REQUERIMIENTOS DE PARÁMETROS PARATRANSPORTE DE REDES LTE.GERSON RAMÓN CHAVARRÍA VERA.UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILEFACUL...
IIDerechos de AutorSe autoriza la reproducción parcial o total de esta obra, con finesacadémicos, por cualquier forma, med...
IIIHoja de Calificación
IVAgradecimientosQuiero agradecer, cada una de las personas que me apoyaron y memotivaron a la realización de esta tesis, ...
VTabla de contenidosDerechos de Autor........................................................................................
VI1.5 Asignación de canales.................................................................... 101.6 Conceptos de movilid...
VII4.1.1.1.2 Interfaz S1 ......................................................................... 374.1.1.1.3 Interfaz X2...
VIII6.2.1 Mecanismos de QoS en LTE ................................................... 726.2.1.1 Control de QoS a nivel de...
IX6.3.8 Cobertura ............................................................................... 1056.3.9 Complejidad ......
X8.2 Hardware en el EPC ..................................................................... 1408.3 Hardware en el backha...
XIÍndice de tablaTabla 2.1 Revisiones de 3GPP.................................................................... 19Tabla ...
XIIÍndice de ilustraciónIlustración 1.1 Esquema general de un sistema de telefonía móvil ............... 3Ilustración 1.2 ...
XIIIIlustración 6.7 Tiempo de ida y vuelta, en la red.......................................... 96Ilustración 6.8 Estados ...
XIVÍndice de esquemasEsquema 2.1 Entidades de 3GPP ............................................................... 16Esque...
XVÍndice de gráficosGráfico 3.1 Penetrabilidad de la banda ancha móvil con la banda ancha fija...............................
XVIResumenLa tecnología LTE, correspondiente a la cuarta generación de la telefoníamóvil se convirtió en el estándar ya de...
XVIIIntroducciónIntroducción generalActualmente la telefonía móvil busca romper el paradigma instaurado pormás de quince a...
XVIIILa convergencia tecnología, en donde un dispositivo es capaz de soportarmúltiples servicios facilitó la necesidad de ...
XIXconectividad. Pero las tecnologías de acceso a Internet móvil, presentandeficiencias en lo referente al rendimiento de ...
1Capítulo I: Marco teórico1. Marco Teórico: Sistema de telefonía celularEn este capítulo abordaremos de manera teórica, lo...
2 Accesible al usuario, el costo del servicio pueda ser pagado por ungran número de personas.1.1 Concepto de teléfono cel...
3Ilustración 1.1 Esquema general de un sistema de telefonía móvil1.2.1 Funcionamiento del esquema de telefonía móvilPara p...
41.3.1 Geometría de la celdaLa geometría es un factor delimitador que utilizan las operadoras paradeterminar qué zonas van...
5Ilustración 1.3 Celda hexagonal, clúster K=4En cambio la celda ideal toma la forma de circunferencia, puesto que, lasante...
6Ilustración 1. 4 Mapa de radiación de una antena omnidireccional1.3.2 Tipos de celdaLa empresas operadoras de servicios m...
7Ilustración 1.5 Establecimiento de una celda en base a la distribuciónpoblacional Macro celdas, son celdas grandes para ...
81.3.4 División de celdasDentro de la literatura técnica, la división de la celda es conocida tambiéncomo “cell splitting”...
91.4 Administración de frecuenciasComo se mencionó anteriormente, los sistemas de telefonía móvil poseendos frecuencias, u...
101.5 Asignación de canalesPara la utilización eficiente del espectro de radio, se requiere un sistema dereutilización de ...
11embargo en un sistema celular la celda en la que se debe establecer elcontacto con el usuario cambia cuando éste se muev...
12Ilustración 1.6 Proceso de handover entre las celdasAl proceso de la transferencia automática de una comunicación (de vo...
13conexión con la BS original se corta antes de realizar la nuevaconexión a la nueva BS.Es el método más utilizado (por ej...
14conexiones colindantes están también por debajo del nivel deseado(por ejemplo cuando un inter-cell handover no proporcio...
15Capitulo II: Estandarización de las redes móviles2. Organismo2.1 3GPPEs un grupo fundado en 1998, con la finalidad de de...
16Esquema 2.1 Entidades de 3GPPLa organización 3GPP, inició actividades a finales de 1998, ademásrealizaron trabajos, enfo...
17El RAN TSG, fue considerado dentro del lanzamiento “Release 99” en laespecificación de la interface aérea UTRAN2, así lo...
18Esquema 2.3 Proceso de estandarizaciónIlustración 2.2 Ejemplo de estandarización2.1.2 Revisiones realizadas por 3GPPLos ...
19Tabla 2.1 Revisiones de 3GPPVersiónAño delanzamientoDescripciónRelease992000Especifica la primera red 3G UMTS,incorporan...
20WiMAX y LTE. Se establece el Dual-celularHSDPA con MIMO.Release102011LTE Advanced cumplimiento de los requisitosde IMT 4...
21Capítulo III: Contexto evolutivo de 3G a 4G3. Motivos del origen de la evoluciónLa importancia de entender la evolución ...
22Esquema 3.1 Evolución de servicios 2G a 4GAsí parte UTMS en año 2000, estableciendo como WCDMA como interfaceaérea para ...
23Ya así en el “Release 8” aparece la tecnología LTE o Long Term Evolution(Evolución a Largo Plazo), tema central de este ...
24Haciendo énfasis en el tráfico de información, cuando se implementó latecnología HSPA, la experiencia de servicio o el Q...
25Para las operadoras invertir en redes mucho más eficientes, es un grandesafío para ellas por el alto costo capital y cos...
26Gráfico 3.3 Volumen de tráfico vs costos de la red3.2 Revisión de tecnologías3.2.1UMTS/WCDMAEs un estándar correspondien...
27Ilustración 3.1 Relación de las tramas de radio con los chips en WCDMADe esta manera WCDMA, permite entregar ciertos ben...
28dinámica entre el enlace descendente y el ascendente. Este modo es idóneopara aplicaciones de tráfico asimétrico como pu...
29Mbps, es importante agregar que HSDPA, solo contempla mejoras a nivel deDL.3.2.2.1 Características principales de HSDPAL...
30Ilustración 3.4 Actualización de SW y HW en HSPA+
31Capítulo IV: Long Term Evolution (LTE)4. Contexto de LTECon el fin de desarrollar mejores capacidades en la transmisión ...
32 Apoyo a la movilidad. Reducción de la latencia. La experiencia de usuario mejorada. Convivencia con el legado de lo...
33Ilustración 4.1 Arquitectura de la red LTECada uno de los elementos correspondientes a la arquitectura ha sidopensado pa...
34“Packet Data Network” o también con la red PSTN, cada una de estasarquitecturas serán definidas en el capítulo 4.1.1.1 y...
354.1.1 Arquitectura E-UTRAN y EPC4.1.1.1 Arquitectura de la red de acceso E-UTRANLa definición a grandes rasgos de E-UTRA...
36Core). La interfaz S1 es compatible con una relación de muchos a muchosentre aGWs y eNBs”La función clave de un eNodoB, ...
37del Access Stratum, AS) como de la red troncal (denominada información delNon Access Stratum, NAS).Otro mecanismo, es el...
38las funciones de control, como por ejemplo, la ejecución del handover,establecimiento de las señales, paging, entre otra...
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El objetivo del presente trabajo, es obtener información de la tecnología LTE,
enfocada a los requerimientos técnicos, como ancho de banda, delay, jitter,
arquitectura de red, entre otras cualidades.

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  1. 1. REQUERIMIENTOS DE PARÁMETROS PARATRANSPORTE DE REDES LTE.GERSON RAMÓN CHAVARRÍA VERA.UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILEFACULTAD TECNOLOGICADEPARTAMENTO DE TECNOLOGIAS INDUSTRIALESProfesor Guía: Ariel ContrerasIngeniero Civil ElectrónicoMemoria para obtener el TítuloProfesional de Tecnólogo enTelecomunicaciones con GradoAcadémico de Bachiller enTecnologías.Santiago - Chile2011
  2. 2. IIDerechos de AutorSe autoriza la reproducción parcial o total de esta obra, con finesacadémicos, por cualquier forma, medio o procedimiento, siempre y cuandose incluya la cita bibliográfica del documento.© Gerson Chavarría Vera.
  3. 3. IIIHoja de Calificación
  4. 4. IVAgradecimientosQuiero agradecer, cada una de las personas que me apoyaron y memotivaron a la realización de esta tesis, a familia, en especial a mi hermanoFrancisco, por su apoyo y motivación. Además a mis amigos de launiversidad y del colegio.A cada uno de los profesores de la carrera, que con paciencia meentregaron las herramientas más importantes para mi futuro, como tambiénsus experiencias en el mundo laboral.Un agradecimiento en especial, a la gente del departamento de IngenieríaEléctrica de la Universidad de Chile, por la invitación al seminario de LTE.
