1. Facultad de Ingeniería Eléctrica y Electrónica
Ingeniería de Telecomunicaciones
Sistemas de Comunicaciones Móviles
Sesión: 12
Redes Móviles 3G y 4G
Prof. Ing. José C. Benítez P.

2. Sesión. Redes Móviles 3G y 4G
1. Introducción.
2. Tercera generación (3G).
3. UMTS.
4. Cuarta generación (4G).
5. LTE.
6. LTE-Advanced.

3. 1. Introducción
Organismos de estandarización
• ETSI (European Telecommunications Standards Institute)
Creado por la CEPT (Conferencia Europea de Administraciones de
Correos y Telecomunicaciones) en 1988, tiene su sede en Francia.
Estandarización inicial de GSM, GPRS y UMTS.
www.etsi.org
• 3GPP (Third Generation Partnership Project)
Creado en 1998.
Acuerdo de colaboración entre ETSI y otros organismos de
estandarización oficiales (Japón, China, Corea, USA)
Actualmente se ocupa de la estandarización de GSM, UMTS y LTE
(incluyendo sus evoluciones)
Formado por fabricantes, operadores y otros (afiliados a un organismo
de estandarización: ETSI u otros)
www.3gpp.org
• 3GPP2 (Third Generation Partnership Project 2)
Creado en 2000.
Similar a 3GPP pero para sistemas americanos (cdma2000).
www.3gpp2.org

4. 1. Introducción
3GPP

5. 1. Introducción
Generaciones de comunicaciones móviles

6. 1. Introducción
Generaciones de comunicaciones móviles

7. 1. Introducción
Generaciones de comunicaciones móviles

8. 1. Introducción
Origen y Evolución de GSM
• 1982: Creación del Groupe Spéciale Mobile (GSM) en la CEPT.
Reserva de frecuencias en Europa para el futuro sistema.
• 1987: Selección de características generales: tecnología digital, acceso
múltiple TDMA.
• 1989: La estandarización del GSM pasa a depender del ETSI.
• 1990: Termina la especificación de la fase 1: voz, SMS, datos en modo
circuito, roaming internacional, servicios suplementarios (desvío,
restricción de llamadas).
• 1992: Comienzo de operación en algunos países.
• 1996: Fase 2. Mejoras; DCS-1800 (luego GSM-1800).
• 1998: Fase 2+ (varias releases). Mejoras: mayor velocidad de datos;
HSCSD; GPRS.
• 1998: La estandarización pasa realizarse en el 3GPP, en el cual se
integra el ETSI.
• 2004: 1000 millones de usuarios de GSM.
• 2006: 2000 millones de usuarios de GSM.

9. 1. Introducción
Arquitectura GSM (CR)
PLMN: Public Land Mobile Network (GSM)
MS: Mobile Station
SIM: Subscriber Identity Module
ME: Mobile equipment
BSS: Base Station Subsystem
BSC: Base Station Controller
BTS: Base Transceiver Station
NSS: Network and Switching Subsystem
GMSC: Gateway MSC
EIR: Equipment Identity Register
HLR: Home Location Register
AuC: Authentication Center
MSC: Mobile Switching Center
VLR: Visitors Location Register
OSS: Operation and Supervision Subsystem
NMC: Network Management Center
OMC: Operation and Maintenance Center
SMSC Short Message Service Center
PSTN: Public Switched Telephone Network

10. 1. Introducción
Arquitectura GSM (CR)

11. 1. Introducción
Origen de GPRS
• General Packet Radio Service (GPRS) o servicio general de paquetes
vía radio.
• Creado en la década de los 80, es una extensión del Sistema Global
para Comunicaciones Móviles (Global System for Mobile
Communications o GSM) para la transmisión de datos mediante
conmutación de paquetes.
• Definido por ETSI/3GPP como parte de la fase 2+ de especificaciones
GSM.
• Generación “2,5”.
• Existe un servicio similar para los teléfonos móviles, el sistema IS-136.
Permite velocidades de transferencia de 56 a 114 kbps.
• Con GPRS se pueden utilizar servicios como Wireless Application
Protocol (WAP), servicio de mensajes cortos (SMS), servicio de
mensajería multimedia (MMS), Internet y servicios de comunicación,
como el correo electrónico y la World Wide Web (WWW).

