Estudio del Uso de Redes Heterogéneas para expandir la ...

i

Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas

Facultad de Ingeniería Eléctrica

Departamento de Telecomunicaciones y Electrónica.

TRABAJO DE DIPLOMA

Estudio del Uso de Redes Heterogéneas para

expandir la cobertura y capacidad de las redes

móviles.

Autor: Yadier Olivera Alonso.

E-mail: [email protected]

Tutor: Msc. Frank Zurbano Quintana.


Santa Clara

2016

"Año 58 de la Revolución"

mailto:[email protected]

ii

Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas

Facultad de Ingeniería Eléctrica

Departamento de Telecomunicaciones y Electrónica

TRABAJO DE DIPLOMA

Estudio del uso de Redes Heterogéneas para

expandir la cobertura y capacidad de las redes

móviles.

Autor: Yadier Olivera Alonso


Tutor: Msc. Frank Zurbano Quintana.

Asistente Adjunto del Dpto. de Telecomunicaciones y Electrónica de la UCLV e Instructor

Adjunto del Centro Nacional de Capacitación de ETECSA. Especialista de la filial de

Servicios Móviles de ETECSA, Gerencia Villa Clara.


Consultante: Msc. Irina Siles Siles

Santa Clara

2016

"Año 58 de la Revolución"

mailto:[email protected]

iii

Hago constar que el presente trabajo de diploma fue realizado en la Universidad Central “Marta

Abreu” de Las Villas como parte de la culminación de estudios de la especialidad de Ingeniería en

Telecomunicaciones y Electrónica, autorizando a que el mismo sea utilizado por la Institución, para

los fines que estime conveniente, tanto de forma parcial como total y que además no podrá ser

presentado en eventos, ni publicados sin autorización de la Universidad.

Firma del Autor

Los abajo firmantes certificamos que el presente trabajo ha sido realizado según acuerdo de la

dirección de nuestro centro y el mismo cumple con los requisitos que debe tener un trabajo de esta

envergadura referido a la temática señalada.

Firma del Autor Firma del Jefe de Departamento

donde se defiende el trabajo

Firma del Responsable de

Información Científico-Técnica

iv

PENSAMIENTO

“No caminéis con la cabeza baja; es necesario levantar los ojos

para ver el camino”.

Lamennais

v

DEDICATORIA

A mis padres y a mi hermana por su amor incondicional y entrega total, por

ser ellos mi razón de ser y el motivo de toda mi superación.

A mis compañeros de aula

A mis amigos

A todos los que en todo momento me han dado el aliento para llegar hasta el

final.

vi

AGRADECIMIENTOS

A toda mi familia

A todos mis profesores que han incidido directamente en mi formación

profesional.

A mi tutor Frank Zurbano que me ha apoyado incondicionalmente durante el

proceso de la tesis, con consejos oportunos en cada momento.

A Brayli por toda su ayuda directa e indirecta en la realización de la tesis.

A la profesora Irina por haberme dedicado su tiempo y esfuerzo en la

revisión de la tesis.

A Ramoncito por haberme ayudado en el momento clave de la realización de

la tesis.

A mis compañeros de aula por haber sido siempre apoyo cunado fue

necesario. Por todo los momentos buenos y malos que compartimos.

A todo el que una forma u otra han contribuido a hacer más transitable el

camino hasta aquí.

vii

TAREA TÉCNICA

1. Revisión y clasificación de la bibliografía sobre temas relacionados con la Redes

Heterogéneas para expandir la cobertura y capacidad de las redes móviles.

2. Estructuración de un documento de estudio que facilite la comprensión y búsqueda

de información sobre el uso de las Redes Heterogéneas para expandir la cobertura y

capacidad de las redes móviles.

3. Valoración de tecnologías avanzadas, dirigidos a potenciar el uso de redes

heterogéneas para incrementar la cobertura y capacidad de las redes móviles.

4. Análisis de las posibles estrategias y soluciones a seguir para el despliegue de las

redes heterogéneas.

5. Confección del informe final.

Firma del Autor Firma del Tutor

viii

RESUMEN

Con el fin de dar solución a la alta demanda de tráfico de datos móviles generada y brindar

cobertura en interiores de hospitales y hoteles donde hoy es pobre y alta la densidad de

abonados, se pretende la migración de los sistemas móviles hacia tecnologías avanzadas

como las Redes Heterogéneas. Siendo esta, además la vía para poder ofertar servicios de

gran consumo de ancho de banda y de alta calidad. El presente proyecto propone la

confección de un documento de estudio altamente confiable y actualizado que respalde la

capacitación de nuestros ingenieros y estudiantes para una futura operación con la

tecnología de Redes Heterogéneas. Un aspecto importante a valorar es la expansión en la

cobertura y capacidad de las redes móviles mediante el uso de redes heterogéneas. Para ello

es clave destacar el papel de las pequeñas celdas en tal heterogeneidad, valorar el uso de

tecnologías de acceso por radio altamente eficiente para estas redes como lo son LTE y

LTE-A y hacer un análisis de las soluciones y estrategias que se pueden llevar a cabo para

optimizar, simplificar y expandir la cobertura y capacidad de las redes móviles. Uno de los

principales resultados obtenidos es que este documento marca el punto de partida para el

despliegue de la tecnología. Finalmente, se logra la integración de los principales aspectos

añadiendo los pasos a seguir para facilitar la comprensión y búsqueda de información.

