3G
Um Novo Milénio, Novos Serviços,
Nova Tecnologia
João Mourão n. 22554 ESI
Mark Guerreiro n. 21441 ESI
Ricardo Bentes n. 17500 ESI
Introdução
O que é o 3G?


Uma nova geração de telecomunicações que
pretende oferecer uma mobilidade global
(roaming global) com uma alta gama de serviços,
desde o simples serviço de voz, a comunicações
mais exigentes como televisão em directo.
Para ser 3G:
–
–
–
Quem decide 3G -> ITU
Taxas de transmissão outdoor acima dos 144kb/s
Taxas de transmissão indoor acima dos 2Mb/s.
Introdução
Porquê o 3G?
Uma maior largura de banda traz a possibilidade de criação
de novos inúmeros serviços!
Para o cliente:
• Passagem de Filmes, Televisão em directo
• Chamadas por vídeo, Notícias, Musica, Desporto
• Jogos, Chat, Serviços de informação
Para o negócio:
• Grande velocidade em tele-trabalho
• Vídeo conferência
• Informação em tempo real (Por exemplo: Bolsa)
Introdução
Outros Objectivos do 3G





Coberturas através de pico, micro e macro células
sem perda de sinal, suportando várias densidades
de utilizadores.
Grande capacidade para operações multi-operadora
(para roaming).
Grande eficiência de uso do espectro, para
aumentar a capacidade.
Flexibilidade na qualidade de serviço (aplicações
diferentes têm taxas atraso de transmissão e de
erros diferentes).
Alta segurança na comunicação
Introdução
Segurança 3G


Problemas de segurança no GSM sugerem novas
formas de protecção.
Problemas como:
–
–
–
–
Fracos algoritmos de encriptação e autenticação.
Pequeno comprimento paras as chaves (32 bits).
Não existência de autenticação de rede ( Uma falsa base
station pode provocar um ataque)
Insegurança na transmissão da chave ( o código da chave
e os parâmetros de autenticação são transmitidos de forma
visível entre e dentro das redes)
Introdução
Segurança 3G [2]

Caracterização da segurança 3G
–
–
–
–
–
Autenticação mutua
Integridade nos dados
Segurança rede a rede
Aumento do campo de segurança
Usa segurança IMSI (International Mobile
Subscriber Identity)
Introdução
Arquitectura

Inicialmente a 3G tinha como objectivo servir de
unificação e desta maneira criar um modelo
standard de telecomunicações. Entretanto, este
objectivo foi fracassado, assim, e neste momento, o
3G divide-se, essencialmente, em três categorias:
–
–
–
UMTS (W-CDMA)
CDMA2000
TD-SCDMA
Introdução
UMTS (W-CDMA)


UMTS (Universal Mobile Telephone System), baseado na
tecnologia W-CDMA, é geralmente a solução preferida
pelos países que usam GSM, centro da Europa. UMTS
está ao cargo da organização 3GPP, também
responsável pelo GSM, GPRS e EDGE.
FOMA criada pela companhia japonesa NTT DoCoMo, é
reconhecida por ser a primeira solução comercial para o
serviço 3G. Apesar de baseada na tecnologia W-CDMA
não é compatível com o UMTS, entretanto estão se a dar
passos para remediar esta situação.
Introdução
CDMA2000


Outro significativo standard 3G é o
CDMA2000, que é um tipo de upgrade do
CDMA da 2G. Os principais locais de
utilização serão América, Japão e Coreia.
O CDMA2000 é da responsabilidade do
3GPP2 uma agência independente da 3GPP.
Introdução
TD-SCDMA

Uma menos conhecida tecnologia de 3G é o
TD-SCDMA desenvolvido na China pelas
companhias Datang e Siemens. É previsto
uma versão operacional para 2005.
Introdução
Evolução das Comunicações Móveis
2G
2.5G
3G
IS-95B
CDMA
CDMA
IS-95A
1xRTT
1xEV-DO
HSCSD
GSM
GSM
1xEV-DV
Focus for today
GPRS
WCDMA
Multiple phases
EDGE
CDMA2000
3xRTT
Tecnologia EDGE
EDGE (Enhanced Data Rates for Global Evolution)






