handover umts

7/28/2019 Handover UMTS

1/26

Proiect RCI

Serviciul de HANDOVERnreelele UMTS

Chircu Florin-Dumitru

IISC

2012


2/26

Facultatea de Electronic,Telecomunicaii i Tehnologia Informaiei

2

Contents

1. Introducere .................................................................................................................................3

2. Arhitectura sistemului UMTS .......................................................................................................3

Nivelul fizic .....................................................................................................................................4

Nivelul legtura de date ..................................................................................................................4

Nivelul reea ...................................................................................................................................5

Nivelul aplicatie ..............................................................................................................................6

Nivelul control de retea...................................................................................................................6

Nivelul conectivitate .......................................................................................................................6

3. Procesul de handovern reelele UMTS .......................................................................................7

Rolul RNC-ului n procesul de handover...........................................................................................8

Tipuri de handover existente n reelele UMTS................................................................................9

Handover orizontal.................................................................................................................... 10

Handoverul vertical ................................................................................................................... 10

Handoverul intra-sistem ............................................................................................................ 11

Handoverul inter-sistem ............................................................................................................ 11

Handoverul hard ....................................................................................................................... 13

Handoverul soft i softer ........................................................................................................... 14

Obinerea i prelucrarea msurtorilor.............................................................................. 16 Algoritmul handoverului soft............................................................................................. 17

4. Exemplu de modelare a procesului de handover n reelele UMTS ............................................ 20

5. Concluzii ................................................................................................................................... 25

6. Bibliografie ................................................................................................................................ 26


3/26


3

1. IntroducereReeauade comunicaii mobile permite utilizatorilor echipai cu terminale mobile s

efectueze i s primeasc apeluri telefonice, aceast capacitate fiind cunoscut sub numele detelefonie celular.

Conceptul de telefonie celular a fost inventat n Statele Unite la Bell Laboratories n1947. Au fost necesari peste 35 de ani pentru a-l pune n practic i a realiza prima reeaanalogic i terminalele necesare.

O reea celular este compus dintr-o serie de staii de baz de joas putere, fiecareoferind o arie de acoperire relativ mic. Acestea, combinate, asigur o acoperire continu aunei regiuni date. Prin utilizarea acestor staii de putere mic, a devenit posibil reutilizareafrecvenelor, lucru care a condus la o cretere a capacitii reelei.

Acoperirea oferit de o staie de baz corespunde unui numr de utilizatori care sepresupune c exist n respectiva arie, numit celul. Astfel, arii dens populate necesit celule

mai mici i o proiectare inteligent a reelei ofer posibilitatea ca o conversaie s continuefr ntrerupere pe msur ce utilizatorii se deplaseaz ntre aceste celule. Procesul prin care oconversaie este transferat dintr-o celul n alta este cunoscut sub numele de "hand-off" sauhandover" .

2.Arhitectura sistemului UMTSUMTS (Universal Mobile Telecommunications Systems) este un sistem de telefonie

mobil 3G (Third Generation) i face parte din familia IMT-2000 (International MobileTelecommunication 2000) a standardelor de comunicaii mobile de generaia a treia. [1] Celetrei standarde special definite pentru 3G sunt: UMTS sau W-CDMA (CDMA de banda larg ),CDMA2000 si TD-SCDMA (TDMA/CDMA cu sincronizare)

UMTS a fost iniial dezvoltat de ETSI, iar apoi a fost preluat de 3GPP (ThirdGeneration Partnership Project).

Sistemul UMTS reprezint o evoluie n servicii i n viteza de transfer de la a douageneraie la a treia generaie (3G) i consituie o cale real pentru dezvoltarea produselor iserviciilor multimedia.

Sistemul UMTS a fost prevzut ca successor al sistemului GSM i se adreseaz uneicreteri a cererii aplicaiilor mobile i Internet.

Elementele de reea ale sistemului UMTS sunt mprite n dou grupe. Prima grupcorespunde reelei de acces radio, RAN (Radio Access Network), care suport toatefuncionalitile radio. n cazul sistemelor UMTS, cu acces radio de tip WCDMA (WideCDMA), se utilizeaz denumirea de UTRAN (UMTS Terrestrial RAN) sau UTRA. Cea de-adoua grup corespunde reelei centrale, CN (Core Network), care este responsabil decomutaia i de rutarea comunicaiilor spre reelele externe. Pentru a completa sistemul, sedefinete, de asemenea, terminalul utilizator UE (User Equipement). [5]

UE UTRAN CN

Interfata Uu (radio)Interfata Iu


4/26


4

UTRAN este format din unul sau mai multe RNS-uri (Radio Network Subsystems),

care la rndul lor sunt formate din staii de baz (Node Bs) i RNCuri (Radio NetworkControllers). [4] Node B este o staie de baz, ce comunic cu UE prin interfaa WCDMA.RNC controleaz resursele radio. [2]

Reeauade acces radio UTRAN ndeplinete mai multe categorii de funcii: - funcii privind controlul accesului n sistem; - funcii de criptare i de decriptare a informaiilor pe canalul radio;- funcii de mobilitate;- funcii lagate de controlul i managementul resurselor radio;- funcii legate de serviciile difuzate.

Reeaua Central (CN) este partea sistemului UMTS ce conecteaz UTRAN la reeleleexterne, cum ar fi PTSN (Public Switched Telephone Network) i Internet.

Echipamentul de utilizator (UE) este format din USIM (UMTS Subscriber

Identification Module) i echipamentul mobil, ME (Mobile Equipment). [5] Interfaa radio Uureprezint punctul de legtur dintre terminalul mobil (UE) i reeaua UMTS.

Fig. 2.1: Arhitectuta UMTS

Arhitectura protocoalelor pe interfaa radio, structurat pe trei nivele, este prezentat nfigura 1. [10]

Nivelul fizic

Nivelul 1 (sau L1) se bazeaz pe tehnologia WCDMA. El interfaeaz cu subnivelulde control al accesului la mediu MAC (Medium Access Control) din nivelul 2 i nivelul decontrol al resurselor radio RRC (Radio Resource Control) din nivelul 3. De asemenea, ofer

pentru MAC diferite canale de transport, iar MAC ofer diferite canale logice pentru RRC.Nivelul fizic este controlat de RRC.