ix

TABLA DE CONTENIDOS

PENSAMIENTO ................................................................................................................... iv

DEDICATORIA ..................................................................................................................... v

AGRADECIMIENTOS ......................................................................................................... vi

TAREA TÉCNICA .............................................................................................................. vii

RESUMEN ......................................................................................................................... viii

TABLA DE CONTENIDOS ................................................................................................. ix

INTRODUCCIÓN ................................................................................................................ 11

Organización del informe ................................................................................................. 15

CAPÍTULO 1. FUNDAMENTOS TEÓRICOS QUE SUSTENTAN LAS REDES

HETEROGÉNEAS. .............................................................................................................. 16

1.1 Definición de Red Celular. .................................................................................... 16

1.2 Desafíos de los servicios móviles .......................................................................... 18

1.3 Redes Heterogéneas Móviles. ................................................................................ 19

1.3.1 Características de las redes Heterogéneas. ..................................................... 20

1.3.2 Definición de pequeñas celdas. ....................................................................... 24

1.3.3 Arquitectura de red de pequeñas celdas. ......................................................... 27

1.3.4 Coexistencia de estaciones macro y nodos de baja potencia. ......................... 28

1.3.5 Escenarios de despliegue de pequeñas celas. .................................................. 29

1.4 Conclusiones del capítulo. ..................................................................................... 31

CAPÍTULO 2. TECNOLOGÍAS EN EL USO DE REDES HETEROGÉNEAS. .......... 32

2.1 Diferencias entre UMTS y LTE. ............................................................................ 32

2.2 Generalidades y características de los Sistemas LTE y LTE-Avanzado. .............. 34

2.2.1 LTE ................................................................................................................. 34

x

2.2.2 Tipos de modulación usadas en LTE/LTE-A ............................................... 35

2.2.3 LTE-Avanzado ................................................................................................ 36

2.3 Arquitectura de los sistemas LTE y LTE-A. .......................................................... 42

2.4 Conclusiones del capítulo ...................................................................................... 46

CAPÍTULO 3. ANÁLISIS DE POSIBLES SOLUCIONES Y ESTRATEGIAS PARA

EL DESPLIEGUE DE LAS REDES HETEROGÉNEAS. .................................................. 47

3.1 Desafíos en el backhaul para HetNets .................................................................... 47

3.1.1 Implementacion de soluciones cableadas para backhaul en HetNets. ............ 49

3.1.1.1 Conectividad por cobre ......................................................................................... 50

3.1.1.2 Conectividad por fibra ........................................................................................... 50

3.1.2 Implementacion de soluciónes inalambrica para backhaul en HetNets. ......... 51

3.2 Desafíos en la Coordinación para HetNets. ............................................................ 55

3.3 Estrategias que se han de trazar para lograr el despliegue de HetNets para expandir

la cobertura y la capacidad de las redes móviles. ............................................................. 56

3.3.1 Casos de uso para el despliegue de C-RAN. .................................................. 58

3.3.2 Virtualización .................................................................................................. 61

3.4 Conclusiones del capítulo. ..................................................................................... 64

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ................................................................... 65

Conclusiones ..................................................................................................................... 65

Recomendaciones ............................................................................................................. 66

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ................................................................................. 67

GLOSARIO DE TÉRMINOS .............................................................................................. 70

ANEXOS .............................................................................................................................. 73

Anexo I Arquitectura de la red móvil ........................................................................... 73

CAPÍTULO I. FUNDAMENTOS TEÓRICOS QUE SUSTENTAN LAS REDES HETEROGÉNEAS. 11

INTRODUCCIÓN

En la actualidad el número de conexiones inalámbricas ya supera a la población mundial y

por eso se depende más que nunca de los cada vez más inteligentes y diversos dispositivos

inalámbricos (teléfonos inteligentes, tabletas, computadoras portátiles) como parte de la

vida diaria. Estos juegan un rol protagónico no solo como un medio para la comunicación,

sino también brinda diversas formas de entretenimiento en línea. Constituyen una

plataforma fiable y fácil para realizar compras o transacciones bancarias y es actualmente

uno de los medios informativos y educativos más importantes. Por ello, los usuarios

esperan que el servicio que reciban en sus dispositivos sea robusto y de alta calidad, sin

importar en que momento y en qué lugar se haga uso de los servicios móviles.

Tradicionalmente, el despliegue de la red celular ha sido diseñado principalmente para

brindar cobertura exterior y a su vez servicios de voz. En los últimos 10 años ha habido un

crecimiento del tráfico de datos móviles de manera exponencial, muy por encima de un

constante crecimiento del tráfico de voz, debido a la extendida adopción de dispositivos

móviles inteligentes y la explosiva expansión del ancho de banda. Esto ha permitido

grandes revoluciones en la tecnología de múltiple acceso, así como un aumento en la

densidad celular y la reutilización del espectro.(Hu & Qian, 2014)

Varios estudios de mercado coinciden en la rápida proliferación de datos de banda ancha

móvil. Según(Cisco, 2016), el tráfico mundial de datos móviles se incrementará cerca de 8

veces en el período 2015-2020. Por otra parte (ERICSSON, 2015) predice un crecimiento

del tráfico móvil de 7 veces del 2014 al 2020.

