Open 3G/LTE - Iniciação Científica

Versão Rascunho

Objetivos

• Projetar, simular e construir uma RNC (Radio Network Controller) da forma mais simples possível, a princípio, o que acarreta uma inovação para as empresas de telecomunicações;
• Avaliar a necessidade e a viabilidade do projeto em questão;
• Convencer patrocinadores e empresas da área quanto à solidez do projeto, atraindo investimentos, além de futuros clientes;
• Obter o resultado final com custos inferiores aos custos já conhecidos;
• Desenvolver uma linha de raciocínio concisa e inovadora para ajudar tanto no projeto quantos os envolvidos;
• Criação de um novo software, o que possibilita mais uma opção para as empresas por ele ser "Opensource".

Este projeto tem o objetivo de construir a camada de software de uma RNC (Radio Network Controller), o elemento responsável pelas decisões de operação da rede. Uma RNC faz parte do conjunto RNS (Radio Network Subsystem) e tem também a função de controlar todas as BTSs sobre seu domínio. A proposta é desenvolver uma solução simplificada que atenda aos requisitos mínimos de uma solução para a rede GSM e que depois possa evoluir para o LTE e demais gerações de rede móvel. O foco será especificamente para o serviço de dados portanto o serviço de voz continuará a usar os sistemas convencionais.

Justificativa do projeto

• Necessidade de diminuir os gastos com o software e conseqüentemente os gastos para o usuário final;
• Conhecimento aprimorado da tecnologia, que já uma das mais utilizadas no mundo das telecomunicações;
• Melhora essencial nos serviços prestados e construção de novos serviços necessários;
• Expansão da tecnologia 3G onde ainda não há número expressivo de usuários para futuramente atualizar os usuários para a tecnologia LTE.

Introdução

Apresentar:

• uma visão geral dos serviços de transmissão de dados;
• a importância e a utilidade da banda larga móvel;
• citar projeções futuras, especialmente de 2014 e 2016, pois serão destinados grandes investimentos devido ao aumento de demanda de acesso em decorrência dos grandes eventos sediados no Brasil (ver projeções Huawei);
• citar que a tecnologia 3G não se restringe a aplicações em aparelhos celulares, mas outros dispositivos móveis como modens, smartphones;
• nesse contexto, destacar a importância do desenvolvimento de uma RNC em código aberto;
• explicar basicamente a técnica de funcionamento de uma RNC;
• detalhar a teoria de comunicação da RNC:

Desenvolvimento

O tráfego efetuado entre a RNC (Radio Network Controller) e a Node B é o que faz o custo das operadores com fornecedores aumentar, além de poder sobrecarregar a qualidade na rede. A criação de uma estrutura Open Source paralela à rede 3G atual atua justamente em cima da comunicação entre a Node B e a RNC. Para criar uma estrutura com essas características, deve-se disponibilizá-la de forma a melhorar a qualidade e escalabilidade da rede de dados.

O primeiro passo acontece quando a Node B é ligada (acionada).

Node B

A Node B possui uma função muito clara: fornecer o caminho físico entre o UE (User Equipament/Equipamento do Usuário) e a rede. Na implementação dessa estrutura, a Node B deve fornecer:

• pedido de auditoria ao ser acionada;
• auditoria da RNC, ou seja, inventário das células enxergadas, parametrização dos canais de rádio e , opcionalmente, parametrização dos canais PCH (Paging Channel), FACH (Forward Access Channel) e RACH (Random AccessChannel).

A nível de conhecimento, a comunicação entre a Node B e a RNC é apresentada na figura a seguir:

Figura 1 - Fonte: (Kreher, Ruedebusch) figura Figure 1 104 - NBAP (Message Flow)

O protocolo que é utilizado na figura para a troca de mensagens é o NBAP (Node B Application Part), que no caso desse trabalho será implementado sobre o SCTP (Stream Control Transmission Protocol).

SCTP

O SCTP (Stream Control Transmission Protocol) é um protocolo da camada de transporte do Modelo OSI, equiparável ao TCP e UDP. É um protocolo de transporte orientado a mensagem, confiável, com suporte a multihoming (técnica de se utilizar múltiplos pontos de conexão a fim de evitar uma parada da rede se uma das conexões falhar) e que roda sobre a camada IP. Uma comparação (http://www.isoc.org/briefings/017/) entre TCP, UDP e SCTP é válida nesse estágio.