Nivelul legtura de date

Nivelul 2 (sau L2) asigur servicii i funcionaliti ca MAC, RLC, protocolul de

convergen a datelor n pachete PDCP (Packet Data Convergence Protocol) i controlul


5/26


5

modurilor broadcast/multicast BMC (broadcast/multicast control). De observat c PDCP iBMC exist numai n planul informaiilor de utilizator (U-plane information).

Nivelul reea

n planul de control, nivelul 3 este partiionat n mai multe subnivele, din caresubnivelul cel mai de jos este RRC. Aceasta asigur interfaa cu nivelul 2 i se termin nUTRAN.

Nivelul 3 (reea sau L3) asigur funcii pentru:- managementul resurselor radio RRM (Radio Resource Management);

- controlul resurselor radio RRC;

- managementul mobilitii MM (Mobility Management);- managementul conexiunilor CM (Connection Management);

- controlul legturii logice LLC (Logical Link Control).[1]

PHY

MAC

RLC

RRC PDCP BMC

Canale fizice

Canale de transport

Canale logice

de trafic

Canale logice

de control

Stabilirea

conexiunii

Semnalizarea

purttorilor radio

Navigare InternetSMS broadcast

PLAN DE

CONTROL

PLAN DE

UTILIZATOR

L3

L2

L1

Fig. 2.2 - Arhitectura protocoalelor pe interfaa radio

Se poate afirma ca retelele UMTS sunt cu adevarat universale in sensul ca:

Sunt proiectate astfel incat sa acopere intreaga planeta; acest lucru se realizeaza princombinarea unei componente terestre a serviciului (Terrestrial- UMTS) si a unei

componente care ofera serviciul cu ajutorul comunicatiei prin satelit (Satellite-

UMTS);


6/26


6

Sunt gandite in ideea oferirii unor servicii universale utilizatorilor. Sunt proiectate avand in vedere mediul universal in care vor fi utilizate (incaperi,

spatii deschise, locatii fixe, vehicule aflate in miscare).

Pentru ca serviciul sa aiba acoperire cu adevarat globala (chiar si pe caile maritime sau

cele aeriene) este neaparata nevoie de existenta unei constelatii de sateliti (S- UMTS -

Satellite UMTS) geostationari care sa asigure legaturile in aceste zone. Ca urmare, satelitii vor

forma o parte integranta a retelelor UMTS, completand infrastructura terestra.

Trebuie spus ca trecerea de la retelele din a doua generatie (2G) operationale in ziua de

azi spre infrastructura UMTS se face prin intermediul serviciului General Packet Radio

Services (GPRS), care ofera oarecum un serviciu intermediar intre primele doua, permitand

viteze de comunicatie mai ridicate (de la 56 Kbps la 114 Kbps) decat cele atinse in cazul

retelelor 2G, dar neavand calitatea serviciilor si multitudinea aplicatiilor oferite de viitoarele

retele 3G. [2]

Nivelul aplicatie

Este nivelul la care sunt stocate aplicatiile accesibile utilizatorului. In majoritatea

cazurilor aplicatiile sunt incorporate in terminalele mobile si in serverele de aplicatii dedicate

acestui scop. Deseori serverele de aplicatii sunt completate cu servere care gazduiesc baze de

date cu continut aditional (sistemul de facturare, sistemul de administrare al retelei,

administrarea performantei retelei, colectii de video-clipuri sau de stiri, etc.). Operatorii se pot

diferentia unii fata de altii pe baza pachetelor de servicii unice pe care le ofera abonatilor la

acest nivel. In plus, operatorii pot apela la firme specializate pentru dezvoltarea, rularea, sau

depanarea acestor aplicatii, ceea ce duce la un numar foarte mare de aplicatii posibile oferite

abonatilor retelei. Nivelul aplicatie este conectat la nivelul controlului de retea prin

intermediul unor API-uri (Application Program Interface). [3]

Nivelul control de retea

Acest nivel include toate functiile necesare asigurarii unor servicii de calitate

superioara pe diferite tipuri de retele. Diferitele tipuri retele pot fi privite ca si un set de

domenii, fiecare dintre acestea avand in componenta servere de control care controleaza

fiecare tip de retea in parte. Serverele de control administreaza apelurile si sesiunile de

comunicatie intre utilizatori, asigura serviciile de securitate, sau indeplinesc alte functii

similare cu acestea. Aceste domenii pot fi detinute de un singur operator sau de operatori

individuali pentru fiecare domeniu sau grup de domenii. Nivelul control de retea contine si

serverul HSS (Home Subscriber Server) care are un rol foarte important, devenind o entitate

multidomeniu. Acesta poate administra autorizari, autentificari si poate administra locatii din

toate domeniile prezente in reteaua respectiva. Legatura intre nivelul control de retea si

nivelul conectivitate este realizat cu ajutorul protocoalelor GCP (Gateway Control Protocol).

[3]

Nivelul conectivitate


7/26


7

La acest nivel vorbim despre un mecanism de transport capabil de transportul oricarui

tip de informatie prin intermediul conexiunilor vocale, de date sau ale fluxurilor multimedia.

Arhitectura acestui nivel incorporeaza rutere sau comutatoare care directioneaza traficul,

precum si echipamente care colecteaza date si informatii privind facturarea serviciului si

asigura garantii cu privire la asigurarea unei bune calitati a serviciului.[3]

3. Procesul de handover n reelele UMTSServiciul de handover reprezint modalitatea principal de a oferi mobilitate n

arhitecturile celulare. n sistemele UMTS au fost introduse diferite tipuri de handover pentru acoopera cu celelalte cerine, precum controlul ncrcrii reelei, provizionarea ariilor deacoperire i satisfacerea condiiilor impuse de calitatea serviciului.

