ES2203583T3 - Procedimiento de control de transferencia de un canal en una red de radiocomunicacion celular. - Google Patents
Procedimiento de control de transferencia de un canal en una red de radiocomunicacion celular.Info
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Abstract
Procedimiento de control de un canal lógico de comunicación en modo circuito entre un terminal de radio (14) y una infraestructura de radiocomunicación celular, comprendiendo la infraestructura al menos una red central (30), unos controladores de red de radio (60, 61) conectados a la red central y comprendiendo unos primer y segundo controladores y unas estaciones de base (70, 71) dotadas de interfaces de radio y conectadas cada una a uno de los controladores de red de radio.
Description
Procedimiento de control de transferencia de un
canal en una red de radiocomunicación celular.
La presente invención se refiere al campo de las
radiocomunicaciones, y en particular a las técnicas de cifrado
utilizadas en las redes celulares.
La invención se aplica particularmente en las
redes celulares de tercera generación del tipo UMTS ("Universal
Mobile Telecommunication System") que utilizan técnicas de
acceso múltiple de división por códigos (CDMA, "Code Division
Multiple Access").
A continuación, la invención se describe en su
aplicación a una red UMTS, donde la figura 1 muestra la
arquitectura.
Por una parte, los conmutadores del servicio
móvil 10, que pertenecen a una red central (CN, "Core
Network"), están relacionados con una o varias redes 11 fijas, y
por otra parte, por medio de una interfaz denominada Iu, con
unos equipos de control 12, o RNC ("Radio Network
Controller"). Cada RNC 12 está relacionado con una o varias
estaciones de base 13 por medio de una interfaz denominada
Iub. Las estaciones base 13, distribuidas por el territorio
de cobertura de la red, son capaces de comunicarse por radio con los
terminales móviles 14, 14a, 14b, denominados UE ("User
Equipment"). Las estaciones base pueden reagruparse para formar
nodos, denominados "nodos B". Además, varios RNC 12 se pueden
comunicar entre sí por medio de una interfaz denominada Iur.
Los RNC y las estaciones base forman una red de acceso denominada
UTRAN ("UMTS Terrestrial Radio Access Network").
La UTRAN comprende elementos de las capas 1 y 2
del modelo ISO para suministrar los enlaces requeridos sobre la
interfaz de radio (denominada Uu), y una etapa 15A de
control de los recursos de radio (RRC, "Radio Resource
Control") que pertenecen a la capa 3, tal como se describe en la
especificación técnica 3G TS 25.301, "Radio Interface
Protocol", versión 3.4.0, publicada en marzo de 2000 por el 3GPP
(3^{rd} Generation Partnership Project). Vista de las capas
superiores, la UTRAN actúa simplemente como relé entre el UE y la
CN.
La figura 2 muestra las etapas RRC 15A, 15B y las
etapas de las capas inferiores que pertenecen a la UTRAN y a un UE.
En cada lado, la capa 2 está subdividida en una etapa 16A, 16B de
control de enlace de radio (RLC, "Radio Link Control") y en una
etapa 17A, 17B de control de acceso al medio (MAC, "Medium Access
Control"). La capa 1 comprende una etapa 18A, 18B de
codificación y de multiplexado. Una etapa 19A, 19B de radio
garantiza la emisión de las señales de radio a partir de trenes de
símbolos suministrados por la etapa 18A, 18B, y la recepción de las
señales en el otro sentido.
Existen distintas formas de adaptar la
arquitectura de protocolos según la figura 2 a la arquitectura
material de la UTRAN según la figura 1, y en general pueden
adoptarse distintas organizaciones según los tipos de canales (véase
la sección 11.2 de la especificación técnica 3G TS 25.401, "UTRAN
Overall Description", versión 3.1.0, publicada en enero de 2000
por el 3GPP). Las etapas RRC, RLC y MAC se encuentran en el RNC 12.
La capa 1 se encuentra, por ejemplo, en el nodo B. Sin embargo, una
parte de esta capa puede encontrarse en el RNC 12.
Cuando varios RNC se encuentran implicados en una
comunicación con un UE, existe generalmente un RNC de servicio
denominado SRNC ("Serving RNC"), donde se encuentran los
módulos relevantes de la capa 2 (RLC y MAC), y al menos un RNC relé,
denominado DRNC ("Drift RNC"), al que está conectado una
estación base con la que el UE está en enlace de radio. Los
protocolos apropiados garantizan los intercambios entre estos RNC
por la interfaz Iur, por ejemplo ATM ("Asynchronous
Transfer Mode") y AAL2 ("ATM Adaptation Layer nº 2").
Asimismo, estos mismos protocolos pueden ser utilizados por la
interfaz Iub para los intercambios entre un nodo B y su
RNC.
Las capas 1 y 2 están controladas cada una por la
subcapa RRC, cuyas características se describen en la
especificación técnica 3G TS 25.331, "RRC Protocol
Spécification", versión 3.1.0, publicada en octubre de 1999 por
el 3GPP. La etapa RRC 15A, 15B supervisa la interfaz de radio.
Además, trata flujos a transmitir a la estación distante según un
"plan de control", en oposición al "plan de usuario" que
corresponde al tratamiento de datos de usuario emitidos por la capa
3.
La subcapa RLC se describe en la especificación
técnica 3G TS 25.322, "RLC Protocol Spécification", versión
3.2.0, publicada en marzo de 2000 por el 3GPP. En el sentido de la
emisión, la etapa RLC 16A, 16B recibe, según los canales lógicos
respectivos, flujos de datos compuestos de unidades de datos de
servicio (RLC-SDU) emitidos desde la capa 3. Un
módulo RLC de la etapa 16A, 16B está asociado con cada canal lógico
para efectuar en particular una segmentación de las unidades
RLC-SDU del flujo en unidades de datos de protocolo
(RLC-PDU) dirigidas a la subcapa MAC y que
comprenden un encabezamiento RLC opcional. En el sentido de la
recepción, un módulo RLC efectúa a la inversa un reajuste de las
unidades RLC-SDU del canal lógico a partir de las
unidades de datos recibidas de la subcapa MAC.