  5. 5. VTabla de contenidosDerechos de Autor......................................................................................... IIHoja de Calificación ...................................................................................... IIIAgradecimientos ........................................................................................... IVTabla de contenidos....................................................................................... VÍndice de tabla............................................................................................... XIÍndice de ilustración ..................................................................................... XIIÍndice de esquemas....................................................................................XIVÍndice de gráficos.........................................................................................XVResumen ....................................................................................................XVIIntroducción ...............................................................................................XVIIIntroducción general ...............................................................................XVIIObjetivo General....................................................................................XVIIIObjetivos Específicos ............................................................................XVIIIProblema existente................................................................................XVIIIMetodología.............................................................................................XIXCapítulo I: Marco teórico................................................................................ 11. Marco Teórico: Sistema de telefonía celular ........................................ 11.1 Concepto de teléfono celular ............................................................ 21.2 Arquitectura general de una red telefónica móvil.............................. 21.2.1 Funcionamiento del esquema de telefonía móvil ....................... 31.3 Concepto de celda............................................................................ 31.3.1 Geometría de la celda................................................................ 41.3.2 Tipos de celda............................................................................ 61.3.3 Radio (longitud) de la Celda....................................................... 71.3.4 División de celdas ...................................................................... 81.4 Administración de frecuencias.......................................................... 91.4.1 Re-uso de frecuencia ................................................................. 91.4.2 Distancia de re-uso de frecuencia.............................................. 9
  6. 6. VI1.5 Asignación de canales.................................................................... 101.6 Conceptos de movilidad.................................................................. 101.6.1 Localización ............................................................................. 101.6.2 Handover en la red................................................................... 111.6.2.1 Tipos de handover ................................................................ 121.6.2.1.1 Desde el punto de vista de usuario.................................... 121.6.2.1.2 Desde el punto de vista de red .......................................... 13Capitulo II: Estandarización de las redes móviles........................................ 152. Organismo ......................................................................................... 152.1 3GPP........................................................................................... 152.1.1 Forma de operar de 3GPP ....................................................... 172.1.2 Revisiones realizadas por 3GPP.............................................. 18Capítulo III: Contexto evolutivo de 3G a 4G................................................. 213. Motivos del origen de la evolución ..................................................... 213.1 Los ejes evolutivos ......................................................................... 233.1.1 Necesidades de los clientes..................................................... 233.1.1 Necesidades de los operadores............................................... 243.2 Revisión de tecnologías.................................................................. 263.2.1 UMTS/WCDMA ........................................................................ 263.2.1.1 Funcionamiento de WCDMA................................................. 273.2.1.2 Arquitectura de la red WCDMA............................................. 283.2.2 HSDPA ........................................................................................ 283.2.2.1 Características principales de HSDPA.................................. 293.2.2.2 Arquitectura de HSDPA ........................................................ 293.2.3 HSPA+......................................................................................... 29Capítulo IV: Long Term Evolution (LTE) ...................................................... 314. Contexto de LTE ................................................................................ 314.1 Arquitectura general de LTE........................................................... 324.1.1 Arquitectura E-UTRAN y EPC.................................................. 354.1.1.1 Arquitectura de la red de acceso E-UTRAN.......................... 354.1.1.1.1 Interfaz de radio................................................................. 36
  7. 7. VII4.1.1.1.2 Interfaz S1 ......................................................................... 374.1.1.1.3 Interfaz X2 ......................................................................... 404.1.2 Arquitectura de la red troncal EPC........................................... 414.2 Protocolos en la red LTE ................................................................ 424.2.1 Stacks del protocolo en el plano de usuario de LTE ................ 424.2.2 Stacks del protocolo en el plano de control de LTE ................. 444.3 Movilidad en LTE ............................................................................ 484.3.1 Gestión de handover................................................................ 504.3.1.1 Ejecución de handover.......................................................... 514.3.1.2 Handover intra-LTE............................................................... 524.3.1.3 Handover con soporte de la interfaz X2................................ 524.3.1.4 Handover sin soporte de la interfaz X2 ................................. 53Capítulo V: Red de transporte ..................................................................... 555. Topología de un backhaul LTE .......................................................... 575.1 Soluciones tecnológicas en la red de transporte. ........................ 575.1.1 Tecnologías en el Backhaul de LTE......................................... 585.1.1.1 Ethernet ................................................................................ 585.1.1.2 IP/MPLS................................................................................ 595.2 Escenarios del backhaul en LTE .................................................... 615.2.1 Escenario con Carrier Ethernet ................................................ 625.2.1.1 Aplicabilidad.......................................................................... 625.2.1.2 Stack de protocolos .............................................................. 635.2.2 Escenario 2 Acceso con MPLS más VPN en L2/L3 ................. 645.2.2.1 Aplicabilidad.......................................................................... 655.2.2.2 Stack de protocolos .............................................................. 65Capítulo VI: Requerimientos técnicos de LTE y de la red de transporte(backhaul) .................................................................................................... 676. Performance en LTE.......................................................................... 676.1 Performance en perspectiva del usuario y operador ...................... 696.1.1 Performance en perspectiva del usuario.................................. 696.1.2 Performance en perspectiva del operador ............................... 706.2 Calidad de servicio (QoS)............................................................... 71
  8. 8. VIII6.2.1 Mecanismos de QoS en LTE ................................................... 726.2.1.1 Control de QoS a nivel de portadora..................................... 726.2.1.1.1 Parámetros de QoS........................................................... 746.2.1.1.2 Iniciación de la red en base al QoS ................................... 756.2.1.2 Control de QoS en el nivel de servicio de flujo de datos....... 776.2.1.2.1 La política y la Regla de Control de Carga ........................ 796.2.1.3 Control de QoS en el plano de control y de usuario.............. 796.3 Performance de LTE definido por 3GPP......................................... 806.3.1 Tasa de bit máximo en capa 1 ................................................. 826.3.2 Categorías de las UE ............................................................... 856.3.3 Performance a nivel de enlace................................................. 866.3.3.1 Performance en el enlace descendente................................ 866.3.3.2 Performance en el enlace ascendente.................................. 886.3.3.2.1 Impacto de ancho de banda de transmisión ...................... 886.3.3.2.2 Impacto del terminal móvil en movimiento......................... 896.3.3.3 Administración del enlaces ................................................... 916.3.3.3.1 Parámetros propuestos en el UL y DL a baja frecuencia... 926.3.3.3.2 Perdidas de trayectoria...................................................... 946.3.3.3.3 Rango de la celda.............................................................. 956.3.4 Eficiencia espectral .................................................................. 956.3.5 Latencia.................................................................................... 966.3.5.1 Latencia en el plano usuario ................................................. 966.3.5.2 Latencia en el plano de control ............................................. 976.3.6 Capacidad en el plano de control............................................. 996.3.7 Flexibilidad del espectro........................................................... 996.3.7.1 Flexibilidad en la disposición dúplex ..................................... 996.3.7.1.1 Frequency Division Duplex .............................................. 1006.3.7.1.2 Time Division Duplex....................................................... 1016.3.7.1.3 Ventajas y desventajas de la transmisión en FDD y TDD 1026.3.7.2 Flexibilidad en la banda de frecuencia................................ 1046.3.7.3 Flexibilidad en el ancho de banda....................................... 105
  9. 9. IX6.3.8 Cobertura ............................................................................... 1056.3.9 Complejidad ........................................................................... 1076.3.10 Retardo en el handover....................................................... 1076.3.11 Performance en la red Backhaul de LTE ............................ 1086.3.11.1 Tipo de tráfico en función clase de servicio. ....................... 1096.3.11.2 Recomendaciones del Throughput ..................................... 110Capítulo VII: Simulaciones e implementaciones en LTE............................ 1157. Introducción ..................................................................................... 1157.1 Simulación con LTE-Simulator...................................................... 1157.1.1 Parámetros de simulación...................................................... 1157.1.2 Resultados de la simulación................................................... 1167.1.2.1 Paquetes perdidos.............................................................. 1167.1.2.2 Retardo ............................................................................... 1177.1.2.3 Rendimiento........................................................................ 1187.1.2.4 Eficiencia en la celda .......................................................... 1197.2 Prueba de campo del performance en FDD ................................. 1207.2.1 Parámetros de la prueba de campo ....................................... 1207.2.2 Resultados de la prueba de campo........................................ 1227.2.2.1 Rendimiento para un usuario en el DL................................ 1227.2.2.2 Rendimiento en el UL para un solo usuario ........................ 1257.2.2.3 Rendimiento para múltiples UE........................................... 1257.2.2.4 Rendimiento del Handover en las bandas 2 GHz y 700 MHz ............................................................................................... 1267.3 Medición de LTE en aplicaciones de Gaming............................... 1277.3.1 First Person Shooter (FPS) y Racing ..................................... 1287.3.2 Estrategia en Tiempo Real (RTS) o Simulaciones ................. 1287.3.3 Multijugador Masivo Online juegos de rol (MMORPG)........... 1287.3.4 Juegos en tiempo no real (NRTG).......................................... 1287.4 Entorno de prueba LTE en la Universidad de Chile...................... 1307.4.1 Entorno de prueba y parámetros............................................ 131Capítulo VIII: Hardware de LTE ................................................................. 1338.1 Hardware en E-UTRAN ................................................................ 133
  10. 10. X8.2 Hardware en el EPC ..................................................................... 1408.3 Hardware en el backhaul .............................................................. 142Capítulo IX: Panorama de LTE en Chile .................................................... 145Capítulo X: Conclusiones........................................................................... 149Bibliografía................................................................................................. 152Referencias digitales. ............................................................................. 152Libros...................................................................................................... 154Manuales de proveedores ...................................................................... 154Journals.................................................................................................. 155Tesis....................................................................................................... 155
  11. 11. XIÍndice de tablaTabla 2.1 Revisiones de 3GPP.................................................................... 19Tabla 6.1 Estandarizadas características de QCI........................................ 75Tabla 6.2 Baseline del performance de LTE en el TR25.913 ...................... 82Tabla 6.3 Tasa de velocidad máxima en DL (Mbps).................................... 83Tabla 6.4 Tasa de velocidad máxima en UL (Mbps).................................... 83Tabla 6.5 Tasa de velocidad máxima en DL considerando el tamaño de losbloques de transporte .................................................................................. 84Tabla 6.6 Tasa de velocidad máxima en UL considerando el tamaño de losbloques de transporte .................................................................................. 84Tabla 6.7 Categorías de las UE................................................................... 86Tabla 6.8 Eficiencia en el ancho de banda de LTE en el DL utilizando 10MHz ............................................................................................................. 87Tabla 6.9 Beneficio de 900 MHz frente a 2600MHz..................................... 92Tabla 6.10 Datos del enlace ascendente..................................................... 93Tabla 6.11 Datos del enlace descendente................................................... 93Tabla 6.12 Elementos de la latencia............................................................ 97Tabla 6.13 Numero de banda de FDD en LTE .......................................... 101Tabla 6.14 Numero de banda de TDD en LTE .......................................... 102Tabla 6.15 Ventaja y desventaja de FDD y TDD en LTE........................... 103Tabla 6.16 Clase de tráfico en base a la prioridad..................................... 110Tabla 7.1 Parámetros de LTE en el simulador........................................... 116Tabla 7.2 Parámetros de las pruebas de campo ....................................... 121Tabla 7.3 Asignación de variables ............................................................. 123Tabla 7.4 Rendimiento para varias UE ...................................................... 125Tabla 7.5 Rendimiento del handover ......................................................... 127Tabla 7.6 Parámetro de configuración....................................................... 132