Scopul procesului de handover este de a asigura continuitatea serviciilor de telefoniemobil pentru utilizatorii care se deplaseaz n cadrul celulelor componete ale uneiinfrastructuri celulare. Pentru un utilizator, aflat n mijlocul unui apel telefonic, care sedeplaseaz i depete grania celulei iniiale, este mult mai favorabil s utilizeze resurseleradio disponibile n noua celul - numit celul receptoare - deoarece puterea semnalului

provenit de la vechea" celul este din ce n ce mai redus pe msur ce utilizatorul ptrunden celula receptoare. ntregul proces de ntrerupere a conexiunii existente i de stabilire a uneinoi conexiuni n noua celul poart numele de handover". Capacitatea unei reele celulare dea efectua handoveruri eficiente este esenial pentru a oferi servicii atractive, precumaplicaiile ce se desfoar n timp real sau traficul media, n sensul n care au fost proiectatereelele de generaia a treia. n comparaie cu sistemele celulare de comunicaie predecesoare,

precum sistemul GSM, sistemele de generaia a treia trebuie s reduc n special numrul dehandover nereuit" (handover failure") - adic situaia n care procesul de handover nu

poate fi realizat cu succes. Cauzele pentru care un proces de handover nu este finalizat cu

succes variaz de la euarea semnalizrii pn la lipsa de resurse disponibile n celulareceptoare, sau calitatea sczuta a legturii radio, aflat sub un prag minim admisibil pentrurealizarea transferului, acest lucru facnd imposibil acceptarea unui nou utilizator. n reelelede nalt performan n care exist o tendin de utilizare a celulor mai mici pentru cretereacapacitii, procesul de handover devine din ce n ce mai important, ntruct sunt necesare

handover-uri frecvente.

Un algoritm eficient de handover poate fi implementat doar cu ajutorul unui

management corespunztor al resurselor i al localizrii utilizatorului. Managementulresurselor presupune existena unei modaliti de a stabili, menine, elibera i controlaconexiunile la nivelul de acces radio. n sistemele UMTS, partea cea mai mare a semnalizriide control dintre UE i UTRAN este realizat de ctre protocolul RRC - protocolul de controlal resurselor radio (Radio Resource Control). Cteva dintre funciile implementate n

protocolul RRC care au o importan deosebit n discuia noastr referitoare la handoversunt: selecia celulei, msurtorile efectuate de ctre UE, relocarea SRNS-ului i controlul

purttorilor radio, canalele fizice i canalele de transport. Cea mai mare parte din


8/26


8

funcionalitatea protocolului RRC se regsete implementat n RNC. Controlerul de reeadecide n conformitate cu msurtorile efectuate cu privire la calitatea legturii dac estenecesar sau nu un proces de handover ctre o alt celul.

Managementul localizrii utilizatorului presupune cunoaterea permanent a locaiei

echipamentului utilizatorului. O parte din aceste informaii sunt pstrate n unitilefuncionale ale reelei centrale: HSS (Home Subscriber Server) i MSC; n principal

protocolul RRC opereaz ntre UE i UTRAN - respectiv RNC - ndeplinind funciile demobilitate a conexiunii referitoare la procesele de handover.

Realizarea procesului de handover este necesar n urmtoarele situaii: - Cnd viteza de deplasare a echipamentului utilizatorului este foarte mare- n momentul trecerii echipamentului utilizatorului dintr-o celul n alta, n timpul unui

apel aflat n curs de desfurare- n cazul apariiei unui fenomen de interferen

Rolul RNC-ului n procesul de handover

Un handover soft este o problem relativ simpl i uor de neles dac Nodurile Bparticipante la proces aparin aceluiai RNC. Un grad mai ridicat de complexitate apare ncazul n care Nodurile B sunt controlate de RNC-uri diferite. Reeaua central, CN, nu trebuies fie afectat n vreun fel de problemele care apar n partea de acces radio a reelei (RAN)sau s preia vreuna dintre sarcinile ce revin interfeei radio. Cu toate acestea, acest lucru ar finecesar dac cele dou RNC-uri nu ar fi capabile s comunice direct unul cu cellalt prin

interfaa Iur.

Pentru exemplificare vom considera figura de mai sus. Staia mobil ilustrat n figur

este alimentat de ctre celula 1, din stnga. RNC-ul din stnga controleaz i menineconexiunea cu reeaua fix printr-o interfa de tip Iu. Prin urmare, acest RNC este numit


9/26


9

RNC de control (CRNC). Dac staia mobil se mut spre dreapta, la marginea celulei 1, areloc un proces de handover soft. Staia mobil este alimentat de dou Noduri B (1 i 2). nacest caz, al doilea Nod B este controlat de un RNC diferit n care CRNC-ul rezerv resurseleradio (RR) necesare staiei mobile. Cu toate acestea, controlul asupra conexiunii este realizattot de RNC-ul din stnga. Acesta funcioneaz ca un RNC de servire (SRNC), iar RNC-ul dindreapta devine RNC de drift. SRNC primete datele neprelucrate de la RNC -ul de drift, iarDRNC primete o copie a datelor de pe direcia descendent de la SRNC, pe care le transmitemai departe ctre Nodurile B la care este conectat staia mobil. Rolul Nodului B numrul 1scade treptat pe msur ce staia mobil se deplaseaz mai mult nspre aria deservit de NodulB numrul 2. n cele din urm conexiunea cu vechiul Nod B poate fi terminat.

Exist o tehnic numit relocarea SRNS-ului conform creia punctul de referin alinterfeei Iu prin care sunt transferate datele de la RAN la CN este mutat de la RNC -ul dinstnga la RNC-ul din dreapta. Acesta este singurul tip de handover din UMTS care implic

reeaua central n procesul de handover. n acest caz, DRNC-ul devine CRNC i gestioneazconexiunea pe cont propriu. Termenii SRNC i DRNC se refer la o conexiune individual.Deci, pentru un alt caz, RNC-ul din dreapta poate funciona ca un SRNC n timp ce RNC-uldin stnga funcioneaz ca un DRNC.

Tipuri de handover existente n reelele UMTS

O prim clasificare a tipurilor de handover se face n funcie de elemetele de reea careparticip la procesul de handover, aa cum urmeaz mai jos:

a) Handover intra-Nod B: Handoverul se realizeaz la nivelul unui singur Nod B. Un noucanal aparinnd aceluiai Nod B este alocat staiei mobile, pentru evitarea interferenelor.Transferul conexiunii poate fi realizat printr-un handover de tip soft sau hard. Realizarea

acestui proces este comandat de ctre RNC.b) Handover intra-RNC, inter-Nod B: n timpul desfurrii unui apel, sunt fcute msurtori

att de ctre Nod B, ct i de ctre RNC. Acestea pstreaz o list cu cei mai buni vecini.n momentul n care puterea semnalului primit de la un anumit Nod B, aparinnd unuianumit RNC,scade sub o valoare minim admisibil, RNC-ul comand transferul ctre alt

Nod B. Acest proces poate fi de tip hard sau soft. n sistemele UMTS se prefer proceselede handover soft, motivele urmnd a fi prezentate n continuare.

c) Handover inter-RNC: Echipamentul utilizatorului aflat n micare poate trece la unmoment dat din zona de acoperire deservit de un Nod B controlat de un RNC, ntr-o zonde acoperire deservit de un Nod B controlat de un alt RNC. Acest transfer al sesiunii decomunicaie de la un RNC la altul prin interfaa radio se numete handover inter-RNC.