Debido a esta creciente demanda de datos móviles se puede decir que ha ocurrido una

migración del tradicional modelo centralizado de voz hacia un modelo centralizado de

datos. La anterior aseveración ha provocado que sean cada vez más los usuarios que se

conecten en interiores de casas, oficinas, centros comerciales, aeropuertos, estadios y otros

entornos. Consecuentemente, en la actualidad cerca del 70% del tráfico de datos móviles es

generado en interiores de dichos lugares, siendo una problemática muy importante para los

operadores móviles dar solución a la cobertura en estas áreas, donde existen múltiples

entornos interiores con diferentes propiedades electromagnéticas que impiden propagar la


señal(Prensa, 2015). En interiores típicos como los antes mencionados la densidad de

abonados es alta como se ha dicho, pero es muy baja la calidad del servicio (QoS, Quality

of Service) que se puede brindar usando redes homogéneas.

Para sostener un tráfico de tal crecimiento, mejorar la experiencia del usuario y la cobertura

de la red, se requieren continuas innovaciones en las tecnologías de comunicación

inalámbrica de datos. En este proceso de innovación tecnológica, el 3GPP (3rd Generation

Partnership Project) desempeña un papel de liderazgo. Iniciada en 1998, la familia de

tecnologías 3GPP ha evolucionado desde el Sistema Global para Comunicaciones Moviles

(GSM,Global System for Mobile Communications)-GPRS/EDGE, al Sistema Universal de

Telecomunicaciones Móviles de (UMTS, Universal Mobile Telecommunications System)-

HSPA/HSPA+, a LTE (Long Term Evolution) y LTE-Avanzado (Long Term Evolution

Advanced) (Sauter, 2014). HSPA / HSPA+ ha sido ampliamente desplegado en los últimos

años proporcionando razones teóricas de datos de hasta 168 Mbps para el enlace

descendente (DL) y 22 Mbps para el enlace ascendente (UL). HSPA / HSPA+ además

permite diversas aplicaciones de datos y mejores experiencias al usuario que fomentan aún

más el rápido avance de la información y la comunicación. Con el objetivo de proporcionar

altas velocidades de datos, una mejor experiencia de usuario y para cumplir con los

requerimientos de Telecomunicaciones Móviles Internacionales-Avanzadas (IMT-A)

publicados por la Unión Internacional de Radio-Telecomunicaciones (UIT-R), la 3GPP

introdujo el sistema LTE y su evolución ha LTE-Avanzado.

Por parte de los operadores móviles también se ha hecho necesario introducir estrategias y

arquitecturas basadas en las tecnologías móviles existentes que respondan a estas demandas

y exigencias de los subscriptores. Las Redes Heterogéneas (HetNets, Heterogeneous

Networks) han sido fundamentales para este cambio; en ellas las redes móviles han

comenzado a evolucionar gradualmente. Este movimiento ha estado conducido por la

combinación de disímiles fuerzas de mercado, limitaciones de capacidad en la

infraestructura existente y nuevas tecnologías que permiten a los operadores desplegar y

manejar densas redes de múltiples capas. Las redes heterogéneas representan la

coexistencia de celdas macro con pequeñas celdas (Small Cells) como complemento

fundamental de la red para una tecnología dada. Estas incluyen redes en las que múltiples

arquitecturas, múltiples capas y múltiples Tecnologías de Radio Acceso (RAT, Radio


Access Technology) tienen que coexistir y apoyarse unas a las otras y en las que

instrumentos cada vez más sofisticados son usados para manejar interferencias, diferentes

niveles de tráfico y servicios avanzados(Paolini & Rayal, 2013).

Cuba, por su parte, no está ajena a tal crecimiento de tráfico móvil ni tampoco a la

evolución de su sistema móvil hacia nuevas generaciones (3G y LTE/ LTE-A). Las redes

móviles cubanas son en su mayoría del tipo GSM con una mejora en la tecnología de

transmisión mediante la tecnología EDGE (Enhanced Data Rates for GSM Evolution). El

modo de transmisión de los paquetes de datos a través de este sistema es mediante Servicio

General de Paquetes por Radio (GPRS, General Packet Radio Service), el acceso se realiza

mediante redes de Jerarquía digital plesiócrona (PDH ,Plesiochronous Digital Hierarchy) y

de Jerarquia digital síncrona (SDH, Synchronous Digital Hierarchy) y el transporte

mediante redes ópticas territoriales y nacionales SDH. También se encuentran desplegados

en el territorio nacional varios nodos 3G que operan en la banda de 900MHz conjuntamente

con GSM, pero disponible en estos momentos solo para el roaming internacional. Esto

forma parte del inicio de la evolución del sistema móvil cubano hacia nuevas generaciones.

La realidad de hoy exige un alto desarrollo en el sector turístico de Cuba justificada por su

importancia en nuestra economía. Una migración del sistema móvil actual hacia otras

generaciones y el uso de tecnologías avanzadas como las redes heterogéneas, dotarían de

una infraestructura móvil capaz de ofrecer novedosos servicios de alto consumo de ancho

de banda, mayor capacidad y cobertura lo que se traduce en una mejor experiencia para los

clientes y cuantiosos beneficios económicos para la empresa.

En la observación sistemática a las diferentes tecnologías de acceso móvil existente,

mediante el uso de controles y seguimientos estadísticos en puntos de alto tráfico en Villa

Clara, se demostró que existen dificultades que afectan la calidad y el servicio que se les

brinda a los usuarios, expresado en:

La cobertura es pobre en interiores (por ejemplo, en hospitales y hoteles) y es muy

alta la densidad de abonados.

