Capitulo 2 arquitectura de lte - ims - qo s en lte

VoLTE: Telefonía Multimedia en LTE Diógenes Marcano dmarcanoa@gmail.com
1Cap. 2. Arquitectura de LTE y de IMS, QoS en LTE

La arquitectura general de UMTS evolucionó para adaptarse muy bien a GSM y a los
requerimientos de la 2G, con una topología en estrella donde un RNC podía controlar
La arquitectura general de UMTS evolucionó para adaptarse muy bien a GSM y a los
requerimientos de la 2G, con una topología en estrella donde un RNC podía controlar
cientos de Base Station o Nodo B sobre la interfaz IuB. Bajo este concepto UTRAN
CDMA tuvo que irse adaptando y mejorando lo que terminó con una arquitectura
complicada en la cual no existe comunicación directa entre las BS o Nodo B. A pesar
de que el Nodo B es muy sencillo, el RNC es complejo y se encarga del manejo del
tráfico y de los recursos de radio.
E-UTRAN basado en OFDMA es muy sencillo, sólo tiene un elemento el eNodeB o
eNodo B, el cual está directamente conectado al Core Network por medio de la
interfaz S1, y entre ellos por la interfaz X2. De esta forma las mejoras que siempre son
necesarias introducir se reparten entre en eNodo b y el Core Network. La conexión
directa entre eNodos B contribuye a reducir los paquetes perdidos en los móviles
cuando se hace handoff.
La arquitectura de LTE y LTE-A es la misma, salvo por la incorporación en LTE-A del
Relay. Las diferencias más marcadas están en las funcionalidades y en las
capacidades, lo que por supuesto tiene más impacto en el software que en el
hardware.
La interface S2 para interworking con redes que no son del 3GPP está definida en ETSI
TS 123 402 V11.9.0 (2014-07).

La arquitectura de E-UTRAN es muy sencilla, está compuesta por los eNodeB, los
cuales se pueden conectar al EPC (más específicamente al MME) o directamente
La arquitectura de E-UTRAN es muy sencilla, está compuesta por los eNodeB, los
cuales se pueden conectar al EPC (más específicamente al MME) o directamente
entre ellos con las interfaces S1 o X2 respectivamente, como ya se ha mencionado.
Los eNodeB permiten que los protocolos, tanto del plano de los usuarios como del de
control, puedan comunicarse desde el UE hacia el EPC y viceversa.

La función del eNB es trascendental, ya que el ENB concentra gran parte de la
inteligencia de LTE para el manejo y control de todas las tecnologías de avanzada que
La función del eNB es trascendental, ya que el ENB concentra gran parte de la
inteligencia de LTE para el manejo y control de todas las tecnologías de avanzada que
incluye. En el eNB se encuentra el Scheduler, la entidad lógica que hace la asignación
de recursos tanto en el DL como en el UL.

El MME se comunica con el eNB a través de la interfaz S1-MME para el plano de
control. Las funciones del MME se clasifican en dos grandes grupos:
El MME se comunica con el eNB a través de la interfaz S1-MME para el plano de
control. Las funciones del MME se clasifican en dos grandes grupos:
Funciones relacionadas con la gestión de los datos de los usuarios : Incluye el
establecimiento, mantenimiento y liberación de las conexiones de datos.
Funciones relativas a la gestión de la conexión: Incluye el establecimiento de la
conexión y seguridad entre la red y el UE.
Es el nodo central que procesa la señalización entre el UE y el Core Network. Los
protocolos que corren entre el UE y el core se conocen como NAS (Non-Access
Stratum).

Todos los paquetes IP de los usuarios son transferidos al S-GW, el cual hace el papel
de un ancla local para los datos de usuarios cuando el UE hace handover entre eNBs.
Todos los paquetes IP de los usuarios son transferidos al S-GW, el cual hace el papel
de un ancla local para los datos de usuarios cuando el UE hace handover entre eNBs.
En la PLMN el S-GW recolecta información necesaria para la facturación, por ejemplo
el volumen de datos enviado o recibidos por un usuario, también actúa en los
procesos de intercepción legal. También sirve de ancla para el interworking con otras
tecnologías 3GPP.
Todos los UE registrados en una celda estarán siempre conectados por medio de un
solo S-GW.
Los SWGs están organizados en grupos a fin de balancear su carga. Todos los eNBs en
un área deben tener acceso a todos los SGW del mismo grupo.