Procesele de handover corespunztoare WCDMA pot fi clasificate n continuare nmai multe categorii n funcie de tehnologiile ntre care se realizeaz transferul sau n funciede modul n care este realizat conexiunea cu noul nod B.

1. Handover orizontal


10/26


10

2. Handover vertical3. Handover soft4. Handover hard5. Handover softer6.

Handover intra-sistem7. Handover inter-sistem

Handover orizontal

Transferul unei sesiuni de comunicaie aflat n curs de desfurare de la o celul laalta, avnd aceeai tehnologie de acces se numete handover orizontal. De exemplu, dacechipamentul utilizatorului este conectat printr-o legturradio la o reea UMTS, handoverulorizontal trebuie s se realizeze de la o reea UMTS la alt reea UMTS. Cu alte cuvinte ar

putea fi explicat ca transferul apelului telefonic de pe un canal pe alt canal aparinndaceleiai reele centrale.

Meninerea continuitii legturii se realizeaz prin ascunderea schimbrii adresei IPsau actualizarea dinaminc a acesteia n timpul deplasrii mobilului. Pentru a ascundeschimbarea adresei IP pe parcursul deplasrii, nodul mobil conine dou tipuri de adrese IP: o adres IP permanent (Home address) - care poate fi folosit de nivelurile superioare niveluluide transport, i o adres IP variabil (Care-of address) - care poate fi folosit de nivelurileinferioare nivelului de transport.

Figura 3.1 procesul de handover orizontal:

Handoverul vertical

Transferul unei sesiuni de comunicaie aflat n curs de desfurare de la o celul laalta, avnd tehnologii de acces diferite, se numete handover vertical. De exemplu, atunci


11/26


11

cnd un utilizator mobil se deplaseaz de la o reea GSM la o reea UMTS, tehnologiile deacces difer astfel nct avem de-a face cu un handover vertical. Spre deosebire de handoverulorizontal, de aceast dat se schimb nu numai adresa IP, ci i tehnologia folosit, respectivinterfeele reelei, caracteristicile QoS, etc. Aceast situaie este ilustrat n Figura 3.2:

Handoverul intra-sistem

Handoverul intra-sistem este similar cu handoverul orizontal i se realizeaz cndterminalele ce funcioneaz n modurile duale FDD - TDD fac trecerea de la modul FDD lamodul TDD n urma unor mecanisme de msurare. Acest tip de handover poate aprea doar ncadrul unui singur sistem. Exist dou tipuri speciale de handover intra -sistem care suntexplicate mai jos.

-Handoverul intra - frecven

n sistemul WCDMA dac procesul de handover intra-sistem se realizeaz ntre celuleavnd aceeai frecven purttoare, atunci acest tip de handover este numit handover intra -frecven.

-Handoverul inter - frecven

De aceast dat handoverul se face ntre celule care opereaz la frecvene purttoarediferite.

Handoverul inter-sistem

Acest tip de handover este crucial n vederea sprijinirii compatibilitii cu celelaltesisteme. n faza preliminar a funcionrii reelelor 3G, a fost puin probab il ca zonele rurale

s beneficieze de acoperirea reelei WCDMA. Drept consecin, reelele GSM vor fi utilizaten continuare pentru a oferi acoperire n aceste zone rurale. Handoverul inter-sistem va fi


12/26


12

folosit pentru transferul ntre celule avnd tehnologii de acces radio (RAT) diferite sau moduride acces radio (RAM) distincte. Majoritatea cazurilor din prima categorie se realizeaz ntresisteme WCDMA i sisteme GSM/EDGE. Un exemplu de handover ntre celule cu moduri deacces radio distincte este handoverul ntre modurile UTRA FDD i UTRA TDD.

Mai jos este dat un exemplu de procedur de semnalizare pentru realizarea treceriiunui utilizator UMTS n reeaua GSM. Acest exemplu este reprezentativ pentru procedurageneral urmat n timpul proceselor de handover. Procedura const, n mod normal, nefectuarea de msurtori, rezervarea resurselor i realizarea efectiv a handoverului.

Figura 3.3 Procedura handoverului inter-sistem ntre UTRAWi GSM

Semnificaia pailor efectuai este urmtoarea:

1. Controlul msurtorilor2. Raportarea msurtorilor3. Rezervarea resurselor4. Confirmarea de rezervare a resurselor (ACK) + comanda de handover5. Handoverul de la UTRAN la GSM6. Accesul handoverului

La comutarea conexiunii ntr-un alt sistem, este necesar msurarea frecvenei ut ilizatede cellalt sistem. Atunci cnd nu exist un receptor full duplex disponibil (adic capabil stransmit i s primeasc simultan n dou benzi de frecven) emisia i recepia sunt oprite

pentru scurt timp pentru a efectua msurtori pe alte frecvene. Acest mod se numete modcomprimat. Aa cum se poate observa n Figura 3.4 de mai jos, transmisiunea de date estecomprimat n domeniul timp fr a pierde date. Astfel, apare un decalaj n transmisie ntimpul cruia pot fi realizate msurtorile.


13/26


13

Cum modurile FDD i TDD folosesc frecvene diferite, handoverurile inter-modfolosesc, de asemenea, modul comprimat pentru a efectua msuratorile pe alte frecvenenecesare n timpul handoverului. [6]

Handoverul hard

Handoverul hard este tipul de handover n care conexiunea este ntrerupt naintearealizrii unei noi conexiuni radio ntre echipamentul utilizatorului i reeaua de acces radio.Acesta este tipul de handover folosit n sistemele GSM n care fiecrei celule i -a fost alocat o

band de frecven diferit. Ptrunderea unui utilizator n ntr-o celul nou conduce lantreruperea conexiunii existente naintea setrii unei noi conexiuni la o alt frecven ncelula receptoare. Algoritmul din spatele acestui tip de handover este d estul de simplu; staiamobil efectueaz handoverul n momentul n care puterea semnalului celulei vecinedepeste puterea semnalului din celula curent cu un anumit prag.

n sistemul UMTS, handoverul hard este folosit, de exemplu, pentru a schimba banda de frecven a conexiunii dintre UE i UTRAN. n timpul procesului de alocare a frecvenelorn sistemul UMTS, a fost prevzut ca fiecare operator UMTS s aib posibilitatea de a solicitafrecvene suplimentare pentru a spori capacitatea n momentul n ca re va fi atins un nivel deutilizare. n acest caz, mai multe benzi de aproximativ 5 MHz vor fi utilizate de ctre unoperator, acest lucru conducnd la nevoia de a efectua procese de handover ntre ele.