El diseño de la tecnología existente se centra en la homogeneidad de la red, lo que

limita la capacidad, la cobertura y la posibilidad de atender un número mayor de

usuarios.


Las dificultades antes expresadas demuestran que los problemas que enfrenta la red móvil

actual, pueden ser solucionados con el uso de Redes Heterogéneas.

La práctica demuestra que para adquirir los recursos tecnológicos es necesario atender los

problemas socioeconómicos que implican tales inversiones. Esto requiere de un largo

camino necesario para responder al complejo problema en la red móvil actual. La exigencia

de enfrentar una labor tecnológica de tales dimensiones, trae consigo la necesidad de

capacitar al personal y este a su vez a los usuarios con toda intencionalidad en el uso de las

nuevas tecnologías.

Con motivo de sentar las bases para un posterior desarrollo de las redes móviles hay que

partir de la preparación y capacitación del personal para el tratamiento de las Redes

Heterogéneas. Investigar las características generales de dichas redes y en partículas las

destinadas para expandir la cobertura y capacidad de las redes móviles, darán una medida

de la forma en que se opera la red. La bibliografía con que se cuenta en la actualidad se

considera muy extensa y dispersa. Se hace necesaria la existencia de un documento

altamente confiable y actualizado que sea capaz de integrar los aspectos esenciales y

particulares de las Redes Heterogéneas. El mismo ha de respaldar la capacitación de los

ingenieros y todo aquel interesado en el tema, y brindar su aporte al desarrollo del

aprendizaje de los futuros ingenieros en Telecomunicaciones de la facultad, si se añadiera

como parte del Plan de Estudio a asignaturas como Comunicaciones Móviles.

Los resultados de esta investigación constituyen referentes teóricos valiosos que posibilitan

la valoración del uso de las redes heterogéneas para expandir la cobertura y capacidad de

las redes móviles.

La situación revelada conduce a formular el siguiente problema científico:

¿Cómo fomentar el uso de redes heterogéneas para expandir la cobertura y capacidad

de las redes móviles?

Como solución al problema planteado es necesario desarrollar un documento confiable que

integre los aspectos esenciales para el despliegue de Redes Heterogéneas para expandir la

cobertura y capacidad de las redes móviles.

Para responder al objetivo general se plantearon los siguientes Objetivos específicos.


1. Analizar en la bibliografía consultada el marco teórico y metodológico que sustenta

el uso de redes heterogéneas para expandir la cobertura y la capacidad de las redes

móviles.

2. Estructurar un documento que facilite la comprensión y búsqueda de información

sobre el uso de las Redes Heterogéneas para expandir la cobertura y la capacidad de

las redes móviles.

3. Valorar un sistema de tecnologías, dirigidos a potenciar el uso de redes

heterogéneas para expandir la cobertura y la capacidad de las redes móviles.

4. Analizar las posibles soluciones y estrategias para el despliegue de las redes

heterogéneas.

Con las insuficiencias del sistema móvil actual, la introducción de Redes Heterogéneas en

los puntos de mayor tráfico traería aparejado un impacto positivo tanto para los usuarios

como para la propia empresa de telecomunicaciones que lleve a cargo su despliegue, ya que

aumentaría la eficiencia y eficacia de los servicios, permitiéndole además ofrecer otros que

antes eran imposibles de brindar por las limitaciones de la red existente.

Organización del informe

El informe de la investigación se estructura en introducción, tres capítulos, referencias

bibliográficas y anexos. En el primer capítulo se exponen los fundamentos teóricos que

sustentan las redes heterogéneas, además se definirá el concepto de red heterogénea así

como sus características esenciales, que la convierten en una solución para expandir la

cobertura y la capacidad de las redes móviles. En el segundo se caracterizan las tecnologías

LTE y LTE-A, quienes son tecnologías claves que han sido desarrollas para las redes

heterogéneas debido a sus superioridades con anteriores tecnologías de radio acceso y

características en arquitectura y funcionamiento. Por último, en el tercer capítulo se hace un

análisis de las posibles soluciones a los problemas que trae desplegar redes heterogéneas y

se analizan algunas estrategias encaminadas a simplificar la complejidad de las redes

heterogéneas.


CAPÍTULO 1. FUNDAMENTOS TEÓRICOS QUE SUSTENTAN LAS

REDES HETEROGÉNEAS.

En este capítulo se establecen los fundamentos teóricos que sustentan la formación de una

Red Heterogénea Móvil, incluyendo como parte crucial de la red el uso de nodos de baja

potencia como complemento a la red macro celular. Se definirá el concepto de red

heterogénea, así como sus características esenciales, que la convierten en una solución para

expandir la cobertura y la capacidad de las redes móviles.