La etapa RLC 16A, 16B puede tener varios modos de
funcionamiento, particularmente en función del tipo de canal
lógico. En el transcurso de la presente descripción, se considerará
el modo transparente de la subcapa RLC, que es adecuado para un
canal lógico relativo a una comunicación en modo circuito. En este
modo transparente, el módulo RLC efectúa las operaciones de
segmentación y reajuste cuando son necesarias, y no introduce
ningún encabezamiento en las unidades RLC-PDU.
La subcapa MAC se describe en la especificación
técnica 3G TS 25.321, "MAC Protocol Specification", versión
3.3.0, publicada en marzo de 2000 por el 3GPP. Transpone uno o
varios canales lógicos en uno o varios canales de transporte TrCH
("Transport CHannel"). En el sentido de la emisión, la etapa
MAC 17A, 17B puede multiplexar uno o varios canales lógicos en un
mismo canal de transporte. En un canal de transporte de este tipo,
la etapa MAC 17A, 17B suministra bloques de transporte sucesivos
TrBk ("Transport Block") consistentes cada uno en un
encabezamiento MAC opcional y en una unidad RLC-PDU
emitida desde un canal lógico asociado.
Para cada TrCH, la subcapa RRC suministra a la
subcapa MAC un conjunto de formatos de transporte (TFS,
"Transport Format Set"). Un formato de transporte comprende un
intervalo de tiempo de transmisión TTI ("Transmission Time
Interval") igual a 10, 20, 40 u 80 ms, un tamaño de bloque de
transporte, un tamaño de conjunto de bloques de transporte y unos
parámetros que definen el esquema de protección a aplicar por la
capa 1 en el TrCH para detectar y corregir los errores de
transmisión. En función del caudal que corre en el o los canales
lógicos asociados al TrCH, la etapa MAC 17A, 17B selecciona un
formato de transporte en el TFS asignado por la subcapa RRC, y
suministra en cada TTI un conjunto de bloques de transporte
conforme al formato seleccionado, indicando ese formato a la capa
1.
La capa 1 puede multiplexar varios TrCH en un
canal físico dado. En ese caso, la subcapa RRC asigna un conjunto
de combinaciones de formatos de transporte (TFCS, "Transport
Format Combination Set") al canal físico, y la subcapa MAC
selecciona dinámicamente una combinación de formatos de transporte
en ese conjunto TFCS, lo que define los formatos de transporte a
utilizar en los distintos TrCH multiplexados.
La UMTS utiliza la técnica CDMA de expansión de
espectro, es decir, que los símbolos transmitidos se multiplican
por códigos de expansión constituidos por muestras, denominadas
"chip", cuya frecuencia (3.84 Mchip/s en el caso de la UMTS)
es superior a la de los símbolos transmitidos. Los códigos de
expansión distinguen distintos canales físicos PhCH ("Physical
CHannel") que se superponen en el mismo recurso de transmisión
constituido por una frecuencia portadora. Las propiedades de auto e
intercorrelación de los códigos de expansión permiten al receptor
separar los PhCH y extraer los símbolos que le están destinados.
Para la UMTS en modo FDD ("Frequency Division Duplex") en el
enlace descendente, se asigna un código de aleatorización
("scrambling code") a cada estación base, y se distinguen
distintos canales físicos utilizados por esta estación base por
códigos de canal ("channelisation codes") ortogonales entre
sí. La estación base también puede utilizar varios códigos de
aleatorización ortogonales entre sí. En el enlace ascendente, la
estación base utiliza el código de aleatorización para separar los
UE emisores, y eventualmente el código de canal para separar los
canales físicos emitidos desde un mismo UE. Para cada PhCH, el
código de expansión global es el producto del código de canal y del
código de aleatorización. El factor de expansión (igual a la
relación entre la frecuencia de segmentos y la frecuencia de
símbolos) es una potencia de 2 comprendida entre 4 y 512. Ese
factor se elige en función del caudal de símbolos a transmitir por
el PhCH.
Los distintos canales físicos se organizan en
tramas de 10 ms que se suceden en la frecuencia portadora utilizada
por la estación base. Cada trama está subdividida en 15 ranuras
temporales ("timeslots") de 666 \mus. Cada ranura puede
llevar las contribuciones superpuestas de uno o varios canales
físicos, que comprenden canales comunes y canales dedicados DPCH
("Dedicated Physical CHannel"). Cada DPCH transporta con los
datos una indicación de combinación de formatos de transporte TFCI
("Transport Format Combination Indicator") emitida desde la
subcapa MAC, lo que permite al módulo MAC destinatario reconocer la
estructura de los TrBk.
Para una misma comunicación, es posible
establecer varios DPCH correspondientes a códigos de canal
distintos, cuyos factores de expansión pueden ser iguales o
distintos. Concretamente, esta situación se da cuando un DPCH no
puede suministrar el caudal de transmisión requerido por la
aplicación. Por otro lado, esta misma comunicación puede utilizar
uno o varios canales de transporte. La codificación y el
multiplexado de los flujos de símbolos de información emitidos
desde los TRC por los PhCH se describen en detalle en la
especificación técnica 3G TS 25.212, "Multiplexing and channel
coding (FDD)" versión 3.0.0, publicada en octubre de 1999 por el
3GPP.
En lo que respecta a cada canal lógico, para el
que el módulo de tratamiento de la subcapa RLC funciona en modo
transparente, la etapa MAC 17A, 17B garantiza además un cifrado de
las informaciones transmitidas y un descifrado de las informaciones
recibidas. En el canal de transporte correspondiente, los TrBk
relativos a ese canal lógico consisten cada uno en una unidad
RLC-PDU cifrada según un mecanismo descrito en el
capítulo 8 de la especificación 3G TS 25.301 anteriormente
mencionada.