12. 1. Introducción
Red de GPRS
• Una conexión GPRS está establecida por la referencia a su APN (nombre del
punto de acceso).
• Para fijar una conexión de GPRS para una MS, un usuario debe especificar
un APN, opcionalmente un nombre y contraseña de usuario, y muy raramente
una dirección IP, todo proporcionado por el operador de red.
• La transferencia de datos de GPRS se cobra por volumen de información
transmitida (en kilo o megabytes), mientras que la comunicación de datos a
través de conmutación de circuitos tradicionales se factura por minuto de
tiempo de conexión, independientemente de si el usuario utiliza toda la
capacidad del canal o está en un estado de inactividad.
• Por este motivo, se considera más adecuada la conexión conmutada para
servicios como la voz que requieren un ancho de banda constante durante la
transmisión, mientras que los servicios de paquetes como GPRS se orientan
al tráfico de datos.
• La tecnología GPRS como bien lo indica su nombre es un servicio (Service)
orientado a radio enlaces (Radio) que da mejor rendimiento a la conmutación
de paquetes (Packet) en dichos radio enlaces.

13. 1. Introducción
CSD vs GSM vs GPRS
• Para comparar GPRS con GSM se utiliza normalmente la velocidad de
transmisión de SMS.
• Sobre una red GPRS se pueden enviar aproximadamente 30 SMS por minuto,
frente a los 6 a 10 SMS que permite GSM.

14. 1. Introducción
Características de GPRS
• Red de conmutación de paquetes.
• Se aprovecha gran parte de la estructura de red GSM.
• Reserva flexible de canales radio.
• Adecuado para tráfico a ráfagas.
• Requiere cambios en la red:
– Terminal móvil: compatible con GPRS (todos
actualmente).
– Red fija: no requiere cambios de hardware en las
BTS; sí en los BSC y en el núcleo de red.
• Velocidad de hasta 21,4 kbps por intervalo.

15. 1. Introducción
Arquitectura de GPRS (CR)
Elementos nuevos en GPRS:
• PCU: Packet Control Unit. Forma parte del BSC. Gestiona las funciones
relacionadas con la transmisión de paquetes en la interfaz radio.
• SGSN: Serving GPRS Support Node. Nodo de conmutación de paquetes.
• GGSN: Gateway GPRS Support Node. Nodo de conmutación de paquetes
con funciones de interconexión con otras redes de datos.
• BG: Border Gateway. Interconexión con otras PLMN’s.
• MS: debe ser compatible con GPRS.

16. 2. Tercera generación (3G)
Características:
• Las tecnologías de la 3G se categorizan dentro del IMT-2000
(International Mobile Telecommunications-2000) de la ITU, que
define el estándar para que todas las redes 3G sean compatibles.
• Gran capacidad.
• Variedad de servicios:
Velocidad binaria elevada: hasta
144 kb/s en entornos rurales.
384 kb/s en entornos suburbanos.
2 Mb/s en entornos urbanos.
Velocidad binaria variable dinámicamente.
Conmutación de circuitos y de paquetes.
• Estructura modular y arquitectura abierta para la introducción de
nuevas aplicaciones.
• UMTS permite introducir muchos más usuarios a la red global del
sistema, y además permite incrementar la velocidad a 2 Mbps por
usuario móvil.

17. 3. UMTS
Características de UMTS:
• UMTS es una de las tecnologías usadas por los móviles de 3G,
sucesora de GSM, debido a que la tecnología GSM propiamente
dicha no podía seguir un camino evolutivo para llegar a brindar
servicios considerados de 3G.
• Aunque inicialmente esté pensada para su uso en teléfonos móviles,
la red UMTS no está limitada a estos dispositivos, pudiendo ser
utilizada por otros.
• Sus grandes características son:
• Las capacidades multimedia,
• Velocidad de acceso a Internet elevada, la cual también le
permite transmitir audio y video en tiempo real; y
• una transmisión de voz con calidad equiparable a las redes fijas.
• Además, dispone de una variedad de servicios muy extensa,
roaming internacional e interoperatividad.

