Segunda parte

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Capítulo 1 EL PROBLEMA
1.1. Planteamiento del problema
La Fundación Clínica Shaio no cuenta con sistemas de supervisión y control en sus
procesos, por ejemplo los sistemas de calentamiento de agua son electromecánicos
pero sin ningún nivel de supervisión, por tanto el personal de mantenimiento tiene
la responsabilidad de informar sobre cualquier evento adverso que se presente en
dicha planta. El ingeniero industrial no tiene conocimiento de sus procesos a no ser
que se apoye con el personal mencionado para saber los eventos de la planta, por
lo que es un problema, ya que los datos suministrados pueden no ser totalmente
confiables pudiendo ser alterados por el error humano. No se tiene forma de
predecir con exactitud el daño o inoperatividad de los elementos vinculados al
control, para mejorar estos inconvenientes se propone un diseño mediante el cual
la Clínica pueda resolverlos, pero que además se encuentre en la cuarta generación
de las telecomunicaciones, esta última orientada a los sistemas móviles.
La metodología para este diseño será basado en la recopilación de información, y
luego modelar las alternativas de solución con el fin de elegir la más fiable para el
centro de salud.
Con la implementación de LTE en Colombia los costos de la red serán más bajos,
puesto que la tecnología se ha estabilizado y generalizado en el país, tal y como
ocurrió con las redes inalámbricas bajo el estándar WIFI.
La pregunta entonces seria ¿Cómo motivar a la clínica para que mejore sus
procesos industriales apoyándose con la tecnología de control y comunicación para
adquisición de datos?

2
1.2. Formulación del problema
En los sistemas de control, la Fundación Clínica Shaio no supervisa con calidad ni
garantía fallas que se pueden presentar en la ejecución de los procesos llevados a
cabo por la planta. Sus redes automáticas son obsoletas y sin precisión en sus
medidas, el personal de mantenimiento está sometido a controles inadecuados de
dichos sistemas, ya que está implícito el error humano en la verificación de
parámetros, así como en la toma de datos en sus registros.
Dichos registro son almacenados en primitivas bases de datos (archivo), razón por
la cual se pierden valores, debido al desgaste del papel y otras condiciones del
mismo archivo. Por último no existen redes para lo comunicación de estos sistemas
con redes de datos. La pregunta que surge entonces es:
¿Cómo la clínica podrá mejorar la supervisión y gestión de sus procesos a través
del diseño para la comunicación de datos?

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1.3. Objetivos
1.3.1. Objetivo general
Diseñar la comunicación móvil para un sistema SCADA utilizando LTE con el fin de
que éste migre hacia las redes de siguiente generación.
1.3.2. Objetivos específicos
Analizar el desarrollo de la telefonía móvil junto con los sistemas SCADA.
Migrar los sistemas de control hacia redes flexibles para la supervisión mediante
equipos móviles.
Diseñar la interoperabilidad entre LTE y el sistema SCADA utilizando IP como
protocolo de comunicación.

4
1.4. Justificación
La necesidad de que la Fundación Clínica Shaio controle sus procesos con calidad
y pensando en la infraestructura industrial que se encuentra en este centro de salud,
es conveniente que esta institución de importancia y buen uso a la tecnología para
la supervisión de la calidad de sus procesos. Por ello se desea diseñar la
comunicación utilizando redes móviles de siguiente generación, las cuales
permitirán flexibilidad al acceso para el control y la supervisión de los procesos de
la planta. Esto es posible gracias a que es un hecho la implementación de LTE como
plataforma de comunicaciones aunque solo por ahora se pueden mencionar
algunos tópicos de lo que será al momento de su desarrollo y extensión.
La motivación sobre éste proyecto se ve reflejado en el gran avance que han tenido
los sistemas de telecomunicaciones móviles a través de los años, y pensando en
ello se desea motivar a la Fundación Clínica Shaio para que haga parte esta
tecnología, ya que esto mejorara su prestigio frente a otras instituciones del mismo
sector. El diseño también es apto para otras entidades en donde la capacidad de
supervisión con calidad en los procesos industriales se refleje en un tema
preponderante y de interés para los entes gerenciales de estas compañías.
Dichas empresas pueden pertenecer a los sectores productivos tales como:
manufactura, del sector alimenticio, sector petrolero, sector de la salud, sector
energético, etc. Sin embargo la propuesta se limita a la Clínica ya que se conocen
los entornos de procesos en los cuales puede llegarse a implementar, de antemano
vale la pena aclarar que el objeto de este trabajo solo es enfocado hacia el diseño
de la comunicación entre el SCADA y LTE más no a su implementación debido a las
limitaciones que esto implica.

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1.5. Limitaciones
Al diseñar la comunicación de un sistema SCADA mediante LTE, ésta logra que la
clínica se encuentre en la cuarta generación de la tecnología, por lo que puede
adaptarse fácilmente a los avances tecnológicos que se desarrollen después, a su
vez la clínica podrá vincular a la red no solo procesos de producción sino que
además todas las redes de datos que se encuentran actualmente implementadas
en ésta, ya que LTE es una estructura abierta y orientada al futuro de las
telecomunicaciones.
El diseño se ve limitado a la implementación de LTE en Colombia ya que en el 2011
UNE firmó acuerdos con HUAWEI para la implementación de 4G en Colombia, sin
embargo todavía se encuentran en pruebas de para su desarrollo.
En cuanto a la implementación existe limitante por que los costos de los equipos
son elevados. Aunque un SCADA puede funcionar sin la dependencia de LTE, el
objetivo es diseñar la comunicación entre estos dos tipos de redes.

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Capítulo 2 MARCO TEORICO
En este capítulo se desarrolla el marco teórico para este trabajo de grado, donde se
realiza una breve pero importante trayectoria sobre las redes móviles de próxima
generación, resaltando a LTE como la red que se desea utilizar en el diseño de este
proyecto. También se realiza una descripción de los sistemas SCADA así como los
elementos que la conforman, esto con el fin de conocer su arquitectura para luego
desarrollar un modelo, donde el protocolo IP sea el lenguaje común en la
comunicación y así formar una arquitectura que opere sobre el mismo protocolo.
2.1 Redes móviles de siguiente generacion (NGMN)
Las redes de telefonía celular están evolucionando a fin de convertirse en un
sistema basado en lo que se conoce como All IP (Todo sobre IP), dotando a estas
tecnologías de mayores recursos, que se encaminan a la evolución de un sistema
globalizado de comunicación de datos, que a su vez ofrece ventajas significativas
para otorgar recursos que antes se estimaban inalcanzables. Las NGMN (Next
Generation Mobile Network) permiten dar este paso evolutivo a dicha telefonía,
proporcionando mayor QoS (Quality of Service) que a su vez depende de la relación
velocidad / ancho de banda para satisfacer las necesidades del usuario final, esto
será posible ya que se utiliza TCP/IP (Transmission Control Protocol / Internet
Protocol) como protocolo de comunicación.
NGMN permite avanzar sobre tecnologías móviles actuales tales como; UMTS
(Universal Mobile Telecomunication System), HSPA (High Speed Packet Access),
CDMA 2000 (Code Division Multiple Access 2000) y EV-DO (Evolution – Data
Optimized), cediendo mayor ancho de banda, mejorando el factor calidad /
desempeño, mismo que contribuye significativamente al beneficio de los
usuarios[1]. Este tipo de redes brinda diversos recursos tales como video llamadas,
video conferencias, carga y descarga de archivos multimedia a gran velocidad, entre
otros, con velocidades y BW (Bandwidth) que superan lo visto en anteriores
generaciones de telefonía móvil.

7
La NGMN motiva a la telefonía celular a pertenecer dentro de 4G, donde
teóricamente la tasa de transmisión es aproximadamente de 100Mbps en cuanto a
enlaces de descarga y de 50Mbps para la carga de información [2]. En realidad
NGMN es una alianza de varias organizaciones para conformar y establecer los
estándares requeridos orientados hacia los sistemas de comunicación de cuarta
generación. A continuación en la figura 2.1.1 se muestra la evolución que ha tenido
las redes móviles, donde NGMN es una infraestructura basada en IP (Internet
Protocol) contribuyendo a los servicios de banda ancha flexible, esto se refiere a
que los usuarios pueden compartir y acceder a los recursos de la red con
transparencia en la conexión siendo este el futuro de las comunicaciones de
telefonía celular.
Figura 2.1.1. Evolución hacia NGMN. Tomado de Dr. Ingman Hammerstrom, NGMN’s Strategies
for the Future, 2010. Fuente: www.wireless-world-research.org.
Dicho futuro es LTE (Long Term Evolution) porque cumple con los requerimientos
establecidos en el Rel.10 de 3GPP1 y a su vez pertenece al grupo de redes de
siguiente generación, algunos de estos requerimientos son: ancho de banda, QoS
(Quality of Service), e inter-conectividad entre diversos tipos de redes y sin que el
usuario note la diferencia [3].
NGMN es la integración de redes móviles actuales, donde LTE es la evolución
directa de la tercera generación y trae consigo ventajas trascendentales en los
recursos que actualmente son ofrecidos, tales como alta definición de video, alta
resolución multimedia, juegos interactivos entre múltiples usuarios, además de los
servicios que otorgan las redes de telefonía móvil inmediatamente anteriores. Del
1
Es el lanzamiento que establece la 3rd Generation Partnership Project donde se indican los requisitos
mínimos que debe cumplir LTE.

8
mismo modo, LTE admite servicios tales como HDTV (High Definition TV) que
requieren de velocidades que oscilan entre los 10Mbps y los 20Mbps para su
funcionamiento, para Blue Ray se ofrecen 18Mbps. Los juegos en línea sobre LTE
permiten menor latencia (10ms) comparado con HSPA, ya que para este caso es
de 60ms, también concede mejoras importantes en la conexión de VPN (Virtual
Prívate Network) para redes corporativas [4]. La NGMN Alliance es un grupo
dedicado a contribuir con el desarrollo de la siguiente generación donde los
operadores de redes móviles junto con los proveedores, fabricantes y las
universidades (institutos de investigación, asesorías y afines) son socios de esta
entidad [5], al igual que en otras organizaciones existen directivos los cuales se
encargan de la junta, comité de operaciones, comité de asesoría técnica, y
proyectos. Las redes de siguiente generación se planificaron para el año 2010, sin
embargo éstas se encuentran sujetas a la estandarización y estabilización para ser
dispuesta al usuario final.
2.2 Evolución a largo plazo (LTE)
La telefonía celular trasciende con el fin de pertenecer al conjunto de redes de
computadoras que hoy por hoy están revolucionando el mundo de las
telecomunicaciones, LTE es un término nuevo en este campo, que garantiza el
avance significativo de los sistemas de telefonía móvil orientados hacia la siguiente
generación. Gracias a la telefonía móvil se conocieron redes que permitieron
flexibilizar y establecer llamadas, aquí participaron AMPS (Advanced Mobile Phone
System) para américa y ETACS (European Total Access Communication Systems)
para Europa, mismas que pertenecen a 1G (la primera generación de
comunicaciones móviles), estas permitieron a los usuarios compartir recursos con
calidad aceptable de la voz, movilidad y libertad en la comunicación.
En 2G (la segunda generación) se establecieron tecnologías que evolucionaron
propiamente de las ETACS, AMPS y demás sistemas de telefonía móvil de la época,
en 2G la red más conocida fue GSM (Global System for Mobile communications ó
Groupe Spécial Mobile-del francés) que ostentaba una arquitectura completamente
digital por lo que permitía llamadas, mensajes de texto SMS (Short Message
Service), y navegación por internet mediante WAP (Wireless Access Protocol) como
protocolo de comunicación para tal fin. Otras arquitecturas de red ofrecen mejoras
significativas con respecto a GSM, tales como GPRS (General Packet Radio
Service) y EDGE (Enhanced Data Rates for GSM Evolution), mismas que
evolucionan directamente de GSM, la velocidad de estos sistemas para establecer
la comunicación oscilaba alrededor de los 2Mbps. Luego surgió 3G (la tercera
generación), con redes conocidas como UMTS (Universal Mobile
Telecommunications System) o UTRAN (Universal Terrestrial Radio Access
Network) que ofrecen los recursos de GSM pero con menor latencia, ya que
aumenta la velocidad en el transporte de los datos que a su vez garantiza mayor
QoE (Quality of Experience) y QoS (Quality of Service).