La figura 3 ilustra el módulo 20 de cifrado de la
etapa MAC 17A, 17B del RNC o del UE, utilizado para un canal
lógico. Se ejecuta un algoritmo 21 de cifrado para generar una
máscara binaria que se combina con los bits de información de la
unidad RLC-PDU recibidos en modo transparente del
RLC, mediante una operación OU exclusiva (puerto 22). Un módulo
idéntico es utilizable para el descifrado. El algoritmo 21 calcula
la máscara en base a los siguientes parámetros:
- -
- CK: clave de cifrado secreta de M = 32 bits, definida en una fase anterior de autentificación entre la red central y el UE;
- -
- CSN: número de secuencia de cifrado ("Ciphering Sequence Number") compuesto de M = 32 bits;
- -
- BEARER: identificador de canal lógico, que sirve para generar distintas máscaras para los distintos canales lógicos;
- -
- DIRECTION: bit que indica el sentido de transmisión (ascendente o descendente) que sirve para generar máscaras distintas en los dos sentidos;
- -
- LENGTH: longitud de máscara en número de bits, proporcionada por la etapa RRC en función del formato de transporte.
El algoritmo 21 combina el número CSN de M bits
en la clave CK con el objetivo de evitar que se utilice la misma
máscara para cifrar bloques distintos. Este número CSN aumenta al
ritmo de las tramas de radio de 10 ms. Así, la figura 3 muestra el
contador 23 de 32 bits que suministra el parámetro CSN. Este
contador incrementa el número CSN en una cantidad N a cada nuevo
bloque del canal lógico, siendo N el número de tramas por TTI en el
canal de transporte que lleva ese canal lógico (N = 1, 2, 4 u 8).
Por tanto, el contador se incrementa en 1 cada 10 ms, en 2 cada 20
ms, en 4 cada 40 ms o en 8 cada 80 ms. Al comienzo de la
comunicación cifrada, la etapa RRC suministra un valor CSN_{0}
inicial del número CSN y una orden de arranque del contador 23
(START). Estas operaciones se efectúan a la vez en el RNC, donde se
ejecuta la tarea MAC, y en el UE.
Un problema considerado en la presente invención
es el de la transferencia de los contadores CSN durante un
desplazamiento del módulo MAC que garantiza la función de cifrado
en la infraestructura de la red. Un desplazamiento de este tipo
tiene lugar en el marco de un procedimiento de transferencia que
implica un cambio de recurso de acceso de radio (handover). Así, el
procedimiento de transferencia puede dar lugar a un cambio de SRNC,
lo que requiere que el contador CSN del nuevo SRNC esté sincronizado
con el del anterior SRNC (y del UE), aunque las interfaces
Iu y/o Iur de las que disponen los RNC para
comunicarse entre sí sean asíncronas. Asimismo, puede considerarse
el caso en el que el desplazamiento del módulo MAC tenga lugar
dentro de un mismo RNC, si éste utiliza circuitos distintos para
administrar los recursos de acceso empleados antes y después de la
transferencia.
En la especificación técnica 3G TR 25.832,
"Manifestations of Handover and SRNS Relocation", versión
3.0.0, publicada en octubre de 1999 por el 3GPP, se describen
distintos escenarios posibles para el procedimiento de
transferencia. Por una parte, se distingue la transferencia suave,
o SHO ("soft handover"), que utiliza un modo de
macrodiversidad y que eventualmente puede estar seguido por un
cambio de SRNC denominado "relocalización" y, por otra parte,
la transferencia brusca, o HHO ("hard handover"), que
corresponde por ejemplo a un cambio de frecuencia portadora (con o
sin cambio de RNC) y/o a una transferencia entre dos RNC (de una
misma red de acceso o de redes de acceso distintas) que no pueden
comunicarse entre sí mediante una interfaz Iur. Un HHO puede
tener lugar dentro de una UTRAN si se asignan varias frecuencias
portadoras al operador de éste o si no se prevén interfaces
Iur para todos los RNC de esta UTRAN. Asimismo, un HHO puede
tener lugar entre dos redes de acceso distintas, por ejemplo, entre
dos UTRAN o entre una UTRAN y un sistema de naturaleza distinta
basado en una arquitectura funcional similar que, en particular,
permite utilizar los mismos procedimientos de cifrado, tal como un
sistema de tipo GERAN ("GSM / EDGE Radio Access Network").
La UMTS en modo FDD soporta una técnica de
macrodiversidad, que consiste en prever que un UE puede comunicarse
simultáneamente con estaciones base distintas de tal manera que,
en el sentido descendente, el UE reciba varias veces la misma
información y que, en el sentido ascendente, la señal de radio
emitida por el UE sea captada por las estaciones base para formar
estimaciones distintas combinadas más tarde en la UTRAN.
La macrodiversidad procura una ganancia de
recepción que mejora las calidades del sistema gracias a la
combinación de observaciones distintas de una misma información.
Asimismo, permite realizar transferencias intercelulares suaves
(SHO), cuando el UE se desplaza.
En macrodiversidad, la conmutación de los canales
de transporte para la emisión múltiple tras la UTRAN o el UE, y la
combinación de estos canales de transporte en recepción, son
operaciones que incumben a un módulo de selección y combinación que
pertenece a la capa 1. Este módulo está en la interfaz con la
subcapa MAC y se encuentra en el RNC que maneja el UE. Si las
estaciones base implicadas dependen de distintos RNC que se
comunican a través de la interfaz Iur, uno de estos RNC juega
el papel de SRNC y el otro el de DRNC.
Cuando se completa un SHO, el enlace de radio
entre el UE y la estación base de origen se rompe. Entonces, puede
que ninguna estación base, a una distancia de la cual se encuentra
el UE, sea dependiente del SRNC.
La UTRAN puede perfectamente continuar soportando
la comunicación de esta manera. Sin embargo, esto no es lo óptimo
dado que es posible proporcionar intercambios que intervengan en la
interfaz Iur y liberar el anterior SRNC, realizándolo de
manera que el DRNC se convierta en el nuevo SRNC para la
comunicación en curso. Éste es el objeto del procedimiento de
relocalización ("SRNS Relocation", véase la sección 7.2.3.2 de
la especificación 3G TS 25.401 anteriormente mencionada), activado
por iniciativa del anterior SRNC.
Este procedimiento de relocalización comprende la
transferencia de instancias RLC y MAC (así como del módulo de
selección y de recombinación de la capa 1 si la macrodiversidad se
mantiene) del SRNC anterior al DRNC anterior.