1.1 Definición de Red Celular.

Una red celular móvil es una red de radio inalámbrica que es en su mayoría de naturaleza

celular, donde la cobertura se divide en una serie de áreas de cobertura geográfica llamada

celdas o células. En cada sitio de la celda hay una estación base (BS), que puede soportar

una o más celdas, en dependencia de los equipos, de su fabricante y de la configuración que

le sea asignada, esto se puede ver en la Figura 1.1. A la estación base se le conoce como BS

(Base Station) o Transceptor Estación Base (BTS, Base Transceiver Station ) pero según

sea la tecnología de radio de acceso usada, se le conoce también con diferentes nombres:

NodoB (NB) en las redes 3G y Nodo B evolucionado (eNB) en las redes LTE. El conjunto

BS, el controlador de estación base (BSC) y los canales de radiocomunicación es

comúnmente llamado Red de Acceso por Radio (RAN, Radio Access Network). Las

estaciones base proveen la radiocomunicación para los equipos terminales o equipos de los

usuarios (UE) dentro de la celda, con el fin de permitir a los usuarios conectarse con otros y

con el operador e incluso si los usuarios se están moviendo dentro de la celda durante la

transmisión. Cada usuario usa como tecnología de radio acceso 2G, 3G y/o LTE para

comunicarse con la estación base por un par de canales de radio, un canal para el enlace

descendente (la transmisión desde la celda hasta el usuario) y otro canal para el enlace

ascendente (la transmisión desde el usuario hasta la celda). Por otra parte el controlador de

estación base o BSC administra varias estaciones bases a la vez y conecta sitios celulares a

otras entidades en el núcleo de red (CN, Core Network) del operador. Entre algunas de las


funciones centrales del núcleo de red están el procesamiento de las llamadas, manejo del

tráfico y transferencia de llamadas cuando un usuario se mueve entre celdas(Qutqut, 2014).

Figura 1.1. Esquema de una red celular básica.

La cobertura de las celdas teóricamente es de forma hexagonal, pero en la práctica pueden

tener formas irregulares. El rango de cobertura depende de un número de factores tales

como la altura de la estación base y la potencia de transmisión. Cada tipo de celda difiere

de las otras por el área de cobertura. Las macroceldas, por ejemplo, son las que ofrecen

mayor cobertura, en un rango de 1 a 30 km y se usan en zonas rurales, urbanas o autopistas,

como se observa la Tabla 1.1, las demás categorías de celdas entran dentro de las llamadas

pequeñas celdas debido al rango de cobertura y potencia de transmisión limitado.

Tabla 1.1 Características de las estaciones base macrocelulares.

Macroceldas

Potencia de salida Radio de la celda No de usuarios Localización

10W-50W 8km-30km +2000 Exteriores

Como parte del enfoque que se le puede dar a una red celular está el de red homogénea,

definida comúnmente por dos aspectos: tecnología de radio acceso que utiliza y potencia de

transmisión de la estación base. La primera se refiere a aquella arquitectura de red que solo

hace uso de una única tecnología de radio acceso (2G, 3G, 4G) específica, independiente de

la potencia de transmisión. La segunda se enfoca a aquella arquitectura de red que usa una


potencia de transmisión uniforme para todos sus nodos, independientemente de la

tecnología de acceso que se utiliza.

1.2 Desafíos de los servicios móviles

En los últimos años el crecimiento en el ingreso de los servicios móviles se ha desplazado

de los tradicionales servicios de voz por conmutación de circuitos y mensajes cortos (SMS)

hacia los servicios de datos. Este cambio agrega una presión significativa para la

rentabilidad de las redes de los operadores móviles, por tres razones principales(Hu &

Qian, 2013):

1. Los datos móviles producen ingresos inferiores que los tradicionales servicios de

voz y sms.

2. Las altamente rentable aplicaciones móviles se están enfrentando a la dura

competencia de nuevas y superiores aplicaciones.

3. Como el tráfico de datos móviles estalla, se necesita una extensa inversión de

capital para satisfacer la nueva demanda de capacidad.

Con respecto a la creciente demanda de datos móviles cabe destacar algunas de las

predicciones que da CISCO en su estudio Visual Networking Index 2015-2020.

• La velocidad de conexión de la red móvil (2,0 Mbps en el 2015) se incrementará en

3 veces para el 2020, es decir alcanzará cerca de los 6,5Mbps para el 2020, y en el

2017 sobrepasará los 3Mbps.

• Para el 2020 la 4G representara solo el 40,5% de las conexiones, pero el 72% del

tráfico total, es decir, una conexión 4G generará 10 veces más tráfico que una que

no sea 4G.

• El 75% del tráfico de datos móviles del mundo serán de video para el 2020. En el

2015 representó el 55% del tráfico total.

• En el 2016 más de la mitad de todo el tráfico desde los dispositivos móviles

conectados (casi 14 exabytes) serán descargados a la red fija por medio de

dispositivos wi-fi y pequeñas celdas cada mes.

Para mantenerse competitivos a fin de que puedan continuar invirtiendo en capacidad y

nuevos servicios, los operadores móviles han desarrollado nuevas tecnologías de red.

HetNets se considera una de las tecnologías más importantes que no solo entregan un alto


incremento en la capacidad del sistema, sino también permiten nuevas generaciones de

servicios para remplazar la renta de los servicios tradicionales pero decrecientes y

centrados en la voz.(Hu & Qian, 2013)

1.3 Redes Heterogéneas Móviles.

Algunas personas definen las redes heterogéneas como solo la superposición de estaciones

base macro celulares y nodos de baja potencia o pequeñas celdas con la misma interfaz

aérea(Hu & Qian, 2013) .Otros consideran la unión de redes celulares con redes Wi-Fi

como un caso de uso principal y hay quienes consideran la inclusión de nuevas topologías

de red y conectividad como parte de la visión de redes heterogéneas, tales como puntos de

acceso, repetidores, conexiones de dispositivos a dispositivos y otros (Iyer & Zeto, 2012).