9
En el año 2004 se pensó en migrar los sistemas 3G a una plataforma totalmente
evolucionada conocida como E-UTRAN (Evolved Universal Terrestrial Radio Access
Network) o simplemente LTE (Long Term Evolution), cuya infraestructura es basada
sobre IP, las especificaciones funcionales de LTE fueron terminadas en el 2007 y
hacen énfasis en la interoperabilidad entre distintos tipos de redes inalámbricas, así
como la elevada tasa de transmisión para el transporte de la información, que a su
vez debe garantizar QoE y QoS. Con LTE los recursos interactivos y de multimedia
alcanzan gran cúspide debido a que este tipo de redes puede tener
videoconferencias, video-llamadas, juegos en línea, carga y descarga de archivos
multimedia a gran velocidad, etc2. Estas bondades permiten a LTE pertenecer
directamente a 4G y a su vez cumplir con las condiciones establecidas por la IMT-
advanced (International Mobile Telecommunication-Advanced).
LTE-Advanced (Long Term Evolution-Advanced) fue desarrollado con el fin de
sobrepasar las bondades de LTE y convertirse literalmente en la evolución de esta
tecnología, garantizando los mismos recursos que se disponen en LTE pero
mejorando aún más el buen manejo y transporte de la información. En la ITU-R
(International Telecommunication Union-Radiocommunication sector) se evalúan los
componentes de acceso terrestre para IMT-Advanced para así ser empleados por
esta tecnología, cuando se disponga de su operación e implementación. En octubre
del 2010 se deciden las características claves para los estándares a implementar
en IMT-Advanced [6], dichos estándares son reunidos con el fin de dar paso a la
evolución de 3G ya que LTE mejora de las estaciones base también conocidas
como Node B (para las UTRAN) evolucionando a su vez, en las técnicas de control
y acceso, las tecnologías de antena, la gestión y administración de los datos en la
celda de red.
Las estaciones base de LTE son llamadas eNodeB (Enhanced Node B) o eNB,
tienen técnicas de acceso OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access)
para la descarga y SC-FDMA (Single Carrier-Frequency Division Multiple Access)
para la carga de datos. La tecnología de radio trabaja con base en los sistemas
MIMO (Multiple Input Multiple Output), éste consiste en tener múltiples antenas que
reciban y transmitan frecuencias de radio simultáneamente con el fin de garantizar
en todo momento la comunicación. Sobre los eNB, las técnicas de acceso, y las
tecnologías multi-antena se abordaran con mayor detalle en la sesión 2.3.2 y 2.3.3.
En el mundo de la telefonía móvil, existen dos estándares que establecen la
normatividad y requerimientos mínimos que deben usarse en dicha comunicación,
tal como se observa en la figura 2.2.1. Por un lado se encuentra 3GPP, que está
conformado por las arquitecturas GSM, GPRS, EDGE, UMTS, HSPA (High Speed
Packet Access), HSPA+ (High Speed Packet Access +), LTE y LTE Advanced. Por
otro lado, las redes que comprenden el estándar 3GPP2 (3rd Generation
Partnertship Project 2) son; IS-95 (Iterim Standard-95), CDMA 2000 (Code Division
Multiple Access-2000), CDMA-EVDO (CDMA Evolution-Data Optimized o Evolution-
2
Para tener una visión general sobre los recursos de LTE favor consultar el White paper Long Term Evolution
Overview, disponible en www.alcatel-lucent.com.

10
Data Only), así como CDMA-EVDO rev. A y B respectivamente. Según la 3GPP
(3rd Generation Partnership Project), LTE debió haberse implementado en el año
2010 (figura 2.2.1), sin embargo esto depende de la relación costo/beneficio, puesto
que LTE deberá ser conocido y aceptado por el usuario final. Su arquitectura se
deriva de generaciones anteriores al igual que ocurre con las redes de la 3GPP2,
solo que LTE permite un esquema de interoperabilidad entre 3GPP, 3GPP2, e IEEE
(Institute of Electrical and Electronics Engineers).
Otro estándar no menos importante es precisamente IEEE, este desarrolló
arquitecturas inalámbricas tales como WiMAX (Worldwide Interoperability for
Microwave Access), que permiten modelos de red fijo y móvil para ambientes con
limitaciones de área geográfica. En [7] se propone un estudio basado en la
interoperabilidad de las redes WiMAX móviles con los sistemas basados en 3GPP
y en WLANs utilizando RII(Roaming Interworking Intermediary) como técnica de
administración y handover para la inter-conectividad con redes de telefonía móvil y
sistemas inalámbricos centralizados. Sí a los usuarios se les asigna SLA (Service
Level Agreement), la administración del roaming se facilita utilizando RII, aunque
WiMAX móvil pertenece en cierta medida a la evolución de los sistemas de
comunicaciones flexibles, en esta propuesta se concentran los esfuerzos hacia las
redes LTE y LTE advanced, ya que permite interoperabilidad entre SCADA con un
modelo de red flexible, de alta velocidad y descentralizada; LTE proporciona menor
latencia en el handover en comparación con otro tipo de redes inalámbricas, ya que
las velocidades de LTE son mayores en comparación con los sistemas existentes
hoy en día.
Figura 2.2.1. Trascendencia de la Telefonía Móvil. Fuente: http://www.xataka.com.mx/celulares-y-
smartphones/que-es-la-tecnologia-lte

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WiMAX, LTE y LTE Advanced utilizan OFDMA como técnica de acceso debido a que
TDMA (Time Division Multiple Access) y FDMA (Frequency Division Multiple Access)
desperdician en buena medida el espectro electromagnético porque generan
espacios para evitar solapamiento o perdida de la comunicación, donde un móvil
tiene asignado un tiempo fijo para establecer una llamada para el caso de TDMA,
análogamente en FDMA se asigna una frecuencia fundamental a cada móvil por
celda, existiendo reúso de frecuencias en varias celdas pertenecientes a la estación
base.
CDMA como técnica de acceso permite aprovechar dichos espacios que dejan las
técnicas TDMA y FDMA. Sin embargo, CDMA es un esquema muy complejo ya que
es necesario codificar todos los enlaces. Por el contrario, OFDMA es la evolución
de FDMA, con la ventaja de que existe mayor aprovechamiento del espectro porque
permite mayor transporte de información en el mismo ancho de banda por canal.
LTE pertenece al conjunto de redes de siguiente generación de telefonía móvil,
cumpliendo con la trascendencia en cuanto al protocolo de comunicación,
velocidad, ancho de banda, QoS, QoE, entre otros, tal como se observa en las
figuras 2.1.1 y 2.2.1. Es por esto que hoy en día se considera LTE como una
infraestructura perteneciente a 4G, que en un futuro no muy lejano se convertirá en
la promesa evolutiva de los sistemas de comunicaciones junto con las redes de
computadoras.
2.2.1 Características de LTE
Una de las características de LTE es la gran flexibilidad del ancho de banda así
como la flexibilidad en la modulación y los esquemas de acceso, la comunicación
de LTE con EDVO, WiFi y WiMAX es uno de los primeros pasos para asegurar la
interoperabilidad, misma que se puede lograr gracias a la de la inter-tecnología.
Ésta realiza el enlace de las redes de comunicaciones con tecnologías de radio-
acceso, donde se definen dos tipos de movilidad que son: la primera es inter-RAT
(Inter Radio Access Technology), permite la movilidad entre LTE y tecnologías
anteriores establecidas por 3GPP, el segundo tipo es la inter-tecnología, permite la
movilidad entre LTE y otras tecnologías que no pertenecen a la 3GPP. La inter-
tecnología es la característica clave para suavizar el handover3 el cual al final son
los resultados de interoperabilidad.
En LTE existen 3 tipos de handover que son Intra-LTE el cual tiene lugar en la
comunicación interna de los nodos con los elementos de la arquitectura de LTE
principalmente en el Intra-MME (Mobility Management Entity) y Intra-SGW (Service-
Gateway), Inter-LTE que hace referencia al handover de lo que pasa hacia otros
nodos LTE, e Inter-RAT el cual permite handovers entre varios tipos de tecnologías
de radio acceso tales como GSM y UMTS. Los handovers, definen el grado de
3
Hace referencia al intercambio entre celdas para que el equipo móvil siempre esté conectado y por tanto
comunicado

12
interoperabilidad para que los usuarios puedan elegir entre los diversos tipos de
redes de acceso inalámbrico, la misma que estudia, explora y analiza el rendimiento
en términos de perdida de paquetes, RTT (Round-Trip Time), y HOL (Handoff
Latency) [8].
RTT hace referencia a los diversos tiempos de ida y vuelta de los paquetes de datos
con el fin de evitar la congestión en la red y los cuellos de botella, cuando existe un
incremento de carga por el usuario, la demora de ida y vuelta de los paquetes es
evidente, por lo que se diseñan estrategias con el fin de reducir dichas latencias,
tales estrategias son conocidas como CAT(Congestion Avoidance Techniques), RTT
es la correlación entre la carga la cual se traduce en la variación de los datos
transportados en la red y las variaciones observadas por la ida y vuelta de los datos
el cual constituye a su vez un coeficiente de correlación entre estos dos sucesos de
red[9]. Por lo tanto, los servicios de banda ancha deben asegurar que el coeficiente
de correlación sea el menor posible ya que así se evita mayor índice de latencia así
como la perdida de paquetes.
En las redes LTE la interoperabilidad debe ser lo más transparente posible,
minimizando demoras que en un momento pueden ser significativas y molestas para
el usuario, esta se basa en el protocolo de movilidad MIP (Mobile Internet Protocol)
que soporta inter-tecnología entre LTE, WiFi e incluso EV-DO y WiMAX, para así
garantizar conexiones efectivas entre diferentes tipos de redes inalámbricas [8]. Sí
los paquetes de datos entran en cola, la red puede presentar demora o bloqueo en
el transporte de los datos y esto afecta directamente la QoS. La interoperabilidad es
un aspecto importante en LTE ya que garantiza la QoE del usuario final,
permitiéndole a éste compartir e interactuar con otro tipo de usuarios y redes
compatibles o no con 3GPP. La flexibilidad del servicio de paquetes de datos en la
red ha evolucionado para convertirse en SAE (System architecture Evolution),
misma que tuvo lugar en los nodos de soporte de servicio SGSN y puerta de enlace
GGSN descritos por la arquitectura GSM.
Tales servicios otorgan a los usuarios de GSM flexibilidad en el acceso de los
paquetes de datos mediante GPRS, con el fin de que estos puedan navegar por
internet con acceso limitado a algunos recursos multimedia.
SAE es también conocido como la arquitectura de LTE ya que este evoluciona de
las redes GSM y a su vez de las UMTS, donde mejoras importantes se involucran
en su arquitectura con el fin de que el UE (User Equipament) no tenga mayores
problemas al momento de la comunicación, una de estas mejoras es la
implementación basada en arquitecturas All IP, misma que permite rendimientos de
forma efectiva al momento del trasporte, la voz y los datos pertenecen a un plano
de comunicación sobre la misma red la cual es llamada EPS (Evolved Packet
System).
Las IMT-advanced soportan aplicaciones de movilidad así como un amplio rango en
rata de bits de acuerdo con el usuario y la demanda de servicios en múltiples
entornos, según [10] las IMT-Advanced deben cumplir algunos requisitos mínimos,

13
para la comunicación entre radio enlaces RIT (Radio Interface Technology) o SRIT
(Set Radio Interface Technology), mismos que son presentados a continuación:
Eficiencia espectral de celda: Es definido como la relación de throughput
agregado por todos los usuarios de la red en un tiempo dado entre el ancho
de banda del canal y a su vez entre el número de celdas, los canales de
ancho de banda son propiamente definidos para este propósito así como el
tiempo efectivo de ancho de banda, el factor de reúso de frecuencias, donde
el ancho de banda efectivo es la operación entre el ancho de banda
normalizado apropiadamente, considerado en un radio de carga y descarga
de datos. Esta relación se mide en bit/s/Hz/cell y está definido por:
Algunos datos sobre la eficiencia de celda se encuentran dados en [11] para
sistemas de radio basados en las recomendaciones otorgadas por la ITU-R.
Eficiencia Espectral de Pico: es la velocidad de pico más elevada basada
en el ancho de banda normalizado, considerando que los datos recibidos se
encuentran en condiciones de libre error asignados a una estación móvil,
también son utilizados para para la comunicación todos los recursos
disponibles de radio, excluyendo la sincronización de capa física, señales de
referencia o pilotos, bandas de guarda y tiempos de guarda. Los mínimos
requerimientos para la eficiencia espectral de pico son de 15bits/s/Hz para
enlaces de descarga y 6,75 bits/s/Hz para enlaces ascendentes, sin
embargo, estos valores no forman parte de los requerimientos y condiciones
de evaluación y son descritos en el reporte ITU-R M.2135.
Los valores fueron tomados utilizando configuraciones de antena 4x4 para
enlaces descendentes y 4x2 para enlaces ascendentes según ITU-R M.2134.
Ancho de Banda: éste debe ser escalable, siendo apropiado para las RIT,
esto con el fin de operar con distintos anchos de banda asignados, mismos
que pueden ser soportados por uno o varios troncos RF. Las RIT deberán de
soportar anchos de banda superiores incluyendo los 40MHz.
Eficiencia Espectral en el Borde de Celda: es el parámetro asociado al
rendimiento promedio del usuario, esta se encuentra definida en un 5% según
la función de distribución acumulada CDF4.
En la siguiente tabla se muestran los valores de eficiencia en distintos
entornos de enlace de radio.
4
Si desea consultar más detalles sobre este tema favor visitar
http://www2.latech.edu/~schroder/slides/stat/cdf.pdf.

