Capitulo 8 - Control de Potencia HARQ Handover Seguridad

ATEL ASESORES C.A Long Term Evolution: LTE Prof. Digenes Marcano

Potencia HARQ Handover Seguridad Captulo 8 Pg. 1

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Captulo 8

CONTROL DE POTENCIA

HARQ HANDOVER

SEGURIDAD EN LTE




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Control de Potencia

Tiene como objetivo transmitir con la potencia necesaria

Si se transmite con mucha potencia se incrementa la interferencia

Si se transmite con poca potencia, se aumenta la tasa de error y se incrementas las retransmisiones y el delay, con lo que se reduce la eficiencia de la red

En LTE hay control de potencia en el UL, y en el DL el propio eNode B establece la potencia de transmisin

Se realiza cuando se necesite, no se ejecuta en forma regular

El control de potencia permite mitigar las perdidas del trayecto, el shadowing y el

fast fading.

Dado que LTE est basado en conmutacin de paquetes no es necesario hacer un

control peridico de potencia como se hace en conmutacin de circuitos.




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Control de Potencia en el ULControl de Potencia en el UL

Cerrado LazoDinmicoAbierto LazosubtramaPPiP

+=)(

El control de potencia para cada canal en el UL tiene sus especificidades,

sin embargo, en general se aplica la siguiente expresin:

PLazo Abierto es indicado por el e-NodeB al UE, es un valor esttico

P Dinamico-Lazo Cerrado se ajusta cada subtrama, depende del esquema de

modulacin y codificacin del canal y de los comandos Transmitter

Power Control (TPC) especficos para cada UE

En el UL se controlan por separado las potencias del PUCCH y del PUSCH, as

como de las seales de referencia del UL. Los TPC se envan en el PDCCH

TPC

Acumulative TPC (PUSCH, PUCCH y SRS): aumento de potencia

con relacin al nivel anterior; {1, +1} dB y {1, 0, +1, +3} dB

Absolute TPC (PUSCH): indica directamente el valor de

potencia sin importar los valores previos




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Control de Potencia en el UL

Permite controlar la potencia de los canales fsicos del UL

En el UL se emplea control de potencia en Lazo Cerrado y en LazoAbierto

Se controla la energa de cada Resource Element

Dentro de una celda, el control de lazo cerrado ajusta el valor establecido por el control de lazo abierto.

El eNodeB le indica al UE los ajustes en la ERPE (Energy perResource Element), la cual se define como la energa antes de la insercin de prefijo cclico

En realidad lo que se desea es mantener constante la densidad espectral de potencia (PSD)

El control de potencia en el UL ayuda a controlar la interferencia, maximiza la energa por bit para garantizar la QoS

Ayuda a controlar la disponibilidad de energa en la batera del UE.

El control en lazo abierto se usa para estimar el valor inicial de la potencia

transmitida y est basado principalmente en compensar las perdidas de espacio

libre y el shadowing. La adaptacin a cambios rpidos, como el fast fading, puede

hacer alrededor de punto de operacin del lazo abierto, usando el lazo cerrado el

cual realiza un control ms fino y preciso de la potencia. Sin embargo, dado que el

UL es totalmente ortogonal, no es necesario que el control de potencia en lazo

cerrado sea tan rpido, en LTE se espera que el control de potencia se haga con

una frecuencia de unos pocos Hz.

La combinacin del control en lazo abierto con la de lazo cerrado requiere menos

feedback que cuando se usa slo el lazo cerrado.

En LTE el Uplink es bsicamente ortogonal debido al diseo propio de LTE, por lo

que la interferencia entre celdas no es tan crtica.