A pesar de estas diversas definiciones y conceptos, ya en los últimos años con la

investigación e implementación de redes heterogéneas se han logrado importantísimos

avances, en particular en el ámbito de la descarga de datos a través de pequeñas celdas o

nodos de baja potencia. Si se considera el despliegue de redes heterogéneas en la práctica,

se puede definir como un despliegue mixto entre estaciones bases macro celulares y como

complemento nodos de baja potencia, así como el uso de un conjunto de tecnologías

esenciales que ofrecen gran capacidad, calidad y eficiencia a los sistemas móviles(Acharya,

Gao, & Gaur, 2014).

De forma general en este contexto, las redes heterogéneas, como se observa en la Figura

1.2, se refieren a la optimización unida de diferentes capas celulares y tecnologías, pues

implementa pequeñas celdas bajo la cobertura de macroceldas para ampliar la capacidad y

la cobertura en ciertas áreas de alta demanda. Las Redes heterogéneas representan una

evolución estratégica de la red de acceso móvil, transformándose a su vez en una red de

múltiple acceso cuando diferentes estándares de radio son usados en el mismo equipo del

usuario (por ejemplo, LTE con Wi-Fi), y puede referirse además a una estructura celular

jerárquica cuando múltiples clases de celdas con un mismo estándar de radio es usado (por

ejemplo macroceldas con picoceldas.


Figura 1.2. Esquema sencillo de una red heterogénea típica. Fuente: (Liu & Shen, 2014)

1.3.1 Características de las redes Heterogéneas.

Una red heterogénea representa una importante evolución del modelo actual de redes

móviles, pues el gran número de dispositivos y la proximidad entre ellos crean nuevos

desafíos para gestionar movilidad, gestionar interferencia y desplegar el backhaul1. Por otro

lado, debido al despliegue de pequeñas celdas como complemento de las redes

macrocelulares se requieren por parte de estas estaciones base, mayor inteligencia y

mayores capacidades de auto-organización que deben ser además optimizadas por la red.

______________________________________

1El backhaul es la parte de la red móvil que comprende los enlaces entre las estaciones base

y el núcleo de la red sin incluir los equipos terminales.


Estas redes como un todo ofrecen potentes ventajas en la práctica, que a la vez representan

significativos ahorros económicos, las más importantes son(“About 3GPP Home,” 2016):

Reutilización del espectro mediante el uso de pequeñas celdas.

Mejor cobertura y capacidad en las áreas urbanas y en interiores.

Rápido seguimiento de los nuevos servicios mientras crecen los ingresos de los

servicios existentes.

Grandes ahorros en gastos de capital (CAPEX) y gastos de operación (OPEX)

debido a la reducción de equipamientos, energía, mantenimiento y costos en el

backhaul.

Los elementos más importantes en el costo total de propiedad (TCO) para los operadores de

redes móviles, son los CAPEX para la construcción de la red y OPEX para el

funcionamiento de la red.

Para una red celular típica (solamente basados en macro celdas), el CAPEX por lo general

incluye el costo de la red de radio acceso (la estación base y los controladores de la red de

radio acceso), el núcleo de red móvil, la infraestructura del backhaul y los sitios de

adquisición, construcción, ingeniería e integración. La red de radio acceso representa cerca

del 60% del CAPEX, seguido por el núcleo de red alrededor del 15%, el backhaul

aproximadamente el 5% y los sitios de sitios de adquisición, construcción, ingeniería e

integración en un 10-20%. Por supuesto, existen algunas variaciones de un despliegue a

otro, por ejemplo el costo de la red de radio acceso puede reducirse cuando un operador

puede actualizar su equipamiento de estación base existente para soportar una nueva

tecnología de interfaz aérea, o puede el operador evitarse el costo de adquisición de un sitio

si pude superponer una nueva red en sus torres celulares existentes.(Hu & Qian, 2013)

El OPEX está principalmente asociado con el funcionamiento y administración de la red,

incluyendo gastos de alquiler del sitio, la transmisión del backhaul, potencia energética

para la alimentación del sistema y la operación y mantenimiento de la red.

Las HetNets juegan un rol fundamental en la reducción de la brecha que existe entre costos

y capacidad, propiciando importantes ahorros económicos durante todo del ciclo de vida

desde su implementación(Qutqut, 2014). Entre ellos:


Reduce los costes de equipamiento, donde las macro celdas cuestan $30 000.00

como promedio en dependencia de su configuración, el costo de las pequeñas celdas

oscila como promedio entre $5 000.00 a $10 000.00.

Menores costo de los sitios de adquisición, aunque son más los que tendrán que ser

analizados y negociados.

Reduce los gastos de operación y de energía, se estima que las capacidades de las

estaciones base macro celulares inherentes a las redes auto-organizadas (SON)

pueden reducir el costo de la mano de obra hasta un 30%.

Integración de la red celular con Wi-Fi. Se estima que la implementación de celdas

metropolitanas con tecnología 3G y LTE pueden reducir el costo a la mitad en

comparación con macro celdas con tecnologías equivalentes, mientras que la

integración con Wi-Fi reduce otro 75%.

La expansión de capacidad de HetNets a partir de la arquitectura tradicional de las redes

móviles tiene como nodo principal la estación base macro celular. A partir de esta estación

se puede hacer un incremento de su capacidad mediante la utilización de un espectro de

frecuencias superior, mayor número de antenas y una mejora del procesamiento dentro de

los nodos constituyentes, así como entre ellos. De este modo se incrementa la capacidad sin

tener que añadir nuevos sitios. Pero esto no es suficiente para ciertos escenarios como son

(Zurbano, 2016):

Puntos de acceso en exteriores de grandes demandas tales como plazas y calles

comerciales, con una densa red macro celular ya definida y que son áreas donde la

interferencia es alta.