14
Tabla 2.2.1.1. Eficiencia Espectral en Borde de Celda para varios entornos. Tomado de [10].
De la tabla se deduce que las pruebas realizadas en interiores tanto en la
descarga (DL) y carga (UL) de datos mejoran, puesto que el tiempo de sesión
por usuario al momento de establecerse la conexión es menor, frente a otros
escenarios.
Latencia: se encuentra dividida en dos planos que son: control de plano de
latencia(C-Plane) y latencia en el plano de usuario (U-Plane). En C-Plane los
requerimientos mínimos deben ser menores que 100ms para activos y lentos
estados de descarga, con el fin de ofrecer estabilidad al plano de usuario. El
segundo plano de latencia es también conocido como demora en el
transporte y es definido como el tiempo transmitido entre una SDU donde los
paquetes están disponibles sobre la capa IP en el terminal de
usuario/estación base, así como la disponibilidad de dichos paquetes en PDU
de capa IP, dentro de la estación base/terminal de usuario. La demora del
paquete en el plano de usuario incluyen retardos por los protocolos asociados
y la señalización de control, esto se asume cuando el usuario se encuentra
en estado activo. Los sistemas IMT-Advanceed habrán de ser capacees de
lograr latencias de plano de usuario menores a los 10ms en condiciones de
carga y descarga de datos.
Movilidad: son las condiciones de desplazamiento físico del equipo móvil,g
básicamente se encuentran los estados estacionario, peatonal, vehicular y
de alta velocidad vehicular. Los estados peatonal y estacionario pertenecen
a escenarios interiores de movilidad, aunque también pueden verse
envueltos en zonas de división micro-celular, donde la velocidad de movilidad
se encuentra por encima de los 30Km/h en entornos micro-celulares, así en
la cobertura pueden ser previstas las condiciones móviles estacionarias,
peatonales y vehiculares. Los entornos de alta velocidad son establecidos en
circunstancias donde el móvil está desplazándose a gran velocidad
superiores a los 100Km/h.
Handover: es la duración en la cual el usuario no puede intercambiar
paquetes sobre el U-Plane con ninguna estación base, este proceso incluye
el tiempo requerido a ejecutarse en cualquier actividad de las RAN, los
protocolos de señalización y control de los recursos de radio así como otros
intercambios de mensajes entre el UE y la RAN, son aplicaciones candidatas
en las RIT y SRIT. El propósito de determinar el tiempo de handover en
interacción con el CN es asumido como tiempo cero. Los tiempos de
handover según la recomendación de la ITU-R M2134 son de 27.5ms dentro

15
de la frecuencia establecida, de 40ms dentro de la banda de espectro, y de
60ms entre bandas de espectro.
Capacidad de VoIP: fue entregada asumiendo 12.2Kbps en el códec, con un
factor de actividad del 50%, tal que, el porcentaje de usuarios de corte es
menor que el 2% donde el usuario está sometido a tener experiencia en un
corte de voz si éste es menor que el 98% de los paquetes de VoIP (Voice
over Internet Protocol), que tienen que ser entregados exitosamente al
usuario dentro de un radio de acceso con retardo de 50ms.
A continuación en la siguiente tabla se muestran los requerimientos establecidos
por la 3GPP Rel-8 y Rel-10 así como los requerimientos mínimos establecidos por
la ITU-Advanced.
Tabla 2.2.1.2. Requerimientos mínimos de LTE, LTE-Advanced e IMT-Advanced. Tomado de
Jinbiao Xu, LTE-Advanced Signal Generation and Measurement Using SystemVue, 2010. Fuente:
www.agilent.com.
De la tabla anterior puede observarse que los parámetros de latencia en LTE deben
ser menores con respecto a IMT-Advanced, sin embargo en eficiencia espectral y
ancho de banda se deben realizar mejoras para LTE. En LTE-Advanced se mejora
notablemente el ancho de banda, la eficiencia espectral, y la latencia tanto en control
así como en el plano del usuario reuniendo y superando los requerimientos
establecidos por el IMT-Advanced.

16
2.3 La red UMTS evolucionada de radio acceso (E-UTRAN)
Gracias a las estaciones base el usuario podrá acceder los recursos de red de forma
inalámbrica, lo cual permite flexibilidad en las conexiones orientadas hacia la carga
y descarga de información. En esto participan tecnologías como; las técnicas de
acceso, la tecnología de las antenas, la estaciones base evolucionadas y el
backhaul de la red. Todos ellos configuran la red E-UTRAN siendo ésta literalmente
la interfaz del usuario para el vínculo con el núcleo de la red, las características de
dichas tecnologías son presentadas a continuación:
2.3.1 Nodo base evolucionado (eNB)
Se encarga de la comunicación del UE hacia los servicios de red, el UE se comunica
a través de interfaces de radio por las cuales este accede mediante protocolos,
donde el móvil establece una pila de protocolos que a su vez lo identifican con dicha
estación. La eNB deberá estar en capacidad de gestionar los recursos de radio
disponibles, así como la movilidad en la celda o sector, mismos que son optimizados
a través de todas las conexiones establecidas por el usuario en el plano de red. Las
funciones de RNC son incorporadas en un solo nodo de comunicación. Por un lado
3G dependen del RNC para el control de paquetes de datos, que actúa como un
router de servicio, gestionando las peticiones establecidas por la NB, que a su vez
recibe del UE, para que luego el RNC direccione el móvil a los servicios de red ya
sea internet o las PSTN, la eNB goza de suprimir este dispositivo adicional por que
las funciones del RLC se integran directamente en la estación base de LTE.
Por otro lado, el rendimiento del eNB depende de la eficiencia del algoritmo para
gestionar el recurso radioeléctrico, así como su implementación en los sistemas
LTE, para ello los equipos que intervienen en el eNB deben tener alta capacidad de
procesamiento de señales analógicas y digitales. Por esta razón ellas deben ser
equipadas con FPGAs, DSP, y CPUs de alto rendimiento. En una red de datos, los
eNB serían vistos como APs para el UE, que a su vez le conducirán a los recursos
ofrecidos por la misma, la eNB utiliza tecnología de antena MIMO, siendo ésta
múltiples antenas transmisoras y receptoras ubicadas en la torre de la estación
base. La siguiente figura ilustra la estructura del eNB donde se muestra la pila de
protocolos, el modo de establecer la comunicación, y la conexión del UE hacia la
entidad gestora de recursos MME.

17
Figura 2.3.1.1 (a) Macro funcional del eNB, (b) Arquitectura de eNB, (c) Establecimiento en la
conexión y proceso de liberación, y (d) Paginación y proceso de liberación. Tomado de [12].
La figura 2.3.1.1(a) bosqueja la pila de protocolos del eNB en las que se resaltan:
Administración del recursos RRM dado por la zona de cobertura y por las celdas
que se encuentren cercanas a ella, realiza control de radio portador, radio admisión,
conexión de movilidad, asignación dinámica de recursos para carga y descarga
dependiendo ésta de la agenda de asignación procedente de la estación base,
encabezamiento IP, así como compresión y encriptación de stream de datos. Las
eNB también se encargan de establecer la comunicación con las MME, asignando
a su vez el routing hacia el Gateway de servicio.
Las estaciones base de LTE gestionan la movilidad del UE a través de registros de
medida con el fin de determinar la posición al momento de establecerse la
comunicación, de igual manera se encarga del cronograma para la transmisión de
los mensajes, así como del broadcast de información, ya que las demás estaciones
LTE deben atender las peticiones de UEs cercanos a ellas y por lo tanto lejano de
la celda de origen.
En la figura 2.3.1.1(b) se muestra una implementación básica de una estación base
LTE bajo un esquema micro-TCA5, los dispositivos electrónicos tales como FPGAs,
se encargan de la capa física(PHY), los DSPs procesan las señales digitales del
sistema y la CPU que está más allá de la segunda capa en el stack del eNB. En la
misma figura, se ilustra la forma en que el móvil establece la comunicación con la
eNB, allí se reconocen los protocolos que debe seguir el UE si desea comunicarse
y tiene asociados a él una estructura de 3 capas que lo identifican frente a la
estación base. La primera indica la capa PHY entre el UE y el eNB que para éste
5
Ver [12] en la sesión LTE eNB Architecture.

18
caso es el espacio radio-eléctrico asignado por la ITU-R, así como los elementos de
enlace asociados. En la segunda capa del stack se identifican los protocolos MAC
que es un numero hexadecimal para la identificación del móvil, el RLC que se
encarga del control siendo asignado al móvil y a la eNB. Por último el protocolo
PDCP, que realiza la encriptación formando una cabecera de datos IP cuando el
móvil establece conexión con la estación base y tiene acceso a internet o redes por
conmutación de paquetes, la última capa (RRC) se encarga de la gestión de
movilidad para garantizar eficiencia espectral soportando mayor tráfico por usuario,
mejorando la QoS y aprovechando el BW establecidos por los requerimientos
mínimos de las IMT-Advanced.
La interfaz I/F es un puerto de comunicación serial de entrada/salida (sRIO) que
transmite la información a la CPU del eNB, con el fin de que este gestione los datos
IP para que sean enviados al núcleo de red y/o a otras estaciones LTE, dicha
conexión es de 10GbE. Al stack de la CPU se le asignan los protocolos de aplicación
S1-AP siendo S1 el vínculo entre el eNB y el CN, los protocolos de transmisión de
datos SCTP, y protocolos de internet. Los puertos Ethernet generan una conexión
física (cableada) hacia el CN, las interfaces X2 son el enlace con otras eNBs para
la comunicación (por ejemplo handover) entre ellas, dichas interfaces utilizan
acceso de radio utilizando µW (microondas).
En la figura 2.3.1.1(c) se establecen los protocolos de comunicación que los UE
siguen al momento de establecer conexión directa con la eNB, de esta figura se
pueden citar algunos aspectos relevantes al momento de establecer la
comunicación; Primero el móvil envía un preámbulo6 hacia la eNB, mediante un
canal de acceso aleatorio o RACH donde la estación base envía un mensaje de
confirmación, entonces el UE solicita conexión para la comunicación basado en el
protocolo CCCH para UL, mientras que en DL, la eNB configura la conexión bajo el
mismo protocolo de comunicación el cual a su vez debe regirse mediante el
protocolo RRC, por último el móvil configura su conexión estableciendo un canal de
control dedicado DCCH en UL.
Como segunda medida y mediante la interfaz S1 la eNB envía un mensaje de
usuario inicial a través de un enlace de carga UL al MME, este último es el
encargado de gestionar y otorgar los permisos correspondientes de las peticiones
solicitadas por el usuario, en este caso el MME envía una petición a la estación base
LTE del contenido inicial solicitado por el móvil, lo tercero que realiza la eNB es
solicitarle al UE que establezca y reconfigure la conexión, siendo esta en modo
seguro mediante un canal de comunicación dedicado, a su vez el móvil confirma
que está conectado en modo seguro y que ha completado la reconfiguración de la
conexión. Cuarto, la eNB envía un mensaje de confirmación de la respuesta de
instalación al MME, y tiempo después el UE envía un mensaje mediante el enlace
UL transfiriendo la información de éste, tiempo después la eNB transmite una carga
de transporte NAS mediante el protocolo de aplicación S1-AP. Después de que se
hallan gestionado los datos en la MME, éste realiza una petición de liberación del
6
Se refiere a un conjunto de bits que acceden en este caso a la eNB del sistema LTE