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Control de Potencia en el DL

Consiste en controlar la potencia de

transmisin del eNode B de manera

independiente en funcin de la calidad del

enlace

Se considera la calidad del enlace DL,

medida por el UE y reportada al eNode B

Estrictamente hablando no es un control

de potencia como el del UL




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HARQ




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ARQ y HARQ en LTE

En LTE las funciones de ARQ/HARQ estn repartidas en las subcapas MAC y RLC

La entidad ARQ de RLC se encarga de la retransmisin de Transport Blocks que no pueden ser recuperados por el HARQ de la subcapa MAC, debido a que: Hay errores en el ACK o en NACK del HARQ

Se alcanza la cantidad mxima de retransmisiones permitidas

El ARQ de RLC procede a retransmitir o a resegmentar el Transport Block

HARQ es ejecutada por la subcapa MAC




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ARQ en LTE esta basado en un

proceso de Stop-and-Way

ARQ es un mtodo de control de errores en

transmisin de datos basado en

reconocimientos positivos acknowledgment

(ACK) y reconocimientos negativos

negative acknowledgment (NACK), existen

varias variantes pero bsicamente consiste

en el envo de paquetes y la espera de una

respuesta, positiva o negativa de parte del

receptor, no se envan paquetes adicionales

si no llega la respuesta.

Si se recibe un ACK el transmisor enva

nuevos paquetes, si se recibe un NACK se

deben retransmitir los paquetes que no

llegaron con xito.

ARQ y Stop-and-Wait (SAW)

En LTE FDD, tanto el eNodeB como el

UE, disponen de 8 procesos HARQ

basados en SAW cada uno distinguido

con un identificador HARQID

eNodeB UE

Sin embargo, ARQ no es adecuado para altas tasas de transmisin ya que el

transmisor debe esperar la respuesta para poder seguir transmitiendo y se crean

grandes retardos. Una solucin para garantizar un flujo continuo de bits es correr

varios procesos SAW en paralelo.




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Hybrid ARQHARQ se refiere a cualquier combinacin de FEC+ARQ, en cuyo caso las

tramas erradas que no puedan ser corregidas por FEC no se descartan, sino

que se guardan para ser combinadas con posteriores tramas erradas y

producir una trama correcta. HARQ es muy efectivo en ambientes ruidosos

donde la cantidad de errores supera lo que el FEC puede corregir. Aquellos

paquetes que despus del FEC aun tengan errores, deben solicitarse su

retransmisin y las nuevas versiones son combinadas con las anteriores para

tener mayor probabilidad de obtener un paquete sin errores.

La idea general del HARQ es que en dos paquetes sucesivos que transporten

la misma informacin, la probabilidad de tener los mismos bits errados es

baja, entonces al tener dos o ms copias del mismo paquete errado hay una

alta probabilidad de poder reconstruir un paquete sin errores a partir de varios

errados.

b1 b2 b3 b4 b5 b6 b7 b8 b9 b10

b1 b2 b3 b4 b5 b6 b7 b8 b9 b10

Primer paquete

errado

Segundo

paquete errado

b1 b2 b3 b4 b5 b6 b7 b8 b9 b10

Paquete libre de errores

El proceso de HARQ se realiza tanto en el DL como en el UL. El UE enva en el UL

mensajes ACK y NACK para activar o no el HARQ en el eNode B. De igual manera

el eNode B enva mensajes ACK y NACK al UE.

En el DL, una vez que el paquete es transmitido es decodificado por el UE y debe

enviar un reconocimiento, positivo o negativo, de retorno al eNodeB usando para

ello el PUCCH. Si se recibe un NACK el eNodeB debe retransmitir. El UE combina

las sucesivas versiones del paquete recibido y vuelve a correr el decodificar de

canal. La presencia o no de errores se detecta por medio del CRC que se adiciona

a los paquetes enviados.

Una vez que se detecta el paquete correctamente, el UE enva un ACK y el

eNodeB transmite el prximo paquete, despus de haber recibido el ACK.




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Ejemplo de un usuario con un flujo

continuo de datos y 8 procesos

HARQ

Transmisor

Receptor




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HARQ: Chase CombiningEn las retransmisiones se envan los mismos bits codificados que en la

transmisin original, usando la misma tasa de codificacin, por lo tanto no hay

ganancia por codificacin, pero se incrementa el Eb/No al aumentar la energa

de bit.




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LTE HARQ: Incremental Redundancy (IR)

Las retransmisiones no son idnticas a la transmisin original. Ya que cada una

usa una tasa de codificacin distinta, pero los bits de informacin que entran al

codificador son los mismos. Igualmente la modulacin puede cambiar de una

retransmisin a otra. IR tiene una ganancia adicional por codificacin y tambin

hay un incremento en el Eb/No.