18. 3. UMTS
Origen de UMTS:
• “Universal Mobile Telecommunication System”.
• 1995: Proyecto europeo FRAMES para selección de método de
acceso múltiple: propuesta con dos modos TDMA y CDMA.
• 1997: Proceso de selección de tecnologías para UMTS por parte
de ETSI: propuesta con cinco categorías.
• 1998: Selección de dos tecnologías por parte de ETSI: WCDMA
(FDD) y TD-CDMA (TDD).
• 1999: Creación de 3GPP y 3GPP2. Armonización de propuestas
para IMT-2000.
• 2000: Definición de IMT-2000: cinco modos (posteriormente seis)
• 2001: Pruebas no comerciales de UMTS.
• 2003: Primeros terminales UMTS/GSM. Explotación comercial.
• 2006: Comienzo de explotación comercial de HSDPA (3.5G).
• 2007: Comienzo de explotación comercial de HSUPA (3.75G).
• 2009: Comienzo del despliegue comercial de HSDPA+.

19. 3. UMTS
Evolución 3GPP:
• Release 99: Especificación básica.
• Release 4: Mejoras en Release 99.
• Release 5: HSDPA. Otras mejoras.
• Release 6: HSUPA. Mejoras en HSDPA.
• Release 7: Evolución de HSPA (HSPA+)
• Release 8: LTE
• Release 9: Estudio inicial para LTE-Advanced. Otras mejoras.
• Release 10: LTE-Advanced

20. 3. UMTS
Evolución 3GPP:
• Release 6: HSUPA. Mejoras en HSDPA.
• Release 7: Evolución de HSPA (HSPA+)
• Release 8: LTE

21. 3. UMTS
Evolución 3GPP:

22. 3. UMTS
Evolución 3GPP:

23. 3. UMTS
Evolución 3GPP:

24. 3. UMTS
Evolución 3GPP:

25. 3. UMTS
Evolución 3GPP:

26. 3. UMTS
Evolución 3GPP:

27. 3. UMTS
Evolución 3GPP:

28. 3. UMTS
Evolución 3GPP:

29. 3. UMTS
Evolución 3GPP:

30. 3. UMTS
Evolución 3GPP:

31. 3. UMTS
Evolución 3GPP:

32. 3. UMTS
Arquitectura general:

33. 3. UMTS
Arquitectura de la red de acceso (UTRAN):
• RNS: Radio Network Subsystem
• RNC: Radio Network Controller. Se encarga del
control de la red de acceso radio.
• Nodo B (Node B): Estación base
• El interfaz Iur es necesario para gestionar el traspaso
con continuidad entre bases de RNC diferentes.

34. 3. UMTS
Arquitectura básica del núcleo de red (CN):
Hay dos núcleos de red diferenciados:
• CS (Circuit Switched): similar al
núcleo de red de GSM (MSC).
• PS (Packet Switched): similar al
núcleo de red de GPRS (SGSN).

35. 3. UMTS
Zonas e identidades:
• MCC, MNC, IMSI, TMSI, P-TMSI, IMEI: como en GSM/GPRS
• Áreas de localización:
– LA (LAC): como en GSM.
– RA (RAC): como en GPRS.
– URA (UTRAN Registration Area): concepto nuevo en UMTS. Una
célula puede pertenecer a varias URA. Se consigue así una
histéresis, similar a la utilizada en los cambios de LA o de RA.
• Célula (CI): como en GSM/GPRS.
• En UMTS existen varios estados de conexión. En función del estado,
el móvil tiene que enviar a la red actualizaciones (normales y
periódicas) de alguna de estas áreas:
– LA y RA (LA Update, RA Update); o bien
– URA (URA Update); o bien
– Célula (Cell Update; normales y periódicas).

36. 3. UMTS
Interfaz radio: Características generales:
• UMTS: componente terrestre / por satélite. Actualmente sólo
terrestre: UTRA (UMTS Terrestrial Radio Access).
• UTRA: FDMA/DS-CDMA (“WCDMA”) con FDD / TDD. Actualmente
sólo el modo FDD está en funcionamiento.
• Separación entre portadoras: 5 MHz
• Velocidad de chip: 3.84 Mc/s
• Ensanchamiento espectral:
– Códigos de canalización: códigos ortogonales con factor de
ensanchamiento variable (OVSF) en potencias de 2.
– Códigos de aleatorización: varios tipos de códigos PN.
• Modulación: BPSK / QPSK
• Estructura de trama temporal (no TDMA)
• Potencia máxima del terminal móvil: 21 ó 24 dBm habitualmente.
• Conmutación de circuitos y de paquetes.
• Velocidad binaria variable de forma estática y dinámica.
• Traspaso con continuidad (soft) y entre portadoras o hacia otros
sistemas (hard).

