3 g um Novo Milénio, Novos Serviços



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tarix01.01.2018
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3 G


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.


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)


Coberturas através de pico, micro e macro células sem perda de sinal, suportando várias densidades de utilizadores.

  • 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



Problemas de segurança no GSM sugerem novas formas de protecção.

  • 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)


Caracterização da segurança 3G

  • 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)


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


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.



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.



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.



Evolução das Comunicações Móveis



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



Comparativo das Taxas de Transmissão



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.



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.



Pilha de Protocolos EDGE



Modulação GSMK vs. 8PSK



EDGE em Sistemas GSM



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 – 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-a-ponto e ponto-a-multiponto



UMTS – QoS

  • Os serviços de provedor têm como parâmetros de QoS:

    • Máximo atraso na transferência
    • Variação do atraso (jitter)
    • Taxa de erro de bit


UMTS – QoS



UMTS – Arquitectura



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 – Core Network

  • Comutação por circuitos

    • Mobile services Switching Centre (MSC)
    • Visitor Location Register (VLR)
    • Gateway MSC


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 – 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 – 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 – 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



Tem como objectivo autenticar um utilizador na rede e vice-versa tendo como base uma chave secreta K pré-partilhada

  • 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





Authentication Data Request

  • Authentication Data Request

  • Authentication Data Response

  • User Authentication Request

  • User Authentication Response

  • XRES retirado do AV é comparado com RES







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 Revisão

  • Tipos de acesso

  • Codificação

    • O emissor codifica os sinais
    • O receptor utiliza um correlador para descodificar cada código


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.


CDMA2000 evolução até 3G



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


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


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


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.



Handover

  • Handover

    • 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.
  • 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

    • 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.


Diagrama de rede CDMA2000



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.

  • 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.


MS requisita um serviço

  • 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.





A migração do CDMA para o CDMA2000 requer mínimos upgrades na rede e um pequeno investimento de capital.

  • 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.



O TDMA chegou ao seu limite. Uma possível solução para as operadoras TDMA pode ser o CDMA2000. O CDMA2000 oferece imensas vantagens:

  • 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.


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.

  • 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.



Aumento da qualidade de serviço de voz

  • 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



W-CDMA vs. CDMA2000




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