Aqu se observa que en cada repeticin se agregan ms bits de redundancia, al

tener una menor tasa de codificacin. Reducir la tasa de codificacin es reconocer

un canal de muy mala calidad, es por ello que se agregan ms bits de redundancia.

Chase Combining es un caso especial de IR, cuando la codificacin de los

paquetes retransmitidos es la misma que la del paquete original.




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HARQ y LTE

HARQ se implementa en el PDSCH y en el PUSCH

LTE soporta Incremental Redundancy (IR) y Chase Combining (CC) CC es un caso particular de IR cuando las retransmisiones usan

la misma tasa de codificacin.

Uplink El UE enva el ACK o NACK al eNode B en el PUCCH

Downlink El Physical HARQ Indicator Channel (PHICH) indica en el DL los

paquetes que fueron recibidos con y sin error. En el PDCCH se indica cuales son los UEs que decodificarn el PHICH

WiMAX basado en el estndar IEEE802.16 usa Chase Combining como mtodo de

HARQ.




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Packet Error Rate vs. SNR Grfica del PER en funcin del SNR para diversos mtodos de HARQ.

Modulacin QPS tasa de codificacin .

16 QAM 3/4QPSK 1/2

Type I-Simple ARQ: paquete con error es descartado

Type I- with CC: Chase Combining, paquetes con error son almacenados y combinados con los retransmitidos

Type II-Full IR: Gradualmente se reduce la tasa de codificacin incrementando la redundancia

Type III-Partial IR: Es una combinacin del Type I with CC y del Type II Full IR

Se puede observar en ambos casos que el Full Incremental Redundancy ofrece

una mayor ganancia, sobre todo en bajas tasas de codificacin. Sin embargo,

simulaciones realizadas estiman que consume mucha memoria; si este ltimo

parmetro es considerado entonces Chase Combining representa una opcin

intermedia.




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Handover




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Handover en LTE

LTE usa Hard Handover Comunicacin con una sola celda a la vez

break before make

Controlado por la red y asistido por el UE Quien toma la decisin final es el eNB usando para ello las medidas

realizadas por el UE

Intra-Frequency Handover Cambio a otra celda LTE en la misma frecuencia

Inter-Frequency Handover Cambio a otra celda LTE en otra frecuencia

Inter-RAT (Radio Access Technology) Handover Cambio a otras celdas de distinta RAT

Dos procedimientos El UE en RRC-CONNECTED

El UE el modo IDLE




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Interface X2

Permite la sealizacin entre 2 eNodeB de diferentes fabricantes

X2 es una interface abierta

Se usa para el proceso de Handover Realizacin del Handover

Cancelacin del Handover

El S-GW (Serving Gateway) acta como ancla para inter-eNB handovers.

X2 debe tener la capacidad para soportar interfaces de radio mviles entre eNodes B de UEs conectados a E-UTRAN

El handover puede ser entre eNodes B, la mayora de los casos, pero tambin

puede ser entre MMEs de distintos core network. El handover debe realizarse en

forma rpida y sin perdida de informacin, esto se logra gracias almacenamiento de

los paquetes que llegan durante le ejecucin del handover y reenvindolos al UE, a

travs del nuevo eNodeB, cuando se culmine el proceso. El handover con muy baja

latencia es de suma importante para aplicaciones de tiempo real como VoIP.




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Handover de un UE activo

El UE se desplaza

desde el eNB1 (origen)

al eNB2 (destino).

El Handover es

controlado por la red y

asistido por el UE.

Un UE est activo cuando se encuentra en el estado RRC CONNECTED

recibiendo y transmitiendo datos de usuarios. Bajo esta situacin el proceso de

handover se inicia cuando el UE enva un reporte con mediciones de radio al eNB1

indicndole que la calidad de seal del eNB2 es mejor. El eNB1 se comunica con el

eNB2 a travs de la interface X2 y le enva un HO Request e informacin relativa

al UE, el eNB destino puede admitir la solicitud en funcin de la QoS del EPS

Bearer, y en caso positivo reserva los recursos necesarios y le asigna un

identificador temporal C-RNTI al UE,el cual permite identificar, a nivel de la celda,

las conexiones RRC.