DSCP es elmecanismoo de QoS actualmente usado en las redes IP y es el usado en
LTE. Consiste en marcar los paquetes de acuerdo a ciertas reglas previamente
DSCP es elmecanismoo de QoS actualmente usado en las redes IP y es el usado en
LTE. Consiste en marcar los paquetes de acuerdo a ciertas reglas previamente
establecidas y está descrito en los RFC2474 y RFC 2475.
Los DSCP son usados por el PGW para aplicar las políticas de reenvio de paquetes. El
SGW marca los paquetes y el PGW es quien las aplica.

Tiene como responsabilidad la asignación de direcciones IP a los UE, así como la
ejecución de la QoS a través de la clasificación de los paquetes en el DL en los
Tiene como responsabilidad la asignación de direcciones IP a los UE, así como la
ejecución de la QoS a través de la clasificación de los paquetes en el DL en los
diferentes flujos de bits de acuerdo con sus parámetros de QoS.
También sirve como ancla para la movilidad para interworking con redes que no sean
del 3GPP como WiMAX y CDMA2000.
Si un usuario tiene acceso a más de una red de paquete, entonces puede estar
conectado a más de un PDN-GW.
De acuerdo a los estándares del 3GPP un UE no puede estar conectado
simultáneamente a un PDN-GW y a un GGSN.

Como puede verse la capa de enlace está integrada por 3 subcapas
PDCP: Packet Data Convergence Protocol
Como puede verse la capa de enlace está integrada por 3 subcapas
PDCP: Packet Data Convergence Protocol
RLC: Radio Link Control
MAC: Medium Access Control
Los datos a ser transmitidos entran a nivel de la capa 2 como un paquete IP según el
formato de una de las diferentes versiones de EPS Bearer y antes de ser enviados a la
infertace de radio, esos paquetes deben pasar por una serie de protocolos que los
adecuan para enfrentar todos los inconvenientes que pudieran sufrir en el canal
móvil.
Pueden observarse las salidas producidas por el MAC Scheduler que es quien decide
la codificación y modulación que debe usarse en la capa física, así como la asignación
de recursos y las antenas a utilizar.
Los detalles de estas tres subcapas se encuentran en las siguientes especificaciones
técnicas del 3GPP Rel. 8: 3GPP TS 36.323, “E-UTRA Packet Data Convergence Protoco
(PDCP) Specification”, 3GPP TS 36.322, “E-UTRA Radio Link Control (RLC) Protocol
Specification”, 3GPP TS 36.321, “E-UTRA Medium Access Control (MAC) Protocol
Specification”.

Aquí observamos que entre el eNode B y el UE se implementan la capa física L1 y las
subcapas MAC, RLC y PDCP. Por su parte el UE implemente también la capa de
Aquí observamos que entre el eNode B y el UE se implementan la capa física L1 y las
subcapas MAC, RLC y PDCP. Por su parte el UE implemente también la capa de
aplicación y la capa IP.
El eNode B E-UTRAN y el Serving Gateway actúan como nodos de relevo y hacia el
EPC (core network) sólo implementan la capa física L1, la de enlace L2, la UDP/IP y la
GTP-U propias de cada una de las diferentes interfaces.

Aquí observamos que el UE se comunica con IMS por medio de la interface
Gm, para el caso de VoLTE esta interface se ejecuta por medio de la RAN y
del EPC de LTE, pero como IMS es general y aplica muchas redes rede
acceso no se muestra ninguna en particular, sóle se iedntifica a la interface
Gm.
Es decir la RAN y el core de la red de paquetes es transparante para IMS.

Cada subcomponente tiene significado lógico, es decir pueden estar incluidos
físicamente en el mismo equipo pero conectados por medio de las interfaces
lógicas.
El HSS, como cualquier servidor, tiene una capacidad limita en cuanto a la
cantidad de usuarios que puede manejar, cuando el número de usuarios en la
red supera la capacidad del HSS es necesario instalar otro HSS, en cuyo caso
no se sabe de antemano en cual de los HSS está almacenada la información
de un usuario en particular, bajo estas condiciones se debe instalar un SLF
cuya función es informar a los otros nodos en cual HSS está la información
del usuario en cuestión,

físicamente en el mismo equipo pero conectados por medio de las interfaces
lógicas.
El CSCF se encarga del procesamiento de las llamadas y realiza las funciones
de control similares a las que se realizan en sistemas de conmutación de
circuitos. De acuerdo con el estándar el CSCF es un servidor SIP integrado
por los tres componentes mencionados. La tendencia actual es combinar los
tres componentes en uno y aumentar el desempeño del sistema, ya que es
posible el uso protocolos propietarios entre los módulos CSCF, lo cual es
transparente visto desde afuera y permite hacer ciertas economías; para un
operador es mucho más económico comprar y administras un solo equipo que
tres.
También es muy probable que cuando las redes IMS maduren el P-CSCF se
convierta en un elemento independiente.