Un problema que esto plantea es la transferencia
del contador CSN empleado por el algoritmo de cifrado en modo RLC
transparente. En efecto, este contador debe permanecer en sincronía
con aquél situado en la capa MAC del lado del UE, mientras que los
enlaces entre los RNC (a través de la interfaz Iu y de la red
central o a través de la interfaz Iur) son en principio
asíncronos.
El número CSN de 32 bits puede descomponerse en
un número CFN de trama de conexión ("Connection Frame Number")
correspondiente a los P bits de menor peso de CSN y en un número
HFN de hipertrama ("HyperFrame Number") correspondiente a los
32 bits de mayor peso (P = 8 según el capítulo 8 de la
especificación 3G TS 25.301 anteriormente mencionada).
El RNC que supervisa cada célula manejada por una
estación de base 13 actualiza para esta célula un número SFN de
trama de sistema ("System Frame Number"), codificado en Q = 12
bits, que se incrementa en cada nueva trama de radio de 10 ms. Este
número SFN está difundido por la estación base en sus canales
comunes de control.
Un UE mide el desfase de tiempo entre las señales
que detecta desde células próximas a su célula actual y su propio
reloj. Antes de la activación de un SHO a una célula destino, el UE
suministra a su SRNC el desfase que ha medido para esta célula
destino, que corresponde al desfase obtenido en el canal común, en
una zona de 2^{P} x 10 ms (siendo 2.56 s), entre el contador SFN
de la célula destino y su propio contador CFN. Este desfase se
determina, en base a una detección de modelos de sincronización,
con una precisión temporal netamente más fina que 10 ms, por
ejemplo del orden del tiempo símbolo. Sirve para establecer
temporalmente la emisión de la nueva estación base, a la que se
dirige a través de la interfaz Iur, con el fin de que, en
modo de macrodiversidad, las informaciones recibidas por el UE
desde las distintas estaciones no estén demasiado desfasadas entre
sí, lo que requeriría una cantidad de memoria excesiva para poder
operar la combinación de observaciones.
Debido al suministro de este desfase, el DRNC
conoce a priori los P bits de menor peso del contador CSN a
utilizar para el cifrado y el descifrado. Pero no se suministran
los bits de mayor peso (HFN). Las especificaciones actuales del
3GPP prevén que el procedimiento de relocalización comprenda el
envío por parte del SRNC de un mensaje "Relocation_Required"
por la interfaz Iu, en el que esté insertado el número HFN
con el fin de que el DRNC pueda sincronizar su contador de
secuencia de cifrado. Al recibir este mensaje, la red central activa
la tarea que llevará a la conmutación de la comunicación hacia el
DRNC, y retransmite de manera transparente el HFN a este
último.
Estas disposiciones no solucionan el problema
anteriormente mencionado porque entre el momento en el que el SRNC
transmite el valor de HFN y el momento en el que el DRNC lo recibe,
el HFN en vigor del lado del UE ha podido aumentar. Esto se produce
cada vez que el HFN tarda más de 2.56 s en ser recibido por el
DRNC, lo que es difícil de evitar con certitud, teniendo en cuenta
las colas de espera que pueden encontrar los mensajes en la red
central asíncrona y los tiempos de tratamiento del mensaje
"Relocation_Required" por los conmutadores 10. También pueden
surgir errores si el HFN tarda menos tiempo en llegar al DRNC: si se
emite en un momento en el que el CFN vale por ejemplo 255, es muy
probable que sea recibido por el DRNC una vez que el valor de HFN se
haya incrementado hasta el nivel del UE.
El problema anterior vuelve a aparecer, incluso
con más gravedad, en los HHO que se ejecutan sin utilizar el modo
de macrodiversidad.
En un HHO, existe generalmente una fase de
difusión doble durante la cual se transmite simultáneamente la
misma información descendente en ambos recursos de acceso. Esto
permite al UE recibir sin interrupción las informaciones que le son
destinadas desde que pasa por el segundo recurso de acceso. Por
tanto, es necesario que el RNC encargado de la célula destino tenga
rápidamente conocimiento del contador de secuencia de cifrado CSN
relativo al UE cuando un HHO debe ejecutarse. Por otra parte, el RNC
de la célula destino, si es distinto del anterior SRNC, no tiene
generalmente ningún conocimiento previo del contador CFN puesto que
no hay macrodiversidad. Por tanto, el valor enviado por el anterior
SRNC debe cubrir hasta los bits de menor peso de CSN de manera que,
muy probablemente, estará obsoleto cuando sea recibido por el RNC de
la célula destino, teniendo en cuenta los retrasos de progresión en
la red asíncrona. Este inconveniente es difícil de eliminar en
ausencia de una sincronización de las estaciones base, que no es
necesaria para el funcionamiento de una red UMTS y no es explotada
por la norma.
Debe señalarse que en los modos no transparentes
de la subcapa RLC no se plantea el problema considerado
anteriormente. Estos modos no transparentes están destinados a las
transmisiones por paquetes, para las que generalmente no es un
inconveniente interrumpir momentáneamente la transmisión durante una
transferencia o un procedimiento de relocalización, con el fin de
garantizar, por ejemplo, para un mecanismo de acuse de recibo, que
se ha recibido el valor correcto de contador. Por otra parte, es la
subcapa RLC la que garantiza la función de cifrado/descifrado en
modo no transparente, utilizando un número de secuencia de
encabezamiento de cada unidad RLC-PDU para cifrar
los datos contenidos en esta unidad RLC-PDU. Este
número de secuencia se transmite claramente, de manera que los
contadores de cifrado no tengan necesidad de estar sincronizados en
los dos extremos.
En los sistemas GSM de segunda generación
("Global System for Mobile communication") que utilizan las
técnicas de acceso múltiple por división de tiempo (TDMA, "Time
Division Multiple Access"), el cifrado se efectúa únicamente en
la interfaz aire. El incremento de la clave de cifrado está basado
en la sincronización relativa a las hipertramas TDMA, que se
obtiene de manera no ambigua en ambas partes del enlace de radio en
el marco del esquema de multiplexado temporal. Por consiguiente, ya
no se plantea el problema anterior.