O SCTP tal como o TCP é orientado à conexão, assegura confiabilidade, entrega dados de forma ordenada, possui controle de fluxo e de congestionamento, além de checagem de recebimento. Porém, ele possui algumas características opcionais herdadas do UDP, como entrega de dados de forma não ordenada. Outras características relevantes do protocolo são o multi-streaming (capacidade de transmitir vários fluxos independentes em paralelo, como por exemplo, transmitir imagens de páginas da Web com o texto da página) e multihoming, proteção contra ataques SYN, full duplex (fluxos com ida e volta) e transferência de dados parcialmente confiáveis também como característica opcional.

A escolha do SCTP para o uso foi feita pois o 3GPP recomenda-o para esse trabalho, além da capacidade de multihoming poder ser muito bem explorada.

NBAP

O NBAP está na camada de aplicação do Modelo OSI, e fornece as seguintes funções:

• Gerenciamento e configuração: essa função permite a CRNC a possibilidade de colocar informações sobre configuração de célula na Node B.
• Gerenciamento de configuração de célula: permite que a CRNC gerencie a configuração dos canais de transporte comuns (Common Transport Channels) na Node B.
• Gerenciamento do sistema de informação: habilita a CRNC para gerenciar agendamento do sistema de informação que será broadcast em uma célula.
• Gestão de recursos de evento: dá à Node B a habilidade para informar à CRNC sobre o status dos recursos da Node B.
• Alinhamento de configuração: permite que a CRNC verifique e fiscalize se os vários nós tem as mesmas informações de configuração dos recursos de rádio.
• Medida de recurso comum: permite a CRNC iniciar medidas de recursos comuns na Node B. Também permite que a Node B relate os resultados dessas medidas.
• Administração de link de rádio: permite que a CRNC gerencie links de rádio usando recursos dedicados na Node B.
• Supervisão de link de rádio: permite que a CRNC relate falhas e restaurações de link de rádio.
• Controle de modalidade: permite que a CRNC controle o uso de modo comprimido em uma Node B.
• Medições de recursos dedicados: permite que a CRNC inicie medidas de recursos dedicados em uma Node B. Também permite que a Node B relate os resultados dessas medições.
• Correção Power Drifting: permite que a CRNC ajuste o nível de DL power de um ou mais links de rádio para evitar DL power drifting entre vários links.
• Relatório geral de situações de erro: permite relatar situações de erro em geral, para a qual mensagens de erros específicas não foram definidas.
• Gerenciamento de canais físicos compartilhados: permite a CRNC gerencie recursos físicos na Node B iniciando downlink rápido de canais compartilhados e controle de canais.

...

Uma RNC tem como funções, processar o tráfego de dados de uma conexão, controlar a potência de uma Node B para o acesso de vários UE's, efetuar controle de transmissão de UE para diferentes células de forma imperceptível para o usuário (handover/handoff), [...] entre outras que dependem de vários elementos, como BD's com informações sobre usuários e serviços, equipamentos que propiciam ao usuário a navegação e interfaces que ligam qualquer aparelho no ambiente.
Para a comunicação entre todos os elementos envolvidos, existem métodos que facilitam o entendimento entre as partes, estes, gerenciados pelo software em pretensão.

A comunicação entre a NodeB e a RNC será feita entre uma interface chamada Iub ...

Versão Oficial

Objetivos

O objetivo deste projeto é desenvolver a solução Gateway RNC que fornece um serviço de transmissão de dados permitindo a navegação na Internet a partir de um modem. Efetivamente, um cliente com um dispositivo móvel conectado a um modem poderá acessar um serviço de dados numa rede particular com as seguintes funcionalidades: registrar-se na rede, adquirir um IP (Internet Protocol) e transferir dados para a rede mundial de computadores. As soluções deste projeto serão baseadas em soluções open-source utilizando como base estruturas reais como rádios, aparelhos móveis e conexão com central telefônica.