El UE realiza las mediciones del eNB destino, a partir de las seales de referencia

enviadas por dicho eNB.

En algunas situaciones es posible que no existe la interface X2 entre los dos

eNodes B; esto puede ocurrir por razones de falla o por reduccin de costos debido

a decisiones del operador de la red. En este caso el proceso es ms complejo, y el

MME acta como relevo entre los dos eNodeBs.




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La decisin del Handover debe tomarse antes que

la SNR del eNB-Origen se degrade. El mensaje de

autorizacin para ir a al eNB-Destino debe ser

enviado lo ms rpido posible, hay que considerar

que si el mvil se desplaza a gran velocidad la

degradacin del SNR tambin es rpida.

La agilidad del algoritmo de Handover debe estar asociada a la velocidad del mvil.




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Handover Intra-Celda Usando X2




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Forward Handover

En LTE se prev que el UE por s mismo

se conecte al eNB destino

Esto sucede cuando el UE pierde la

conexin con el eNB de origen.

Este proceso se realiza slo si el eNB

destino se ha preparado previamente para

el handover




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Diferentes Fases del Handover




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Seguridad en LTE




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Seguridad en LTE

La seguridad es un aspecto importante en todas las tecnologas del 3GPP.

En el caso de LTE se ejecutan dos funciones principales para mantener la

seguridad.

1.- Cifrado o Ciphering tanto del plano de control como del usuario: El cifrado

evita que la informacin sea obtenida por un tercero.

2.- Proteccin de la integridad usada slo en el plano de control: Permite al

receptor saber si la informacin fue alterada, bien sea porque se modific o

porque se agregaron paquetes adicionales.

La seguridad se llevan a cabo por medio de un proceso de autenticacin

mutua llamado AKA (Authentication and Key Agreement ) entre el UE y el EPC




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PLANO DEL

USUARIO

PLANO DE

CONTROL




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Arquitectura General de la

Seguridad en LTE

En LTE se garantiza la seguridad de los datos de usuarios y de la

sealizacin por medio de procesos para evitar que la misma sea obtenida

por terceros y que pueda ser alterada.

Los mecanismos de seguridad en redes inalmbricas han evolucionado

considerablemente desde los primeros sistemas analgicos. En GSM la seguridad

se centr en el canal de radio y en UMTS se aplic a otras funciones de la red. Con

las redes basadas totalmente en IP surgen nuevos retos en cuanto a la seguridad.

Es por esta razn que LTE implementa procedimientos ms robustos en

seguridad, tanto en el canal de radio como en el core network o EPC. En EPS se

han agregado mejoras en algunos elementos de seguridad bsicamente en el NAS,

de igual manera se han incluido capas adicionales para una mejor proteccin de las

claves, seguridad entre 3GPP y redes que no son 3GPP ( non-3GPP)




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Niveles Jerrquicos de Seguridad

Network access security (Nivel I): Elementos de seguridad en el enlace de radio para suministrar a los usuarios un acceso seguro al EPC. Este nivel implementa sus mecanismos de seguridad entre el USIM, ME, E-UTRAN y el EPC.

Network domain security (II): Conjunto de Caractersticas de seguridad que protegen la red cableada contra ataques para permitirle intercambiar datos de una manera segura.

User domain security (III): Conjunto de elementos de seguridad para proteger al USIM y al ME (Mobile Equipment), pudiendo incluir la autenticacin mutua entre ambos antes que cada uno acceda al otro, usando para ello un PIN secreto.

Application domain security (IV): Elementos de seguridad que le permiten al UE y a la red intercambiar informacin de forma segura. Por ejemplo IMS suminstra el marco de referencia para este nivel de seguridad en VoIP.