El documento WO98/09458 describe un sistema de
acceso de radio derivado del GSM, en el que el cifrado de las
comunicaciones se garantiza únicamente en la interfaz aire. Este
sistema tiene como obligación la necesidad de una sincronización de
las estaciones base a escala de las supertramas TDMA. Además, la
sincronización de los contadores de cifrado falla cuando los
intercambios previstos entre las estaciones base tardan un tiempo
superior a la duración, relativamente corta, de una supertrama (120
ms).
Un objeto de la presente invención es aportar una
solución al problema de sincronización de contadores de cifrado, en
particular, en el caso del HHO.
Por tanto, la invención propone un procedimiento
de control de un canal lógico de comunicación en modo circuito
entre un terminal de radio y una infraestructura de
radiocomunicación celular. La infraestructura comprende al menos
una red central, unos controladores de red de radio conectadas a la
red central y que comprenden unos primer y segundo controladores, y
unas estaciones base dotadas de interfaces de radio y conectadas
cada una a uno de los controladores de red de radio. El
procedimiento comprende las siguientes etapas:
- establecer al menos una primera vía de
comunicación entre la red central y el terminal, que pasa por una
de las estaciones base que utiliza un primer recurso de acceso de
radio y por el primer controlador que constituye un controlador
maestro para dicha primera vía;
- transmitir la información relevante del canal
lógico según la primera vía de comunicación;
- establecer al menos una segunda vía de
comunicación entre la red central y el terminal, que pasa por una
de las estaciones base que utiliza un segundo recurso de acceso de
radio, distinto del primer recurso, y por el segundo controlador
que constituye un controlador maestro para dicha segunda vía; y
- transmitir la información relevante del canal
lógico según la segunda vía de comunicación.
La información transmitida según cada vía de
comunicación está cifrada en una parte de dicha vía que va del
controlador maestro al terminal de radio. El cifrado se efectúa en
función de unos parámetros que comprenden una clave secreta y un
número de secuencia de cifrado combinado con dicha clave. El
controlador maestro y el terminal incrementan conjuntamente el
número de secuencia de cifrado al ritmo de tramas de duración
determinada, para disponer de los mismos parámetros de cifrado con
el fin de permitir el descifrado de la información. La segunda vía
se establece mediante un procedimiento de transferencia que
comprende la transmisión de datos de ajuste desde el primer
controlador al segundo controlador, una fase de emisión simultánea
de señales de radio por los primer y segundo recursos de acceso
para las estaciones base respectivas de las primera y segunda vías,
tras la supresión de la primera vía. Las señales de radio emitidas
por los primer y segundo recursos de acceso durante la fase de
emisión simultánea, transportan la misma información, siendo dicha
información cifrada por el segundo controlador mediante un número de
secuencia de cifrado desfasado con adelanto con respecto al
utilizado por el primer controlador para cifrar la información
transmitida a lo largo de la primera vía. El terminal de radio
conmuta del primer recurso de acceso al segundo recurso de acceso,
durante la fase de emisión de cifrado, para alinear el número
desfasado utilizado por el segundo controlador.
El procedimiento de transferencia comprende
preferiblemente, tras la recepción de datos de ajuste por el
segundo controlador, la transmisión de un mensaje de control de
conmutación desde el segundo controlador al terminal de radio por
medio del primer controlador. Este mensaje puede indicar, con
respecto a una referencia de tiempo disponible para el terminal de
radio y el segundo controlador, una trama de inicialización a la
que corresponde un valor de inicialización del número de secuencia
de cifrado desfasado, siendo dicho valor de inicialización
determinable por el terminal de radio y por el segundo
controlador.
En una realización del procedimiento, los números
de secuencia de cifrado se representan en M bits, y los datos de
ajuste comprenden una cantidad representada por los
M-P bits de mayor peso de un valor presente del
número de secuencia de cifrado utilizado por el primer controlador,
siendo M y P enteros tales que 0 \leq P < M. El mensaje de
control de conmutación puede indicar entonces los P bits de menor
peso de un valor de inicialización del número de secuencia de
cifrado desfasado y/o sus M-P bits de mayor peso
correspondientes a dicha cantidad, incrementada con el fin de
garantizar el adelanto del número de secuencia de cifrado
desfasado. Este valor de inicialización del número desfasado
corresponde a una trama de inicialización determinable por el
terminal y por el segundo controlador.
Los datos de ajuste comprenden finalmente unos
datos representativos de un desfase entre el número de secuencia de
cifrado utilizado por el primer controlador y una referencia de
tiempo disponible para el segundo controlador.
Otro aspecto de la presente invención se refiere
a una red de acceso de un sistema celular de radiocomunicación que
comprende al menos un controlador de red de radio dispuesto para
poner en práctica un procedimiento tal como se ha definido
anteriormente.
Otras particularidades y ventajas de la presente
invención serán evidentes en la siguiente descripción de ejemplos
de realización no limitativos, con referencia a los dibujos
adjuntos, en los que:
- la figura 1, anteriormente expuesta, es un
esquema de una red UMTS;
- la figura 2, anteriormente expuesta, es un
diagrama que muestra la organización en capas de unos protocolos de
comunicación utilizados en la interfaz de radio de red UMTS;
- la figura 3, anteriormente comentada, es un
esquema sinóptico de un módulo de cifrado utilizado en la capa MAC
de una red UMTS;
- la figura 4 es un esquema simplificado de una
red UMTS a la que puede aplicarse la invención;
- las figuras 5 a 7 son esquemas de la red de la
figura 4 que muestran los enlaces activos en distintos instantes de
una comunicación;
La infraestructura diseñada en la figura 4 tiene
una configuración simplificada de manera voluntaria para hacer más
clara la explicación de la invención. La red central comprende un
centro de conmutación de móviles 30 (MSC, "Mobile Service
Switching Center") para el modo circuito, conectado por
interfaces Iu a dos subsistemas de red de radio (SRNS) que
tienen cada uno un RNC 60, 61. Los dos RNC 60, 61 controlan
respectivamente las estaciones 70, 71 base (nodo B) a través de
interfaces Iub. En el ejemplo representado, no existe
interfaz Iur entre los dos RNC 60, 61 implicados. Cabe
señalarse que podría haber una interfaz Iur de este tipo,
pero que no sirve para la transferencia, por ejemplo, porque éste
es entre dos frecuencias portadoras distintas. En otra realización,
los RNC 60, 61 pertenecen a redes de acceso distintas (una UTRAN y
una GERAN, por ejemplo).