  12. 12. XIIÍndice de ilustraciónIlustración 1.1 Esquema general de un sistema de telefonía móvil ............... 3Ilustración 1.2 Geometría de la celda ............................................................ 4Ilustración 1.3 Celda hexagonal, clúster K=4................................................. 5Ilustración 1. 4 Mapa de radiación de una antena omnidireccional................ 6Ilustración 1.5 Establecimiento de una celda en base a la distribuciónpoblacional..................................................................................................... 7Ilustración 1.6 Proceso de handover entre las celdas.................................. 12Ilustración 2.1 Evolución de las tecnologías móviles ................................... 15Ilustración 2.2 Ejemplo de estandarización.................................................. 18Ilustración 3.1 Relación de las tramas de radio con los chips en WCDMA.. 27Ilustración 3.2 Arquitectura de la red WCDMA............................................. 28Ilustración 3.3 Arquitectura en la red HSDPA .............................................. 29Ilustración 3.4 Actualización de SW y HW en HSPA+ ................................. 30Ilustración 4.1 Arquitectura de la red LTE.................................................... 33Ilustración 4.2 Arquitectura E-UTRAN ......................................................... 35Ilustración 4.3 Mecanismos de la interfaz aérea para transmitir datos ........ 36Ilustración 4.4 Red de acceso E-UTRAN..................................................... 38Ilustración 4.5 Control de establecimiento de los servicios portadores........ 39Ilustración 4.6 Arquitectura EPC.................................................................. 41Ilustración 4.7 Procedimiento de handover basado en X2........................... 53Ilustración 4.8 Procedimiento de handover no basado en X2...................... 54Ilustración 5.1 Red típica del backhaul ........................................................ 55Ilustración 5.2 Tipos de topologías .............................................................. 57Ilustración 5.3 Carrier Ethernet .................................................................... 59Ilustración 5.4 Principio de conmutación en la red IP/MPLS........................ 60Ilustración 5.5 Convergencia de la red de transporte................................... 61Ilustración 5.6 Escenario de ethernet........................................................... 62Ilustración 5.7 Stack de protocolos con IEEE 802.1AD ............................... 63Ilustración 5.8 Stack de protocolos que soportan SDH................................ 64Ilustración 5.9 Escenario con MPLS, en una VPN L2/L3 ............................. 64Ilustración 5.10 Stack de protocolos en la VPN L2 ...................................... 65Ilustración 5.11 Stack de protocolos en la VPN L3 ...................................... 66Ilustración 6.1 Definición de la taza de datos requeridos en el Performancede LTE ......................................................................................................... 69Ilustración 6.2 Procedimiento de activación de la portadora dedicada ........ 76Ilustración 6.3 Arquitectura lógica de la PCC............................................... 78Ilustración 6.4 Arquitectura del servicio con portadora en EPS ................... 80Ilustración 6.5 Pérdidas de trayectoria en distintas tecnologías .................. 94Ilustración 6.6 Rango de celdas................................................................... 95
  13. 13. XIIIIlustración 6.7 Tiempo de ida y vuelta, en la red.......................................... 96Ilustración 6.8 Estados de transición ........................................................... 98Ilustración 6.9 Tecnología FDD y TDD ...................................................... 100Ilustración 6.10 Radio de la BS en la zona rural de Australia .................... 106Ilustración 6.11 Rendimiento máximo en el DL diferentes antenas UE ..... 107Ilustración 6.12 Red backhaul genérica en la telefonía móvil .................... 109Ilustración 6.13 Características del modelo cliente servidor ...................... 112Ilustración 6.14 Comunicación Peer-to-Peer ............................................. 112Ilustración 6.15 Velocidad de transmisión versus el tiempo de ida y vuelta........................................................................................................................ 114Ilustración 7.1 Zonas de pruebas, modelada con la aplicación TEMS....... 121Ilustración 7.2 Localización de la UE (estacionaria y en movimiento)........ 123Ilustración 7.3 Esquema de la arquitectura montada................................. 131Ilustración 7.4 Montaje de los equipos....................................................... 132Ilustración 8.1 Estación base de cualquier sitio de LTE............................. 134Ilustración 8.2 RBS Ericsson 6102............................................................. 134Ilustración 8.3 Radio Shelf en el RBS........................................................ 135Ilustración 8.4 Unidad digital...................................................................... 135Ilustración 8.5 Esquema de modulación y demodulación de la Unidad deRadio ......................................................................................................... 136Ilustración 8.6 Conexiones de cables ópticos ............................................ 137Ilustración 8.7 Antena SkyCross instalada en Estados Unidos.................. 138Ilustración 8.8 Tablet con soporte a LTE ................................................... 139Ilustración 8.9 Smathphone con soporte a LTE ......................................... 139Ilustración 8.10 Mobile Hotspot de Verizon LTE ........................................ 140Ilustración 8.11 Modem USB ..................................................................... 140Ilustración 8.12 Nodos de la puerta de enlace........................................... 141Ilustración 8.13 Nodos de control............................................................... 141Ilustración 8.14 Evolve Packet Core .......................................................... 142Ilustración 8.15 Red MPLS-TP implementadas con los equipos TN700.... 143Ilustración 8.16 Switch de Transporte Ethernet “BlackDiamond 8800”...... 144Ilustración 9.1 Conteiner de LTE perteneciente a Ericsson ....................... 145Ilustración 9.2 Modem 4G de Ericsson Chile ............................................. 146Ilustración 9.3 Inauguración del laboratorio de LTE................................... 147Ilustración 9.4 Evolve Packet Core instalado en el laboratorio .................. 148
  14. 14. XIVÍndice de esquemasEsquema 2.1 Entidades de 3GPP ............................................................... 16Esquema 2.2 Sub-división de RAN TSG ..................................................... 16Esquema 2.3 Proceso de estandarización................................................... 18Esquema 3.1 Evolución de servicios 2G a 4G............................................. 22Esquema 4.1 Protocolo entre la UE y la P-GW en E-UTRAN...................... 42Esquema 4.2 Stacks de protocolos entre el eNodoB y la S-GW ................. 43Esquema 4.3 Stacks de protocolos con acceso 2G por la interfaz S-4........ 43Esquema 4.4 Stacks de protocolos con acceso 3G por la interfaz S-12...... 44Esquema 4.5 Stacks de protocolos con acceso 3G por la interfaz S-4........ 44Esquema 4.6 Stack de protocolos entre el eNodoB y MME ........................ 45Esquema 4.7 Stacks de protocolos entre la UE y MME............................... 45Esquema 4.8 Stack de protocolos entre la UE y MME ................................ 46Esquema 4.9 Stacks de protocolos entre SGSN y S-GW............................ 46Esquema 4.10 Stacks de protocolos entre S-GW y P-GW .......................... 47Esquema 4.11 Stacks de protocolos entre la MME y MME ......................... 47Esquema 4.12 Stacks de protocolos la MME y S-GW ................................. 48Esquema 4.13 Stacks de protocolos entre la MME y HSS .......................... 48Esquema 4.15 Funcionamiento de la conectividad en LTE ......................... 49Esquema 4.16 Fases de función de transferencia....................................... 50
  15. 15. XVÍndice de gráficosGráfico 3.1 Penetrabilidad de la banda ancha móvil con la banda ancha fija..................................................................................................................... 23Gráfico 3.2 Tráfico de datos vs tráfico de voz en una red HSPA ................. 24Gráfico 3.3 Volumen de tráfico vs costos de la red...................................... 26Gráfico 6.1 Sensibilidad del eNodoB en LTE en función de la potenciarecibida con distintos anchos de banda entre 360 kHz, 1.08MHz y 4.5MHz 89Gráfico 6.2 Rendimiento del eNodoB en LTE, en función de la SNR con laUE en movimiento a diferentes velocidades ................................................ 90Gráfico 6.3 Valores requeridos para SNR, para diferentes eficienciasespectrales con la UE en movimiento.......................................................... 90Gráfico 6.4 Tiempos de entrega del handover........................................... 108Gráfico 7.1 Pérdida de paquetes en video................................................. 117Gráfico 7.2 Retardo en la transmisión de video ......................................... 118Gráfico 7.3 Rendimiento experimentado en la transmisión de video ......... 119Gráfico 7.4 Eficiencia espectral.................................................................. 120Gráfico 7.5 Escenario de los distintos videos juegos ................................. 130
  16. 16. XVIResumenLa tecnología LTE, correspondiente a la cuarta generación de la telefoníamóvil se convirtió en el estándar ya definido para las empresas operadoras,que buscan aprovechar la gran potencialidad en la transmisión de datos amúltiples usuarios a una alta tasa de transferencia, compitiendo con las ISPtradicionales.El objetivo del presente trabajo, es obtener información de la tecnología LTE,enfocada a los requerimientos técnicos, como ancho de banda, delay, jitter,arquitectura de red, entre otras cualidades.Para poder desarrollar aquel trabajo, se realizó una revisión exhaustiva delos requerimientos que exige la organización 3GPP en LTE, con el reléase 8,autores dedicados al área de la RF y manuales de los proveedores de latelefonía móvil. Comparando cada una de estas fuentes, se estableció undefinición única para poder responder, a los requerimientos distintas sePor último se establecieron ejemplos de implementación de redes LTE, parapoder comprender cuanto difiere los valores propuestos teóricamente conrespecto a una red gestionada a gran escala, como también se estableció unescenario de rendimiento en gaming, caracterizado por el alto rendimiento yun tratamiento especial en el QoS, para garantizar una mejor experiencia enel servicio hacia el usuario.
  17. 17. XVIIIntroducciónIntroducción generalActualmente la telefonía móvil busca romper el paradigma instaurado pormás de quince años en el inconsciente colectivo de los usuarios, de que, losteléfonos celulares solo sirve para poder llamar y recibir datos de voz, muypropio de los sistemas GSM (2G). Pero con la llegada del protocolo IP en lasredes de datos, el uso de aquel protocolo comenzó a crecer, convirtiéndoseen el protocolo por excelencia en la transmisión de redes no conectadasdirectamente. Para los sistemas móviles integrar no solo voz, sino quetambién datos e Internet, con la ayuda de IP, se convirtió en una nuevaaventura por parte de las operadoras en ofrecer este servicio, pero seaprontaba un problema dentro de la implementación, pero no eran losequipos móviles, ya que, la alta integración de la electrónica de lossemiconductores permitió lanzar al mercado celulares muy similares a loscomputadores personales, con sistemas operativos customizados,aplicaciones capaces de leer formatos multimedia como pdf, jpeg, avi, mp3,entre otros.El gran problema que se enfrentaron las operadoras, fueron las velocidadespara acceder a Internet, y este problema fue una falla multisistema, departida la tecnología de acceso del celular hacia la Internet, GRPS y EDGE(2.5G), entregaba velocidades muy bajas en comparación con la velocidadde acceso de Internet por ADSL, lo que no representaba una alta vialidadeconómica para la operadora móvil. La otra problemática era la arquitecturaofrecida por las tecnologías 2.5G, puesto que, el protocolo IP trabaja enbase a la conmutación de paquetes, así la red se deberían establecer dosposibles rutas, una red de conmutación de circuito para la voz y laconmutación de paquete para los datos que trabajan en función de IP, estoocasionaba un alto costo de operación y mantenimiento.La llegada de la nueva arquitectura UTRAN 3G, permitió soportar Internetdentro de las redes, pero las velocidades que ofrecía WCDMA y HSDPA, noentregaba una alta velocidad, como las ISP, de hecho, las ISP emigraron asistemas ópticos mucho más rentables como por ejemplo DWDM. Perocuando la entidad 3GPP lanzó HSPA+, les significo una gran motivaciónpara continuar con los servicios de Banda Ancha Móvil a los usuarios, así la3GPP en conjunto con los operadores, decidieron crear un nuevo estándarque corresponde a LTE o Long Term Evolution, estas permite entregar aaltas velocidades de transmisión, capaz de superar a las velocidadesofrecidas por las ISP en el mercado.
  18. 18. XVIIILa convergencia tecnología, en donde un dispositivo es capaz de soportarmúltiples servicios facilitó la necesidad de entrar con LTE como medio únicopara cumplir las exigencias del mercado. Además los usuarios empezaron ahacerse mucho más exigente en la calidad de servicio, quienes deseabantener una mejor cobertura, el servicio de Internet sea continuo, sumado conun precio accesible.El despliegue de 4G, permitiría poder suplir las desventajas de 3G y 3.5Gcon respecto a la utilización del protocolo IP dentro de sus redes detransporte, dentro de la tecnología LTE, la cual tienen como base a 3GPP,que anteriormente desarrollaron la tecnología HSDPA, en base acuerdos.Esto implica que muchas telcos, sientan familiaridad con LTE. Así LTE, serácapaz de transmitir velocidades teóricas de un máximo de 100Mbps, con unaarquitectura de red capaz de soportar plenamente IP, así entregandotiempos de latencia menores que HSDPA.Objetivo GeneralConocer, investigar, y analizar los requerimientos técnicos necesario, en lacual opera una red que trabaja con el estándar LTE, conociendo el altoimpacto que genera LTE tanto para los operadores como a los usuarios deesta tecnología de 4G y como la red de transporte influye en el cumplimientode dicho estándar.Objetivos Específicos Mencionar a las tecnologías móviles antecesoras que fundamentarona LTE (WCDMA, HSDPA, HSPA+). Entender las funciones de una red de transporte. Conocer las características de la tecnología móvil LTE. Definir las bandas de frecuencia en la cual opera. Enseñar el equipo necesario en la que trabaja LTE. Comprender los beneficios que entrega LTE. Dar a conocer ejemplos de redes ya implementadas, con susrespectivas mediciones.Problema existenteActualmente las operadoras deben cumplir las necesidades de los usuariosen cuanto a la conectividad, las redes ADSL que proveen Internet a susclientes y muchas veces por factibilidad técnica, entre ellas, la zonageográfica, que no pueden entregar dichos servicios. Por ello el acceso aInternet móvil, se convierte en una posible solución ante este problema de
  19. 19. XIXconectividad. Pero las tecnologías de acceso a Internet móvil, presentandeficiencias en lo referente al rendimiento de la velocidad que se les otorga alos usuarios finales. Pero para suplir estas falencias, la red de transporte decumplir ciertos parámetros de técnicos.De esta manera, la solución a este problema es LTE, quien propone soluciónen cuanto a la conectividad y a la velocidad de transmisión. Y es por estemotivo, que el presente trabajo de título necesita conocer a cabalidad losrequerimientos técnicos de una red LTE, junto con la red de transporte obackhaul.MetodologíaLa metodología a utilizar para poder conseguir el objetivo general de estetrabajo, se fundamenta en la recopilación exhaustiva de información, parapoder tener un amplio espectro de conocimiento sobre LTE. Dentro de lasfuentes a consultar serán: Lectura de journals (IEEE Xplorer). Revistar vinculadas al tema (IEEE Communication). Manuales de proveedores (Ericsson, NOKIA-SIMENS, HUAWEI). Libros (McGraw-Hill, JohnWiley & Sons, CRC Press).Después de la recopilación de datos, se procederá a la discriminación deesta, para tener los la información más acertada, que permita elcumplimiento del objetivo general.Como tercer paso se planteará un marco teórico de la telefonía móvilgeneral, con el fin de comprender ciertos detalles que rigen a los sistemasmóviles, como handover, celda, arquitectura, entre otros. Luego semencionarán las tecnologías antecesoras, que a sus constantes evolucionesy desarrollo permitieron definir a la LTE. Así el siguiente paso, corresponde adefinir los elementos que conforman una red LTE, luego se estudiarán lasfunciones y características de las redes de transporte en LTE. Permitiendoentender como dichos elementos influyen en el rendimiento. Para luegodefinir los requerimientos técnicos de LTE tanto en la red aérea de acceso ytransporte, soportado con ejemplos de implementación y sus respectivasmediciones.Por último se formularán las conclusiones pertinentes, sobre losrequerimientos de LTE, que influyen en el rendimiento del transporte dedatos dentro de dicha red.
