia lazo interior)

Downlink: DPDCH y DPCCH son multiplexados en el tiempo.Uplink: DPDCH y DPCCH son multiplexados en I/Q.

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Canales Físicos

Figura: Mapeo de canales en downlink.

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Canales Físicos

Figura: Mapeo de canales en uplink.

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Agenda






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Protocolos en la UTRAN

Se pueden clasificar en:I Protocolos Iu.

I Protocolos de radio.

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Protocolos en la UTRAN

Protocolos Iu:I Intercambio de señalización y tráfico útil entre RNCs,

nodos B y el Core.

Protocolos de radio:I Procesamiento de la información enviada sobre la interfaz

de radio.I Señalización entre la UTRAN y los UEs.

Señalización NAS (Non Access Stratum)I Señalización entre el UE y el core, transparente para la

UTRAN.I Ej.: autenticación, IMSI attach/detach, localización, etc.

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Protocolos Iu - Modelo General

El stack de protocolos Iu se divide en 2 capashorizontales:

I Radio Network LayerI Transport Network Layer

Esto brinda flexibilidad en la adopción de la tecnología detransporte.

Durante este curso no abarcaremos el Transport Network Layer

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Protocolos Iu - Modelo General

Radio Network LayerI Se puede dividir en 2 planos verticales

Control PlaneUser Plane

I Control Plane: Señalización entre elementos de laUTRAN, o entre UTRAN y CN.

I User Plane: Transmisión de datos del UE (RABs,señalización NAS, etc..)

En particular, nos enfocaremos en los protocolos deControl Plane.

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Protocolos Iu - RANAP

RANAP (Radio Access Network Application Part)

Señalización entre la UTRAN y el Core Network viainterfaces Iu-CS/PS).

Provee los siguientes servicios:I Control general de interfaz Iu-CS/PS.I Servicios de notificación.I Servicios de control dedicado de un UE.

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Protocolos Iu - RANAP

Algunas de las funciones que se proveen sobre RANAPson:

I Manejo de sesiones.I Gestión de los RABs

Establecimiento, liberación, reconfiguración

I Liberación de conexiones IuI Relocalizaciones de Serving-RNCI Localización de móviles (pagings).I Forwardeo de mensajes NAS.

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Protocolos Iu - NBAP

NBAP (Node B Application Part)

Señalización entre RNC y Nodos B via interfaz Iub.

Algunas de las funciones provistas son:

I Establecimiento de Radio Links con los nodos.I Gestión de canales comunes de celdas asociadas al NB.I Gestión de recursos en general del NB.I Gestión de medidas y envío de reportes en el nodo B

Canales comunes (ej. UL RSSI)Canales dedicados (ej. Tx Code Power)

I Gestión del compressed mode.I etc..

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Protocolos Iu - RNSAP

RNSAP (Radio Network Sub-system Application Part)

Señalización entre RNCs via interfaz Iur.

Durante una llamada, un RNC toma el control (S-RNC) y elotro acúa como esclavo (D-RNC).

Provee los siguientes servicios:I Soporte de movilidad sobre la Iur.I Control de canales dedicados.I Control de canales comunes.I Localización de UEsI Gestión de recursos de radio.

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Protocolos Iu

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Protocolos de Radio

Los protocolos radio forman parte del AS (Access Stratum).Son responsables del intercambio de señalización y datos entreel UE y la UTRAN, via interfaz Uu.

Se pueden organizar en un stack de 3 capas:I Capa de red: RRC (entre el RNC y el UE)

I Capa de enlace: RLC y MAC (entre el RNC y el UE)

I Capa física: W-CDMA (entre Nodo B y UE)

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Protocolos de Radio

Existen dos planos verticales: User y Control Plane.

El protocolo RRC es el único que no existe en contexto delU-plane.

Dependiendo del servicio, pueden existir además dosprotocolos adicionales en la capa de enlace: PDCP y BMC.

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Protocolos de Radio

Figura: Stack de protocolos Radio

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Protocolos de Radio - RRC

RRC (Radio Resource Control)

Es el ’cerebro’ del stack de protocolos radio.Pertenece al C-Plane.

Provee los siguientes servicios:I Control Dedicado de recursos.I Notificación (pagings)I Control General (broadcast de info.)

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Mediante los Control SAP (Service Access Points) controlala configuración de las capas inferiores.