Aquí se muestran las tres entidades que integran a CSCF: P- CSCF, S- CSCF
e I- CSCF, así como sus interfaces y puntos de referencias.

P-CSCF se comporta como un proxy tal como se define en el RFC 3261,
donde se define a SIP. P-CSCF acepta solicitudes de los usuarios, las analiza
para propósitos de enrutamiento y las retransmite, es de hacer notar que el P-
CSCF no modifica las solicitudes SIP del usuario, sólo las retransmite.
El P-CSCF también puede actuar en lugar del usuario, significa que en
algunas circunstancias puede generar y terminar transacciones SIP, esto
puede suceder por seguridad, enrutamiento o en casos de roaming.
El P-CSCF responde a todas las solicitudes de los usuarios y manejas las
interfaces hacia la red de acceso.
Después de haber atravesado la IP-CAN, el primer contacto con el core IMS
es a través del P-CSCF.
Desde la perspectiva de SIP, el P-CSCF actúa como un servidor proxy SIP de
entrada/salida. Esto quiere decir que todas las solicitudes y respuestas desde
o hacia el UE pasan por el P-CSCF. El P-CSCF asignado a un UE durante el
registro a nivel de IMS no cambia durante la duración del registro, lo que
significa que el UE se comunica con un solo P-CSCF a la vez.

Las funciones del I-CSCF han ido evolucionando desde el papel inicial del
servidor de redireccionamiento definido en SIP. El I-CSCF debe determinar el
S-CSCF a utilizar, por lo que debe actuar como servidor de
redireccionamiento que conecta hacia y desde otras redes.
La función principal del I-CSCF es interrogar al HSS, y la función de enlace
con otras redes la puede realizar el IBCF, el IMS-ALG y el TrGW. En aquellas
redes donde el border control no es necesario o que no se ha desplegado, el
I-CSCF puede realizar estas funciones.

Una vez registrado en la red IMS cada usuario tiene asignado un S-CSCF.
El S-CSCF es uno de los elementos medulares del core IMS. La primera
función del S-CSCF es iniciar, manejar y liberar las sesiones, razón por la
cual está involucrado en todo el proceso de señalización, tanto para
llamadas salientes como entrantes. En una red de un mismo operador
pueden existir varios S-CSCF.
Entre sus funciones podemos mencionar:
1. -Registro y des-registro de usuarios, de acuerdo con SIP RFC 3261,
obteniendo los perfiles desde el HSS
2. -Gestión de las sesiones: establecimiento, mantenimiento y liberación
3. -Selecciona las aplicaciones apropiadas de acuerdo a los perfiles de los
usuarios
4. -Actualización del HSS cuando los usuarios se registran
5. Rechazo de usuarios de acuerdo a ciertas políticas y limitaciones
impuestas, por ejemplo limitaciones en el ancho de banda.

Todos los mensajes de señalización SIP que un usuario envía o recibe pasan
Todos los mensajes de señalización SIP que un usuario envía o recibe pasan
por el S-CSCF.
A futuro se espera que los S-CSCF de una red no estén equipados de manera
similar, sino que por el contrario existan diferencias en ellos debido a razones
económicas; por ejemplo podrían existir un S-CSCF “gold-plated” para
usuarios exclusivos, “bronze-plated” para clientes de mercado masivo y un S-
CSCF dedicado sólo para clientes corporativos.
La conversión de números E.164 a SIP URI es para el caso donde el destino
sea un número en la PSTN. Para ello existe el protocolo ENUM que hace la
conversión de números telefónicos internacionales E.164 a SIP URI:

La identificación privada es única y puede tener asociada varias identificaciones
públicas.
La identificación privada es única y puede tener asociada varias identificaciones
públicas.

Los ASs son la base de la capa de aplicación o de servicios, y se comunican
Los ASs son la base de la capa de aplicación o de servicios, y se comunican
con el S-CSCF de la capa de control a través de la interface ISC y con el HSS
por medio de la interface Sh o la Si.
Las Aplicaciones en IMS típicamente se implementarán en servidores nativos
SIP. Sin embargo, muchos vendedores pueden decidir agregar ciertas
funcionalidades a sus plataformas existentes que no son SIP para que se
comuniquen con los servidores SIP con el fin de minimizar los esfuerzos que
requerirían desarrollar todo de nuevo para una aplicación que ya existe.
Igualmente los proveedores pueden preferir desarrollar sus aplicaciones en un
solo contenedor que soporte varias tecnología ( SIP, WEB, etc.). En cada uno
de estos casos el AS se comunicará con el S-CSCF a través de la interface
ISC.