  20. 20. 1Capítulo I: Marco teórico1. Marco Teórico: Sistema de telefonía celularEn este capítulo abordaremos de manera teórica, los conceptos másgenerales de la telefonía móvil, en base a cómo opera dicha tecnologíautilizando las ciencias físicas para explicar por ejemplo las propagaciones deondas entre una antena y el equipo del usuario, la administración de lasfrecuencia o la arquitectura que tiene la red, tomando en cuenta la delproveedor de servicio y del usuario. Es cierto que el avance de la telefoníamóvil ha sido vertiginoso en estos veintiún años, si tomamos comoreferencia el lanzamiento de la segunda generación de telefonía móvilconocida como 2G, la cual presentaba una diversidad de protocolos en laque regían cada zona geográfica (Norte América, Europa, Asia, entre otros),tales como GSM, Cellular PCS/IS-136 o IS-95/cdmaONE, lo que a futuroempezaron a evolucionar en función a los requerimientos del clientes y unanecesidad tecnológica en la integración de IP dentro de sus redes, por ello lacomplejidad aumentaba lo que implicaba una nueva arquitectura dentro de lared, pero para poder entender cada protocolo o arquitectura debemosanalizar sus componentes que lo integran.Dentro de los objetivo que presenta el sistema de telefonía celular, elacadémico de la Universidad Nacional de Rosario, Renzo Mare, definió losobjetivos en el cual motivo al desarrollo de las comunicaciones, tales como: Alta capacidad de servicio, capacidad para dar servicio de tráfico avarios millones dentro de una zona determinada y con un espectroasignado. Uso eficiente del espectro, uso eficiente de un recurso muy limitadocomo es el espectro de radio asignado al uso público. Adaptabilidad a la densidad de tráfico, la densidad de tráfico varia enlos distintos puntos de un área de servicio, el sistema se tiene queadaptar a estas variaciones. Compatibilidad, seguir estándar, de forma tal de proveer el mismoservicio básico, con las mismas normas de operación a lo largo detodo país. Facilidad de extensión, se trata que un usuario pueda cambiar deárea de servicio pasando a una distinta y tener la posibilidad decomunicarse (Roaming). Servicio a vehículos y portátiles. Calidad de servicio, implica seguir niveles estándares de bloqueo ycalidad de voz.
  21. 21. 2 Accesible al usuario, el costo del servicio pueda ser pagado por ungran número de personas.1.1 Concepto de teléfono celularEl teléfono celular es importante tenerlo en cuenta, ya que, es la interfazentre los usuarios para poder ejecutar o recibir la información,comportándose como un dispositivo dual, en cual la transmisión es full-duplex en donde utiliza una frecuencia para hablar y una segunda frecuenciaseparada para escuchar, es decir, que ambas personas en la conversaciónpueden hablar a la vez.1.2 Arquitectura general de una red telefónica móvilDentro de este esquema, se establece en base a una sinergia de elementos,en la cual, si uno falla o no se encuentra presente, la red no opera. Loscomponentes que lo definen son: Estaciones móviles (MS). Son los equipos que prestan el servicioconcreto en el lugar, instante y formato (voz, datos o imágenes). Cadaestación móvil puede actuar como emisor, receptor o ambos modos. Estaciones base (BS). Se encargan de mantener el enlaceradioeléctrico entre la estación móvil y la estación de control durantela comunicación. Atiende a una o varias estaciones móviles. Estaciones de control (BSC). Realiza las funciones de gestión ymantenimiento del servicio. Asigna las estaciones base de un sector,a las estaciones móviles que se desplazan dentro de él. Centro de conmutación (MSC). Permiten la conexión entre las redespúblicas y privadas con la red de comunicaciones móviles y lainterconexión entre estaciones móviles localizadas en distintas áreasgeográficas de la red móvil.
  22. 22. 3Ilustración 1.1 Esquema general de un sistema de telefonía móvil1.2.1 Funcionamiento del esquema de telefonía móvilPara poder entender este esquema, debemos ubicarnos en el plano de unusuario emisor, en la cual, desea realizar una llamada a un receptor ya seafijo o dinámico. La señal que envía hacia la antena solicitandoestablecimiento de la conexión de un determinado número (señal digitalcodificada), para luego enviar la señal a un “switch” o conmutador.1.3Concepto de celdaA grandes rasgos la idea de celda corresponde al “área en el cual un sitio detransmisión particular es el más probable de servir llamadas telefónicasmóviles”, para el operador de la red telefónica móvil, corresponde a la zonade cobertura que posee una transmisor (antena) o una estación base. Ahorabien, el área en que entrega la cobertura, está sujeta a un amplio espectrode parámetros tales como: Potencia de la antena. Banda de frecuencia utilizada. Altura y posición de la torre. Tipo de antena. Topografía de la zona. Sensibilidad del radio receptor.
  23. 23. 41.3.1 Geometría de la celdaLa geometría es un factor delimitador que utilizan las operadoras paradeterminar qué zonas van a transmitir el servicio en cada canal usado,siendo importante para evitar interferencias de co-canal1. Dentro de lageometría de la celda, se puede apreciar tres tipos de celda, estas son laficticia, ideal y real, tal como se puede apreciar en la siguiente imagen.Ilustración 1.2 Geometría de la celdaLa celda ficticia esta representa por su figura geométrica en base dehexágonos, de igual forma a los hexágonos de un panal de abeja, aqueldiseño fue definido por los ingenieros del Laboratorio Bell, por la razón deque las relaciones geométricas que presenta el hexágono, al agruparlos enla misma proporción las celdas no presentan espacios vacíos nitransposiciones entre otras celdas. Ahora bien, un conjunto de celdas se ledenomina, grupo o “cluster”.1El concepto de co-canal, se refiere a dos señales, de las cuales sus portadoras ocupan unmismo canal.2UTRAN (UMTS Terrestrial Radio Access Network) o en español Red de Acceso Radio
  24. 24. 5Ilustración 1.3 Celda hexagonal, clúster K=4En cambio la celda ideal toma la forma de circunferencia, puesto que, lasantenas que tiene cada celda, corresponden a la clase de antena isotrópicaposicionada en el centro de la celda. Importante recordar que una antenaisotrópica, teóricamente presenta una radiación esférico perfecto y unaganancia lineal unitaria.Por último la geometría real de una celda, corresponde a la forma real quetienen las antenas, ya que, agrandes rasgos una antena celular son antenasdireccionales que para lograr la geometría ideal, se instalan antenassectoriales para lograr la forma de una antena omnidireccional.
  25. 25. 6Ilustración 1. 4 Mapa de radiación de una antena omnidireccional1.3.2 Tipos de celdaLa empresas operadoras de servicios móviles, al momento de definir el tipode celda, el planificador de la red, debe prestar atención a la densidaddemográfica, ya que, cada zona es muy variada de acuerdo a la distribuciónde las personas. Es importante destacar que el planificador de red no solo sepreocupa de la densidad, también del tráfico que realizan los usuarios(Erlang) y de la topografía, pero para poder determinar el tipo de celda solose necesita tener en consideración la densidad poblacional de un área enespecífico.
  26. 26. 7Ilustración 1.5 Establecimiento de una celda en base a la distribuciónpoblacional Macro celdas, son celdas grandes para áreas con población dispersa. Micro celdas, las celdas se particionan para aumentar ladisponibilidad de los canales, además presenta una potencia detransmisión menor. Este tipo de celda se utiliza mucho en zonaspoblacionales densas. Celdas Selectivas, tiene que ver con la limitación de la zona decobertura, por ejemplo, el túnel del Metro de Santiago, tener unacelda que su cobertura sea 360º es algo ineficiente.1.3.3 Radio (longitud) de la CeldaEl radio de máximo está determinado por la relación señal a ruido (S/N), laseñal mayor a los 18 dB, otorga una calidad de servicio satisfactoria, pero enla práctica, la longitud se encuentra limitada por la topografía, producto de laexistencias de obstáculos naturales o artificiales, las propiedades físicas dela antena, como valores de configuración de inclinación de la antena, comotambién la potencia entregada por el equipo.