Implementa las siguientes funciones:I Gestión de la llamada

Establecimiento/liberación de conexión RRC (accesoinicial/corte).Establecimiento, reconfiguración y liberación de RBs.Reconfiguración de canales físicos y de transporte.

I Gestión de movilidad (Radio MM)Handover (soft y hard)Selección inicial y re-selección de celda.Procedimiento de paging.

I Control de mediciones y reportes.I Control del lazo exterior de control de potencia.I Broadcast de información del sistema.

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Figura: Radio Resource Control.

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Protocolos de Radio - RLC

RLC (Radio Link Control)

Pertenece a la ’parte superior’ de la capa de enlace.Tiene instancias en el C-Plane y U-Plane.

Controla la transmisión de los paquetes sobre la interfazde radio.

I Segmentación, buffering y retransmisiones, etc.

Existe una sola conexión RLC por Radio Bearer.

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Provee tres tipos de servicios:I TM (Transparent Mode)

Poco procesamiento a nivel de RLC.Segmentación de SDUs (service data units)

I UM (Unacknowledged Mode)Segmentación de SDUsConcatenación, paddingCifrado, chequeo de número de secuencia (detección deerrores)

I AM (Acknowledged Mode)Segmentación de SDUsConcatenación, padding, cifradoDetección de duplicados, entrega de PDUs ’en-secuencia’Control de flujosARQ (Automatic Repeat Request)

También se utilizan además para transmitir datos del usuario.

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El protocolo RLC realiza el mapeo de los Radio Bearers(C-Plane/U-Plane) en canales lógicos (control/tráfico).

Figura: Radio Link Control.

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Protocolos de Radio - MAC

MAC (Medium Access Control)

Pertenece a la ’parte inferior’ de la capa de enlace.Tiene instancias en el C-Plane y U-Plane.

Su función es proveer flexibilidad en la transferencia dedatos.

Provee los siguientes servicios:I Transferencia de datos.I Relocalización de recursos radio disponibles.I Reporte de medidas a la capa RRC.

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Algunas de las funciones que implementa son:

I Transferencia de datos del UE.I Mapeo entre canales lógicos y de transporte.I Multiplexación de canales lógicos (cuando requieren

misma QoS).I Selección del TF (Transpor Format)I Manejo de prioridades (entre flujos de un UE, entre UEs).I En el caso de RLC-TM, se provee cifrado.

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Figura: Medium Access Control.

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Protocolos de Radio - PHY

PHY (Physical Layer)Tiene instancias en el C-Plane y U-Plane.Provee multiplexación y modulación en RF utilizando W-CDMA.

Algunas de las funciones implementadas son:I Multiplexación de canales de transporte (aún con distinta

QoS).I Mapeo de canales de transporte en canales físicos.I Spreading/despreading, modulación/demodulación de

canales físicos, etc.I Realización de medidas y notificación a capas superiores.I Control de potencia por lazo interior y lazo abierto.I Ejecución del SHO, frame-selection/combininig en

situaciones de macrodiversidad..

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Protocolos de Radio - PHY

Figura: Physical Layer.

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Protocolos de Radio

Mapeo de RBs en canales de radio.

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Agenda






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Estados del UE

DettachedI La UTRAN no tiene conocimiento del estado, identidad ni

ubicación del móvilI El UE solo tiene acceso a llamadas de emergencia.

IdleI El usuario ha sido autenticado a nivel de PLMN.I La UTRAN conoce de la ubicación del UE a nivel de LA.I El UE re-selecciona la mejor celda dado su ubicación.

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Estados del UE

ConnectedI La UTRAN tiene conocimiento a nivel de celda de la

ubicación del UE.I En este modo, el UE solicita utilizar servicios con recursos

dedicados.I También se usa para notificar a la UTRAN de cambios de

LA, así como para el attachment inicial.

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1. Selección inicial de celda

Al encender el móvil, el primer paso es seleccionar lacelda.

I Búsqueda de canales P-SCH y adquisición desincronización a nivel de slot.

I Adquisición de sincronización a nivel de trama (S-SCH).I Adquisición del SC, desde el canal P-CPICH de la celda.I Decodificación de información de la celda (BCH).

La UTRAN aún no tiene información sobre este UE (IMSI,ubicación, etc)El UE no puede intercambiar datos con la UTRAN.

Es necesario disparar el procedimiento de attachment.

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2. Attachment

Para intercmbiar de cualquier tipo de datos con la UTRAN,el UE debe establecer una conexión RRC.