Considerada uma tecnologia de 2.75G
É um serviço 3G utilzando tecnologia 2.5G
Compatível com redes TDMA e GSM
Introduz modulação 8PSK, produzindo uma taxa de
transmissão trêz vezes superior GSM.
Introduz uma nova tecnologia não existente no
GPRS, Incremental Redundancy.
Pode ter taxas de transmissão acima dos 384kb/s
Tecnologia EDGE
Comparativo das Taxas de
Transmissão
Tecnologia EDGE
Estrutura do Burst



A portadora tem um largura de 200kHz, e a
estrutura da frame GSM TDMA não é alterada.
Um burst inclui uma sequência de 26 simbolos
no meio, 3 símbolos na cauda e outros 3 no fim
e 8.25 símbolos de guarda numa das pontas.
Cada burst contem 2 x 58 símbolos, cada
comprimido em 3 bits.
Tecnologia EDGE
EDGE Protocolos



EDGE usa os protocolos do GSM/GPRS
sempre que possível, minimizando a
necessidade de implementação de um novo
protocolo.
Em todo o caso alguns protocolos são
modificados para optimizar a preformance.
A EDGE inclui um modo packet-switched e
um modo circuit-switched, EGPRS e ECSD,
respectivamente.
Tecnologia EDGE
Pilha de Protocolos EDGE
Tecnologia EDGE
Modulação GSMK vs. 8PSK
Tecnologia EDGE
EDGE em Sistemas GSM
UMTS
UMTS


Na Europa a standardização está a cargo da
ETSI – European Telecommunications
Standards Institute
Em 1998 foi formada a 3GPP – Third
Generation Partnership Project para
continuar o trabalho de especificação técnica
UMTS
UMTS – Serviços



Oferece tele-serviços como chamadas de
voz e sms
Serviços de provedor que permitem a troca
de informação entre access points
São oferecidos serviços orientados à ligação
e sem ligação para comunicação ponto-aponto e ponto-a-multiponto
UMTS
UMTS – QoS

Os serviços de
provedor têm como
parâmetros de QoS:
–
–
–
Máximo atraso na
transferência
Variação do atraso (jitter)
Taxa de erro de bit

Taxas de transferência
alvo:
–
–
–
144 kbit/s – satélite e
exterior rural
384 kbit/s – exterior
urbano
2048 kbit/s – interior e
exterior a curta distância
UMTS
UMTS – QoS
UMTS
UMTS – Arquitectura
UMTS
UMTS – Arquitectura [2]

Core Network
–
–

Providencia switching, routing e transit para o
tráfego do utilizador
Baseado da rede GSM com GPRS
UTRAN – UMTS Terrestrial Radio Access
Network
–
Providencia interface ao método de acesso aéreo
ao User Equipment
UMTS
UMTS – Core Network

Comutação por
circuitos
–
–
–
Mobile services
Switching Centre (MSC)
Visitor Location Register
(VLR)
Gateway MSC

Comutação por pacotes
–
–
Serving GPRS Support
Node (SGSN)
Gateway GPRS Support
Node (GGSN)
Elementos partilhados por ambos
EIR; HLR; VLR; AUC.
UMTS
UMTS – Core Network [2]

A transmissão no núcleo UMTS utiliza o
protocolo Asynchronous Transfer Mode
(ATM)
–
–
ATM Adaptation Layer type 2 para comutação de
circuitos
ATM Adaptation Layer type 5 para comutação de
pacotes
UMTS
UMTS – UTRAN


É utilizado Wide band CDMA (W-CDMA)
como modo de acesso ao meio
W-CDMA é mais que um standard de
multiplexagem, é um conjunto de
especificações que define:
–
–
–
Como o telemóvel comunica com a antena
Como os sinais são modulados
A estrutura dos datagramas, etc.
UMTS
UMTS – UTRAN [2]

Node B tem como funções
–
–
–
–

Interface aéreo para transmissão e recepção
Modulação e desmodulação
Codificação CDMA
Manipulação de erros
RNC – Radio Network Controler tem como funções
–
–
–
–
–
–
–
–
Controlo dos recursos rádio
Controlo de admissão
Alocação de canal
Power control Settings
Controlo de Handover
Encriptação
Segmentação e reassemblamento
Sinalização de Broadcast
UMTS
UMTS – User Equipment


O UMTS não faz qualquer tipo
de restrições quanto ao
equipamento, tanto pode ser um
telemóvel como um laptop com
um cartão USIM
O UE precisa apenas de ter um
interface para comunicar com o
Node B
UMTS
UMTS – Autenticação e Key Agreement