  27. 27. 81.3.4 División de celdasDentro de la literatura técnica, la división de la celda es conocida tambiéncomo “cell splitting”, el objetivo que tiene la división de las celdas, serelaciona con la eficiencia del espectro, pero a grandes rasgos este conceptose refiere al proceso de subdividir una celda congestionada (alta demandade tráfico) en otras celdas más pequeñas, y estas poseen sus propiasestaciones bases, como también, su reducción en la altura de la antena y supotencia de transmisión. Con ello permite incrementar la capacidad de unsistema telefónico móvil, dado que incrementa el número de veces que sereutilizan los canales (en el tema 1.4, se acotara a cabalidad), estableciendonuevas celdas más pequeña que las celdas originales, instalando estaspequeñas celdas entre las celdas existentes, incrementando la capacidad,debido al aumento de los canales por unidad de área.Cuando empieza aumentar la densidad de tráfico, sumado con los canalesde frecuencia en cada celda, que no pueden entregar las correspondientesllamadas realizadas por el usuario, la celda original se divide en celdas máspequeñas, con la mitad del radio de la celda original. Para lograr la divisiónde la celda se realiza mediante una ecuación.Ecuación 1.1 Establecimiento del radio de la nueva celdaEn base a la Ecuación 1.1 Establecimiento del radio de la nueva celda, sedetermina otra ecuación.Ecuación 1.2 Establecimiento de nueva área de la celdaEn teoría vemos que cada celda lleva la misma carga de trafico cargado dela celda original, matemáticamente determinado.Ecuación 1.3 Relación de las nuevas celdas con la carga de tráfico
  28. 28. 91.4 Administración de frecuenciasComo se mencionó anteriormente, los sistemas de telefonía móvil poseendos frecuencias, una para transmitir y la otra para recibir, simultáneamente lavoz, pero este recurso no es infinito, al contrario, es escaso. Una forma deoptimizar los recursos (frecuencia), se instauró el concepto de re-uso defrecuencias, en la que define el uso de las mismas frecuencias portadoraspara establecer distintas áreas separadas por una longitud extensa, paraevitar el problema de interferencia de co-canal. Una forma de reducir dichainterferencia, es el establecimiento de una separación geográfica.1.4.1 Re-uso de frecuenciaEste concepto es considerado, el más importante dentro de los sistemas detelefonía móvil, ya que, permite a los usuarios que están ubicados en celdasdistintas pudiendo utilizar la misma frecuencia simultáneamente, porconsiguiente, puede ser utilizado tanto en el dominio del tiempo y espacio.Cuando nos referimos al dominio del tiempo, se ocupa la misma frecuenciapero en diferentes espacios de tiempo (time slots); a esto se le llamamultiplexación por división de tiempo o anglosajonamente “time divisionmultiplexing” (TDM).En cambio cuando nos referimos al re-uso de frecuencia, mirado desde eldominio del espacio, es posible encontrar dos condiciones. La primeracondición, se refiere cuando una misma frecuencia asignada en dos áreasgeográficas distintas. La segunda condición, establece una mismafrecuencia usada reiteradamente en una misma zona.1.4.2 Distancia de re-uso de frecuenciaEste concepto se encuentra designado por muchas variables, tales como, laaltura de la antena, transmisión de la potencia en las celdas, zona geográficay el número de celdas co-canales en la vecindad de la celda central. Usandolas matemáticas uno puede determinar la distancia de re-uso de frecuencia.Ecuación 1.4 Distancia de re-uso de frecuencia√
  29. 29. 101.5 Asignación de canalesPara la utilización eficiente del espectro de radio, se requiere un sistema dereutilización de frecuencias que aumente la capacidad y minimice lasinterferencias. Se han desarrollado una gran variedad de estrategias deasignación de canales para llevar a cabo estos objetivos. Las estrategias deasignación de canales se pueden clasificar en fijas o dinámicas. La elecciónde la estrategia de asignación de canales va a imponer las característicasdel sistema, particularmente, en cómo se gestionan las llamadas cuando unusuario pasa de una celda a otra, este proceso de denomina, handover.En una estrategia de asignación de canales fija, a cada celda se le asigna unconjunto predeterminado de canales. Cualquier llamada producida dentro dela celda, sólo puede ser recibida por los canales inutilizados dentro de esacelda en particular. Si todos los canales de esa celda están ocupados, lallamada se bloquea y el usuario no recibe servicio. Existen algunas variantesde ésta estrategia. Una de ellas permite que una celda vecina le prestecanales, si tiene todos sus canales ocupados. El Centro de ConmutaciónMóvil ("Mobile Switching Center" ó MSC) supervisa que estos mecanismosde presta canales, no interfieran ninguna de las llamadas en progreso de lacelda donadora.En una estrategia de asignación de canales dinámicos, los canales no sefijan en diferentes celdas permanentemente. En su lugar, cada vez que seproduce un requerimiento de llamada, la estación base servidora pide uncanal al MSC. Éste entonces coloca un canal en la celda que lo pidió,siguiendo un algoritmo que toma en cuenta diversos factores, como son lafrecuencia del canal, su distancia de reutilización, y otras funciones. Lasestrategias de asignación dinámicas aumentan las prestaciones del sistema,pero requieren por parte del MSC una gran cantidad de cómputo en tiemporeal.1.6 Conceptos de movilidad1.6.1 LocalizaciónLa movilidad de los usuarios en un sistema celular, es una de las mayoresdiferencias con la telefonía fija, en particular con las llamadas recibidas. Unared fija, puede encaminar una llamada hacia un usuario fijo simplementesabiendo su dirección de red (número de teléfono), dado que el conmutadorlocal, al cual se conecta directamente la línea del abonado, no cambia. Sin
  30. 30. 11embargo en un sistema celular la celda en la que se debe establecer elcontacto con el usuario cambia cuando éste se mueve. Para recibirllamadas, primero se debe localizar al usuario móvil, y después el sistemadebe determinar en qué celda está actualmente.En la práctica se usan tres métodos diferentes para tener que cumplir elconcepto de movilidad. En el primer método, el equipo móvil indica cadacambio de celda a la red, la cual, se le llama actualización sistemática de lalocalización al nivel de celda. Cuando llega una llamada, se necesita enviarun mensaje de búsqueda sólo a la celda donde está el dispositivo móvil, yaque, ésta es conocida. Un segundo método sería enviar un mensaje depágina a todas las celdas de la red cuando llega una llamada, evitándonosasí la necesidad de que el móvil esté continuamente avisando a la red de suposición. El tercer método es un compromiso entre los dos primerosintroduciendo el concepto de área de localización.Un área de localización, es un grupo de celdas en que cada una de ellaspertenecientes a un área de localización simple. La identidad del área delocalización a la que una celda pertenece se les envía a través de un canalde difusión ("broadcast"), permitiéndoles a los equipos móviles saber el áreade localización en la que están en cada momento. Cuando un equipo móvilcambia de celda se pueden dar dos casos: ambas celdas están en la mismaárea de localización: el equipo móvil no envía ninguna información a la red.Las celdas pertenecen a diferentes áreas de localización: el equipo móvilinforma a la red de su cambio de área de localización.1.6.2 Handover en la redEn el apartado anterior se trataron las consecuencias de la movilidad en el“modo idle”. En el “modo dedicado”, y en particular cuando una llamada estáen progreso, la movilidad del usuario puede inducir a la necesidad decambiar de celda servidora, en particular cuando la calidad de la transmisióncae por debajo de un umbral previamente definido.Con un sistema basado en células grandes, la probabilidad de que ocurraesto es baja y la pérdida de una llamada podría ser aceptable. Sin embargo,si queremos lograr grandes capacidades tenemos que reducir el tamaño dela celda, con lo que el mantenimiento de las llamadas es una tarea esencialpara evitar un alto grado de insatisfacción en los abonados.
  31. 31. 12Ilustración 1.6 Proceso de handover entre las celdasAl proceso de la transferencia automática de una comunicación (de voz odatos) en progreso de una celda a otra para evitar los efectos adversos delos movimientos del usuario se le llama "handover" (o "handoff"). Esteproceso requiere, primero algunos medios para detectar la necesidad decambiar de celda mientras estamos en el “modo dedicado” (preparación delhandover), y después se requieren los medios para conmutar unacomunicación de un canal en una celda dada a otro canal en otra celda, deuna forma que no sea apreciable por el usuario.1.6.2.1 Tipos de handoverEl handover se puede producir de diferentes maneras, por ello en términosgenerales se clasifica en dos categorías, desde el punto de vista del usuarioy de red. A continuación se hace una breve descripción de los distintos tiposde handover.1.6.2.1.1 Desde el punto de vista de usuarioEl proceso de traspaso se realiza de forma transparente al usuario, de modoque las transiciones entre una célula y otra, sean suficientemente pequeñascomo para pasar desapercibidas por los usuarios. Hard-Handover, antes del proceso de traspaso, el móvil estáconectado a su estación base origen. Durante el proceso deHandover, se desconecta de ésta y durante un tiempo (del orden demilisegundos) no está conectada a ninguna otra BS. Mediante esteprocedimiento, se usa por lo tanto, un solo canal. De éste modo la
  32. 32. 13conexión con la BS original se corta antes de realizar la nuevaconexión a la nueva BS.Es el método más utilizado (por ejemplo en GSM) a pesar de sermenos fiable que el siguiente caso que se explica, soft-handover.Fundamentalmente, se usa hard-handover en FDMA y TDMA cuandose usan diferentes rangos de frecuencias en canales adyacentes paraminimizar las interferencias de canal. De esta forma MS se mueve dela una BS a otra BS, ya que es imposible la comunicación con ambasBS (desde diferentes frecuencias). Soft-Handover, en este caso, durante el proceso de traspaso el móvilestará conectado mediante un canal a la BS origen y mediante otrocanal a la BS destino. Durante dicho proceso, la transmisión serealiza en paralelo por los dos canales, es decir, no se produceinterrupción del enlace. Con dicho sistema se asegura una conexióncon la estación base de la nueva celda antes de cortar con laconexión antigua. Éste es el sistema que proporciona muchafiabilidad, a pesar de tener, por el contrario, una difícil implementación(sólo en CDMA ONE ).Los estándares CDMA y WCDMA utilizan softhandover. Sin handover: en el caso de que no se realice handover, no se realizatraspaso entre BSs. Simplemente el MS establece una nueva llamadaal salir del área de cobertura de la BS. Ello presenta una gran ventaja,la de poseer un procedimiento mucho más simple, lo que conlleva, porotro lado necesita una gran velocidad de establecimiento de llamada.1.6.2.1.2 Desde el punto de vista de redDesde el punto de vista de red encontramos diferentes clasificaciones sisuponemos que estamos en hard-handover o bien el soft-handover.Caso para hard-handover: Intra-Cell Handover, en un sistema normal, con varias redes. Sólo serealiza intra-cell handover cuando la calidad de conexión de un canalfísico (que ha sido medido por la misma BS) está por encima del niveldeseado. De tal manera que intra-cell handover puede realizar uncambio de slot en la misma frecuencia (TDMA), un cambio defrecuencia (FDMA) o un cambio de frecuencia y tiempo simultaneo.Sin embargo, no existe actualmente ningún criterio para realizar intra-cell handover cuando los límites de la conexión de salida están pordebajo del nivel deseado por la BS, especialmente cuando las
  33. 33. 14conexiones colindantes están también por debajo del nivel deseado(por ejemplo cuando un inter-cell handover no proporciona ningunasalida que mejore la calidad). Inter-Cell Handover, este es el tipo de handover más simple. Seránecesario cuando la señal de la conexión de un canal físico sea baja.Para evaluar la calidad de la conexión, el móvil constantementetransmite los valores de las medidas RXLev (nivel recibido medido porel teléfono) y las RXQual(el radio del error de bit determinado) a laBS. Si la BS quiere entregar el teléfono a otro canal, lo que necesitaes informar al teléfono sobre el número del nuevo canal y su nuevaconfiguración. El teléfono cambia directamente al nuevo canal ypuede mantener ambas configuraciones para la sincronización de laBS. El proceso de Intra cell handover es posible realizarlo entrediferentes bandas de GSM.Caso para soft-handover: Softer handover, en este caso, la BS recibe dos señales separadas através del canal de propagación. Debido a las reflexiones sobreedificios o barreras naturales, la señal enviada desde las MS llega ados sectores distintos de la BS. Las señales recibidas durante elproceso de softer handover se tratan de una manera semejante a lasseñales muli-path. Soft handover, este caso es muy similar al caso anterior de softerhandover pero en éste caso las celdas pertenecen a más de un nodo.Para ello se realiza una combinación mediante RNC. Es posiblerealizar simultáneamente soft y softer handover.
  34. 34. 15Capitulo II: Estandarización de las redes móviles2. Organismo2.1 3GPPEs un grupo fundado en 1998, con la finalidad de desarrollarespecificaciones técnicas de las redes móviles, basándose en la tecnologíapadre, GSM, para luego formar el estándar UMTS, correspondiente a 3G,llegando actualmente a definir la estandarización LTE, como tecnología de4G, dejando atrás a WCDMA, HSDPA y HSPA+. El impacto que tuvo GSM anivel mundial, incluyendo a nuestro país, permitió el mejoramiento yconstante actualizamiento, logrando que muchas empresas operadoras deservicios de telefonía móvil adoptaran los estándares impulsados por 3GPPactualmente, tal como lo muestra la imagen presentada a continuación.Ilustración 2.1 Evolución de las tecnologías móvilesEl génesis de esta organización se estableció mediante la fusión de otrasentidades estandarizadoras, tales como ARIB (Japón), ETSI (Europa), T1P1(EEUU), pero a futuro la T1P1 se pasó a llamar ATIS. Luego en 1999 laentidad China CWTS se unió, aportando con la tecnología TD-SCDMA,basado en TDD, la cual el transmite el tráfico del “Up Link” (UL) y “Down Link(DL)” sobre diferentes ranuras de tiempo de la misma trama. Con el tiempola organización “China Wireless Telecommunication Standard Group”(CWTS), paso a llamarse “China Communications Standard Association”(CCSA). De esta manera en el Esquema 2.1, se puede observar losmiembros actuales que conforman la 3GPP.