37. 3. UMTS
Bandas de frecuencia:
• Modo FDD: bandas “emparejadas”: 12 portadoras para
cada sentido de transmisión
– UL: 1920–1980 MHz
– DL: 2110–2170 MHz.
Hay otras bandas, aunque se utilizan menos.
• Modo TDD: bandas “no emparejadas”: 7 portadoras
para ambos sentidos de transmisión
– 1900–1920 MHz
– 2010–2025 MHz.
• UARFCN (UTRA ARFCN): f = 0,2n (MHz).

38. 3. UMTS
Canales lógicos, de transporte y físicos:
• Canales lógicos: definen el tipo de información
enviada: De control / de tráfico.
Un canal lógico se puede usar para enviar información de
control de las capas superiores (signalling radio bearer,
SRB) o de tráfico (radio bearer, RB).
• Canales de transporte: definen el formato de envío:
Comunes / dedicados.
• Canales físicos: definen los recursos físicos utilizados:
frecuencia, secuencias de código. Además pueden
distinguirse por división temporal (en DL) o por fase I/Q
(en UL).
Comunes / dedicados
Asociados a canales de transporte / no.

39. 3. UMTS
Canales lógicos:
• De control
BCCH (Broadcast Control Channel, DL): información
general de configuración de la red.
PCCH (Paging Control Channel, DL): avisos a móviles.
CCCH (Common Control Channel, DL y UL): otros tipos
de señalización común.
DCCH (Dedicated Control Channel, DL y UL):
señalización dedicada.
• De tráfico
DTCH (Dedicated Traffic Channel, DL y UL): información
dedicada.
CTCH (Common Traffic Channel, DL): información punto
multipunto.

40. 3. UMTS
Canales de transporte:
• Comunes
– BCH (Broadcast Channel, DL): sustenta el BCCH.
– PCH (Paging Channel, DL): sustenta el PCCH.
– RACH (Random Access Channel, UL): se utiliza para
transacciones cortas cuando el móvil no tiene canal
dedicado.
– FACH (Forward Access Channel, DL): se utiliza para
transacciones cortas cuando el móvil no tiene canal
dedicado.
• Dedicado
– DCH (Dedicated Channel, DL y UL): se utiliza para
transferencias largas de información.

41. 3. UMTS
Canales físicos:
• Asociados a canales de transporte
P-CCPCH (Primary Common Control Physical Channel):
transmite el BCH.
S-CCPCH (Secondary Common Control Physical Channel):
FACH y PCH.
PRACH (Physical Random Access Channel): RACH.
DPDCH (Dedicated Physical Data Channel): DCH, parte de
datos (información de capas superiores: tráfico o señalización).
DPCCH (Dedicated Physical Control Channel): DCH, parte de
señalización (de nivel físico).
• No asociados a canales de transporte.
CPICH (Common Pilot Channel): piloto.
SCH (Synchronization Channel): primario (P-SCH) y
secundario (S-SCH): sincronización.
PICH (Paging Indication Channel): se usa junto con PCH.
AICH (Access Indication Channel): se usa junto con RACH.

42. 3. UMTS
Correspondencias:

43. 4. Cuarta generación
Introducción:
• La UIT creó el comité IMT-Advanced que define los requisitos
necesarios para que un estándar sea considerado de la generación 4G.
• Entre los requisitos técnicos que se incluyen hay uno muy claro, las
velocidades máximas de TxD que debe estar entre 100Mbit/s para una
movilidad alta y 1Gbit/s para movilidad baja.
• Los WG de la ITU no son puramente teóricos, sino la industria forma
parte de ellos y estudian tecnologías reales existentes en dichos
momentos.
• El Estándar LTE de la norma 3GPP no es 4G porque no cumple los
requisitos definidos por la IMT-Advanced en características de
velocidades pico de transmisión y eficiencia espectral.
• La 4G está basada completamente en el protocolo IP, siendo un
sistema y una red, donde las redes de cables e inalámbricas
convergen.