Justificativa

A tecnologia GSM (Global System for Mobile) está presente na maioria dos países provendo serviços de telefonia móvel que envolve chamadas de voz, chamadas de dados e outras tantas funcionalidades. A abrangência deste serviço pode ser medida pelo número de usuários no mundo ....

Para oferecer o serviço de telefonia celular, este elemento é essencial pois intermedia toda a comunicação entre as estações radio-base e a central de comutação celular. Acontece que RNC é um conjunto de hardware e software que gera elevados gastos para as empresas fornecedoras do serviço, pois as mesmas precisam comprar uma licença do fabricante, para que possa utilizar seus serviços e este custo aumenta à medida que mais usuários solicitam acesso à rede móvel.

Essa solução já vem sendo comercializada pelas poucas empresas fornecedoras no mundo, como Nokia, Ericsson, Huawei e outras, já a algum tempo e as operadoras se veem "amarradas" a este pequeno círculo de fabricantes. Desenvolver uma solução que possa ser utilizada pelas operadoras que permita reduzir o custo é algo até pouco tempo impensável, já que os fabricantes utilizam-se de dezenas de profissionais dedicados às pesquisas e criações destas soluções. O desafio de criar uma solução que possa substituir os serviços atuais com o desenvolvimento de um grupo de pesquisadores é arrojado e ainda permitirá evoluir para as próximas gerações de rede como por exemplo, o LTE.

Nesse contexto, o projeto de desenvolvimento de uma RNC se mostra bastante interessante, uma vez que, seu desenvolvimento ocorrerá por código aberto, ou seja, com a colaboração de estudantes, pesquisadores, engenheiros e demais interessados, e de utilizando software open source. Consequentemente, as companhias que hoje, dispendem elevadas quantias para a compra de licenças, poderão utilizar a solução construída através desse projeto, poupando gastos e tendo autonomia para evolução da tecnologia. Uma vez reduzidos os custos para as empresas, as mesmas podem repassar essa economia ao consumidor final facilitando o acesso às camadas menos favorecidas.

Dados preliminares fornecidos pela Agência Nacional de Telecomunicações(Anatel) mostram que ao final do mês de janeiro de 2011, haviam no Brasil 207,6 milhões de aparelhos celulares e desse total 20,1 milhões eram 3G, o que representa 9,7% dos aparelhos. No mundo, segundo a UIT, Wireless Intelligence e GSA/Informa existiam no terceiro trimestre de 2010 5,1 bilhões de aparelhos e no mesmo ano 800 milhões, ou seja, aproximadamente 15,7% eram 3G, segundo dados da GSM Assoc, GSA e CDG.

Esses dados mostram que a tecnologia 3G é bastante empregada no Brasil e no mundo, mas existe uma parcela significativamente maior de consumidores em potencial. No Brasil, menos de 10% dos aparelhos são 3G, logo, com a redução do valor cobrado pelo serviço oferecido é possível que muitos consumidores migrem para a tecnologia da terceira geração e futuramente para o LTE. Dessa forma, estaremos contribuindo para a inclusão social baixando os custos dos serviços de telefonia e permitindo que uma base maior de profissionais tenha acesso ao "fonte" desse serviço.

Esta proposta de trabalho, exige estudo e dedicação dos alunos engajados no projeto. Logo, além de gerar redução de gastos para empresas de telecomunicações, uma possível redução de custos para o usuário da tecnologia 3G, e um consequente aumento no número de usuários, o desenvolvimento de uma Radio Network Controller, contribuirá para a aprendizagem, o crescimento e instigará os alunos a pensar e colocar em prática, soluções inéditas, geradas pelo aluno, pelo próprio grupo ou ainda, através de colaborações globais. Esse conhecimento aprofundado do grupo envolvido sobre as soluções envolvendo a tecnologia 3G trará condições para que se assimile as atuais propostas de telefonia como LTE (Long Term Evolution) e com a mesma visão poderá se pensar em prover soluções inovadoras e independentes dos grandes players.