  35. 35. 16Esquema 2.1 Entidades de 3GPPLa organización 3GPP, inició actividades a finales de 1998, ademásrealizaron trabajos, enfocados en los aspectos técnicos a principio de 1999,con la finalidad de crear una estandarización común, la cual se le llamó“Release 99”, la cual, corresponde a la primera especificación sobre lasredes de telefonía 3G. Este lanzamiento, fue la que sentó las bases de lasfuturas redes telefónicas (HSPA, HSPA+ y LTE) basadas en GSM, tomandoen cuenta la transferencia de tráfico de alta velocidad en la conmutación decircuitos y conmutación de paquetes.Dentro de 3GPP, existen cuatro grupos de especificación técnica o TSG,proveniente del inglés “Technical Specification Groups”, dicho grupo sedefinen como: “Radio Access Network TSG”, “Core Network TSG”, “Serviceand System Aspects TSG” y “Terminal TSG”. Dentro de la tecnologíaWCDMA, correspondiente a la tercera generación, toma importancia el grupo“Radio Access Network TSG”, dicha TSG fue nuevamente dividida en cincosub-grupos de trabajadores o “working groups”, como se aprecia en elsiguiente esquema.Esquema 2.2 Sub-división de RAN TSG3GPPETSI ARIB TTA ATIS CCSA TTCRadio Access Network TSGWG 1Radio Layer 1WG 2Radio Layer 2/3WG 3Architectute andInterfaceWG 4RadioPerformance andRF ParametersWG 5TerminalConformanceTesting
  36. 36. 17El RAN TSG, fue considerado dentro del lanzamiento “Release 99” en laespecificación de la interface aérea UTRAN2, así los miembros de laorganización asumieron individualmente en desarrollar estándares, tomandoen cuenta las especificaciones realizadas por 3GPP. Un ejemplo de esto, esel caso de la organización ETSI, realizó un lanzamiento llamado “Release-99”3sobre UMTS, que es idéntico al “Release 99” de 3GPP.Por ello 3G/UMTS, tiene como objetivo aumentar la capacidad del sistema,permitiendo aumentar la cantidad de usuarios que requieran servicios de vozy datos. Por norma UMTS trabaja con WCDMA, como tecnología de accesoal medio, basándose en el ensanchamiento del ancho de banda, permitiendola eficiencia del espectro radioeléctrico.2.1.1 Forma de operar de 3GPPEsta organización se define en “work ítems” o elementos de trabajo, de loscuales definen un motivo y objetivo para una nueva característica dentro deuna determinada tecnología. Los elementos de trabajo, a menudo contienelas especificaciones para ser implementadas y ser agendadas para suejecución; también necesitan ser apoyadas por las cuatro TSG pero enrealidad necesitaban contar con algún motivo que puedan ser acordadosen los respectivos cuatro grupos de especificación técnica del nivel RAN.No obstante, cada “work ítem” es designado un relator, que tiene comoobjetivo de coordinar todo el trabajo y procurar de informar a los TSG todoslos progresos realizados por parte de los “working group”. Por consiguientelos cuatro TSG, concretan reuniones cada tres meses para supervisar dichosavances. Cuando todos los “working group” terminan el “work item” se creanlas solicitudes de cambio o “change requests”, estos contienen todos loscambios necesarios en cada especificación en particular. Una vez que esaprobado por todos los niveles de la TSG, la estandarización es actualizadaen una nueva versión con todos los cambios realizados.Para resumir y quedar más claro, el proceso que tiene la 3GPP deimplementar una nueva estandarización, se mostrará acontiación elEsquema 2.3, además un ejemplo de las fases de estudios que realizan los“working group” hasta llegar a la fase de estandarización en una tecnologíadeterminada.2UTRAN (UMTS Terrestrial Radio Access Network) o en español Red de Acceso RadioTerrestre UMTS, permite a los terminales de usuario acceder al núcleo de red de UMTS.Los principales elementos de red de UTRAN son los Nodos B y los RNCs (Radio NetworkControllers). (Fuente Wikipedia)3Se puso un guión para diferenciar el “Release-99” de ETSI con el “Release 99” de 3GPP
  37. 37. 18Esquema 2.3 Proceso de estandarizaciónIlustración 2.2 Ejemplo de estandarización2.1.2 Revisiones realizadas por 3GPPLos procesos de estandarización se establecen en una revisión anualdenominado “Release”, ofreciendo a los desarrolladores una plataformaestable para la implementación y para permitir la adición de nuevascaracterísticas que requiere el mercado.Actualmente los documentos están disponibles gratuitamente en el sitioweb de la 3GPP, en donde se encuentran todos losestándares 3GPP descritos. La información que contiene los “Release”, soncompletos y detallados para dar una idea de cómo funciona la industria dela telefonía móvil. Dentro de la información que contienen, abarcan desde lainterfaz área, la red central, codificación de voz, entre otras características.
  38. 38. 19Tabla 2.1 Revisiones de 3GPPVersiónAño delanzamientoDescripciónRelease992000Especifica la primera red 3G UMTS,incorporando una interfaz de aire CDMARelease 4 2001Se incorpora nuevas características, comosoporte de servicios de mensajería multimedia,como también en la red del núcleo (CoreNetwork) pasa ser todo IP (Internet Protocol)Release 5 2002Se introduce el concepto de IMS (IPMultimedia Subsistem), el permite latransmisión eficiente de IP en los datos demultimedia en las redes móviles, empleando laconmutación de paquete de IP y el protocoloSIP. Se introdujo la tecnología HSDPA, quepermite la optimización del espectro en el canaldescendente, con el objetivo de alcanzarvelocidades de baja hasta 14 Mbps (valorteórico máximo)Release 6 2004Se agrega la tecnología HSUPA (Hight SpeedUplink Packet Access) que ofrece una mejorasustancial en la velocidad para el tramo desubida, desde el terminal móvil hacia la red,entregando una alta tasa de transferencia desubida hasta 7.2 Mbps. También se adiciona elservicio MBMS (Multimedia BroadcastMulticast Service), permite la entrega eficientede los servicios de broadcast y multicast parala difusión en varias celdas en una frecuenciaúnica, logrando asi la entrega de servicios deradiodifusión (Push To Talk) y TVMovil.Release 7 2007Se centra en la disminución de la latencia,mejora de calidad de servicio y aplicaciones entiempo real como VoIP. Esta especificacióntambién se centran en HSPA + (Evolved HighSpeed Packet Access), el protocolo SIM dealta velocidad.Release 8 2008Corresponde al primer lanzamiento oficial deLTE, utilizando una red 100% IP. Se agregannuevas características, como la multiplexaciónpor OFDMA. Se suma la mejora de antenasmúltiples. Aparece una nueva arquitectura,formada por EPS (Evolved Packet System),RNC (Radio Network Controller) y el eNodeB.Release 9 2009Mejoras en el SAE (System ArchitectureEvolution). Se define la interoperabilidad
  39. 39. 20WiMAX y LTE. Se establece el Dual-celularHSDPA con MIMO.Release102011LTE Advanced cumplimiento de los requisitosde IMT 4G avanzada. Compatible con laversión 8 (LTE). Multi-celular HSDPA (4 operadores).Release112012La interconexión IP avanzado de losServicios. Servicio de interconexión entre losoperadores nacionales capa / operadores, asícomo otros proveedores de aplicaciones deotros fabricantes. Contenido sigue abierta (apartir de abril de 2011).
  40. 40. 21Capítulo III: Contexto evolutivo de 3G a 4G3. Motivos del origen de la evoluciónLa importancia de entender la evolución de las distintas tecnologías descritaen cada una de las generaciones de la telefonía móvil, radica en lanecesidad de comprender LTE, por lo tanto, se hace indispensable realizaruna revisión de las tecnologías antecesoras, recordando que en el Capítulo2, vimos las regulaciones y muchas de estas son mejoras en los sistemas,con la finalidad de adaptar las necesidades del cliente, para justificar laexistencia de las empresas proveedoras como las operadoras.Partiremos definiendo las tecnologías de la tercera generación hasta llegar ala cuarta generación, para luego describir detallamente las característicastécnicas y operacionales de LTE (4G). Es importante destacar que LTE esuna evolución en base a GSM (2G) y no describiremos ninguna tecnologíaen base a 2G, ya que, estas redes están pensadas principalmente al tráficode voz, en cambio 3G el tráfico está orientado a datos, principalmente alacceso de internet en los equipos móviles, permitiendo a las operadorascompetir con otro nicho dentro del negocio de las telecomunicaciones, lainternet fija o de acceso a ADSL. Así lo confirma la empresa Bytemobile,encargada de optimizar el tráfico a los operadores, quien afirma “hasta un 60por ciento del tráfico de datos del móvil lo generan los consumidores que venvídeos en sus teléfonos”4, a esto se debe a que existe actualmente unaconvergencia del protocolo IP, permitiendo la transmisión múltiples servicioscomo imágenes, música, video y datos.4Extraído del reportaje “Estadística tráfico de datos móviles”. Fuentehttp://www.nuevastecnologias.com/estadisticas-trafico-de-datos-moviles-21-06-2011/
  41. 41. 22Esquema 3.1 Evolución de servicios 2G a 4GAsí parte UTMS en año 2000, estableciendo como WCDMA como interfaceaérea para la utilización eficiente del espectro, estableciendo un puenteentre 2G y 3G, para el cual entrega una velocidad máxima de 2 Mbps.Durante Marzo del 2004, se realiza una evolución de la especificación deUMTS, la cual se integra TD-SCDMA, conocida como tecnología CDMAsíncrona por división en el tiempo; dicha especificación se denominó“Release 4”.Durante el 2002 se instaura el “Release 5”, agregado paquetes de datos alos servicios UMTS, alcanzando una tasa transmisión de 14 Mbps, dichatecnología fue un hito para las operadoras, puesto que, lograron integrarservicios de voz y datos dentro de la redes de telefonía móvil, siendo unarevolución dentro del mercado sumando, al ingreso teléfonos inteligentes o“smartphones” y módems USB. Esta tecnología de optimización se conociócomo HSDPA o 3.5G, que para nuestro país no pasó inadvertido, de hecho,Chile se convirtió en el primer país de Latinoamérica en emplearla en el año2006.En el lanzamiento del “Release 6” se establece una mejora con un enlace desubida dedicado (E-DCH), pero manteniendo el fundamento de latransmisión de paquetes de HSDPA, logrando en el UL una tasa detransferencia máxima de 7.2 Mbps. Esta tecnología es conocida comoHSUPA y se relaciona como la generación 3.75G. Ya en Diciembre del 2007se estable un nuevo estándar definido en el “Release 7”, esta tecnología sellamó HSPA+ o HSPA Plus, otorgando velocidades de hasta 84 Mbps debajada y 22 Mbps de subida.
  42. 42. 23Ya así en el “Release 8” aparece la tecnología LTE o Long Term Evolution(Evolución a Largo Plazo), tema central de este trabajo. Esta especificaciónse convierte en la evolución de UMTS (3G), para convertirse en la 4G,siendo fundamental para el despliegue definitivo de internet móvil, gracias aque su arquitectura “All IP”, que significa que la red soporta en un 100% elprotocolo IP. Sumado a que los “smartphones”, se están convirtiendo enverdaderos computadores, capaces de acceder a los datos alojados en laInternet, de esta manera, las operadoras deben preocuparse del QoS(calidad de servicio) de los usuarios. El servicio de LTE es capaz de entregardatos, especialmente servicios multimedia, soportando IP. Como también semejora las aplicaciones de datos avanzados de persona a persona otambién conocidos como Peer to Peer (P2P), con mayores y más simétricoslos ratios de datos, como por ejemplo la sincronización de e-mail en el móvilo juegos en tiempo real con otro jugador.3.1 Los ejes evolutivos3.1.1 Necesidades de los clientesHoy en día Internet es un medio muy masivo, lo que en el futuro, losabonados a los servicios de banda ancha, alcanzarán a 3400 millones en2014 y alrededor del 80% de los usuarios, comenzarán a utilizar la bandaancha móvil, como se muestra en la Gráfico 3.1. Los consumidores soncapaces de entender y apreciar los beneficios que entrega la banda anchamóvil, uno de estos beneficios es la gran portabilidad que presenta el dichoservicio, ya que, la mayoría de los usuarios, poseen teléfonos móviles conacceso a internet móvil, como también tiene la ventaja de entregar serviciosa los notebooks a través de dispositivos USB.Gráfico 3.1 Penetrabilidad de la banda ancha móvil con la banda ancha fija
  43. 43. 24Haciendo énfasis en el tráfico de información, cuando se implementó latecnología HSPA, la experiencia de servicio o el QoE (Quality of Experience)por parte del usuario, fue muy alta, por la excelente cobertura que entregabalos operadores, sumado a la gran oferta de servicios y terminales móviles.Así en Mayo de 2007, el tráfico de paquetes de datos tráfico superó el tráficode voz, creciendo en la demanda de manera exponencial, lo que a futuro, elancho de banda de las redes de HSPA no dará abasto para soportar la grandemanda de datos con respecto a la voz.Gráfico 3.2 Tráfico de datos vs tráfico de voz en una red HSPA3.1.1 Necesidades de los operadoresLos operadores de los servicios móviles realizan negocios en un entornocada vez más competitivo, ya que, el mercado ofrece una gran cantidad deproveedores como lo son, Ericsson, Nokia-Siemens, ZTE, Huawei, Motorola,y la lista continua. Dentro de la gran competitividad, los operadores no sólocompiten con otros operadores, sino también con nuevos actores y nuevosmodelos de negocio. Un ejemplo de esto sería el caso actual de Chile,donde los operadores móviles como Entel, Movistar y Claro, compiten entreellos, en el 2012 se agrega al mercado el operador VTR/Nextel,amenazando a las tres operadoras actuales; pero también se ha introducidoun nuevo modelo de negocio en el ámbito de las comunicaciones móviles,que son las MVNO5u Operadores Móviles Virtuales, como lo es GTD Móvil6.5Mobile Virtual Network Operator, a punta a una compañía que no posee una concesión deespectro de frecuencia para ofrecer el servicio de telefonía móvil en una red propia, demodo que, sino que revende servicios de telefonía móvil bajo su propia marca usando la redde otra operadora de servicio móvil.