19
UE a la eNB mediante el protocolo S1-AP a través del enlace DL, para que poco
después la eNB se lo comunique al UE mediante el canal dedicado DCCH utilizando
el mismo enlace, ya estando el móvil liberado de la red, la eNB le indica al MME que
se ha concluido la liberación.
Por ultimo en la figura 2.3.1.1(d) se establece el proceso de paginación del UE, que
establece los procesos de mantener informado al usuario mediante el canal de
paginación (PCH), la MME establece la paginación hacia la eNB, este proceso hace
referencia a la forma de dividir los datos, donde el móvil es capaz de elegir el espacio
sub-dividido de acuerdo con peticiones realizadas anteriormente, luego la eNB se
encarga de retransmitirlo al usuario. Así mismo el UE establece los mismos
protocolos de comunicación descritos por la figura 2.3.1.1(c).
2.3.2 Tecnologia de Antenas MIMO (Multiple Input Multiple Output)
MIMO es una técnica empleada con el fin de aumentar significativamente la
velocidad (rata de datos) para los sistemas de comunicaciones inalámbricas, tales
como WiMAX y LTE, mediante un par de antenas transmisoras/receptoras, esto con
el fin de mejorar la confiabilidad del enlace [13]. Las tecnologías MIMO buscan
aprovechar el ancho de banda, la cobertura de la celda, y el promedio de
rendimiento de la misma, asegurando mayor QoS, debido a que existe menor
latencia y mayor provecho de la eficiencia espectral de la celda.
El objetivo de MIMO es la diversidad espacial y debe ser capaz de establecer
enlaces de carga y descarga efectiva hacia un usuario SU-MIMO, así como hacia
múltiples usuarios MU-MIMO, SU-MIMO especifica una configuración con 2 o 4
antenas en DL, soportando múltiples capas de transmisión espacial con hasta 4
capas para un determinado UE. Mediante el enlace UL, se utiliza un sistema de 2
antenas de trasmisión. En el esquema MU-MIMO se admiten diversas capas
espaciales de transmisión a diferentes usuarios sobre los mismos recursos de
tiempo-frecuencia, otorgando rendimiento en carga y descarga de stream de datos.
En LTE Advanced la existencia de las tecnologías SU-MIMO son extendidas a
soportar configuraciones de por lo menos 8 antenas en enlaces de bajada y por lo
menos 4 antenas en los enlaces de subida. Los esquemas SU-MIMO se aplicaron
a PDSCH (Physical Downlink Shared Channel), el cual hace referencia al canal de
capa física que transporta la información de red hacia el UE.
Con SU-MIMO y mediante multiplexación espacial, los sistemas LTE ofrecen
velocidades pico de 150Mbps con dos antenas y 300Mbps para cuatro antenas
transmisoras. Existen dos modelos de operación en multiplexación espacial SU-
MIMO: la multiplexación espacial en lazo cerrado y el modo de multiplexación
espacial en lazo abierto. Para la multiplexación espacial los códigos habrán de ser
mapeados a múltiples capas dependiendo de la clasificación de transmisión
programada por la eNB, el proceso que interviene en la descarga de datos es el
HARQ que opera en cada código, éste requiere una señal de retroalimentación
ACK/NAK en los tipos de enlace UL. Al reducir los gastos en la retroalimentación de

20
carga, solo dos códigos se transmiten, por lo que se deben definir las reglas de
mapeo de código para cada una de las capas. En el caso de transmitir un código
son usadas dos capas, sólo aplicables para el eNB, con cuatro antenas de
transmisión.
Un enlace inicial contendrá dos códigos, por lo tanto una asignación de códigos y
así necesariamente dos capas serán transmitidas. En el caso de tres capas, la
primera lleva el código de la palabra inicial, mientras que la segunda y tercera capa
lleva los códigos de las palabras restantes, dicho proceso cuenta con dos tiempos
de modulación por símbolos con respecto al primero. Cuando cuatro capas son
programadas, dos códigos se transmiten utilizando solo dos capas.
2.3.3 Técnicas de acceso en carga y descarga de datos
Estas técnicas son importantes porque permiten que el UE se conecte con
transparencia, ofreciendo un incremento en la velocidad debido al buen
aprovechamiento del espacio radioeléctrico.
2.3.3.1 enlace de descarga
En LTE se utiliza OFDM para los enlaces DL, técnica que permite mayor aumento
de velocidad para un estrecho ancho de banda, OFDM es el proceso en el que la
respuesta en frecuencia de los sub-canales son solapados y ortogonales. Los
canales se establecen formando un conjunto de sub-canales o sub-portadores los
cuales presentan dicho solapamiento en frecuencias determinadas. Los portadores
OFDM pueden perder su estructura ortogonal cuando una señal pasa a través de
un tiempo disperso por interferencia de símbolo por radio-canal o inter-OFDM. Para
evitar inter-OFDM, se debe asignar una extensión de ciclo prefijado, la última parte
de la señal OFDM es añadida como ciclo prefijado CP al comienzo de dicha señal.
El ancho del ciclo prefijado es generalmente elegido a acomodar el máximo de
demora propagada en un canal inalámbrico. La adición del CP transmite el periodo
de la señal OFDM, y ayuda a evitar la interferencia inter-símbolo e interferencia
inter-portador. Por otro lado la banda base de los símbolos OFDM es la suma de la
modulación transmitida asociado a cada sub-portador, y está sujeta a la cantidad de
sub-potadoras que existan en el sistema de comunicación, además el espacio entre
sub-portadoras debes ser considerado para este tipo de modulación, el cual
pertenece a un ancho de banda de canal sub-portador [14].
El estándar 3GPP completo su definición de la primera versión de los sistemas LTE
basados en sistemas OFDMA7 que manejan tasas de bit de 300Mbps en 20MHz de
ancho de banda y puede ser operado como un sistema netamente programado
(sobre el intercambio de datos del canal) en todo el tráfico, incluyendo servicios de
7
Es cuando OFDM es aplicado a varios terminales y los datos se encuentran asociados a todos los usuarios
directamente vinculados a dichas terminales.

21
sensibilidad de retardo como por ejemplo VoIP o SIP que a su vez necesitan ser
programados. Por lo tanto el programador se habrá de considerar como un elemento
clave en el diseño de este tipo de sistemas de comunicaciones. Una fina
granularidad (comúnmente de 180 KHz de recurso de bloque, con tiempos de
transmisión en intervalos de 1ms) ofrecida por LTE, permite eficiencia de paquete y
aprovechamiento de canales selectivos de tiempo/frecuencia a través de
programación oportuna, con el fin de habilitar alto rendimiento por usuario. Al
contrario de las redes cableadas, generar una percepción hacia el UE con QoS es
más difícil, debido a la sensibilidad de retardo de flujo de datos (VoIP, Video
conferencia, streaming de video, etc.) en sistemas oportunos. Esto es porque el
programador de calidad de servicio QoS habrá de ser cuidadosamente compensado
en velocidad total de transmisión versus balanceo de varias métricas QoS (por
ejemplo demora de paquetes) a través de los usuarios. En otras palabras puede
necesitarse agenda de tiempos por usuario, cuya demora en cola son prolongadas,
por lo que el flujo de datos por canal no es la más favorable.
En los enlaces de descarga, se entregan requerimientos QoS con una mezcla de
tipos de tráfico, considerando cada trama de agenda, donde se identifica el estatus
de ésta, según la QoS y el flujo de datos, este mapeo es un conjunto de parámetros
QoS requeridos por el programador, el mapeo puede ser cambiado para ceder
diversas prioridades de flujo, esto requiere no cambiar la estructura computacional.
Dicha estructura puede ser extendida a otras redes sobre OFDMA tales como
WiMAX y UMB (Ultra Mobile Broadband). La asignación de recursos en redes
inalámbricas es distinto a comparación de las redes cableadas puesto que existe
una variación de tiempo por canal inalámbrico [15].
2.3.3.2 Enlace de Carga
Para este tipo de enlaces, LTE usa SC-FDMA, el cual provee de acceso ortogonal
a usuarios conectados simultáneamente a la red, los sistemas SC-FDMA también
son conocidos como IFDMA tal y como lo indica [14]. Los sistemas SC-FDMA se
basan en transmisión de símbolos en el domino de la frecuencia los cuales poseen
diversos niveles de potencia pero ocupando espacios de salto en el dominio del
tiempo, también posee forma ortogonal al igual que OFDMA, sin embargo la
enorme diferencia de SC-FDMA con respecto a OFDMA es el consumo energético,
puesto que el UE deberá suministrar más potencia al trabajar con un enlace de
carga UL basado en OFDMA, en OFDMA los símbolos se transmiten en paralelo
mientras que en SC-FDMA los símbolos se transmiten en serie a cuatro veces la
velocidad[16][17].
SC-FDMA fue elegido por LTE debido a que este presenta menor potencia de
distorsión comparado con el esquema de modulación OFDMA, SC-FDMA es la
extensión de SC-FDE el cual permite múltiple acceso al igual que OFDMA, ambas
tecnologías son utilizadas en los transceiver del sistema de comunicación, siendo
DTF la herramienta para los estados de pre-codificación y pre-codificación inversa,
que son añadidos al final de los circuitos transmisores y receptores de SC-FDMA,
esta técnica de acceso se enfoca hacia el borde del receptor y por tanto ésta es la

22
tecnología apropiada para utilizarse en los enlaces de carga de datos, para las eNB.
Debido a estas características, SC-FDMA fue elegido como técnica de acceso por
3GPP LTE para los enlaces UL. Cuando las sub-portadoras son igualmente
separadas sobre todo el sistema de banda ancha, este es llamado IFDMA.
En SC-FDE los ciclos prefijos (Cp) son también involucrados de la misma forma
descrita en OFDM con el fin de evitar interferencia inter-bloque (IBI) causada por la
propagación multi-camino, haciendo posible la ecualización en el dominio de la
frecuencia. Por ultimo debe notarse que en OFDMA, la modulación de los símbolos
son asignados a un solo sub-canal o sub-portador mientras que en SC-FDMA dicha
modulación es asignada a todo el canal [18].
2.3.4 El backhaul de la red
Ofrece conexión entre las eNB y los sitios de conmutación a altas velocidades, este
es una parte de la red móvil que conecta las estaciones base al controlador de la
red dentro de un radio de cobertura establecido, a su vez enlaza el núcleo de red
para el transporte de datos o conexión a redes por conmutación de circuitos, los
medios de transmisión de datos pueden ser por cobre, microondas, o fibra óptica.
Según [19] Ericsson particiona el Backhaul en 2 requerimientos de red y se
identifican como LRAN y HRAN, esta última típicamente agrega tráfico para varias
LRAN usando una extensión de red ya sea en fibra óptica o microondas,
conformando una metro red. Las LRAN son frecuentemente basadas en enlaces
microondas mejorando la conectividad de última milla para las eNBs, las LRAN
agregan tráfico para 10 a 100 eNB y se alimentan dentro de la HRAN.
Las LRAN podrán ofrecer una buena relación costo/beneficio debido a que es
flexible y habilita la mejora de capacidad pico en los datos transportados de la red.
Los enlaces microondas ofrecen menor costos de implementación para los
proveedores del servicio debido a que se aprovecha en gran medida el espacio
radio-eléctrico y no se encuentra sujeta a los costosos cables de cobre o de fibra
óptica. Sin embargo estos cables siguen siendo utilizados en enlaces de primera
milla, ya que son menos los costos en su implementación y para el caso de la fibra
óptica posee un índice de atenuación menor. En LTE las LRAN son capaces de
manejar velocidades de 100Mbps a 150Mbps, el transporte de datos por fibra óptica
es la primera elección de la tecnología para cualquier enlace de alta velocidad, las
redes GPON (Gigabit Pasive Optical Network) suministran velocidades de conexión
en orden de los GbE. Sin embargo, esto no significa que en circuitos con redes
basadas en cobre o enlaces microondas no se pueda alcanzar este tipo de
conexiones.
El espectro convencional para enlaces microondas en el backhaul se encuentra
entre las bandas de frecuencias que oscilan desde los 6GHz hasta los 38GHz,
donde cada banda es divida en estrechaos canales de frecuencia, con el fin de
asegurar la disponibilidad del espectro así como el eficiente uso de éste. El canal
más amplio ofrece 50MHz de ancho de banda aproximadamente, usando
avanzados formatos de modulación, estas bandas podrán sobrepasar los 500Mbps