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USIM

Universal Subscriber Identity Module

Basado en un circuito integrado similar al SIM de GSM

Sin el USIM slo se pueden hacer llamadas de emergencia

Contiene IMSI - International Mobile Station Identity

Identificadores temporales: TMSI para CS Domain y P-TMSI para PS Domain)

Se asignan despus de registro inicial

Se usan para proteger la identidad el usuario

Claves de seguridad

El USIM es una aplicacin del UICC




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LTE usa USIM (Universal Subscriber Identity Module) con una clave maestra

para algoritmos de criptografa de 128 bit, con posibilidad de expandirse a 256

bits a futuro. LTE no acepta el uso de SIM.

Mobile Termination (MT): Es el componente del ME que se encarga de la

gestin del acceso a la PLMN (3GPP o non-3GPP)

Terminal Equipment (TE): Es el equipo del ME que se encarga de todo lo

relacionado con la operacin de los protocolos de acceso por parte del

usuario

Estructura del UE

Mobile Equipment

USIM

Nivel III: Seguridad

en el dominio del

usuario

UICC: es un dispositivo fsico removible de seguridad, una tarjeta de circuito

integrado o smart card, que se puede introducir y remover de un terminal e incluye

varias aplicaciones, una de ellas puede ser el USIM.




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Resumen de los Elementos de

Seguridad de LTE




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AKA Jerarqua de Claves en EPS

El proceso est basado en una clave

secreta K comn conocida slo por el

Centro de Autenticacin (AuC,

ubicado en el HSS) y en el USIM en

el UE. A partir de K se obtienen CK e

IK (Ciphering Key y Integrity Key)

tanto en el USIM como en el AuC.

Luego se genera la clave KASME(Access Security Mangement Entity),

a partir de CK e IK , en el AuC y en el

USIM. En el centro de Autenticacin

se generan una serie de claves y

checksums a partir de la KASME y de

un nmero aleatorio.

Las claves, los checksums y el nmero aleatorio se envan al MME. El MME transfiere uno

de los checksum y el nmero aleatorio al UE, donde el USIM calcula el mismo conjunto de

claves usando el nmero aleatorio y su clave secreta. La autenticacin mutua se realiza

verificando los checksums calculados en el UE y en la red, usando protocolos NAS apara el

transporte.

En LTE la seguridad est basada en algoritmos de criptografa simtrica, lo que

significa que existe una sola clave y el algoritmo de cifrado es el mismo de

descifrado, distinto a la criptografa asimtrica donde existe una clave pblica y otra

privada para cifrar y descifrar.

Es de hacer notar que las ltimas tecnologas inalmbricas basan su seguridad en

Certificados Digitales, sin embargo, dado que LTE es una evolucin de GSM y

UMTS se decidi mantener el mismo esquema de aquellas para no realizar

cambios profundos ya que se deba mantener cierta compatibilidad con versiones

anteriores de las tecnologas desarrolladas por el 3GPP que usan USIM, lo cual no

aplica al caso de GSM.

El Checksum se usa para garantizar la integridad de los datos. Es bsicamente una

porcin de informacin obtenida a partir de la informacin que se desea transmitir,

y se agrega a la misma. El receptor separa el checksum y la informacin, y a partir

de esta ltima calcula un nuevo checksum que compara con el recibido, si ambos

coinciden es porque los datos no han sido alterados. Por ejemplo, el mtodo de

CRC es un algoritmo de checksum.

Los algoritmos de seguridad nunca se desactivan, salvo casos muy especiales

como llamadas de emergencia donde se permite establecer una comunicacin sin

el USIM.




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Claves y sus Funciones KNASenc es obtenida por el UE y el

MME a partir de KASME. Se usa

para proteger el trfico NAS usando

un algoritmo de cifrado.

KNASint es obtenida por el UE y el

MME a partir de KASME. Se usa

para proteger el trfico NAS usando

un algoritmo de integridad.

KUPenc es obtenida por el UE y el

MME a partir de KeNB. Es usado

para proteger los datos del usuario

usando un algoritmo de cifrado.

KRRCenc es obtenida por el UE y el

MME a partir de KeNB. Se usa para

proteger la sealizacin RRC

usando un algoritmo de cifrado.

KRRCint es obtenida por el UE y el

MME a partir de KeNB. Se usa para

proteger la sealizacin RRC

usando un algoritmo de integridad.

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