  44. 44. 25Para las operadoras invertir en redes mucho más eficientes, es un grandesafío para ellas por el alto costo capital y costo operacional, así lasoperadoras buscan la formulación de estrategias de mercado y tecnológica,junto a la eficiencia del espectro radioeléctrico, definidos por organismos deestandarización y normalización. Para lograr el beneficio anhelado, lasoperadoras establecen sinergias entre los proveedores e institutos deinvestigación, En Chile se generó una sinergia entre la operadora (Entel),proveedora (Ericsson) y Universidad (Facultad de Ciencias Físicas yMatemáticas de la Universidad de Chile) en 2007 para la implementación deun laboratorio 3G7. El programa de Redes de Próxima Generación Móvil(NGMN), busca que la tecnología sucesora de HSPA o sea, 4G, debecumplir: Eficiencia espectral y reutilización de los canales. Entregar en los extremos de la red una mejor relación “costo-eficiencia”, permitiendo una baja latencia en los servicios. Mejor relación “costo-eficiencia”, dentro de la red, otorgando unamejor calidad de servicio (QoS), movilidad y el roaming. No debe interferir con las actuales redes de HSPA+. Generar una concesión de licencias que lleva a una mayortransparencia y previsibilidad del costo total de derechos de propiedadintelectual para operadores, proveedores de infraestructura y eldispositivo de fábrica.Dentro de 4G existe una gran variedad de tecnologías que aspiran aconvertirse en la tecnología más ad-hoc a las necesidades de lasoperadoras. Entre las tecnologías que están en el nicho de la cuartageneración, se encuentra, WiMax, LTE, UMB. Pero por un tema se confianzamuchas operadoras a nivel mundial están aceptando oficialmente a LTEcomo la tecnología que satisface las necesidades de las operadoras, comolo muestra el Gráfico 3.3, donde cada año el consumo del volumen de IP porparte de los usuarios, pero para las operadoras el uso de las redes HSPA+implica un gran costo en la red; pero con la implementación de LTE, loscostos son bastante bajos a lo largo del tiempo y capaz de soportar el granvolumen de tráfico IP.6Fuente http://w2.df.cl/grupo-gtd-lanzara-comercialmente-telefonia-movil-a-fines-de-este-mes/prontus_df/2011-07-04/213843.html7http://boletin.ing.uchile.cl/~boletin/boletin/noticia.php%3Fid%3D9058
  45. 45. 26Gráfico 3.3 Volumen de tráfico vs costos de la red3.2 Revisión de tecnologías3.2.1UMTS/WCDMAEs un estándar correspondiente a la tercera generación de tecnologías de latelefonía móvil, en la cual, fue propuesto por la entidad 3GPP en el año1999. WCDMA, es un acrónimo que significa, “Wide-band Code DivisionMultiple Access” (Acceso Múltiple por División de Código de banda ancha),la información que entrega el usuario es difundida a través de un ancho debanda amplio, multiplexando una unidad básica de información o chips8derivados de los “spreading codes” de CDMA con la finalidad de soportaruna alta tasa de transmisión máxima de 2Mbps. El uso de esta interfaz aéreapermite que la información fluya a 3.84 Mega chips por segundo, llevando elancho de banda de la portadora a un valor aproximado a los 5MHz. Loschips puede ser divididos dentro de 10 ms tramas de radio, cada una deestas pueden ser divididas dentro de 15 slots o espacios de 2560 chips,como lo muestra la Ilustración 3.1. Los bits de los diferentes canales soncodificadas por cada número variable de chips.8Dentro del estándar W-CDMA, chips se refiere a la unidad básica de información, endonde, cada chip depende del canal
  46. 46. 27Ilustración 3.1 Relación de las tramas de radio con los chips en WCDMADe esta manera WCDMA, permite entregar ciertos beneficios en cuanto alrendimiento de la red de la telefonía móvil, así el operador de la red (telco)puede implementar múltiples portadoras para aumentar la capacidad de lainformación que entregan los usuarios, como también, el uso de antenasadaptativas y la aplicación de detección de multiusuario, permitiendoenglobar un nuevo concepto en 3G llamado “conceptos receptor”. Esta ideade concepto receptor era imposible establecerla en la segunda generación(2G) o sólo se puede aplicar bajo restricciones severas a incrementoslimitados en el desempeño. Lo que a futuro permitió el desarrollo de 3G, enuna arquitectura mucho más robusta, denominada RAN9, permitiendocontrolar el tráfico de los usuarios a través de la conmutación de paquetes.3.2.1.1 Funcionamiento de WCDMALa tecnología WCDMA trabaja con dos tipos de tecnologías de Existen dosmodos de funcionamiento para WCDMA en UMTS, uno es el FrequencyDivision Duplex (FDD) y el Time Division Duplex (TDD). Las característicasde cada uno de ellos son Modo FDD. Cada transmisión se identifica por laportadora y por el código seudo aleatorio WCDMA. Se utiliza una portadoradiferente para cada enlace, el UL y el DL, dentro de una banda „apareada‟.Modo TDD. Cada transmisión se identifica por la frecuencia de la portadora,el código WCDMA y uno de los 15 intervalos de tiempo de la trama TDMA(Time Division Multiple Access). Se utiliza una misma portadora para ambosenlaces, tanto ascendente como descendente, dentro de la banda“desapareada”. Los intervalos de tiempo pueden ser repartidos de forma9Acrónimo, que significa Radio Access Network, esto forma parte de los operadores o de latelco, compuesta por la estación de radio base (RBS) y el control de nodo (RNC)
  47. 47. 28dinámica entre el enlace descendente y el ascendente. Este modo es idóneopara aplicaciones de tráfico asimétrico como puede ser el acceso a Internet.3.2.1.2 Arquitectura de la red WCDMADicha arquitectura está basada en las dos tecnologías anteriores, que son,principalmente GSM y en una menor esencia GRPS, de esta manera, losoperadores tienen la ventaja ahorrar el costo de implementar una nuevatopología, ya que, es una evolución de 2G logrando la interoperabilidad entrelas dos tecnologías y toda la capa física, según el modelo OSI, no requiereun mayor cambio de hardware, entregándole una gran flexibilidad deservicios, permitiendo al usuario acceder a datos o voz, en una determinadazona o celda.Ilustración 3.2 Arquitectura de la red WCDMAEsta red de acceso, está compuesta por las estaciones base, el nombre quese le entrega en 3G es RBS (Radio Base Station) o nodoB.3.2.2 HSDPALa red HSDPA o conocida como, High Speed Dowmlink Packet Access,corresponde al Release 5 de 3GPP, que permite establecerse como laevolución de la tecnología WCDMA, anteriormente descrita. La cualidad quepresenta HSDPA, es la mejora en el enlace descendente, permitiendoentregar una máxima tasa de transmisión de 14 Mbps, de manera teórica.Pero a nivel de operadoras, la velocidad máxima alcanza fue entre 2 a 4
  48. 48. 29Mbps, es importante agregar que HSDPA, solo contempla mejoras a nivel deDL.3.2.2.1 Características principales de HSDPALa característica principal que tiene HSDPA, es la capacidad de trabajar enbase a la adaptación del enlace o también conocido como modulaciónadaptativa. Aquella técnica permite adaptar una velocidad de transmisión alas condiciones del canal, tomando como criterio, el tipo de modulación ycodificación a emplear.La técnica de modulación que utiliza es QPSK y 16QAM, esto implica quepuede transmitir de a dos bits por símbolo a cuatro bits por símbolo, esteaumento de bits por símbolo, permite entregar una menor inmunidad alruido.3.2.2.2 Arquitectura de HSDPALa arquitectura que rige en esta tecnología, es la misma en dondeconvergen dos redes de acceso, GERAN (GRPS/EDGE) y UMTS (WCDMA).Para HSPDA, la red de acceso se denomina UTRAN.Ilustración 3.3 Arquitectura en la red HSDPA3.2.3 HSPA+La tecnología HSPA+ o también conocida como HSPA Pluss, se basa enuna sinergia entre HSDPA y HSUPA, permitiendo mejorar el servicio entre elDL y UL, además está pensado para coexistir con las redes de LTE,mediante la actualización se software o hardware dentro de la RBS o NodoBy de la RNC, como se muestra en la Ilustración 3.4
  49. 49. 30Ilustración 3.4 Actualización de SW y HW en HSPA+
  50. 50. 31Capítulo IV: Long Term Evolution (LTE)4. Contexto de LTECon el fin de desarrollar mejores capacidades en la transmisión de paquetesen las redes WCDMA/HSPA, 3GPP se encargó de gestionar una evolución,que pudiera mejorar la tecnología de acceso de radio, la cual, se denominóLong Term Evolution o Evolución a Largo Plazo (LTE). Para ello, el núcleode la red o Core, también va a evolucionar, dicha mejora se conoce comoSistema de Evolución de la arquitectura (SAE). Estos nuevos requisitos sondefinidos por la versión 8 del 3GPP. Las redes de próxima generación (NGN)se están configurando hacia el concepto de una red “All-IP”, LTE y SAEapoyará el uso de las NGN “IP Multimedia Subsystem” (IMS).LTE, es conocido como una de las tecnologías que se encuentra en la cuartageneración o 4G, cuya finalidad es entregar grandes velocidades máximasde hasta 100 Mbps en el descendente y 50 Mbps en el canal ascendente.Por lo que estudiamos en el capítulo 3, todas las tecnologías apuntan a unmismo objetivo en común, aumentar la eficiencia espectral, con un ancho debanda (BW) más amplio para lograr las máximas velocidades en un usuario.Para que LTE consiga una mejor eficiencia espectral, debe recurrir al uso deesquemas de modulación de orden superior y junto con la tecnología demúltiples antenas o MIMO.La comercialización de LTE comenzó en diciembre de 2009 con ellanzamiento de redes en dos ciudades escandinavas, incluyendo los costosde despliegue y puesta en marcha del servicio de Internet móvil. Dentro delos costos asociados a la implementación, incluyendo la migración de lasredes UMTS a los nuevos requerimientos, puesto que los cambios son anivel del nucleo o “Core”.LTE, por ser una evolución de las tecnologías en GSM, es capaz de utilizaralgunas de las características de HSPA, específicamente a lo que leconcierne sobre planificación de algoritmos, canales de datos compartidos,HARQ, entre otras funciones. De esta manera LTE presenta ciertosobjetivos, que desembocaron en la creación de su respectivaestandarización, en distintas categorías, tales como: Requisitos de Velocidad de datos. La bajada y subida de datos picorequerimientos de velocidad son de 100 Mbps y 50 Mbps,respectivamente. Esto es suponiendo un ancho de banda de 20 MHzde espectro. Soporte para sistemas FDD y TDD.