Handoverul hard este efectuat, de asemenea, pentru a schimba celula pe aceeaifrecven cnd nu exist suportul reelei pentru diversitatea macro. Altfel spus, atunci cnd un

echipament UE, avnd alocat un canal dedicat, trece ntr-o nou celul dintr-o reea UMTS,handoverul hard este ales atunci cnd este imposibil realizarea proceselor de handover de tipsoft sau softer.

Un al treilea caz n care este posibil efectuarea handoverului hard este reprezentat deaa numitul handover inter-mod. Acesta face posibil schimbul ntre modurile FDD i TDDUTRA. Acest tip de handover este uneori clasificat ca fiind un handover inter- sistem ntructmetodele de msurare folosite sunt asemntoare cu cele folosite n cazul handoverului ntreWCDMA - GSM.

Aceste procese sunt proiectate s fie instantanee, pentru a reduce probabilitatea

ntreruperii apelului telefonic.

Handoverul hard poate fi realizat prin sudur sau fr sudur. Handoverul fr sudurnseamn c procesul de handover nu este sesizat de ctre utilizator. n mod obinuit, unhandover ce presupune schimbarea frecvenei purttoare este similar cu handoverul hard.Pentru purttorarea sincron, acest lucru presupune o deconectare scurt a purttoarei, iar

pentru purttoarea asincron handoverul hard se realizeaz fr pierderi. Handoverul hardpoate avea loc ca handover intra sau inter-frecven.

Problema principal care apare la handoverul hard n sistemele GSM sunt

probabilitile -uneori ridicate - de blocare experimentate de utilizatorii care trec ntr-o noucelul. Aceast probabilitate poate fi redus prin acordarea prioritii utilizatorilor aflai n


14/26


14

proces de handover, n defavoarea utilizatorilor noi. Acest lucru poate fi realizat, de exemplu,prin rezervarea unei pri din capacitatea fiecrei celule pentru utilizatorii aflai ntr-un apel ncurs de desfurare. Pe de alt parte, aceast abordare ar duce la o utilizare mai puin eficienta capacitii sistemului celular sau la probabiliti mai mari de blocare pentru noii utilizatori.Aceste consideraii precum i alte argumente specifice CDMA au condus la alegerea unortipuri de handover suplimentare care s coexiste n reeaua WCDMA, i anume handoverulsoft i handoverul softer. Algoritmii de realizare a acestor tipuri de handover vin scontracareze o parte din dezavantajele sistemelor CDMA i, prin urmare, conduc la cretereatotal a performanei sistemului. n general, procesele de handover hard sunt folosite numaidin motive de acoperire i solicitare a reelei, n timp ce handoverurile soft i softer sunt

principalele mijloace de realizare a mobilitii.

Handoverul soft i softer

Handoverurile de tip soft i softer sunt tipurile de handover specifice CDMAimplementate n sistemele UMTS, reprezentnd una dintre cele mai importante caracteristiciale metodei de acces WCDMA. n acest paragraf se va discuta impactul implementrii acestortipuri de handover asupra proiectrii sistemului i vor fi analizai i algoritmii din spateleacestor metode aa cum sunt descrii n specificarea TR 25.022 a proiectului de parteneriat3G.

Handoverul soft sau softer are loc atunci cnd staia mobil se afl n zona deintersecie dintre ariile de acoperire corespunztoare a dou celule adiacente. Utilizatorul are

dou conexiuni simultane la partea UTRAN a reelei, folosind canale radio diferiteconcomitent. n cazul handoverului soft, staia mobil se afl n zona de intersecie a ariilor deacoperire ale celulelor a dou sectoare aparinnd unor staii de baz diferite. Handoverulsofter are loc n momentul n care o staie de baz primete dou semnale de la ut ilizator dindou sectoare adiacente pe care le deservete. Dei exist un grad mare de similitudine ntrecele dou tipuri de handover, exist anumite diferene semnificative.

n cazul handoverului softer, staia de baz primete 2 semnale separate printr-opropagare multicale. Datorit reflexiilor pe cldiri sau obstacolele naturale, semnalul trimis de

ctre staiile mobile ajunge la staia de baz prin dou sectoare diferite. Semnalele primite ntimpul handoverului softer sunt tratate n mod similar ca semnalele multicale. Pe direcia deuplink, semnalele recepionate de staia de baz sunt dirijate ctre acelai receptor Rake iapoi combinate folosind tehnica combinrii maximale. Pe direcia de downlink situaia este

puin diferit ntruct staia de baz folosete diferite coduri aleatoare pentru a separasectoarele diferite pe care le deservete. Deci, pentru degetele" receptorului Rakecorespunztor terminalului mobil, este necesar s se aplice un cod potrivit pe semnalele

primite de la diverse sectoare nainte de a le combina. Handoverul soft are loc n 5 -10% dintreconexiuni. Datorit naturii handoverului softer exist doar o bucl de control al puterii activ.

Pentru handoverul soft situaia este similar pentru legtura n direcie descendent(downlink). n staia mobil, semnalele primite de la dou staii de baz sunt combinate


15/26


15

folosind prelucrarea MRC a receptorului Rake. n direcia ascendent (uplink), pe de altparte, apar diferene semnificative. Semnalele transmise nu mai pot fi combinate n staia debaz ci sunt dirijate ctre RNC. Procesul de combinare urmeaz un principiu diferit. n RNCcele dou semnale sunt comparate cadru cu cadru i cel mai bun candidat este ales dupfiecare perioad de ntreesere: de exemplu la fieracare 10, 20, 40, sau 80 ms. ntructalgoritmul de control al puterii prin bucl exterioar msoar raportul semnal zgomot (SNR)al semnalelor de uplink primite la o rat ntre 10 i 100 Hz, aceast informaie este folosit

pentru a selecta cadrul cu cea mai bun calitate n timpul handoverului soft.