Las figuras 5 a 7 muestran unas vías de
comunicación activos entre la red central y un UE 14 cuando éste se
desplaza, en un escenario típico de HHO en la configuración de red
de la figura 4. Al principio (figura 5), se establece una vía de
manera clásica entre el MSC 30 de la red central y el UE 14 a través
del RNC 60 de origen y de la estación 70 base que depende de él. El
SRNC 60 y el UE tienen cada uno una instancia MAC que, para cada
canal lógico dedicado en modo circuito y cada sentido de
comunicación, garantiza las funciones de cifrado y de descifrado de
la información transmitida por esta primera vía, de la manera
indicada con referencia a la figura 3. Los parámetros estáticos (CK,
BEARER, DIRECTION, LENGTH) del módulo 20 y los parámetros de
inicialización del contador 23 han sido suministrados por la etapa
RRC.
El UE efectúa las medidas prescritas en los
canales comunes de las células próximas a la suya, en particular
los de la estación 71 base conectada al RNC 61 en la situación
ilustrada por la figura 5. Cuando el análisis de estas medidas
muestra que es deseable un HHO a la estación 71 base, el SRNC 60
dirige a su MSC 30 un mensaje de solicitud de HHO
("Handover_Prepare") que designa el RNC 61 de destino. En
particular, para la puesta en práctica de la invención, es ventajoso
que el UE 14 mida el desfase temporal \Delta entre su propio
número CSN de secuencia de cifrado y el número SFN de trama
difundido por la estación 71 base por sus canales comunes
descendentes. Ese desfase \Delta se mide con una resolución más
fina que la de las tramas de 10 ms. Se observa que \Delta_{k} =
(CSN - SFN) mod 2^{k} es el número representado por los k bits de
menor peso de la parte entera del desfase \Delta, expresado en
unidades de 10 ms (1 \leq k \leq Q). Siendo el CSN sobre M = 32
bits y el SFN sobre Q = 12 bits, el UE mide \Delta_{Q} =
\Delta_{12}. En el marco de los procedimientos de
macrodiversidad, da cuenta a la UTRAN de \Delta_{p} =
\Delta_{8}.
Cuando se activa la transferencia, se establece
una segunda vía comenzando por el sentido descendente (figura 6).
La misma información relevante del canal lógico se transmite dos
veces desde el MSC 30 (o varios MSC), una vez por medio del RNC 60
y de la estación 70 base y una vez por medio del RNC 61 y de la
estación 71 base. En el sentido ascendente, el terminal 14 guarda
los parámetros del canal físico de la primera vía hasta que ésta
reciba un mensaje "Handover_Command" que le solicite conmutar
a la otra estación 71 base. Al recibir este mensaje, el UE 14
ejecuta la orden una vez que la red sincronizada completa el
establecimiento de la segunda vía. Entonces, la primera vía se
suprime (figura 7).
En la situación ilustrada por la figura 6, la
información descendente se cifra en las dos vías entre el RNC y el
UE. A la capa RRC se le aplica, por ejemplo, el siguiente proceso
para iniciar el contador 23 utilizado para cifrar y descifrar en la
capa MAC del RNC 61 de destino
- -
- en el mensaje "Handover_Prepare", el RNC 60 de origen incluye el valor HFNE actual del número HFN de hipertrama constituido por los M-P bits de mayor peso del contador CSN que utiliza, siendo transmitido este valor HFNE por la red central al RNC 61 de destino;
- -
- tras haber recibido esta información, si acepta la transferencia, el RNC 61 de destino determina un número SFNI de trama de inicialización del contador 23 con respecto al contador de trama SFN de la estación 71 base de destino, así como un valor CSNI de inicialización correspondiente del número de secuencia de cifrado, de tal manera que este número de secuencia esté adelantado con respecto al utilizado en la primera vía entre el RNC 60 y el UE;
- -
- cuando la instancia MAC comienza a cifrar la información recibida del MSC por la vía descendente, para una trama de número SFN_{0} en la célula de destino, la capa RRC del RNC 61 inicializa el contador 23 de esta instancia MAC en el valor CSN_{0} = (CSNI - SFNI + SFN_{0}) mod 2^{M}, y ordena a la estación 71 base que emita hacia el UE 14.
Paralelamente, en el mensaje de orden de
conmutación que dirige al UE a través de la red central y del RNC
60 de origen ("Handover_Command"), el RNC 61 de destino indica
los parámetros CSNI y SFNI. Así, en el momento en que el UE efectúa
la conmutación, puede reinicializar su contador 23 para alinearse
con el del RNC 61, lo que permitirá el cifrado y el descifrado en
la segunda vía.
En efecto, el UE conoce el \Delta_{Q} y su
CSN de la vía anterior en el momento de la conmutación, de manera
que puede deducir el SFN correspondiente en la célula de destino:
SFN = (CSN - \Delta_{Q}) mod 2^{Q}, y por tanto reinicializar
inmediatamente su contador 23 en el valor correcto para la segunda
vía:
CSN_{0} = (CSNI - SFNI +
SFN) \ mod 2^{M}
Desde que conmuta a la estación 71 base, el UE
tiene su número CSN sincronizado. Entonces, puede recibir
inmediatamente la información descendente y emitir la información
ascendente con el cifrado correcto. Una vez que la estación 61 base
ha adquirido la sincronización, la segunda vía está completa.
Esta sincronización de los contadores CSN es
adecuada puesto que el tiempo de ejecución del HHO, entre la
emisión por parte del RNC de origen del mensaje
"Handover_Prepare" y la conmutación del UE, no supera los
2^{Q} x 10 ms = 40 s. lo que en la práctica siempre es el
caso.