  51. 51. 32 Apoyo a la movilidad. Reducción de la latencia. La experiencia de usuario mejorada. Convivencia con el legado de los sistemas de 3GPP. El despliegue flexible del espectro utilizando diversas configuracionesde BW. El despliegue flexible del espectro utilizando una variedad defrecuencias bandas. Mejora de la cobertura. Aumento de la seguridad. Aumento de la capacidad del sistema.4.1 Arquitectura general de LTELa arquitectura de red en LTE se basa en una serie de característicasrequeridas, que se descomponen en elementos funcionales específicos enlas aplicaciones de las entidades de la red física. Esta es la razón por la que3GPP especifica un Núcleo Paquete Evolucionado o Evolved Packet Core(EPC), que es la arquitectura de red para apoyar la E-UTRAN, a través deuna reducción en el número de elementos de red, permitiendo unafuncionalidad más simple, también se le agrega una mayor redundancia,sobre todo, teniendo en cuenta las conexiones a la línea fija y otrastecnologías de acceso inalámbrico, lo que las operadoras, tendrán lacapacidad de ofrecer una mejor experiencia de movilidad en la red.
  52. 52. 33Ilustración 4.1 Arquitectura de la red LTECada uno de los elementos correspondientes a la arquitectura ha sidopensado para mantener una gran cantidad servicios, principalmente datos,utilizando la conmutación de paquetes, recordando que las redes de LTE,trabajan bajo el concepto “All-IP” o “Todo-IP”, De esta manera, toda lainfraestructura de una red LTE, incluyendo la red toncal EPC y la red deacceso E-UTRAN, se pueden encontrar con elementos propios de las redesIP, tales como, routers, servidores DHCP (Dynamic Host ConfigurationProtocol) para la configuración automática de las direcciones IP de losequipos de la red LTE y servidores DNS (Domain Name Server) para asociarlos nombres de los equipos con sus direcciones IP.Es necesario agregar que la arquitectura LTE, también es capaz de dar losajustes necesarios para la entrega de la calidad de servicios (QoS), así lasoperadoras son capaces de entregar servicios a la necesidad de losusuarios. Además todas las transmisiones de datos que realiza LTE entreUE y una red externa se denominan, Servicio de Portadora EPS (EPSBearer Service), en contraste, a la transmisión de datos otorgada por la redde acceso E-UTRAN se denomina E-UTRAN Radio Access Bearer (ERAB).Si observamos la Ilustración 4.1, podemos apreciar otras dos arquitecturas,la red de acceso E-UTRAN y la red troncal EPC, que al establecer unasinergia entre estas dos arquitecturas, se encargan de la entrega de lospaquetes IP entre los dispositivos móviles (UE) y las redes externas como la
  53. 53. 34“Packet Data Network” o también con la red PSTN, cada una de estasarquitecturas serán definidas en el capítulo 4.1.1.1 y 4.1.2. Los elementos amodo general que integra la arquitectura de una red LTE son: UE, el terminal móvil, esta puede ser un celular o un modem USB eNodoB, el eNodoB (estación base en LTE), comienza como punto decontacto para la UE y termina en la interfaz de aire. Estableciendo unnodo lógico en el E-UTRAN, lo que incluye algunas de las funcionespreviamente definidas en la “Convención Nacional Republicana de laUTRAN”, como portador de radio gestión, enlace ascendente ydescendente de radio dinámico de gestión de recursos y datos depaquetes de programación y gestión de la movilidad. Mobility Management Entity (MME), permite gestionar la movilidadaspectos en materia de acceso a los servidores de la 3GPP, como laselección de puerta de enlace y seguimiento de la gestión de área dela lista. Servering GateWay (S-GW), es el punto de anclaje de la movilidadlocal para la entrega de datos entre varios eNodoB y tambiénproporciona un la movilidad entre los servidores 3GPP. También tienela responsabilidad, de cobrar y algunas la aplicaciones de políticas deservicio. El S-GW y la MME pueden ser implementado en un nodofísico o por nodos físicos separados. Packet Data Network Gateway (P-GW), La GW PDN termina la SGIinterfaz hacia la red de paquetes de datos (PDN). Que las rutas de lospaquetes de datos entre el CPE y la PDN externa, y es el nodo clavepara la aplicación de políticas y la carga de recopilación de datos.También proporciona el punto de anclaje para la movilidad con no3GPP accesos. El PDN externa puede ser cualquier tipo de red IP, asícomo el IP Multimedia Subsystem (IMS) de dominio. El PDN-GW y elS-GW puede ser implementado en un nodo físico o por nodos físicosseparados. Interfaz de S1, es la interfaz que separa los E-UTRAN y el EPC. Sedivide en dos partes, el S1-U, que lleva los datos de tráfico entre eleNodoB y el P-GW. La S1-MME, que es una interfaz de señalizaciónde sólo entre los eNodoB y el MME. Interfaz de X2, es la interfaz entre eNodoB, que consiste en dospartes: la X2-C es la interfaz entre el plano de control y el eNodoB. LaX2-U es la interfaz entre el plano de usuario y el eNodoB. Tambiénexiste una interfaz entre el X2 eNode-B que necesitan comunicarseentre sí.
  54. 54. 354.1.1 Arquitectura E-UTRAN y EPC4.1.1.1 Arquitectura de la red de acceso E-UTRANLa definición a grandes rasgos de E-UTRAN, se remonta en los sistemas3G, donde UTRAN, correspondía a la UE, que podía acceder al núcleo dered, mediante el uso de determinadas interfaces, de esta manera, LTE utilizael mismo criterio, pero está tiene un carácter evolutivo, ya que, en 3G la redde acceso estaba compuesta por la estación base (RBS o nodoB) y con losequipos controladores, como el RNC. En cambió en LTE, existe un únicoelemento, el eNodoB, siendo una evolución que permitió integrar doselementos que se encontraban separado físicamente, de ahí viene elnombre, Evolve-UTRAN o simplemente E-UTRAN. La organización 3GPP,definió la arquitectura detalladamente en la especificación TS 36.300 y TS36.401.Como se mencionó anteriormente la red de acceso está compuesta por unsolo elemento activo, que es el “evolved-NodoB”, que cumple con lafinalidad, de entregar la conectividad entre la UE junto la red troncal EPC. EleNodoB, puede comunicarse con el resto red LTE mediante tres interfaces,la interfaz de radio, S1 y X2, como se muestra en la Ilustración 4.2.Ilustración 4.2 Arquitectura E-UTRANSegún TR 25.912 de 3GPP, menciona “el eNBs están interconectados entresí por medio de las interfaces de X2. Se supone que siempre existe unainterfaz entre el X2 eNBs que necesitan comunicarse entre sí, por ejemplo,para el apoyo de la entrega de UEs en LTE_ACTIVE. Los eNBs tambiénestán conectados por medio de la interfaz S1 de la EPC (Evolved Packet
  55. 55. 36Core). La interfaz S1 es compatible con una relación de muchos a muchosentre aGWs y eNBs”La función clave de un eNodoB, consiste en la gestión de los recursos radio,como también las funciones de control de admisión de los serviciosportadores radio, control de movilidad (realizar un handover), asignacióndinámica de los recursos radio tanto en el enlace ascendente comodescendente (funciones de scheduling o programación), control deinterferencias entre estaciones base, control de la realización y del envío demedidas desde los equipos de usuario que puedan ser útiles en la gestión derecursos.4.1.1.1.1 Interfaz de radioLa función que entrega la interfaz radio, es definir los mecanismos detransferencia de información, dichos mecanismos están fundamentados enla difusión de señalización de control, envío de paquetes IP y transferenciade señalización de control entre un UE y el eNodoB, como se puede apreciaren la Ilustración 4.3.Ilustración 4.3 Mecanismos de la interfaz aérea para transmitir datosEl concepto de Difusión de Señalización de Control, permite que el eNodoBenvíe un aviso a todas las UE contenidas en la celda, indicando la presenciadel eNodoB junto con los requerimientos de operación de la red. Ademáspresenta la función de forzar una determinada UE a que no tenga unaconexión de control establecida con el eNodoB, inicie un acceso a la red(función de aviso o paging). La información difundida, puede correspondertanto a información específica de la red de acceso (denominada información
  56. 56. 37del Access Stratum, AS) como de la red troncal (denominada información delNon Access Stratum, NAS).Otro mecanismo, es el envío de paquetes IP de los usuarios a través delcanal radio y aquí hay que ser enfático, la arquitectura de LTE soportaexclusivamente paquetes IP, de esta manera no admite, paquetes X.25,paquetes Frame Relay, tramas Ethernet, entre otras. Con ayuda de ciertosprotocolos, permiten la eficiencia y optimización del envío de tráfico IP através de la interfaz radio, los servicios portadores albergan funciones comola compresión de cabeceras de los paquetes IP que permiten reducir elnúmero de bytes enviados por la interfaz radio, los headers IPpertenecientes a un mismo tipo de tráfico contienen un gran número deparámetros idénticos, tales como, direcciones origen y destino, por lo que noresulta necesario enviar todos los bytes del header IP en cada uno de lospaquetes.Por último la señalización de control dedicada entre el eNodoB y un equipode usuario, se inicia con una conexión de control, que es soportadamediante el protocolo Radio Resource Control (RRC). Aquel protocolo,permite se gestionan, además del establecimiento, modificación y liberaciónde los servicios portadores radio entre el eNodoB y el equipo de usuario,otros mecanismos claves para la gestión eficiente de los recursos radio.Entre dichos mecanismos cabe citar el control y envío de medidas radiodesde los terminales hacía el eNodoB y el mecanismo de handover, quepermite que un equipo de usuario cambie de celda manteniendo activostanto la conexión de control como los posibles servicios portadores radio queesté utilizando.Es importante destacar el funcionamiento óptimo de la interfaz de radio, seadquiere mediante el uso de ciertos protocolos que designan la calidad deservicio hacia los usuarios. Dichos protocolos de la interfaz de radio serándescritos en el capítulo 4.2 Protocolos en la red LTE.4.1.1.1.2 Interfaz S1Para poder a empezar a definir la interfaz S1, debemos comprender queesta interfaz, se encuentra divida por el User Plane o Plano de Usuario y elControl Plane o Plano Control, para ello, debemos prestar atención en laIlustración 4.4, toda la trasferencia de datos que ocurre entre el eNB yServing Gateway (S-GW), se le denomina Plano de Usuario, puesto que,toda la información es transmitida por el usuario, a esta interfaz de le llamaS1-U. En cambio el Plano de Control, se le atribuye a la comunicaciónexistente con el eNB y el Mobility Management Entity (MME), asignándole
  57. 57. 38las funciones de control, como por ejemplo, la ejecución del handover,establecimiento de las señales, paging, entre otras funciones, para estainterfaz se denomina S1-C o S1-MMEIlustración 4.4 Red de acceso E-UTRANExponer sobre las cualidades que presenta la interfaz S1-U, solo se puedemencionar que no realiza actividades de control o control de flujo, por lotanto, solo permite construir los servicios portadores de radio, enviandotráfico IP. Esto ocurre porque se encuentra influenciado por la presencia delprotocolo UDP, ya que, este es un protocolo sencillo a nivel de capa detransporte fundamentado en el modelo OSI.Para la interfaz S1-C, el MME juega un papel muy importante, ya que,permite realizar el control en la red troncal, teniendo la capacidad deestablecimiento, modificación y liberación de recursos de los serviciosportadores en la interfaz radio y en la interfaz S1. Por ello, el eNB y la UE nopuede iniciar por su cuenta el establecimiento de un servicio portador radio.

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