Tem como objectivo autenticar um utilizador
na rede e vice-versa tendo como base uma
chave secreta K pré-partilhada
A chave está guardada no Authentication
Centre – AuC e no USIM
UMTS
UMTS – Autenticação e Key Agreement
UMTS
UMTS – Autenticação e Key Agreement
1.
2.
3.
4.
5.
Authentication Data Request
Authentication Data Response
User Authentication Request
User Authentication Response
XRES retirado do AV é comparado com
RES
UMTS
UMTS – Autenticação e Key Agreement
UMTS
UMTS – Gama de Frequêcias
CDMA 2000
CDMA 2000 (Code Division Multiple Access)

Desenvolvido por 3GPP2 (Uma parceria entre 5 entidades
de telecomunicações: ARIB e TTC no Japão, CWTS na China, TTA
na Coreia e TIA na América do Norte).

Evolução do CDMA2000
–
–
–
–

CDMA2000 1X-EV
CDMA2000 1X-EV-DO
CDMA2000 1X-EV-DV
CDMA2000 3X
O CMDA2000 é compatível com todas as versões
anteriores (CDMA)
CDMA 2000
CDMA Revisão

Tipos de acesso

Codificação
–
–
O emissor codifica os sinais
O receptor utiliza um
correlador para descodificar
cada código
CDMA 2000
CDMA Revisão [2]

Códigos
–
–
0s códigos não devem
correlacionar-se com
outros códigos ou com
uma shiftagem no tempo
de eles próprios.
Spreading codes são
como códigos pseudo aleatórios.
Exemplo de codificação OVSF
usando codificação do canal
CDMA 2000
CDMA2000 evolução até 3G
CDMA 2000
CDMA2000 1X -EV

1ª fase do CDMA2000
–
–
–
–
–
–
Suporta voz e dados sobre um canal CDMA
Duplica a capacidade do CDMA (continuando a crescer os
serviços de voz e os serviços wireless de Internet)
Data rates superiores a 140 kbps (e superiores a 307 kbps no
futuro)
Sem sacrificar os serviços de voz em prol dos dados
Espectro da portadora 1.25 MHz
Telefones com maior tempo em standby
CDMA 2000
CDMA2000 1X EV-DO

3ª fase de desenvolvimento do CDMA2000
–
–
–
–
Também conhecido por High Rate Packet Data Air Interface
Oferece uma maior velocidade ou maior capacidade de
serviços de dados
(peak rates maiores que 2Mbps e um throughput maior que
700 kbps )
Suporta aplicações como streaming video e download de
grandes ficheiros
Acesso a ligações de dados do tipo "always-on"

Acesso wireless mais simples, rápido e útil
CDMA 2000
CDMA2000 1X EV-DV (ou 1X-EV FASE 2)

4ª fase de
desenvolvimento do
cdma2000
–
–
Integra voz e dados na
mesma banda de
frequência
Transmissão de dados
na ordem dos 3Mbps ate
5Mbps
CDMA 2000
CDMA2000 3X



Aprovado pelo ITU, IMT-2000 (3G) standard.
Utiliza um espectro de 5 MHz (3x 1.25 MHz
canais)
Velocidades na ordem dos 2-4 Mbps.
CDMA 2000
Características Comuns aos CDMA 3G

Handover
–

Controlo de Admissão
–

Controlo na admissão à rede dos utilizadores feito ao nível da prioridade. A
prioridade de um é definida no contrato de subscrição do serviço.
Alocação de códigos
–

Assegurar-se que a passagem por diferenters células não interrompe a
ligação. Na 3G um utilizador pode estar ligado a várias células ao mesmo
tempo, podendo receber dados de todas elas.
Os códigos são escolhidos por forma a evitar a interferência entre as
várias células.
Controlo de Potência
–
Os algoritmos de controlo de potência asseguram que um utilizador envia
ou recebe informação com suficiente potência e todos os utilizadores são
incutidos a enviar com uma potência para que todos os sinais enviados
cheguem à mesma magnitude. Se um utilizador falar com um megafone
todos os outros não se conseguem ouvir.
CDMA 2000
Diagrama de rede CDMA2000
CDMA 2000
Simbologia da Rede

Home Agent (HA). Autentica o Mobile IP de MS’s. O HA pode também
opcionalmente atribuir comunicações seguras ao PDSN. O HA também recebe
informação do AAA para os utilizadores.