23
sobre un solo canal o portador. Para el backhaul de LTE son asignados los canales
de 14MHz y 28MHz con los más avanzados formatos de modulación que son
suficientes para administrar la capacidad en aplicaciones de última milla.
El backhaul también es referido como el núcleo de transporte de red, los términos,
primera milla se refieren a sistemas cableados, y los de última milla son redes
inalámbricas de acceso microondas. Hoy por hoy el incremento significativo de
datos ha hecho pensar en la utilización de recursos para mejorar la velocidad del
backhaul y adaptarlos hacia las redes móviles de siguiente generación, esto
requiere que las estaciones base incluidas las de LTE, dispongan de sincronización
precisa en orden de generar una señal de radio que garantice suavidad en el
handover de llamadas y así evitar interferencia, con el fin de reunir niveles de
disponibilidad y rendimiento para servicios multimedia. Para el buen manejo de este
tipo de recursos debe considerarse el uso de un Ethernet backhaul, con
conectividad bajo el protocolo IP, sin embargo todas las redes backhaul no
necesariamente deben utilizar IP, puesto que las LRAN establecen conexiones
punto a punto en términos de su topología [20].
2.4 El núcleo de paquetes evolucionado (EPC)
El EPC es el núcleo de red móvil para LTE basado en IP, por lo tanto los dominios
que se tienen en el núcleo de red de los sistemas de segunda y tercera generación
(2G y 3G), en donde la voz así como la conmutación de los paquetes de datos son
tratados por entes independientes, dicho sistemas son el CS y el PS, donde el
primero se encarga de los procesos de voz y el segundo es para el manejo de
paquetes de datos. En LTE el EPC será basado en IP con el fin de incorporar los
procesos establecidos en 2G y 3G, para tener solo una plataforma que conlleve a
realizar los procesos de voz y los de paquetes de datos, todo sobre este único
sistema de telefonía móvil. Los dispositivos móviles, así como otros aparatos podrán
acceder a los servicios de la red ya que el EPC le asignara a dichos dispositivos las
direcciones IP correspondientes, con el fin de poderlos identificar en la red, esto
hace que LTE evolucione la telefonía móvil permitiendo así que este tipo de redes
pertenezcan al grupo de la telemática.
EPC es esencial para los servicios IP de LTE, mejorando los procesos en tiempo
real así como ricos servicios multimedia, esto a su vez mejorando significativamente
la calidad de experiencia del usuario final. Los recursos que puede ofrecer EPC bajo
IP son; VoIP, video, mensajes SMS y MMS, internet, televisión móvil (Mobile TV),
archivos bajo IP Multimedia, oficina móvil, entre otros. Además existe interworking
de nuevas arquitecturas móviles, así como las previas generaciones (2G, 3G). Otro
aspecto importante tiene que ver con la escalabilidad requerida por cana uno de los
elementos del núcleo de red a incrementos dramáticos de direcciones en número
de conexiones directas a terminales de usuario, causando un incremento en el
ancho de banda y movilidad dinámica de terminales. Por ultimo debe otorgarse
confiabilidad y disponibilidad para cada UE, con el fin de asegurar la continuidad del
servicio prestado por el sistema de comunicación. Los elementos que intervienen

24
en el EPC son: la entidad de gestión de movilidad MME, los Gateway de servicio
SG-W, los Gateway de paquetes de datos PG-W, por ultimo las políticas y reglas de
función de carga PCRF tal y como se citan en [4][21] y [22], mismas que se definirán
a continuación:
2.4.1. La Entidad De Gestión De Movilidad (MME)
Realiza la señalización y funciones de control para gestionar el acceso del UE a la
conexión de la red LTE, así como la asignación de los recursos de la misma, y
asignación de los estados de movilidad soportando rastreo, paginación, roaming, y
handovers. Esta entidad controla todas las funciones del plano de control
relacionadas al subscriptor y a la sesión de gestión. MME puede administrar miles
de elementos pertenecientes a los eNB, la cual es una de las notables diferencias
con respecto a los sistemas móviles 2G y 3G, cuyas plataformas de administración
son el RNC y SGSN. El MME es el elemento clave para la selección de Gateway
dentro del EPC. Este a su vez realiza señalización y selección de Gateways
validados para handovers para otras redes 2G/3G. El MME también realiza
funciones de control para gestión de portadora para la estabilización de los múltiples
caminos de la misma que el UE dispone. Este además proporciona funciones tales
como; procedimientos de seguridad el cual se encarga de la autenticación del
usuario final así como la iniciación y negociación del cifrado y la protección integral
de los algoritmos, manejo de la sección de red al terminal de usuario que se refiere
a todos los procedimientos de señalización usados con el fin de configurar los
paquetes de datos y a su vez negociar los parámetros asociados como QoS. Por
último la gestión de localización del terminal de usuario en modo idle, establece el
área de rastreo así como actualización de procesos usados a habilitar la red y unir
terminales para sesiones incomodas.
El MME realiza interconexión y señalización entre los núcleos de red CN para la
movilidad entre acceso de redes 3GPP, basados en la gestión de portador multi-
camino. Los protocolos que corren desde el UE hacia el punto de red se conocen
como NAS, que es el procedimiento de administración de conexión y son
fundamentalmente similares a los ejercidos en las UMTS, donde se tienen en cuenta
los accesos de forma segura del UE.
2.4.2. El Gateway de Servicio (S-GW)
Es un elemento asociado al plano de datos, cuya función es la gestión del plano de
usuario y actúa como un punto de demarcación entre los eNBs y el CN. SG-W
mantiene el camino de datos entre los eNBs y el PDN Gateway (PG-W). El Gateway
de servicio, es el punto terminal interface de la red de paquetes de datos hacia las
E-UTRAN, cuando las terminales se mueven a través de áreas de servicio por los
elementos del eNB en la E-UTRAN el SG-W sirve como una estación de movilidad
local. Esto sigue que los paquetes son ruteados a través de este punto para la E-

25
UTRAN de movilidad interna y movilidad con otras tecnologías 3GPP tales como
GSM y UMTS.
El SG-W se conecta hacia el PG-W mediante el interfaz S5 la cual soporta dos
protocolos distintos como lo son el GTP8, o el protocolo proxy móvil bajo IPv6
(PMIPv6), mismo que tendrá conexión directa con el PCRF mediante la interfaz Gxc
con el fin complementar la falta de eventos reportados que no estén disponibles en
el protocolo PMIPv69, mismo que mantiene la conectividad IP en lugar de requerir
un portador EPS10. Este portador va al UE hacia el PG-W con QoS apropiada.
2.4.3. El Gateway de Paquetes de Datos (P-GW)
Es el punto de terminación de la interface de paquetes de datos hacia las redes
PDN, como un punto de acceso para las sesiones hacia redes PDN externas, este
soporta: políticas de fortalecimiento, que se aplican al operador, definiendo las
reglas para la asignación de recursos, filtrado de paquetes el cual realiza por
ejemplo una inspección profunda de paquetes de datos para aplicación del tipo de
detección, soporte de carga, realiza por ejemplo una carga de direcciones URL, en
LTE el tráfico es llevado sobre conexiones virtuales llamadas SDF11, que
básicamente son un trasporte sobre portador, contenedores virtuales con
características únicas de QoS.
2.4.4. Políticas y Reglas de Función de Carga (PCRF)
Definidas en el séptimo lanzamiento de 3GPP como un conjunto en términos de
funciones políticas de decisión PDF12 y las funciones de reglas de carga CRF13, el
PCRF fue mejorado en la versión octava del 3GPP generalizando el alcance de la
política y control de cargas PCC14 para facilitar el acceso a redes no pertenecientes
8
GPRS Tunneling Protocol soporta características proporcionando soporte de firewalls para las redes móviles
GPRS, a su vez permite multiprotocolo de paquetes para vincularlos usando tunneling hacia las UMTS o el
backbone GPRS entre el Gateway GPRS Support Node(GGSN), Services GPRS Support Node(SGSN), y
UTRAN. Para saber más favor consultar http://www.cisco.com/en/US/docs/ios-
xml/ios/sec_data_zbf/configuration/xe-3s/conf-gprs-tunn-prot.pdf.
9
PMIPv6 proporciona movilidad a dispositivos IP fuera de su entorno de red, esta disposición es lograda por
funciones relevantes reasignadas para gestión de movilidad en el nodo móvil de la red (eNB). Favor consultar
http://www.cisco.com/web/about/ac123/ac147/archived_issues/ipj_13-3/133_pmipv6.html, y
http://tools.ietf.org/html/rfc6279 para mayor información.
10
Evolved Packet System: Este término se refiere al conjunto de todos las entidades que conforman la red
LTE, así los UEs, las E-UTRAN, el EPC y los servicios de conexión de redes externas es lo que se conoce como
EPS.
11
. Los Service Data Flows representan los paquetes IP relacionados al servicio de usuario tales como web,
búsqueda en la red, e-mail, etc. Para mayor información favor consultar
http://www.ixiacom.com/pdfs/library/white_papers/policy_management.pdf.
12
. Policy Decision Function (PDF)
13
. Charging Rules Function (CRF)
14
. Policy and Charging Control (PCC): Es un proceso que proporciona gestión de carga de caracteristicas
tales como administración del QoS y filtrado de paquetes, también se encarga de la gestión de las políticas de
la red.

26
a 3GPP, como por ejemplo WiFi, o redes de acceso de banda ancha bajo el
protocolo IP. El PCEF15 es la entidad que soporta detección SDF, fortalece las
políticas y el flujo con base en la carga de datos. Esta función es responsabilidad
del PG-W, por el cual los hosts envían las reglas por el PCRF usando la interfaz Gx.
2.4.5. Servidor Local del Subscriptor (HSS)
Contiene los usuarios de la red LTE de subscripción de datos tales como los
subscriptores-EPS con perfiles QoS y cualquier restricción de acceso para roaming,
éste también mantiene información acerca de las PDNs a las cuales el usuario
puede conectarse. Esto podrá ser de la forma APN, misma que es una etiqueta de
acuerdo al nombre DNS describiendo el AP para la PDN, o también puede ser una
dirección PDN (por ejemplo la dirección IP del subscriptor). A su vez mantiene
información de forma dinámica tal como la identidad del MME al cual el usuario es
frecuentemente añadido o registrado. A su vez integra el centro de autenticación de
usuario (AuC), mismo que genera un vector de autenticación y claves de seguridad.
2.5. Las Interfaces de Red
Las interfaces de red son el enlace de comunicación con todos los dispositivos
asociados a la red LTE, por medio de éstas, se ejecuta el transporte de los datos a
los servidores y Gateways de la red, con el fin de dar un concepto general de ellas,
adoptaremos las definiciones presentadas en [1][23][24] y [25].
2.5.1. Interfaz Uu-LTE
Permite la conexión entre el UE y la E-UTRAN de sistema móvil de comunicaciones,
estas utilizan las tecnologías de acceso OFDMA y SC-FDMA para los enlaces de
carga y de descarga. Básicamente esta interfaz se asocia con los procedimientos
correspondientes a la capa PHY-L1 y los protocolos ejecutados en la capa L2 tales
como, la MAC, el RLC, y el PDCP. En la capa física actúan los protocolos
correspondientes al enlace de bajada DL y al enlace de subida UL, para la descarga
15
. Policy Charging Enforcement Function (PCEF): Fortalece las políticas de decision para portadoras
establecidas, mapeando el SDF de las portadoras y ejecutando politicas de trafico y orden. En el P-GW, esta
función filtra paquetes entrantes de otras redes (ej. Internet o VPNs corporativas) usando TFTs (Traffic Flow
Templates), estos TFTs contienen información del filtrado de paquetes para identificar los datos de una
portadora especifica.