Puntos de acceso aislados de alto tráfico localizados en interiores (centros de

negocios y hoteles) donde es difícil llegar mediante una estación macro en exterior.

Puntos de acceso de alto tráfico en interiores, como centros comerciales,

aeropuertos y estaciones del metro, donde las demandas de movilidad y la

interferencia son altas.

Puntos de acceso localizados en interiores o espacios con poca cobertura tales como

oficinas pequeñas y restaurantes que exigen despliegues y gastos de estructura de

las redes celulares convencionales.


Para satisfacer las demandas de tráfico, lograr altas capacidades de usuarios y mayor

cobertura en estos puntos de alto tráfico, se siguen factores claves que determinan el estado

final de la red heterogénea, esto incluye: mejorar la red macro celular existente (macro

estaciones GSM), densificar dicha capa macro y agregar pequeñas celdas para

complementar las macro celdas, principalmente en interiores donde la cobertura es

pobre(Landstrom, Furuskar, & Kronestedt, 2011).

Mejorar la capa macro celular existente trae beneficios adicionales, ya que no hay que

hacer gastos significativos al no tener que buscar otros sitios para colocar nuevas radio

bases. Esta propuesta consiste básicamente en mejorar la tecnología de radio acceso

existente introduciendo nuevas tecnologías como LTE, siendo posible con ella mejores

velocidades de transferencia y mayor capacidad en el sistema debido a mejoras en la

eficiencia por la introducción de técnicas de modulaciones de orden superior, orden de

sectorización superior, utilización de portadoras múltiples y utilización de soluciones con

múltiples antenas y de radio con vista a reestructurar el espectro. También se pueden

introducir mejoras adicionales si se consideran el uso de antenas avanzadas, incremento del

orden de diversidad en el receptor y/o en el transmisor y técnicas avanzadas en la capacidad

de procesamiento dentro de los nodos y entre ellos.

Densificar la capa macro en una primera opción consistirá en dividir las celdas lo que

implica una transición de un sitio con tres sectores a uno con seis y en una segunda opción

agregar sitios macro celulares en puntos estratégicos.

Agregar pequeñas celdas como complemento de la estación macro. Las pequeñas celdas

brindan una alta capacidad por usuario en su área de cobertura con la potencialidad de

incrementar el rendimiento en la red macro descargando tráfico generado por la demanda

de los usuarios.

La manera más eficiente para lograr mayor capacidad es combinando los tres enfoques

anteriores: mejorar la capa macro, densificar la capa macro y agregar nodos de baja

potencia como indica la Figura 1.3. De forma tal que con esta combinación, en dependencia

de la red existente pueda soportar altos volúmenes de tráfico y muy altas razones de datos,

así como las técnicas y viabilidad económica de cada enfoque, sacando el máximo


provecho de las estaciones macro y las pequeñas celdas como parte de una red

heterogénea.

Figura 1.3. Etapas esenciales para la evolución de las redes heterogéneas. Fuente:

(Lamberti, 2013)

1.3.2 Definición de pequeñas celdas.

Las pequeñas celdas o nodos de baja potencia son una solución reciente a la creciente

demanda de datos móviles, estandarizada por la 3GPP. Estas juegan un papel fundamental

dentro de las redes heterogéneas, pues vienen a complementar a las estaciones

macrocelulares para ofrecer mayor cobertura y capacidad dentro de dicha red móvi(“About

3GPP Home,” 2016)l.

De acuerdo a la 3GPP las pequeñas celdas se clasifican basándose en las pérdidas mínimas

de acoplamiento entre la celda y el dispositivo del usuario, originando cuatro clases de

celdas (metro, micro, pico y femto). Otras miradas identifican las pequeñas celdas como

aquellas celdas que cumplen con las siguientes características:

Proveen la cobertura de un área más pequeña que la de una estación macrocelular.

Siguen siendo implementadas y administradas por los operadores móviles.

Aseguran un acceso abierto a todos los usuarios del mismo operador.

Se caracterizan por tener bajo costo de equipo e instalación en comparación con las

macroceldas.


Están orientadas para soportar servicios de datos, aunque también pueden soportar

servicio de voz.

Otras características más detalladas se pueden definir en función de los siguientes

parámetros técnicos(Alliance, 2012):

Capacidad, definida en términos de capacidad pico y promedio.

Soporte de movilidad (soporta handover entre la estación macro y la pequeña celda

o entre pequeñas celdas, soporta el trafico mediante las interfaces de radio X2 y

S1/X2.

Requisitos de servicio en términos de calidad de servicio (latencia, jitter, pérdida de

paquetes, disponibilidad) y requerimientos de sincronización en tiempo y

frecuencia.

Requisitos de implementación.

Consumo de potencia (en relación con el backhaul).

Condiciones de operación (acceso público, despliegue del backhaul del

operador).

Posible ubicación (interiores/exteriores, a pocos metros sobre el nivel de la

calle o en la azotea).