La información a enviar es básicamente:I LA (location area)I RA (routing area, localizador para PS)I IMSI

La entidad encargada de validar el attachment es el CN (NAS)

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3. Re-selección de celda

Luego de validado el attachment, el móvil decide si haceruso o no de los servicios provistos.

Si la respuesta es no, el UE:I Libera la conexión RRC y vuelve a Idle.I Re-selección de la mejor celda comparando los valores de

RSCP y Ec/Io medidos en el C-PICH.I Cada vez que cambia de LA/RA, debe comunicárselo al

Core (LAU/RAU).

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4. Conexión RRC (1/2)

Es necesario establecer una conexión RRC cada vez queel UE quiere interacambiar datos con la UTRAN/CN

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4. Conexión RRC (2/2)

1. Identificación del UE (ej.TMSI) y causa de establecimiento(ej.:conversational, etc)

2. El RNC decide sobre cual canal de transporte establecer lallamada (DCH, RACH/FACH).

3. Se configura un RL entre el RNC y el nodoB correspondiente:I NBAP: envío de UE SC, info de control de potencia, etc.I Se setea la conexión de transporte via Iub.

4. Se envía al UE la configuración de canales lógicos, detransporte y físicos.

5. Dependiendo del canal de transporte seleccionado, elmensaje de RRC-Complete puede ir via RACH o DCH.

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5. Establecimiento del RAB (1/2)

Luego de establecida la conexión RRC, se debe establecer elRAB con el CN.RAB = Iu Bearer + Radio Bearer (TRB+SRB).

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5. Establecimiento del RAB (2/2)

1. RANAP: Solicitud de establecimiento del RAB desde el CN(bitrate, etc)2. Establecimiento del Iu Bearer3. Re-configuración del RL establecido al comienzo

I Procedimiento similar al seteo inicial del RLI Se reconfigura la instancia de C-P (SRB) y se setea una

nueva en U-P (TRB).

4, 5. Solicitud del setup del RB (FACH/RACH o DCH)6 RANAP: Repuesta al CN sobre la solicitud del RAB.

Luego del setup del RAB, el UE pude comenzar a traficar datos.

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Agenda






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Planificación

En sistemas FDMA/TDMA (ej: GSM), celdas vecinas nopueden utilizar la misma frecuencia o TS.

Hay que examinar donde colocar los transmisores.Esquema de reutilización de frecuencias→ se dificulta laplanificación.

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Planificación

En W-CDMA el espectro y el tiempo es compartido entre celdaspermanentemente.Solo cambian los códigos a utilizar.

Existen 512 SCs primarios disponibles→ se simplifica laplanificación.

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Cobertura vs. Polución de pilotos

La formas más sencillas de ampliar la cobertura en DL de unacelda son:

I Aumentar la potencia del amplificador.I Disminuir el tilt del sector.I Cambiar la antena por una de mayor directividad.

Sin embargo, como ya vimos las señales de distintas celdas son’no ortogonales’ por construcción→ interferencia inter-celda.

En las áreas de borde, la interferencia puede llegar a ser muygrande comparado con el nivel de señal de la celda.

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Cobertura vs. Polución de pilotos

Polución de pilotosI Ocurre cuando las señales recibidas desde distintas celdas

no son suficientemente fuertes frente al nivel deinterferencia total.

Es necesario incrementar los niveles de Ec/Io en el área deborde.

Soluciones típicas:I Elección de antenas de menor apertura.I Tilteado de antenas.I Tuneo de potencia de trasnmisión del CPICH.

Adicionalmente, se puede utilizar SSDT durante el SHO (lasceldas ’no primarias’ apagan sus DPDCHs)

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Cobertura vs. Cell Breathing

La forma intuitivamente más sencilla de mejorar la calidad en ULpara un UE es permitirle transmitir a mayor potencia.Esto contribuye a aumentar el nivel de interferencia total en UL,en el nodo B.Por tanto, el radio de cobertura (UL) de la celda se reduce→Cell Breathing.

La capacidad de la celda también se ve reducida.

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Cobertura vs. Cell Breathing

Adicionalmente, con cada nuevo usuario la inteferenciatotal aumenta.

El nivel de interferencia en UL es uno de los principaleslimitantes en cuanto a la capacidad del sistema.

Se debe también planificar teniendo en cuenta lasfluctuaciones de cobertura.

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Referencias

Introduction to 3G mobile communications. JuhaKorhonen. Artech House. ISBN 1-58053-287.3GPP 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"

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