El adelanto del nuevo CSN con respecto al
utilizado en la célula de origen sirve para obtener la doble
transmisión que sirve para minimizar la interrupción debida al HHO,
evitando siempre que se produzca la misma máscara de cifrado para
cifrar bloques distintos transmitidos por la radio, lo que es
necesario por razones de seguridad.
Se observa que estos resultados se obtienen sin
necesidad de que el RNC de destino reciba la información por el CFN
de origen, lo que es problemático teniendo en cuenta la transmisión
asíncrona a través de la red central, incluso en el desfase
\Delta observado por el UE.
Para evitar que se produzca la misma máscara de
cifrado para cifrar bloques distintos, el valor CSNI de
inicialización debe determinarse en función de una información
suministrada desde el RNC de origen, es decir, el parámetro HFNE.
El RNC 61 añade a este parámetro un desfase \theta > 0 para
formar los M-P bits de mayor peso del valor CSNI de
inicialización, y asigna un valor CFNI predefinido a los P bits de
menor peso, por ejemplo CFNI = 0. De este modo, toma CSNI = ((HFNE
+ \theta) x 2^{P} + CFNI) mod 2^{M}.
El desfase \theta considera los tiempos de
ejecución probables del HHO. En el caso donde P = 8, se puede
tomar, por ejemplo, \theta = 8, lo que proporciona un margen
suficiente, del orden de 20 s, para la ejecución del HHO. Este
desfase \theta también puede ser programable.
Cabe señalarse que los controladores 60 y 61, que
funcionan de la manera anteriormente descrita con referencia a las
figuras 4 a 7, podrían, según una variante de la invención, ser dos
partes distintas de un equipo situado en un nodo dado de la red.
Este equipo puede ser de tipo RNC en la arquitectura UMTS, y las
dos partes distintas pueden ser circuitos que administran de manera
independiente las dos vías, al menos en lo que se refiere a la capa
MAC, comunicándose estos circuitos entre sí de manera asíncrona.
Estos circuitos, por ejemplo, están soportados por dos tarjetas
distintas o contenidos en dos compartimentos distintos del RNC.
Se señalará además que el procedimiento anterior
de HHO puede adoptar diversas formas equivalentes. De este modo, en
lugar de contener explícitamente CSNI y SFNI, el mensaje de control
devuelto desde el RNC de destino al UE podría ser únicamente la
diferencia (CSNI - SFN) mod 2^{M} que basta para la
sincronización, o cualquier combinación que permita encontrar esta
diferencia.
Además, los datos CSNI, SFNI indicados por el RNC
de destino en el mensaje de control devuelto al RNC de origen y al
UE pueden, total o parcialmente, estar implícitos:
- -
- si el desfase \theta es fijo o conocido por el RNC de origen, éste ya puede disponer de M-P bits de mayor peso (HFNE + \theta) del parámetro CSNI, de manera que no es indispensable que los reciba de nuevo si los transmite él mismo al UE;
- -
- si el valor CFNI es fijo (por ejemplo 0), no es necesario transmitirlo al UE. Ocurre lo mismo si este valor está definido con respecto al SFN de la célula de destino puesto que el UE puede determinar este SFN con ayuda de su CFN y del desfase \Delta_{Q} que ha medido;
- -
- si el SFNI es un
valor que el UE puede conocer, por ejemplo porque es fijo, no es
necesario comunicarlo. Esta observación vale también únicamente
para una parte de menor peso del
\hbox{SFNI.}
En los casos en los que el UE ha enviado al RNC
60 de origen un valor de desfase \Delta_{k} entre el CSN
utilizado conjuntamente por el UE y el RNC de origen y el SFN de la
célula de destino (por ejemplo k = P o k = Q), este RNC 60 puede
comunicarlo al RNC de destino, particularmente, con el mensaje
"Handover_Prepare". De este modo, puede considerarse que la
referencia de tiempo disponible en el UE, con respecto a la que
está definida la trama de inicialización del nuevo contador CSN,
está constituida por los k bits de menor peso del CSN anterior. En
particular, puede haber tenido una fase de macrodiversidad entre
los RNC de origen y de destino en una primera frecuencia portadora
antes de efectuar un HHO con cambio de portadora hacia el RNC de
destino. En un caso de este tipo, el RNC de destino ya dispone del
desfase \Delta_{Q} o \Delta_{P}, de manera que no es
obligatorio repetirlo en el momento del HHO. Asimismo, puede que
otro UE haya tenido una fase de macrodiversidad entre los RNC de
origen (SRNC) y de destino (DRNC). Cuando el procedimiento de HHO
comienza por el UE 14, el RNC 60 de origen puede determinar
entonces el valor pertinente del desfase \Delta_{k} sin haber
sido necesariamente recibido por el UE 14: lo deduce del CFN de los
dos UE y del desfase medido e indicado por el otro UE.
Pueden utilizarse otras referencias de tiempo si
están disponibles a la vez en el RNC 61 de destino y el UE o en el
RNC de origen, para expresar el número SFNI de trama de
inicialización o cualquier cantidad relacionada con este número,
por ejemplo:
- -
- el SFN de otra estación base relacionada con el RNC de destino, cuyo canal de control común haya sido detectado por el UE (o por otro UE supervisado por el RNC de origen);
- -
- el SFN de una estación base cualquiera, en particular, el de la célula de origen, si los RNC tienen conocimiento de las diferencias de SFN entre las distintas células, lo que se utiliza tal vez entre servicios de localización del abonado;
- -
- una referencia de tiempo, común a los RNC, obtenida por ejemplo por medio de receptores de tipo GPS o análogos que detectan señales de sincronización emitidas por una constelación de satélites.