Numele de handover soft provine din faptul c nu exist nici un punct fix de tranziie,ci conexiunea este transferat de la un Nod B la altul. Noul Nod B contribuie inial foarte

puin la transmisiune; cu toate acestea, pe msur ce UE ptrunde n noua celul, noul Nod Bi asum o responsabilitate din ce n ce mai mare. n final, conexiunea cu vechiul Nod B esteterminat i staiamobil iese din starea de handover soft. n acest caz se folosete tehnica

cunoscut sub numele de micro-diversitate. Aceast tehnic prezint multe avantaje, precumcele enumerate mai jos:

- Este redus efectul apropiat-deprtat"- Ofer ocazia de a transmite date ctre un alt Nod B i astfel comunicaia este meninut.- Conexiunile sunt mai rezistente n faa fenomenului de shadowing". Fenomenul de

shadowing" reprezint pierderea puterii datorat difraciei undelor radio la ntlnireaobstacolelor n calea lor de propagare. n cazul n care un apare un obstacol care ntrerupeconexiunea cu Nodul B n timpul procesului de handover soft, exist posibilitatea s

funcioneze conexiunea cu cel de-al doilea Nod B i astfel sesiunea de comunicaie s nufie ntrerupt.

Situaiile de handover soft, respectiv handover softer aa cum au fost prezentate mai sus,sunt ilustrate n figura de mai jos.

n comparaie cu handoverul tradiional (handoverul hard), handoverul soft prezintmai multe avantaje. A mbuntit comunicaia fr sudur, caracteristica principal a acestui

tip de handover fiind lipsa ntreruperii transmisiunii, n timp ce n handoverul hard apare ontrerupere n timpul handover i deci scad ansele realizrii unui handover reuit. O alt


16/26


16

caracteristic se refer la ncrcarea redus a reelei. Procesul de handover soft elimin iproblema interferenei specific sistemului WCDMA. Tot handoverul soft aduce ombuntire a comunicaiei ntre utilizatori, o capacitate mai mare cu meninerea aceleiaicaliti a serviciului, ofer mai mult timp pentru a ajunge la Nodul B dorit lucru care reduce

probabilitatea de blocare i de asemenea reduce probabilitatea de terminare brusc a apelului.Dei handoverul soft are multe avantaje, exist i anumite dezavantaje comparativ cuhandoverul tradiional cum ar fi creterea complexitii i consumul de resurse suplimentare

pentru legtura descendent.Conform descrierii procesului de handover din specificarea TR 25.922 a 3GPP,

handoverul soft ntrunete dou funciiprincipale: - Obinerea i prelucrarea msurtorilor

- Executarea algoritmului de handover

nainte de a ncepe o analiz detaliat a acestor funcii, trebuiesc definii anumii termeniutilizai n descrierea procesului de handover. - Set: lista celulelor sau a Nodurilor B- Set activ: lista celulelor care au o conexiune cu staia mobil- Set monitorizat: lista celulelor (vecine) pentru care raportul EC/I0 al canalului pilot este

msurat n permanen, dar nu este suficient de puternic pentru a fi adugat la s etul activ.

Obinerea i prelucrarea msurtorilor

Msurtorile precise ale raportului EC/I0 corespunztor canalului pilot (CPlCH)

reprezint datele de intrare principale folosite pentru obinerea raportului msurtorilor RRC,n funie de care sunt luate deciziile de handover. n principiu, pot fi msurai trei parametri.Pe lng raportul EC/I0 al CPICH, mai sunt msurate i puterea semnalului de cod primit(RSCP) i indicatorul de putere al semnalului primit (RSSl). RSCP este puterea transportatde ctre canalul pilot decodat, iar RSSl este puterea total primit n banda canalului. RaportulEC/I0 este definit ca fiind raportul dintre RSCP i RSSl.

Este important aplicarea unei filtrri a msurtorilor procesului de filtrare, pentru arealiza o mediere a efectului fenomenului de fading rapid. Erorile de msurare ar puteaconduce la handoveruri inutile, deci o filtrare potrivit poate crete semnificativ

performanele. Cum perioadele mari de filtrare pot introduce ntrzieri n procesul dehandover, durata perioadei de filtrare trebuie aleas fcndu -se un compromis ntre preciziamsurtorilor i ntrzierea cu care se realizeaz handoverul. De asemenea, este important iviteza cu care se deplaseaz utilizatorul. Cu ct utilizatorul se deplaseaz mai ncet, cu atteste mai dificil medierea efectului fenomenului de fading. n mod frecvent este ales un timpde filtrare de 200ms. O alt informaie esenial necesar n timpul aa numitelor handoveruriintra-mod - handoverul soft si softer -este informaia de sincronizare. Cum reeaua WCDMAeste de natur asincron, exist diferene relative ntre celule. Pentru a permite combinareauoar n receptorul RAKE i pentru a evita ntrzieri n buclele de control al puterii,

transmisiunile trebuie s fie adaptate n timp. Dup ce UE a evaluat diferena de timp dintre


17/26


17

canalul CPICH al celulei actuale i canalul CPICH al celulei receptoare, RNC -ul trimiteinformaii DCH de sincronizare ctre celula receptoare.

Algoritmul handoverului softPe baza msurtorilor raportului EC/I0 (energia unui chip supra densitatea spectral a

interferenei) al setului celulelor monitorizate, staia mobil decide pe care dintre cele treiaciuni de baz s le efectueze; este posibil adugarea, eliminarea sau nlocuirea unui Nod Bn celula activ. Aceste funcii sunt numite Adugarea Legturii Radio (Radio Link Addition),Eliminarea Legturii Radio (Radio Link Removal) i respectiv Combinarea ntre Adugarea iEliminarea Legturii Radio Combinate (Combined Radio Link Addition and Removal).Exemplul de mai jos este luat direct din specificrile 3GPP. Acest scenariu se bazeaz pe unutilizator care urmeaz o traiectorie precum cea din Figura 3.6.