27
los protocolos que intervienen en el proceso son: PDSCH16, PDCCH17, PMCH18,
PCFICH19, y PHICH20. Para los enlaces de carga los protocolos PUSCH21,
PUCCH22, y PRACH23 son utilizados. A la función encargada del transporte de los
datos hacia la eNB se le llama plano de usuario UP. Por otro lado el plano de control
(CP) transporta el flujo de señalización de información entre el UE y el eNB.
2.5.2. Interfaz S1
Es la encargada de conectar el eNB al EPC de la red soportando todo el tráfico de
plano de usuario y el plano de control entre la E-UTRAN y el EPC, a su vez habrá
de soportar el intercambio de señalización de información entre estos dos sistemas
de red. En realidad S1 es una conexión punto a punto entre un eNB dentro de la E-
UTRAN, con algún MME del EPC. Además, la interfaz S1 debe ejecutar
procedimientos de estabilidad manteniendo y liberando el radio acceso de
portadoras E-UTRAN, procedimientos para handovers Intra-LTE e Inter-RAT, la
separación de usuario sobre el nivel de protocolo para la administración de
señalización de un usuario especifico, la transferencia de mensajes de señalización
NAS entre el UE y el EPC, servicio de localización por respuesta de transferencia
para el EPC o la E-UTRAN y a su vez la ubicación de información para la misma,
por último, debe considerarse los mecanismos para reservación de recurso de flujo
de paquetes de datos.
El SCTP es usado para el intercambio de mensajes de señalización del protocolo
de aplicación S1-AP entre un eNB y la MME. La interfaz S1 se encuentra dividida
en dos sub-interfaces de comunicación mismas que se encargan de enlazar al MME
y al S-GW con la eNB relacionándose a su vez con el plano de usuario UP y el de
16
Physical Downlink Shared Channel. Ver [1], pp-103. Además ver LTE a Pocket Dictionary of Acronyms, pp-
52. Disponible en
http://lte.alcatel-lucent.com/locale/en_us/downloads/LTE-A_Pocket_Dictionary_of_Acronyms.pdf.
17
Physical Downlink Control Channel. Ver [1], pp-103. Además ver LTE a Pocket Dictionary of Acronyms, pp-
51. Disponible en http://lte.alcatel-lucent.com/locale/en_us/downloads/LTE-
A_Pocket_Dictionary_of_Acronyms.pdf.
18
Physical Multicast Channel. Ver [1], pp-103. Además ver LTE a Pocket Dictionary of Acronyms, pp-55.
Disponible en http://lte.alcatel-lucent.com/locale/en_us/downloads/LTE-
19
Physical Control Format Indicator Channel. Ver [1], pp-103. ver LTE a Pocket Dictionary of Acronyms, pp-
20
Physical Hybrid ARQ Indicator Channel. Ver [1], pp-103. Además ver LTE a Pocket Dictionary of Acronyms,
pp-53. Disponible en http://lte.alcatel-lucent.com/locale/en_us/downloads/LTE-
21
Physical Uplink Shared Channel. Ver [1], pp-103. Además ver LTE a Pocket Dictionary of Acronyms, pp-
22
Physical Uplink Control Channel Ver [1], pp-103. Además ver LTE a Pocket Dictionary of Acronyms, pp-57.
Disponible en http://lte.alcatel-lucent.com/locale/en_us/downloads/LTE-
23
Physical Random Access Channel. Ver [1], pp-103. Además ver LTE a Pocket Dictionary of Acronyms, pp-

28
control CP.
S1-UE (Plano de Usuario): en estas condiciones los UE deben ser
gestionados, por ejemplo fijados y liberados en el eNB y el EPC, soportando
señalización individual sobre S1. Esto implica administración de seguridad,
dicha función corresponde al plano de usuario y se impone de ser necesario
al inicio de todos los UE, incluyendo E-RAB (E-UTRAN Radio Access
Bearer), seguridad, restricción de roaming, IDs de señalización y conexión
del UE a S1, etc. La eNB también se habilita el modo Fast/Idle para
transmisiones activas soportando liberaciones previamente establecidas
para tal fin. Dicha liberación es ejecutada directamente por el MME o también
enviando una petición de respuesta hacia el eNB. El servicio de gestión E-
RAB es responsable tanto para la liberación, modificación, estableciendo los
recursos de la E-UTRAN para el uso de transporte de datos a un plano de
usuario que es habilitado en el eNB, la modificación de los recursos de la E-
UTRAN es otorgada por el MME y requiere información con QoS para ser
proporcionada a la eNB.
En el plano de usuario, se debe tener en cuenta los procedimientos de GTP-
U (GPRS Tunnelling Protocol-User Plane) ya que es usado para disponer o
liberar los tunnels entre el EPC y la E-UTRAN sobre un servicio de respuesta
E-RAB, y el cual se encuentra envuelto en la asignación de tunnel de
identificación para cada dirección. La función de handover intra-LTE soporta
movilidad para usuarios y comprende la preparación, ejecución, y
terminación de handovers usando la interfaz X2 y S1 respectivamente.
Otro aspecto importante de esta interfaz de comunicación es el handover
inter-3GPP RAT que soporta movilidad para otras 3GPP-RATs y establece la
preparación, ejecución, y terminación de dicho handover. El soporte de
movilidad con otros sistemas de telefonía móvil tales como CDMA2000,
comprende que existan parámetros de señalización para pre-asignación del
usuario con redes non-3GPP, a su vez señalización para preparación de
handover entre E-UTRAN, CDMA2000, HRPD/1xRTT. La función paging
establece él envió y respuesta hacia los eNB teniendo asignadas una o más
celdas que corresponden a una de las TAs, en la cual el UE es registrado.
Para funciones de roaming debe tenerse en cuenta la información restringida
para el UE en el EPC, transferida luego al eNB, en términos de restricción de
las TAs, otras características asociadas al buen manejo de la interfaz S1
puede verse en el TS. 136 410, referenciado en [23].
S1-CP (Plano de Control): este plano está establecido por un stack de
protocolos pertenecientes a las capas L1, y L2 estructuradas en las
estaciones base de LTE, también soporta señalización y dispone de todo el
set de protocolos del eNB y el MME, algunos de estos se mencionan a
continuación:

29
Sub-capa PDCP: realiza las funciones del plano de control como por
ejemplo cifrado y protección de la integridad de la información.
Sub-capas RLC y MAC: realiza las mismas funciones que se
definieron en el plano de usuario.
RRC(Radio Resource Control): realiza funciones tales como;
broadcast, paging, gestión de conexión RRC, control de radio
portadora RB, funciones de movilidad, reportes de medida y control
de UE, protocolo de control NAS que se realiza en medio de gestión
de portadora EPS, autenticación de usuario, manipulación de
movilidad EMM/IDLE, paginación originada en EMM/IDLE, y control de
seguridad.
Otro aspecto importante en el plano de control es la sincronización, en donde
diversos métodos y técnicas son preferidas dependiendo de los requerimientos de
dicha sincronización. Un solo método no puede cubrir todas las aplicaciones de la
E-UTRAN donde un puerto lógico puede ser usado en la eNB para la recepción del
tiempo, frecuencia, o entradas de fase a los métodos de sincronización elegidos.
Para la fragmentación se configura la interfaz S1-U (X2-U) en enlace MTU, el cual
se refiere en sí, a los bloques IP más largos que puedan ser transmitidos en un
enlace de comunicación entre el eNB y el S-GW, de acuerdo con el MTUI del
dominio de red perteneciente, el cual debe ser considerado como una elección en
el empleo de la red, misma que puede emplear diversos métodos de fragmentación,
pero los métodos específicos a usar dependen de la implementación. Sobre la
relación establecimiento/modificación de una portadora EPS en la red, da una
indicación de que este puede ser usado como MTU por el stack del UE IP también
direccionados por el MME o el eNB.
2.5.3. Interfaz X2
Es la encargada de soportar el intercambio de información de señalización entre los
eNB, siendo capaz de reenviar la información al usuario final a través de túneles
seguros, debe facilitar la introducción de nuevas tecnologías, y también permitir la
conexión de estaciones base de otros proveedores. En el plano de usuario, esta
interfaz es la encargada de transportar los datos entre y hacia las estaciones base
LTE, misma que es utilizada en cortos intervalos de tiempo cuando los usuario se
mueven de un eNB a otro y cuentan con buffers que permiten el reenvió de datos
de un nodo. X2-U utiliza el protocolo GTP para generar los túneles de transmisión.
En el plano de control, la interfaz X2 se encarga del conjunto de funciones y
procedimientos entre los eNB. Dichos procedimientos son muy limitados y están
relacionados con la movilidad entre las eNB, como el intercambio de información
del estado del terminal, la información de la portadora, etc.

30
Figura 2.5.1. Visión general de las interfaces del EPS. Tomado de [26].
En la siguiente figura se ilustran otras interfaces pertenecientes a un sistema de
telefonía móvil LTE/SAE bajo la implementación del protocolo de movilidad PMIPv6,
según [26] en esta arquitectura el usuario es básicamente gestionado bajo dos
parámetros de movilidad que son: gestión de movilidad basada en IP, gestión de
movilidad basada en red y gestión de movilidad basada en cliente. En el primer caso
si se detecta que el UE ha cambiado su posición, hay que proveer al usuario con la
misma dirección IP que este tuvo en la posición anterior. La entidad ofrece dicha
dirección al UE donde también se actualiza la movilidad tanto en los paquetes
arribados sobre el nuevo punto que se une al usuario. Para la gestión de movilidad
basada en el cliente el UE obtiene una nueva dirección IP local (también referida
como cuidado de direcciones) donde ésta se mueve a un nuevo punto asociado.
Entonces es responsabilidad del usuario actualizar al agente local, el cual mantiene
una agenda entre el cuidado de direcciones y la IP local del usuario. La eficiencia
de los recursos inalámbricos es otro requerimiento de gestión de movilidad porque
estos podrán ser unidos. En general es deseable minimizar la participación en la
gestión de movilidad a mejorar la vida de la batería del terminal.
PMIPv6 fue adoptado como el protocolo de movilidad para la participación de redes
3GPP y non-3GPP, y una opción de acceso para intra-3GPP. Nótese que en la figura
las interfaces subrayadas en azul, indican que dichas interfaces operan bajo el
`protocolo PMIP, las interfaces delineadas en verde operan bajo el protocolo PCC,
donde el protocolo GTPv2 (evolución del GTP) solo puede ser usado como una
alternativa para gestión de movilidad dentro de redes de acceso 3GPP solamente,