Cap. 2. Arquitectura de LTE y de IMS, QoS en LTE 22

Esta clasificación obedece a los nodos extremos donde se establece cada bearer.
Radio Bearer: se establece sobre la interface LTE-Uu, el tráfico IP entre el UE y el
Esta clasificación obedece a los nodos extremos donde se establece cada bearer.
Radio Bearer: se establece sobre la interface LTE-Uu, el tráfico IP entre el UE y el
eNodeB se transporta por medio de este bearer. El ID de estos beares es asignado por
el eNodeB.
S1 Bearer: se establece sobre la interface S1-U entre el eNodeB y el S-GW. El tráfico
se transporta por medio de túneles GTP. Se identifican por el “tunnel endpoint
identifier (TEID)”, este es asignado por los extremos del bearer, eNodeB y S-GW.
S5 Bearer: El tráfico se entrega a través de túneles GTP y el bearer se identifica por
“tunnel endpoint identifier (TEID)” asignados por el S-GW y el P-GW.

Cap. 2. Arquitectura de LTE y de IMS, QoS en LTE 25

Cuando un usuario sólo tiene asignado el default bearer, puede únicamente
establecer sesiones de internet, es decir best-effort. Si el usuario intenta usar un
Cuando un usuario sólo tiene asignado el default bearer, puede únicamente
establecer sesiones de internet, es decir best-effort. Si el usuario intenta usar un
servicio que requiera una QoS superior a la del Default Bearer entonces se debe
establecer un Dedicated Bearer. Un UE puede estar conectado a más de una red de
paquetes PDN externa a LTE, en cada una puede tener un Default Bearer y uno o más
Dedicated Bearer. La cantidad total de EPS bearers no puede ser superior a 11. Sólo
los bearers dedicados pueden ofrecer calidad de servicio.

El QCI y el ARP, a pesar de que son características de los bearers ligadas a la QoS, son
aspectos diferentes.
El QCI y el ARP, a pesar de que son características de los bearers ligadas a la QoS, son
aspectos diferentes.
Los parámetros de QoS (QCI, ARP, GBR, MBR, etc.) son asignados por el PCRF.
El ARP se refiere a prioridad en términos de habilitar o no un cierto bearer; por
ejemplo si el eNodeB está muy cargado y un UE solicita establecer un servicio de VoIP
(Alta prioridad) y otro de WWW (Baja prioridad) típicamente el eNodeB establecerá
sólo el servicio de VoIP por su alta prioridad (Ref. 39, pp. 2).
En momentos de congestión, si el eNodeB debe negar la creación de bearers
adicionales, se usa el ARP para la toma de decisión. La prioridad para asignar o
conservar un bearer, permite decidir si un bearer puede ser aceptado o rechazado
debido a limitaciones de recursos. De esta forma, el ARP puede ser usado por el
eNodeB para decidir cuales bearers se pueden crear en circunstancias excepcionales
de recursos limitados, por ejemplo en el handover.
El ARP contribuye a determinar la prioridad del Bearer al momento de su
establecimiento frente a otros Bearers. Una vez que el bearer está establecido el ARP
no tienen ninguna función. Existen 15 niveles de ARP, del 1 al 15; el 1 es el de mayor
prioridad.

El QCI es un escalar que agrupa a una serie de parámetros que definen ciertos
aspectos de la QoS del bearer.
aspectos de la QoS del bearer.
Estos parámetros identifican a cada QCI y por lo tanto están asociados a los
diferentes servicios que se brindan a los usuarios. El QCI es sólo uno de los
parámetros que definen la QoS de un Bearer.
El QCI se caracteriza por: Resource Type, Priority Level, Packet Delay Budget y Packet
Error Loss Rate.
El alcance de estos parámetros de QoS es entre el UE y el PCEF, éste último nodo
forma parte del P-GW.
QCIQCI:: OtrosOtros ParámetrosParámetros
Priority Level
Se refiere a la prioridad en asignación de recursos para un servicio especifico
activo, cuando los beares ya están establecidos
Por ejemplo, si el UE tiene abierta una sessión de VoIP (Alta prioridad) y otra
de navegación en Internet (Baja prioridad) entonces los recursos se asignan
primero a los paquetes de VoIP y después a la nvegación en internet.
Packet Delay Budget
Es el retardo máximo entre el UE y el PCEF
En promedio se estima que entre el eNodeB y el PCRF el retardo es del orden
de unos 20 ms. El resto del retardo es atribuido a la interface de aire entre el
UE y el eNodeB.
Packet Error Loss Rate
Se refiere a la tasa de paquetes pérdidos cuando no hay congestión

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