44. 4. Cuarta generación
Introducción:
• La principal diferencia con las generaciones predecesoras será la
capacidad para proveer velocidades de acceso mayores de 100
Mbit/s en movimiento y 1 Gbit/s en reposo, manteniendo una
calidad de servicio (QoS) de punta a punta de alta seguridad que
permitirá ofrecer servicios de cualquier clase en cualquier
momento, en cualquier lugar, con el mínimo coste posible.
• La empresa NTT DoCoMo en Japón, fue la primera en realizar
experimentos con las tecnologías de 4G, alcanzando 100 Mbit/s en
un vehículo a 200 km/h. La firma lanzó los primeros servicios 4G
basados en tecnología LTE en diciembre de 2010 en Tokio,
Nagoya y Osaka.

45. 4. Cuarta generación
Características técnicas:
• El concepto de 4G trae unas velocidades mayores a las de 301
Mbit/s con un rating radio de 8 MHz; entre otras, incluye técnicas
de avanzado rendimiento radio como MIMO y OFDM. Dos de los
términos que definen la evolución de 3G, siguiendo la
estandarización del 3GPP, serán LTE (Long Term Evolution) para el
acceso radio, y SAE (Service Architecture Evolution) para la parte
núcleo de la red.
• Los requisitos ITU y estándares 4G indican las siguientes
características:
• Para el acceso radio abandona el acceso tipo CDMA
característico de UMTS.
• Uso de SDR (Software Defined Radios) para optimizar el
acceso radio.
• La red completa es todo IP.
• Las tasas de pico máximas previstas son de 100 Mbit/s en
enlace descendente y 50 Mbit/s en enlace ascendente (con un
ancho de banda en ambos sentidos de 20Mhz).

46. 5. LTE
Tecnologías pilares de LTE:

47. 5. LTE
Tasa de bits y latencia en LTE:

48. 5. LTE
Requerimientos:

49. 5. LTE
Requerimientos:

50. 5. LTE
Características:

51. 5. LTE
Acceso Múltiple:

52. 5. LTE
Acceso Múltiple:

53. 5. LTE
Flexibilidad del espectro:

54. 5. LTE
Diversidad, beamforming, MIMO:

55. 5. LTE
Arquitectura:

56. 5. LTE
Arquitectura genérica:

57. 5. LTE
Arquitectura 3GPP:

58. 5. LTE
Arquitectura LTE:
EPS = E-UTRAN + EPC

59. 5. LTE
Evolved Packet System (EPS):

60. 5. LTE
E-UTRAN:

61. Arquitectura
4G y 3G:
5. LTE

62. Arquitectura 4G y 3G:
5. LTE
Elementos de la Arquitectura
A pesar de que los equipos que forman parte
de una red LTE tienen funciones similares a
las de sus análogos en tecnologías
anteriores, existe un cambio notable en la
arquitectura de red.
La red E-UTRAN, hace referencia a la parte
de la conexión del equipo móvil con la red
cableada, y la red EPC (Evolved Packet
Core), es la encargada de transportar los
datos entre los diferentes equipos del core
hasta el destino.
La unión de estas dos redes se conoce como
EPS (Evolved Packet System).

63. Arquitectura 4G y 3G:
5. LTE
E-RAN (Evolved Radio Access Network) y los eNodeB
• Es el fragmento de red encargado de comunicarse con el equipo móvil,
lo cual consigue a través de su elemento principal, los eNodeB.
• Los eNB contienen la capa física, MAC, RLC (Radio Link Control) y
PDCP (Packet Data Control Protocol) que incluyen las funcionalidades
del plano de usuario de compresión de cabecera y encriptación.
• También provee funcionalidades típicas del plano de control como la de
RRC (Radio Resource Control), la cual se encarga del control de
admisión, scheduling, cifrado y descifrado de los datos del plano de
usuario y de control.
• Es el único componente del segmento de red de la E-UTRAN. El resto
de equipos ya forman parte de la EPC.