Packet Data Serving Node (PDSN). Estabelece, mantem e termina sessões PPP com
a MS. Quando é usadado o simple IP, o PDSN atribui um IP ao utlizador. O PDSN
também inicia as sessões de segurança providênciadas pela AAA.

Authentication, Authorization, and Accounting (AAA) server. A AAA é responsavel
pela maioria dos serviços de seguança na core network do cdma2000. O AAA pode
autorizar utilizadores, atrbuir prefis e dar informação sobre a QoS para nós que o
requisitem. Pode também opcionalmente atribuir endereços IP.

Há dois tipos básicos de configuração da core network do cdma2000
–
–
Simple IP (resticted mobility). Simple IP refere-se ao método de acesso em que o utilizador
está usando um IP dinâmico. O utilizador mantém o IP, se mantiver-se dentro de uma área
correspondendo à rede. Se sair dessa área o utilizador perde o IP.
Mobile IP. No Mobile IP o utilizador pode utilizar um IP estático ou dinâmico pertencendo à
sua rede IP. Este IP mantém-se qualquer que seja o movimento do utilizador, ou seja, o
utilizador pode passar por várias redes que não perde o IP.
CDMA 2000
Como Funciona?






MS requisita um serviço
Estabelece uma sessão de protocolo ponto-a-ponto (PPP) com
o PDSN.
PDSN pode autenticar a MS ao comunicar com o servidor AAA,
que verifica se é um subscritor válido
Quando a MS está autenticada, pode usar o IP Control
Protocol (IPCP) para requisitar um endereço IP.
Para redes IP simples o MS pode receber o seu endereço
através do servidor AAA, e para mobile IP o home agent
atribui-lhe um IP durante o processo de registo do mobile IP
Quando a MS está autenticada, pode comunicar com qualquer
ip autorizado e passar por qualquer rede ip autorizada.
CDMA 2000
Upgrade na Rede para CDMA2000
CDMA 2000
Migração do CDMA para CDMA2000




A migração do CDMA para o CDMA2000 requer
mínimos upgrades na rede e um pequeno
investimento de capital.
Requer upgrades ao nível do software das base
stations.
Possível upgrade de algum hardware nas base
stations mais antigas.
Benefícios óbvios para as operadoras que podem
beneficiar de um serviço 3G fazendo poucos gastos.
CDMA 2000
Migração do TDMA para o CDMA2000

O TDMA chegou ao seu limite. Uma possível
solução para as operadoras TDMA pode ser o
CDMA2000. O CDMA2000 oferece imensas
vantagens:
–
–
–
Oferece um caminho directo para a 3G em apenas um
passo, enquanto que as opções alternativas levariam dois
ou três.
Requer um pequenpo aumento de espectro (1.25MHz)
para serviços avancados preservando a capacidade de
serviços existente.
Vasta gama de produtos existente a preços competitivos.
CDMA 2000
Migração do GPRS para o CDMA2000

A migração do GPRS para o CDMA2000 não
e muito útil pelo facto de existir o serviço
UMTS, serviço este que se adequa mais às
redes do tipo GSM.
CDMA 2000
Vantagens do CDMA2000








Aumento da qualidade de serviço de voz
Maior taxa de transmissão de dados
Flexibilidade da banda de frequências (450, 800
1700, 1900 MHz e outras)
Aumenta tempo de utilização da bateria
Sincronização
Soft Hand-off
Diversidade de Transmissão
Canais de voz e dados
CDMA 2000
W-CDMA vs. CDMA2000
Parameter
W-CDMA
cdma2000
Carrier spacing
5 MHz
3.75 MHz
Chip rate
4.096 MHz
3.6864 MHz
Data modulation
BPSK
FW – QPSK; RV - BPSK
Spreading
Complex (OQPSK)
Complex (OQPSK)
Power control frequency
1500 Hz
800 Hz
Variable data rate implement. Variable SF; multicode
Repet., puncturing, multicode
Frame duration
10 ms
20 ms (also 5, 30, 40)
Coding
Turbo and convolutional
Turbo and convolutional
Base stations synchronized?
Asynchronous
Synchronous
Base station acquisition/detect 3 step; slot, frame, code
Time shifted PN correlation
Forward link pilot
TDM dedicated pilot
CDM common pilot
Antenna beam forming
TDM dedicated pilot
Auxiliary pilot