31
mientras que PMIPv6 puede ser usada tanto en redes 3GPP como en non-3GPP.
El acceso de UE a redes non-3GPP puede clasificarse en accesos confiables o no
confiables. Cuando el acceso no es confiable requiere que el operador despliegue
un ePDG (Evoldved Packet Data Gateway) que proporcione la seguridad adecuada,
la autenticación del usuario y la encriptación de datos, son basados en IPsec/IKEv2
a habilitar al UE, a acceso seguro en el EPC. Por último las interfaces demarcadas
con el color rojo involucran procesos de registro y autenticación de cuenta de
usuario, basado bajo el mismo protocolo IP de movilidad.
2.6. Proveedores del servicio LTE en Colombia
En el 2013, los operadores de telefonía móvil así como los proveedores de internet
han competido por ofrecer 4G, UNE por ejemplo ofrece internet móvil de alta
velocidad permitiendo tasas de transferencias de datos más elevadas que las
ofrecidas por los operadores de telefonía móvil (Claro, Movistar y Tigo), UNE ofrece
planes de internet móvil para hogares y personas donde la velocidad de navegación
es en promedio de 12Mbps, por tal motivo esta empresa dispone de equipos tales
como el “MiFi” que permite la conexión a internet de hasta 5 equipos vía WiFi. El
MiFi de UNE actúa como un router convencional irradiando la señal de internet para
interconectar otros equipos vía MiFi, el dispositivo también permite la conexión de
tablets, Smart phones, portátiles y demás equipos móviles. El alcance de este
dispositivo es hasta de 10mts de radio de cobertura con una duración de la batería
de aproximadamente 120 minutos según las especificaciones técnicas del
fabricante, el MiFi puede ser llevado a cualquier lugar en donde se encuentre
cobertura de LTE, de lo contrario el dispositivo se conecta a redes UMTS o 3G.
Además, UNE ofrece Módems inalámbricos que permiten conectividad con la red
4G y del mismo modo con las redes de tercera generación, estos equipos disponen
de una tarjeta SIM que permite el servicio de LTE, pero dichas tarjetas no pueden
ser usadas en otros dispositivos (como teléfonos celulares, etc.) ni tampoco para
realizar llamadas. Los Módems de UNE incluyen un software para ser instalado en
el laptop que se desee conectar con la red 4G, finalmente UNE ofrece planes para
empresas, personas independientes así como paquetes corporativos.
Sin embargo ahora, los operadores de telefonía móvil a su vez que la ETB y Avantel
ganaron la subasta para implementar redes LTE en Colombia, permitiendo así
posicionar al país en el camino de una tecnología que ofrece hasta 10 veces más
velocidad de datos cuando los usuarios se conectan a internet, ya que en la
actualidad Colombia se encuentra por debajo frente a otros países (Chile, Brasil,
Argentina, México y Ecuador) en cuanto a las tasas de velocidad en la descarga a
carga de información24.
24
Para saber más sobre esta noticia, favor consultar la dirección
http://www.eltiempo.com/tecnologia/telecomunicaciones/ARTICULO-WEB-NEW_NOTA_INTERIOR-
12901224.html.

32
Con la asignación del espectro para LTE, Colombia verá un futuro ya anunciado en
el mundo de las comunicaciones móviles, puesto que LTE mejora significativamente
tres aspectos esenciales que existen en cualquier tipo de comunicación, ellas son:
la flexibilidad, la velocidad y la interoperabilidad. La flexibilidad debido a que LTE
permite una conexión de datos de forma inalámbrica en donde el usuario puede
desplazarse en una zona de cobertura sin necesidad de usar cables, es decir que
LTE permite movilidad en la conexión así como portabilidad de los dispositivos
orientados a esta misma acción. La velocidad se mejora significativamente gracias
al uso del backhaul sobre fibra óptica, enlaces microondas de alta velocidad y redes
MPLS, según los requerimientos establecidos por la 3GPP y las ITU-R en cuanto a
condiciones de velocidad para las IMT-Advanced que es donde se encuentra LTE
es de por lo menos 75Mbps, con latencias inferiores a los 10ms, de hecho este tipo
de conexiones pueden ser asociadas a una Fast Ethernet pero sin la necesidad de
los cables.
Gracias al EPC, LTE permite interoperabilidad entre los diversos tipos de redes de
datos así como los de telefonía móvil ya que en el core de la red intervienen el S-
GW y P-GW. El S-GW asegura la movilidad porque administra y conmuta los
paquetes de datos solicitados por el usuario terminal, la E-UTRAN accede
directamente al S-GW para que este se encargue de transmitir los paquetes de
datos a los UE que se encuentren conectados en la eNB con cobertura, pero es el
P-GW el que permite la interoperabilidad de otras redes, incluyendo las redes 2G y
3G así como las PDNs puesto que este dispositivo es un router que permite el
enlace para la transferencia de los paquetes de datos hacia los usuarios de la red
LTE.
Una de las limitantes que impiden la operación de LTE de forma estandarizada en
Colombia es que los equipos móviles (como Smart phones, blackberrys, etc) no
tienen la opción de trabajar en la bandas de 4G ya que se encuentran diseñados
para enlaces 2G y 3G, es por eso que LTE permite la conexión con este tipo de
redes (3GPP), he incluso con redes non-3GPP.
La banda AWS (Advanced Wireless Service) fue la subastada en Colombia para
LTE, los proveedores del servicio de 4G deben ser capaces de implementar sus
redes bajo esta asignación de espectro en un año según informes de noticias. En
los países donde se han desarrollado redes LTE, los Smart phones, blackberrys,
etc, son dispositivos inteligentes diseñados para operar en la banda AWS y así
permitir la conexión de internet a alta velocidad tal y como lo ofrece LTE, de tal
manera que habrá que esperar que Claro, Tigo, Movistar, la ETB y Avantel ajusten
sus redes a estas condiciones para empezar a disfrutar de conexiones a redes de
datos tales como internet a alta velocidad y sin depender de conexiones alámbricas,
que es el esquema que hoy predomina.
2.7. Supervisión, control y adquisición de datos (SCADA)
Los sistemas de control han evolucionado aprovechando a su vez el avance

33
tecnológico de las computadoras y en consecuencia, de internet. Esto ha logrado
despertar el enfoque de las empresas, para desarrollar dispositivos electrónicos que
puedan transmitir las variables que toman de un sistema (planta) en tiempo real a
una red de comunicación basada mediante el protocolo UDP/IP. Sin embargo dichos
sistemas también pueden ser vulnerables puesto que hoy en día también existen
expertos y aficionados que intentan violentar la seguridad de un sistema telemático.
La seguridad en los sistemas de control debe ser relevante, puesto que de no existir
este factor cualquier persona con las características antes descritas puede acceder
al sistema y ocasionar desastres que pueden llegar a ser realmente graves. A
continuación con base en [27] se hará una breve introducción de los sistemas de
control existentes resaltando el que es objeto de estudio para esta propuesta, que
son los sistemas de supervisión y adquisición de datos SCADA.
2.7.1. Introducción
Los ICS (Industrial Control System), abarcan varios sistemas de control incluyendo
SCADA, DCS, y otros tales como los basados en arquitecturas PLC, que a menudo
se encuentran en los sectores industriales e infraestructuras críticas. Precisamente
los sistemas SCADA son usados en zonas críticas, en donde el control debe ser
constante y cuyas condiciones de ambiente son bastante hostiles para el personal
encargado de la parte operativa, en cuanto al mantenimiento y toma de registros de
control rutinario se refiere. Los SCADAS son utilizados en sistemas distribuidos,
tales como distribución de agua, aceite, tuberías de gas, redes de potencia eléctrica,
entre otros. Un sistema SCADA realiza monitoreo y control centralizado para
aplicaciones de campo, así como en comunicaciones de larga distancia incluyendo
monitorización de alarmas y status los datos procesados. Esto es basado sobre
información recibida de estaciones remotas, autómatas o supervisión de manejo de
operación que pueden ser empujadas a un dispositivo remoto de control, mediante
el cual a menudo es referido como dispositivo de campo. Estos controlan
operaciones locales tales como apertura y cierre de válvulas o breakers, recolección
de datos para sistemas de sensado y monitorización de alarmas en entornos
locales.
De igual forma, los DCS son usados para el control industrial, tales como generación
de potencia eléctrica, refinerías de combustible y gas, tratamiento de agua y aguas
residuales, tratamientos químicos, alimenticios, y producción de automóviles en
masa. Estos son integrados como una arquitectura de control que contiene nivel de
supervisión y control de supervisión múltiple, sub-sistemas integrados que son
responsables del control minucioso de algún determinado proceso, que a su vez, se
logra mediante lazos de retroalimentación y compensación por adelanto por lo cual
el producto y/o condiciones del proceso son automáticamente estabilizados a un
punto deseado, el uso de PLCs logra esto, ya que son empleados en los sistemas
de campo y configurados como control proporcional, integral, y/o derivativo,
sintonizados para obtener una tolerancia deseada así como la velocidad de
corrección interna durante la toma de datos sobre el proceso. Los PLC son
computadoras basadas en dispositivos de estado sólido que equipan el control

34
industrial y al proceso en sí. Mientras que los PLC son los componentes de control
utilizados en los SCADA y sistemas DCS, ellos son a menudo los componentes
primarios para sistemas de control pequeños usados para proporcionar un control
regulado de procesos discretos, tales como ensamble de automóviles en línea o
plantas pequeñas, donde las etapas de control no son muy relevantes. Los DCS y
PLCs a menudo deben utilizar retroalimentación en lazo cerrado ya que los
procesos de los cuales se encargan estos dispositivos es más complejo que la
supervisión del control distribuidos en una zona geográfica, SCADA simplemente es
el control y supervisión de los DCS y PLCs sobre una planta, los datos
proporcionados por estos controladores facilitan las funciones del sistema SCADA
para la monitorización constante de un sistema de producción industrial. Por ultimo
las ICS pueden ser interconectadas a redes de área local LAN ya que estas
proporcionan mayor velocidad en el transporte de los datos, los cuales serán
observados finalmente en computadoras de escritorio, mismas que son llamadas
estaciones de trabajo.
2.7.2. Operación de los ICS
Básicamente los sistemas de control contienen tres elementos asociados a su
estructura que son, control de lazo, interfaz humano/maquina HMI, y diagnostico
remoto junto con utilidades de mantenimiento, mismos que se definen a
continuación:
Control de lazo: consta del sensor para medidas, hardware de control como
los PLCs, sistemas actuadores tales como válvulas, breakers, interruptores y
motores, que a su vez manejan variables de comunicación. Las variables de
control son transmitidas al controlador por medio de los sensores que
intervienen en el proceso. El controlador interpreta las señales generando
una respuesta conveniente a las variables indicadas del proceso, esto
basándose en un conjunto de puntos, el cual es posteriormente transmitido a
los actuadores del proceso. En los procesos con perturbación, los sensores
transmiten sus señales según la presencia de dicha perturbación, enviando
la señal al controlador, el cual ajusta los niveles de compensación de ser
necesario antes de activar el actuador.
Interfaz humano/maquina (HMI): es la interfaz mediante la cual operarios e
ingenieros acceden a configurar un set point mediante algoritmos de control
ajustando y estabilizando los parámetros del controlador, esta interfaz es una
computadora donde se puede observar el estado del proceso, y el historial
del mismo.
Diagnostico remoto y utilidades de mantenimiento: estos son utilizados
para evitar, identificar, y recuperarse de posibles fallas que puedan
entorpecer el proceso.
Estas actividades ayudan al ICS a ser más eficiente en su operación en los procesos

35
de control, las operaciones de lazo cerrado contribuyen significativamente en los
sistemas de control, ya que la retroalimentación indica en cuanto se debe ajustar el
set point para la compensación y ejecución de los elementos actuadores.
2.7.3. Componentes de un SCADA
2.7.3.1. Programmable Logic Controller (PLC)
Es un dispositivo electrónico especialmente diseñado para realizar distintas
operaciones lógicas, estan ejecutadas por dispositivos eléctricos o electrónicos
incorporados en el PLC. Dichos dispositivos pueden ser Relés, transistores de alta
conmutación, electro-válvulas, etc, mismos que pueden ser configurados para
realizar operaciones lógicas previamente programadas. Los PLCs son la evolución
de los controladores convencionales y son ampliamente aplicados en los sistemas
SCADA y los DCS.
2.7.3.2. Remote Terminal Unit (RTU)
Como su nombre lo indica, son las terminales remotas cuyo principal propósito es
adquirir los datos, y realizar el control. Estos son los dispositivos de campo y suelen
estar equipados con interfaces Ethernet o inalámbricas, generalmente los PLCs son
dispositivos de campo y pueden actuar como una RTU, en la mayoría de casos los
PLCs sirven como RTUs en un ICS.
2.7.3.3. Master Terminal Unit (MTU)
Es el servidor donde reposan los datos transmitidos de los PLC y las RTUs, esta
unidad funciona como maestro y los dispositivos de campo como esclavos.
2.7.3.4. Human Machine Interface (HMI)
Es el software/hardware asociado al sistema, en donde a través de un monitor y un
panel de control, el operario o ingeniero puede manipular los parámetros
establecidos y suministrados en el proceso, cambiando así el objetivo de control
previamente establecido o anulando el proceso automático a un estado manual en
algún caso de emergencia. Este además permite visualizar los datos, que indican el
estado de la planta mediante variables y parámetros a tener en cuenta como por
ejemplo: presión, temperatura, flujo, estado de los elementos asociados al control
de la planta, etc. También, genera un historial que indica la validez y calidad del
proceso controlado. Finalmente, este dispositivo es conectado mediante una red
LAN o WLAN para el caso de redes inalámbricas.
Los sistemas SCADA se encuentran sub-divididos en cuatro niveles de operación
que son;