64. Arquitectura 4G y 3G:
5. LTE
MME (Mobility Management Entity)
• Es el nodo de control clave para el acceso a la red LTE.
• Es responsable del seguimiento del UE (User Equipment) cuando se
encuentra en el modo idle.
• También forma parte de la activación y desactivación de los bearers para
asociar el UE a una red en particular seleccionando un SGW para la
asociación inicial y la re-localización de nodos cuando se produce un
handover intra-LTE.
• Además autentica al usuario interactuando con el HSS.
• Cuando se necesita hacer un paso de una red LTE a una red 2G/3G,
provee funciones del plano de control haciendo llegar los datos al SGSN
de la red legacy.

65. Arquitectura 4G y 3G:
5. LTE
HSS (Home Subscriber Server)
• Es la unión del HLR y el AuC, ambos presentes en las redes 2G y 3G.
• La parte que corresponde a lo que sería el HLR es la del almacenamiento y
actualización de la base de datos, que contiene la información de suscripción
del usuario.
• Por otra parte, la función anteriormente realizada por el AuC es la de la
generación de la información de seguridad del suscriptor a partir de sus claves
de identificación.
SGW (Serving Gateway)
• El Serving Gateway es el punto de terminación de la interfaz de los paquetes
de datos que se dirigen hacia la E-UTRAN.
• Cuando el UE se mueve a través de los diferentes eNodeB el SGW sirve como
un anclaje de movilidad, de modo tal que los paquetes ruteados atraviesan
este nodo para el cambio de un equipo a otro, tanto dentro de LTE como con
otras tecnologías 3GPP.

66. Arquitectura 4G y 3G:
5. LTE
PDN GW (Packet Data Network Gateway)
• De modo similar al SGW, el PDN GW es el punto de
terminación para la interfaz de los paquetes de datos
que se dirigen hacia el PDN (Packet Data Network).
• Funciona como el punto de anclaje para la salida a
PDN externos y provee características de Policy
Enforcement y filtrado de paquetes.
• Asimismo, es el punto de cambio entre LTE y
tecnologías no 3GPP como WiMAX y 3GPP2.
PCRF (Policy and Charging Rules Function) Server
• El PCRF gestiona las políticas de servicio y las QoS
de las sesiones de cada usuario del sistema.
• Realiza funciones equivalentes a las que los equipos
de PDF y CRF realizaban en redes UMTS.

67. 5. LTE
Interfaces de la arquitectura LTE:

68. 5. LTE
Interfaces de la arquitectura LTE:

69. 5. LTE
Interfaces de la arquitectura LTE:

70. 5. LTE
Interfaces de la arquitectura LTE:

71. 5. LTE
Nuevas características:

72. 5. LTE
Adaptación del enlace:

73. 5. LTE
Adaptación del enlace:

74. 5. LTE
Control de potencia del enlace de subida:

75. 5. LTE
Manejo de retransmisiones:

76. 5. LTE
Bandas FDD y TDD:

77. 5. LTE
Cobertura y capacidad:

78. 5. LTE
Capacidad:

79. 5. LTE
Tecnologías multiportadora:

80. 5. LTE
Flexibilidad:

81. 5. LTE
WCDMA:

82. 5. LTE
MIMO:

83. 5. LTE
Interfaz de radio basado en Cx de paquetes:

84. 5. LTE
Capacidades del UE:

85. 5. LTE
Capacidades del UE:

86. 5. LTE
Capacidades del UE:

87. 5. LTE
Capacidades del UE:

88. 5. LTE
Opciones del espectro:

89. 5. LTE
Opciones del espectro:

90. 5. LTE
Opciones del espectro:

91. 5. LTE
Opciones del espectro:

92. 5. LTE
Opciones del espectro:

93. 6. LTE-Advanced
Capacidades del UE:

94. Bibliografía
• “Evolved Packet System (EPS): The LTE and the SAE Evolution of 3G UMTS”, P.
Lescuyer, and T. Lucidarme, John Wiley Sons Ltd.
• www.4gamericas.com. Última visita agosto 2014.
• “Long Term Evolution (LTE): A Technical Overview”, Motorola

95. S12. 3G y 4G
Blog del curso:
http://uniscm.blogspot.com