As empresas que contarem com essa expertise, terão mais facilidade e autonomia no planejamento, implantação e evolução dos serviços envolvendo telecomunicações do mundo móvel e assim podendo acelerar a criação e implementação de novos serviços. Essa divisão em fases, primeiro com o 3G e depois com o LTE, é viável porque ainda é grande a expansão da tecnologia 3G no mundo, onde ainda não há número expressivo de usuários. Gradativamente, poderão ser desenvolvidas soluções para os usuários ansiosos pela quarta geração.

O escopo deste projeto é limitado à transmissão de dados, portanto o serviço de voz tradicional não seria tratado. Com este desenvolvimento atingíriamos principalmente as principais expectativas como:

• Diminuição dos gastos com o software e conseqüentemente os gastos para o usuário final;
• Conhecimento aprimorado da tecnologia, que já uma das mais utilizadas no mundo das telecomunicações;
• Melhoria nos serviços prestados e construção de novos serviços para futuras demandas;
• Expansão da tecnologia 3G para futuramente atender os usuários da tecnologia LTE.

Introdução

A terceira geração de telefonia móvel sucedeu a geração 1G, que facilmente permitia fazer chamadas de voz em aparelhos analógicos e a geração 2G, com aparelhos móveis digitais que adicionaram funcionalidades como fax, dados e mensagens de texto. o 3G trouxe as possibilidades de serviços multmídia e transferência de dados em alta velocidade provendo vídeo, áudio e outras aplicações sobre dispositivos móveis. Esta última geração alavancou o desenvolvimento de serviços para celular, focando prioritariamente em dados, integrando com os serviços de redes físicas de telecomunicações e o mundo Internet. Esta evolução permitiu que aplicações envolvendo vĩdeo, voz e dados fossem bastante popularizadas. Como o desempenho da rede em termos de capacidade e qualidade de serviço e ainda os custos de utilização se aproximaram dos fornecidos pelas redes DSL, a demanda foi e continua a ser crescente em todo o mundo.

O 3G é um padrão proposto pela ETSI (European Telecommunications Standards Institute) que ao se juntar com os padrões propostos no Japão passou a ser referenciada como UMTS (Universal Mobile Telecommunications System) e é um dos padrões ratificados pelo ITU-U, órgão mundial para normatização e evolução das tecnologias de telecomunicação.

O serviços providos pela 3a. geração vieram evoluindo com o tempo. Os principais destaques são as mensagens como SMS (Short Message Services), EMS (Enhanced Message Services) e MMS (Multimedia Message Services), as técnicas de LBS, serviços baseado em localização, os codecs de vídeo 3G-324M e a possibilidade de comunicação via PTT - Push-To-Talk, todos estes convergindo para a rede Tudo-IP.

A exigência cada vez maior pelos serviços de dados trouxe uma corrida dos pesquisadores, engenheiros e demais profissionais de tecnologia para aperfeiçoar as tecnologias disponíveis e o 3G teve sua evolução com o desenvolvimento do padrão HSPA (High Speed Packet Access), uma evolução do 3G/WCDMA, que foi gradativamente melhorando a performance das redes com um custo acessível provendo taxas até 20 Mbit/s. Existia ainda a divisão em duas frentes: downlink com maior capacidade denominado de HSDPA e uplink com capacidade menor de transmissão de dados, definido com HSUPA.

A infraestrutura 3G consiste de rede de acesso por rádio (RAN) e uma estrutura central. Esta estrutura central é organizada num domínio comutado por pacotes que incluem SGSNs (Serving GPRS Support Nodes), GGSNs (Gateway GPRS Support Nodes) que interfaceiam com HLRs (Home Locator Register) para recuperar o perfil dos usuários móveis e completar suas chamadas. Outros elementos podem ser necessários no esforço de efetuar chamadas de dados entre seus usuários. Serviços de tarifação e acesso são feitos através do Charging Gateway Function (CGF).

A figura mostra os elementos principais que fazem parte da estrutura de uma rede 3G. A funcionalidade RAN é independente da funcionalidade do núcleo de rede. A rede de acesso fornece uma tecnologia de núcleo de rede independente do acesso para os terminais móveis para diferentes tipos de serviço, ou seja, é possível prover serviços de dados independentes do serviço de voz e vice-versa.