Figura 3.6 Scenariul handoverului soft

n Figura 3.7 se observ cum evolueaz n timp puterile semnalului pilot ale diferitelorcelule:


18/26


18

La nceput, utilizatorul este conectat la celula numrul 1, care are cel mai puternicsemnal al canalului pilot. Datorit deplasrii utilizatorului, percepia puterii semnalului se

poate schimba i se vor fi executate urmtoarele aciuni:

- Evenimentul A: este adugat celula 2- Evenimentul B: celula 1 este nlocuit de ctre celula 3 - Evenimentul C: celula 3 este eliminat din setul activ

Staia mobil comunic iniial doar cu Nodul B 1. Odat ce staia mobil ncepe s sedeplaseze n direcia Nodulului B 2, crete puterea semnalului primit de la CPICH al NoduluiB 2.

Dac puterile semnalelor primite de la CPICH 1 i CPICH 2 difer cu o valoare

maxim numit marja de handover", n timpul perioadei AT, se stabilete o conexiune i cucel de-al doilea Nod B. n acest moment, staia mobil se afl ntr-un proces de handover soft.Conexiunea cu primul Nod B este eliberat n momentul n care puterea semnalului primit dela CPICH 1 este mai mic cu o anumit valoare dect puterea semnalului primit de la CPICH2 sau dac recepia de la un alt Nod B este considerabil mai bun. n acest ultim caz,conexiunea cu primul Nod B este eliberat i se stabilete o nou conexiune cu Nodul B 3.

Parametrul principal n realizarea algoritmului de handover este pragul (threshold)handoverului soft, notat As_Th. Acest parametru determin numrul de utilizatori care se afln proces de handover i, prin urmare, influeneaz capacitatea sistemului i puterea de

acoperire. n mare ar putea fi definit ca diferena maxim admisibil ntre valorile SIR aledou canale, astfel nct celulele corespunztoare s coexiste n setul activ. Datorit efectului


19/26


19

de shadowing" o staie mobil aflat la grania unei celule va primi semnale de puterevariabil de la diferite Noduri B la intervale scurte de timp. Pentru a evita aa-numitulpingpong" ntre handoveruri, n care apar schimbarea frecvent , se realizeaz un efect dehisterezis pe parcursul procesului de schimbare a celulei. Astfel, As_Th_Hyst reprezinthisterezisul pentru pragul As_Th, iar As_Rep_Hyst este histerezisul de rezerv.

Algoritmul funcioneaz n modul urmtor:- Adugarea: Dac Meas_Sign este mai mare dect (Best_Ss - As_Th + As_Th_Hyst)

pentru o perioad de timp AT i dac setul activ nu este deplin ocupat, se adaug la setulactiv celula cea mai bun"

- Eliminarea: Dac Meas_Sign este mai mic dect (Best_Ss - As_Th - As_Th_Hyst), seelimin celula cel mai puin bun" din setul activ.

- nlocuirea: Dac setul activ este deplin ocupat i Best_Cand_Ss este mai mare dect(Worst_Old_Ss + As_Rep_Hyst) pentru o perioad de timp AT, este adugat celula cea

mai bun" i eliminat celula cel mai puin bun" din setul activ. Unde s-au notat:

- Best_Ss - celula cea mai bun" prezent n setul activ - Worst_Old_Ss - celula cel mai puin bun" prezent n setul activ- Best_Cand_Set - celula cea mai bun" prezent n setul monitorizat- Meas_Sign - valoarea msurat i filtrat a raportului EC/I0 corespunztor celulei

monitorizate.


20/26


20

4. Exemplu de modelare a procesului de handover n reeleleUMTS

Punctul de plecare al analizei diferenelor ntre handoverul de tip hard i handoverul de tipsoft l-a constituit implementarea aceluiai scenariu, pentru fiecare tip de handover studiat n

parte, n care s-a ncercat realizarea procesului de handover. Obiectivul urmrit este de arealiza o comparaie ntre performanele handoverului de tip soft i a celui de tip hard.

Se consider o reea UMTS simpl alctuit din dou staii mobile ( staia mobil poatefi un telefon mobil sau un PDA aflat ntr-un vehicul), dou Noduri B i un RNC careadministreaz resursele radio ale Nodurilor B conectate i reeaua central care coninedispozitivele SGSN i GGSN. Staiile mobile, n timpul deplasrii vor iniia o legtur de datecu un server FTP, iar la un moment dat vor ajunge spre grania ariei de acoperire a staiei de

baz iniiale. Astfel, staia mobil va detecta nivelul sczut al semnalului, va scana staiile debaz nvecinate i va iniia transferul pentru a nu se pierde legtura.

Fig. 4.1 Scenariu considerat pentru studiul handoverului hard respectiv soft

n scenariul considerat cele dou staii mobile au o traiectorie n zigzag ntre douNoduri B lucru ce duce la apariia unor handoveruri repetate de la o celul la alta. Ambelestaii mobile efectueaz trafic n mod continuu pe parcursul ntregii simulri, cea mai mare

parte a traficului fiind fcut n direcia de uplink.Reelele i configuraiile celor dou scenarii sunt identice exceptnd faptul c n

scenariul realizat pentru studiul handoverului hard, serviciul de handover soft este dezactivat

la RNC, astfel nct toate handoverurile care se realizeaz sunt de tip hard.


21/26


21

Structura celulelor utilizate nu reflect structura trandiional a celulelor UMTS, ncare fiecare Nod B corespunde unei staii de baz cu trei antene direcionale acoperind treisectoare sub un unghi de 120 de grade. Nodurile B au aceeai configuraie pentru ambelescenarii considerate.

n cadrul acestui studiu, am analizat graficele pentru puterea de transmisie aechipamentului utilizatorului pe direciade uplink pe canalele fizice, simularea fiind realizatpentru un interval de 360 de secunde.

Din figurile 4.2, 4.3 se observa ca att pentru UE_0 ct i pentru UE_1, handoverulsoft ofer rezultate mai bune din punctul de vedere al puterii de transmisie n direcia deuplink. Puterea de transmisie pe direcia de uplink este reprezentat grafic pentru staia mobilUE_0, respectiv UE_1, att pentru scenariul handoverului hard ct i pentru cel soft, nfigurile urmatoare:

Fig. 4.2Puterea de transmisie n direcia de uplink a staiei mobile UE_0


22/26


22

Fig. 4.3Puterea de transmisie n direciade uplink a staiei mobile UE_1

Se observ c n graficele corespunztoare transmisiei n direcia de uplink, vrfurile,care sunt mai netede n cazul handoverului soft fa de cazul handoverului hard, indicrealizarea procesului de handover (deoarece nainte de handover staia mobil se ndeprteazde Nodul B corespunztor, acest lucru conducnd la o cretere a puterii de transmisie. Duprealizarea handoverului staiile mobile sunt conectate la Nodul B n apropierea cruia se aflfapt ce conduce la scderea puterii de transmisie).

n momentul n care comparm cele dou grafice, observm c puterea de transmisie astaiilor mobile atinge valori mult mai mari n cazul handoverului de tip hard dect a celui detip soft (o diferen de 3dBm nsemnnd aproximativ dublul puterii n Watti). Acest lucrureprezint un avantaj al handoverului soft n comparaie cu handoverul hard. Astfel, handoverde tip soft permite staiilor mobile s realizeze handoverul la nivele de putere mai sczute.