Claims (17)
1. Procedimiento de control de un canal lógico de
comunicación en modo circuito entre un terminal de radio (14) y una
infraestructura de radiocomunicación celular, comprendiendo la
infraestructura al menos una red central (30), unos controladores
de red de radio (60, 61) conectados a la red central y
comprendiendo unos primer y segundo controladores y unas estaciones
de base (70, 71) dotadas de interfaces de radio y conectadas cada
una a uno de los controladores de red de radio, comprendiendo el
procedimiento las siguientes etapas:
- -
- establecer al menos una primera vía de comunicación entre el red central y el terminal, que pasa por una de las estaciones de base (70) que utiliza un primer recurso de acceso de radio, y por el primer controlador (60) que constituye un controlador maestro para dicha primera vía;
- -
- transmitir la información relevante del canal lógico según la primera vía de comunicación;
- -
- establecer al menos una segunda vía de comunicación entre la red central y el terminal, que pasa por una de la estación de base (71) que utiliza un segundo recurso de acceso de radio, distinto del primer recurso, y por el segundo controlador (61) que constituye un controlador maestro para dicha segunda vía; y
- -
- transmitir la información relevante del canal lógico según la segunda vía de comunicación,
caracterizado porque la información
transmitida según cada vía de comunicación está cifrada durante una
parte de dicha vía que va desde el controlador maestro al terminal
de radio, efectuándose el cifrado en función de unos parámetros que
comprenden una clave secreta (CK) y un número de secuencia de
cifrado (CSN) combinado con dicha clave, incrementando el
controlador maestro y el terminal conjuntamente el número de
secuencia de cifrado al ritmo de tramas de duración determinada,
para disponer de los mismos parámetros de cifrado y permitir el
descifrado de la información,
la segunda vía se establece mediante un
procedimiento de transferencia que comprende la transmisión de unos
datos de ajuste desde el primer controlador al segundo controlador,
una fase de emisión simultánea de señales de radio en los primer y
segundo recursos de acceso por las estaciones (70, 71) base
respectivas de las primera y segunda vías, y la supresión de la
primera vía a continuación,
las señales de radio emitidas en los primer y
segundo recursos de acceso durante la fase de emisión simultánea
transportan la misma información, estando dicha información cifrada
por el segundo controlador (61) con un número de secuencia de
cifrado desfasado con adelanto con respecto al utilizado por el
primer controlador (60) para cifrar la información transmitida a lo
largo de la primera vía,
y el terminal de radio (14) conmuta del primer
recurso de acceso al segundo recurso de acceso durante la fase de
emisión simultánea, adelantando el número de secuencia de cifrado
con el fin de alinear el número desfasado utilizado por el segundo
controlador (61).
2. Procedimiento según la reivindicación 1, en el
que el procedimiento de transferencia comprende, tras la recepción
de los datos de ajuste por el segundo controlador (61), la
transmisión de un mensaje de control de conmutación desde el
segundo controlador al terminal de radio (14) por medio del primer
controlador (60).
3. Procedimiento según la reivindicación 2, en el
que el mensaje de control de conmutación indica, con respecto a una
referencia de tiempo disponible en el terminal de radio (14) y en
el segundo controlador (61), una trama de inicialización a la que
corresponde un valor de inicialización del número desfasado de
secuencia de cifrado, siendo determinable dicho valor de
inicialización por el terminal de radio y por el segundo
controlador.
4. Procedimiento según una cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, en el que los números (CSN) de
secuencia de cifrado se representan sobre M bits, y los datos de
ajuste comprenden una cantidad representada por los
M-P bits de mayor peso de un valor presente del
número de secuencia de cifrado utilizado por el primer controlador,
siendo M y P enteros tales que 0 \leq P < M.
5. Procedimiento según las reivindicaciones 2 y
4, en el que los P bits de menor peso de un valor de inicialización
del número desfasado de secuencia de cifrado están indicados en el
mensaje de control de conmutación.
6. Procedimiento según la reivindicación 4, en el
que el adelanto del número desfasado de secuencia de cifrado
utilizado por el segundo controlador (61) con respecto al utilizado
por el primer controlador (60), se realiza incrementando dicha
cantidad comprendida en los datos de ajuste recibidos por el primer
controlador, y atribuyendo los M-P bits de la
cantidad así incrementada a los M-P bits de mayor
peso de un valor de inicialización del número desfasado.
7. Procedimiento según las reivindicaciones 2 y
6, en el que dicha cantidad incrementada se indica en el mensaje de
control de conmutación.
8. Procedimiento según la reivindicación 5 ó 6,
en el que el valor de inicialización del número desfasado
corresponde a al menos una trama de inicialización determinable por
el terminal de radio (14) y por el segundo controlador (61).
9. Procedimiento según una cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, en el que los datos de ajuste
comprenden unos datos representativos de un desfase entre el número
de secuencia de cifrado utilizado por el primer controlador (60) y
una referencia de tiempo disponible en el segundo controlador.
10. Procedimiento según la reivindicación 9, en
el que dicho desfase es medido por el terminal (14) en base a
señales de radio recibidas procedentes de una estación (71) base
conectada al segundo controlador (61) y que lleva información
relativa a dicha referencia de tiempo.
11. Procedimiento según la reivindicación 10, en
el que dicha referencia de tiempo comprende un contador de tramas
para una estación (71) base conectada al segundo controlador
(61).
12. Procedimiento según las reivindicaciones 4 y
10, en el que la información relativa a dicha referencia de tiempo
corresponde a un numero de trama representado sobre Q bits, siendo
Q un entero tal que P < Q < M.
13. Procedimiento según una cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 12, en el que los datos de ajuste son
transmitidos del primer controlador (60) al segundo controlador
(61) por medio de la red central (30).
14. Procedimiento según una cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 13, en el que los primer y segundo recursos de
acceso de radio comprenden frecuencias portadoras distintas.
15. Procedimiento según una cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 14, en el que los primer y segundo
controladores (60, 61) pertenecen a redes de acceso distintas.
16. Procedimiento según una cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 14, en el que los primer y segundo
controladores (60, 61) están situados en un mismo nodo de red, y
comprenden circuitos distintos respecto a las primera y segunda
vías, para al menos una parte de los protocolos de comunicación que
incluyen las funciones de cifrado y descifrado de la información,
comunicándose dichos circuitos entre sí de manera asíncrona.
17. Red de acceso de un sistema celular de
radiocomunicación que comprende al menos un controlador de red de
radio que comprende los medios para ejecutar las etapas de un
procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones
anteriores.
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