A Radio Access Network consiste de dois novos elementos, conhecidos como NodeB e RNCs (Radio Netork Controller). NodeB é semelhante às estações radio-base (BTS) da 2a. geração. Já a RNC, foco principal deste trabalho, substitui as controladoras de estações radio-base (BSC). Uma RNC tem importantes funções como o gerenciamento dos recursos de rádio, suporte a conexões de chamadas comutadas a circuito e comutadas a pacote, decisões sobre handover e soft-handover, controle de potência, gerenciamento de mobilidade e criptografia de dados.

Os protocolos que suportam a infraestrutura de rede 3G sem fio são brevemente descritos abaixo:

• Global Mobility Management (GMM): protocolo que inclui funcionalidades de conexão, desconexão, segurança e roteamento;
• Node B Application Part (NBAP): fornece procedimentos para distribuição paging, broadcast e gerenciamento de recursos lógicos;
• Packet Data Convergence Protocol (PDCP): mapeia características de alto nível para protocolos a nível de interface de rádio;
• Radio Link Control (RLC): provê um controle de enlace lógico sobre a interface de rádio;
• Medium Access Control (MAC): controla os processos de sinalização de acesso (request e grant) para o canal de rádio;
• Radio resource Control (RRC): gerencia a alocação e manutenção das vias de comunicação de rádio;
• Radio Access Network Application Protocol (RANAP): encapsula a sinalização na camada de alto nível. Gerencia a sinalização e conexões GTP entre a RNC e 3G-SGSN e a sinalização e conexões de comutação por circuito entre a RNC e 3G MSC;
• Radio Network Service Application Part (RNSAP): implementa a comunicação entre as RNCs;
• GPRS Tunnel Protocol (GTP): protocolo que tunela as unidades de dados através do backbone IP adicionando informações de roteamento. GTP opera no topo do TCP/UDP sobre IP;
• Mobile Application Part (MAP): suporta a sinalização entre SGSN/GGSN e HLR/AuC/EIR;
• AAL2 Signaling (Q.2630.1, Q.2150.1, Q.2150.2, AAL2 SSSAR, and AAL2 CPS): conjunto de protocolos usados para transferir voz sobre backbones aTM usando ATM adaptation layer 2;
• Sigtran (SCTP, M3UA): conjunto de protocolos usados para transferir protocolos de sinalização SCN sobre a rede IP.

Este projeto pretende focar em parte dos protocolos acima, os quais se relacionam diretamente com as funções de uma RNC. São eles:

Referências

• Wireless Technology Seminar. Third Generation (3G) Basics CDMA-2000 & 3GPP W-CDMA. Tim Masson UK Regional Specialist. Agilent Technologies. 18/12/2000.

• 3G Tutorial. Brough Turner & Marc Orange. Fall VON 2002. NMS Communications.

• 3G Evolution – HSPA and LTE for Mobile Broadband. Erik Dahlman, Stefan Parkvall, Johann Sköld, Per Beming. Ericsson Research. 2007.

• Third Generation (3G) Wireless White Paper. Trillium Digital System. Los Angeles, CA. March 2000.

Referências Bibliográficas

• UMTS Signaling UMTS INTERFACES, PROTOCOLS, MESSAGE FLOWS, AND PROCEDURES ANALYZED AND EXPLAINED. Ralf Kreher Tektronix, Inc., Germany and Torsten Ruedebusch Tektronix, Inc., Germany Copyright © Tektronix Berlin GmbH & Co KG. Company confidential.

• Convergence Technologies for 3G Networks IP, UMTS, EGPRS and ATM Jeffrey Bannister, Paul Mather and Sebastian Coopeat Orbitage Consultants 2004 John Wiley & Sons Ltd, The Atrium, Southern Gate, Chichester, West Sussex PO19 8SQ, England ISBN 0-470-86091-X

• http://www.isoc.org/briefings/017/. Acessado em 07/04/2011 às 16:40 hs

• UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM CIÊNCIA DA COMPUTAÇÃO. Elvis Pfützenreuter Aplicabilidade e desempenho do protocolo de transporte SCTP Florianópolis, dezembro de 2004

• https://www.nethawk.fi/products/nethawk_simulators/nethawk_rnciub_simulator. Product_Description_NetHawk_RNC_Iub_Simulator.pdf