Acest lucru este, de asemenea, un avantaj i pentru celelalte staii mobile care s-ar afla napropiere, mai ales n ceea ce privete fenomenele de interferen care pot aprea. Pentruevidenierea acestor concluzii am suprapus graficele corespunztoare handoverurilor hard isoft pentru cele dou staii mobile aa cum se observ n figurile 4.4 respectiv 4.5.


23/26


23

Fig. 4.4 Comparaie ntre puterea de transmisie n direcia de uplink a staiei mobile

UE_1 corespunztoare handoverului hard respectiv soft

Fig. 4.10 Comparaie ntre puterea de transmisie n direcia de uplink a staiei mobile

UE_0 corespunztoare handoverului hard respectiv soft


24/26


24

n scopul de a atinge aceleai performane cu o putere redus, handoverurile softbeneficiaz de o caracteristic numit ctigul handoverului soft". Cum o purttoare radio

este suportat de mai multe legturi radio n timpul handoverului soft, reeaua poate scdeacalitatea acestor legturi sub nivelul cerut, atta timp ct calitatea combinat a acestora estesuficient pentru a oferi nivelul de calitate impus pentru purttoarea radio. Ca un rezultat alscderii calitii legturiiradio, puterea de transmisie poate fi meninut la nivele mai redusen timpul handoverului soft, oferind totui aceeai calitate pentru nivelele superioare.

n continuare am prezentat modul n care funcioneaz algoritmul handoverului soft:Aa cum a fostprezentat n capitolul 3, exist trei evenimente care au loc n momentul n carese decide realizarea procesului de handover soft. Staia mobil comunic iniial doar cu

Nodul_B_0. Odat ce staia mobil ncepe s se deplaseze n direcia Nodulului B_1, crete

puterea semnalului primit de la CPICH al Nodului B_1. n momentul n care puterilesemnalelor primite de la CPICH 0 i CPICH 1 difer cu o valoare maxim acceptat , sestabilete o conexiune i cu cel de-al doilea Nod B. n acest moment, staia mobil se afl ntr-un proces de handover soft. Conexiunea cu primul Nod B este eliberat n momentul n care

puterea semnalului primit de la CPICH 0 este mai mic cu o anumit valoare dect putereasemnalului primit de la CPICH 1.


25/26


25

5. Concluzii- n comparaiecu handoverul hard, handoverul soft ofer mai multe avantaje. Unul

dintre avantajele importante ale handoverului soft este acela c nu apar ntreruperi n timpul

transmisiunii, deci cresc ansele realizrii unui handover reuit.

- Pentru realizarea handoverului hard sunt necesare puteri de transmisiune mult maimari fa de cele necesare n cazul handoverului soft, deci optarea pentru cel din urm esteevident.

- Efectuarea handoverului soft sau softer poate conduce, de asemenea, la o reducerea inteferenelor prezente n sistem i la o mbuntire a performanelor datorit principiuluimicrodiversitii. Acest principiu ofer un ctig n sistem n momentul combinrii mai multorsemnale. Handoverul soft nu ofer numai mobilitate utilizatorilor i controlul ncrcriisistemului, ci permite i o utilizare eficient a resurselor radio disponibile i, prin urmare,mbunteste puterea de acoperire a sistemului general i capacitatea reelei meninndcalitatea serviciului.

- Putem concluziona faptul c este mai avantajoas realizarea transferului uneisesiuni de comunicaii dintr-o celul n alta printr-un proces de handover de tip soft sau softer,dect printr-un proces de handover hard.

- Comunicaiile mobile sau comunicaiile celulare au evoluat constant, studiile fiindn prezent orientate ctre sistemele mobile de generaia a patra. Tehnologia celular a fost unarevoluionar, ntruct aducea n plus fa de telefonia fix, posibilitatea ca utilizatorii s se

poat conecta la reea n orice moment, indiferent de locul n care se afl. Performanelecomunicaiilor mobile sunt n continu ascensiune, dezvoltndu-se odat cu cretereanumrului de utilizatori i necesitile acestora.


26/26


6. Bibliografie

[1] http://stst.elia.pub.ro/news/RCI200910/Teme%20prezentate/

GavrilaCosmin/C omunicatii%20internet%20mobile.ppt

[2] Van Cauwenberge, S., Study of soft handover in UMTS, 2003[3] Irshad, M.J., Issues and Optimization of UMTS Handover, 2008

[4] Walke, B., Seidenberg,R., Althoff, M., UMTS The Fundamentals, Editura

Wiley,2003

[5] http://en.wikipedia.org/wiki/Network switching subsystem

[6] Khan, M.S., Investigation of handovers in 3G UMTS traffic classes, 2010
http://stst.elia.pub.ro/news/RCI200910/Teme%20prezentate/%20GavrilaCosmin/C%20omunicatii%20internet%20mobile.ppthttp://stst.elia.pub.ro/news/RCI200910/Teme%20prezentate/%20GavrilaCosmin/C%20omunicatii%20internet%20mobile.ppthttp://stst.elia.pub.ro/news/RCI200910/Teme%20prezentate/%20GavrilaCosmin/C%20omunicatii%20internet%20mobile.ppthttp://en.wikipedia.org/wiki/Network_switching_subsystemhttp://en.wikipedia.org/wiki/Network_switching_subsystemhttp://stst.elia.pub.ro/news/RCI200910/Teme%20prezentate/%20GavrilaCosmin/C%20omunicatii%20internet%20mobile.ppthttp://stst.elia.pub.ro/news/RCI200910/Teme%20prezentate/%20GavrilaCosmin/C%20omunicatii%20internet%20mobile.ppt

handover umts

Documents