36
De campo: donde intervienen los dispositivos actuadores asociados a la
planta.
De celda: donde intervienen los controladores de campo tales como los PLCs
y las RTUs.
De producción y gestión: donde se encuentran los equipos servidores, HMI
y estaciones de trabajo, mediante las cuales se pueden llevar a cabo
operaciones de campo mediante acceso remoto.
Además de los recursos antes mencionados, tales como historial de registros, entre
otros. Los sistemas SCADA eran típicamente diseñados para entornos cerrados en
donde el nivel de seguridad en cuanto a la información y las variables de control era
nulo. De tal manera que sí este sistema se maneja sobre redes abiertas tales como
Internet, la vulnerabilidad de los mismos es evidente, debido a la existencia de
grandes amenazas que hoy en día se hacen notar con el dominio del protocolo
TCP/IP, así como, las actividades maliciosas que pueden generarse con el uso de
éste.
2.8. Seguridad y acceso remoto a redes SCADA
Todo empieza para mejorar la seguridad de un sistema SCADA, mismos que son
vulnerables por actividades terroristas desde el punto de vista cibernauta, ya que
mediante una violación, el intruso puede tener acceso directo a los procesos de
control que se estén supervisando, y por ende causar algún daño significativo a
dicho proceso, que podría terminar en tragedia en algún caso extremo. Por lo tanto
el sistema debe estar diseñado para protegerse contra este tipo de amenazas que
pueden afectarle. En [28] se describen los sistemas confiables para un SCADA, que
como se mencionó antes, opera bajo el protocolo TCP/IP y UDP/IP, también puede
regirse bajo encriptación IPsec, reglas de firewall, chequeo de formatos, y funciones
de control de acceso, cuyo objetivo es mejorar la seguridad y facilitar el
compartimiento de información entre regiones. Los sistemas confiables usan una
arquitectura de red de ruteo activa, la cual permite adición a inter-dominio o sistemas
de comunicación backbone fuera de las adecuaciones que se requiera hacer
después en la red. Los sistemas SCADA son vulnerables porque de estos se
encuentra información on-line tales como, manuales técnicos o información en
general que se da a conocer para todo el público.
La seguridad de los SCADA está a cargo de entidades como la NIST (National
institute of Standars and Technology), que ha iniciado programas para la seguridad
de los sistemas de control SCADA. Los router son una posible opción a mejorar la
seguridad, el cual es necesario para la red y en soluciones de aplicaciones
conscientes de que la seguridad es un mecanismo de defensa y que opera como

37
un sistema a identificar amenazas respondiendo adecuadamente. El núcleo de un
sistema confiable es básicamente el software que realiza actividades de seguridad,
otorgando análisis y respuesta, este tipo de software puede ser un firewall el cual
conceda el acceso solo a los usuarios autorizados. Básicamente lo que hace un
sistema confiable es la detección de los mensajes adecuados y seguros que se le
envían al sistema SCADA, donde el firewall posee identifica los datos confiables
pertenecientes por ejemplo a la compañía donde se encuentra implementado el
sistema de control, verificando la encriptación y autenticación de los datos recibidos,
borrando así los mensajes sospechosos y mal intencionados. Los mensajes
provenientes de las MTU son ruteados y conmutados hacia las estaciones de
trabajo para llevar el análisis de los datos, historiales, etc. Por último en las citas, se
define un sistema confiable que puede ser aplicado en el mundo real, y el cual se
encuentra asociado a una red “maestro-esclavo”, en la cual todos los nodos
terminales tienen firewall, al igual que el sistema confiable (router). En este sistema,
los nodos confirman la información de las estaciones o puntos remotos que se estén
enviando al sistema, para que luego, la información verificada por los firewalls
asociados a dichos puntos la entreguen al sistema confiable, mismo que se encarga
de verificar nuevamente los paquetes de datos que le son entregados. El otro
sistema aplicable al mundo real son las redes punto a punto, en donde las centrales
remotas se comunican entre sí y a su vez entre el sistema confiable, en donde se
realizan los procesos anteriormente descritos.
La desventaja de estos sistemas es que causan demora en transporte de los datos
ya que deben hacerse procesos de verificación de encriptado, fiabilidad, etc, debido
al algoritmo utilizado, por tal motivo estos sistemas deben ser dotados de equipos
que estén en la capacidad de ofrecer un buen rendimiento para el tratamiento de la
información con el fin minimizar estos efectos.
Por otro lado Cristina Alcaraz et. Al en [29] presenta en su artículo algunos tópicos
para la seguridad de sistemas SCADA utilizando sensores industriales inalámbricos
(WSN), estos parámetros son: el canal seguro, este debe soportar servicios de
integridad y confiabilidad de extremo a extremo, la integridad de la información evita
introducción de información falsa en el sistema, la confiabilidad debe evitar intrusos
a información sensible.
La autenticación es otro parámetro y se refiere a la localización y naturaleza de los
mecanismos y elementos que pueden emplearse para proporcionar la identidad de
un ser humano. La autorización, la cual establece los derechos y permisos que tiene
el humano o la máquina para acceder a la información. La unidad de registro y
detección debe encargarse de detectar ataque en tiempo real, éste referencia la
estructura de los sistemas de registro, así como de los mecanismos que pueden
emplearse para el análisis de intrusos. Para la seguridad de una canal de transporte,
este puede basarse en IPsec, SSL, TLS [29][38], que pueden ser implementados
en la capa de trasporte, así como aplicaciones para servicios web en la capa de
aplicación del modelo TCP/IP. Los modelos de red front to end/Gateway permiten el
uso de VPN [31][35] entre la central SCADA, asegurando la confiablidad e integridad
de los mensajes de control. Los sistemas SCADA generalmente usan DNP3

38
[32][33][36] como protocolo de comunicación, que soporta tres modos de
comunicación entre la MTU o centro de control y los dispositivos de campo, en
transmisiones unicast, la unidad de control, envía un mensaje de solicitud a una
dirección del dispositivo remoto de la estación de campo, mismo que envía un
mensaje de respuesta a dicho centro de control. En comunicaciones broadcast la
estación maestra envía la información a todos los nodos de campo, donde estos no
responden el mensaje difundido en la red. La tercera forma de comunicación, es
usando DNP3, implica respuestas no solicitadas desde los dispositivos remotos,
estas respuestas típicamente son utilizadas para el almacenamiento de alertas, así
como de actualizaciones periódicas. Los protocolos DNP3 soportan una gran
variedad de configuraciones de red tales como punto a punto, multipunto, y redes
con estructura jerárquica, estas son las configuraciones de red de mayor adopción
cuando se utiliza el protocolo DNP3. En las conexiones punto a punto se establece
una red dedicada en la cual la MTU se comunica con una RTU mediante un cable
de red o un punto dedicado, el las comunicaciones multipunto la MTU es capaz de
establecer conexiones con diversas RTUs para la supervisión y control de algún
proceso especifico, por último en una comunicación jerárquica un dispositivo actúa
como un punto remoto sobre un segmento de red y la estación maestra en otro
segmento, de tal manera que la combinación de los dos es llamada sub-master.
En realidad DNP3, puede ser aplicado a distintos modelos de red, tales como
transmisiones a través del puerto de comunicación serial y los modernos sistemas
de comunicaciones basados en el protocolo IP. La seguridad puede verse afectada
por usuarios mal intencionados que infecten a la red con algún tipo de virus, estos
pueden ser ejecutados cuando se hospeda en una computadora, algunos también
pueden auto-ejecutarse cuando se pone en funcionamiento el equipo de cómputo,
permitiendo a su vez un enlace con el usuario no deseado.
Las redes SCADA puede ser confiables si se utiliza un Gateway para la
comunicación, cuando se utilizan redes corporativas como la intranet, este puede
ser implementado mediante software o hardware y básicamente son servidores que
permiten al usuario autorizado trabajar en determinado proceso, por ejemplo
mediante una página web[34].
Finalmente, se puede mejorar la seguridad con la implementación de IPv6, también
pueden establecerse servidores DNS, donde solo los nombres asociados a
direcciones IP autorizadas pueden tener acceso a los servicios de red, herramientas
como el RotoRouter proporciona información falsa al atacante que está intentando
acceder al router de la red, esto se hace con el fin de confundir al malintencionado
para evitar algún posible daño en el sistema de información, pudiendo influir
directamente en el proceso, demás herramientas son mencionadas en [37] que no
son tomadas aquí pero que se citaran de ser necesario en los capítulos posteriores.

39
Capítulo 3 DISEÑO DE INGENIERIA
3.1. Inicio del diseño para establecer la comunicación
Los sistemas SCADA son implementados bajo los estándares IEC 61850, con base
en IEEE 802.3, DNP3 y Modbus [39], el IEC 61850 está enfocado hacia los sistemas
de control de subestaciones habilitando la integración de todas las protecciones,
control, medidas y monitoreo de funciones bajo el mismo protocolo de
comunicación. A su vez establece las funciones para la inter-comunicación entre los
IEDs (Intelligent Electronic Devices) [40]. El estándar IEEE 802.3 es el encargado
de definir el tipo de cableado en redes Ethernet, para el transporte de la información
bajo el protocolo CSMA/CD. DNP3 es un protocolo bajo el estándar de
comunicación IEC 60870-5, éste puede ser utilizado en sistemas SCADA sobre IP,
la comunicación se establece sobre tres capas que corresponden al modelo OSI
que son: enlace, pseudo-transporte y aplicación. De esta manera el modelo TCP/IP
puede ser ajustado en las redes SCADA sobre DNP3 [41]. Modbus es un protocolo
de comunicación serial, usado para comunicaciones cliente-servidor entre un switch
(servidor) y un dispositivo de red basado en software-cliente tipo Modbus, así este
protocolo puede ser usado entre una estación de trabajo y una RTU en sistemas
SCADA [42].
En este diseño se asumirá un sistema SCADA sobre TCP/IP, aquí no se pretende
el diseño del SCADA, por el contrario, diseñar un modelo de comunicación entre
SCADA hacia LTE es uno de los alcances de este proyecto. LTE es la pieza clave
del rompecabezas para desarrollar un esquema de red que permita movilidad sin
descuidar recursos de QoS. Por tal motivo, se muestra un modelo con el fin de
ilustrar como puede llegarse a desarrollar el vínculo en términos de red entre el
proceso del control y el ingeniero supervisor del mismo. Al asumir este tipo de
control como una plataforma basada en redes IP, la comunicación móvil es posible,
ya que LTE proporciona movilidad permitiendo flexibilidad en la comunicación, ya
que el UE pueden desplazarse libremente sobre cualquier área geográfica que
tenga cobertura. Antes de realizar el bosquejo de dicho modelo, es preciso
establecer los pasos para el desarrollo del mismo orientado hacia el diseño, estas
etapas son:
 Enlace entre la red SCADA y la PDN.
 Diseño de la PDN.
 Enlace entre la PDN y LTE.
 Arquitectura de LTE.
 Comunicación con el UE.
Este modelo comprende el nivel de arquitectura que debe ser usado en el enlace
del SCADA, la PDN y LTE respectivamente y se muestra en la figura 3.1.1. Aquí se
ilustra las cinco etapas del diseño, así, la conexión del sistema SCADA debe
realizarse hacia la PDN conectándose ésta última con la red LTE. De acuerdo con

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