En general las pequeñas celdas son pequeñas estaciones base (SBS) con potencia y rango

limitado, (es decir de baja potencia y de corto alcance). Normalmente están destinadas a ser

usadas en interiores de parques, casas, centros comerciales, aeropuertos, oficinas

gubernamentales, estadios y otros como un complemento más a las estaciones

macrocelulares para permitir mayor capacidad de usuarios, mayor cobertura, altas

velocidades de datos y por ende mejor calidad de servicio. Hay diferentes tamaños y

versiones de pequeñas celdas, varían en dependencia del número de usuarios que pueden

manejar, en su potencia y en su rango, y en casi todos los casos incluyen tecnologías

esenciales de radio acceso como 3G,LTE y actualmente hasta con Wi-Fi integrada; poseen

además fuente de alimentación interna y un backhaul de conexión a la red celular (Iyer &

Zeto, 2012). En la Tabla 1.2 se muestran las clases de pequeñas celdas y sus características.


Tabla 1.2 Clases y Características de las pequeñas celdas.

Clases de pequeñas

celdas

Potencia de

salida

Radio de la

celda

No de

usuarios

Localización

Femtoceldas 1mW-250mW 10m-100m 1-30 Interiores

Picoceldas 250mW-1W 100m-200m 30-100 Interiores

Micro/Metroceldas 1W-10W 200m-2km 100-2000 Interiores/Exterio

res

Microceldas: Como muestra la Tabla 1.2, las macro celdas típicas soportan hasta 2000

usuarios con un radio de hasta 2Km, se considera el nodo de baja potencia de mayor

alcance y capacidad de usuarios, por ello son usadas en pequeñas áreas exteriores donde la

cobertura de la macro celda es insuficiente y en áreas donde la demanda de tráfico es muy

alta es decir en entornos tales como avenidas, estadios, aeropuertos y en general en áreas

metropolitanas. Estas cubren áreas limitadas, siendo también de gran utilidad en interiores

donde son insuficientes las picoceldas tal como un centro comercial. Además en tanto en

entornos exteriores como interiores utilizan control de potencia para limitar su área de

cobertura.

Picocelda: Las picoceldas tienen una funcionalidad similar a las femtoceldas, pero con

mayor potencia, mayor alcance y mayor capacidad de usuarios. Se utilizan generalmente en

las empresas y en zonas interiores públicas. Múltiples pico celdas son usadas para cubrir

grandes empresas especialmente cuando su infraestructura se compone de varios pisos de

gran altura, centros comerciales, estaciones de tren y aeropuertos.

Femtocelda: Es una estación base de baja potencia que inicialmente estaban destinada

para uso en el hogar, pero también se utilizan en las empresas, zonas rurales y áreas

metropolitanas. También son conocidas como Home NodeB para 3G o HNodeB y Home


eNodeB o HeNB para LTE, en ocasiones se utiliza ambas denominaciones indistintamente.

Es la más pequeñas de todos los nodos de baja potencia que aquí quedan definidos.

Las pequeñas celdas están definidas para cualquiera de las tecnologías móviles existentes

(2G, 3G y 4G o LTE) pero su papel dentro de las redes heterogéneas en la actualidad se

priorizan sobre 3G en interiores y LTE en entornos urbanos.

Las pequeñas celdas son desplegadas donde dicte la demanda, se localizan más cerca a los

usuarios finales que las estaciones macro y pueden proveer cobertura en lugares donde la

cobertura de la macrocelda sea pobre, debido a la colocación de edificios, largas distancias

e interferencias, esto es especialmente útil en el borde del área de cobertura de la

macrocelda, donde el servicio es degradado .Las pequeñas celdas son menos susceptibles a

la interferencia que las celdas macro por estar situadas a poca distancia del suelo y esto se

traduce en más capacidad y con señales de alta calidad lo que da lugar a un mejor

desempeño, ya que permite que el sistema utilice un esquema de transmisión con mayor

eficiencia espectral, lo que se traduce en una transmisión con mayor número de bits en un

mismo tiempo. Por este motivo, las áreas donde los usuarios pueden transmitir y recibir

con altas razones de datos son más grandes que en la celda macro. Además, ofrecen

ventajas en cuanto a latencia y la cobertura en los bordes de la celda siendo mejor que en la

celda macro sobre todo en el enlace de subida y brinda una mejor penetración de la

cobertura, lo que refuerza los servicios en aéreas urbanas congestionadas(Alliance, 2012).

También representa una fuente de ingresos significativa al brindar una mejor cobertura en

edificaciones si se tiene en cuenta que aproximadamente un 40% del tráfico móvil se

origina en el hogar y de un 25%-30% en el trabajo.

1.3.3 Arquitectura de red de pequeñas celdas.

Las estaciones de pequeñas celdas son similares a las estaciones base macro celulas, pero

con propósitos y aplicaciones optimizadas (en cuanto a tamaño, potencia de salida, alcance

e integración de funcionalidades adicionales) .Estas pequeñas estaciones base utilizan la

misma interfaz lógica que las estaciones base macro celulares (S1 y X2 o Lub y Luh),

como un eNodoB, HeNB (Home eNodeB) y NodoB, HNB, tal como se define en (3GPP.

TS 36.300, 2014) y también representado en la Figura 1.5


Figura 1.5 Arquitectura con pequeñas celdas. Fuente:(Alliance, 2012)

En la figura 1.6 se muestran como ejemplos dos arquitecturas en las que se conectan a las

estaciones macro celulares pequeñas celdas con diferentes tecnologías de radio acceso

(LTE y UMTS). También se usa una puerta de enlace que ofrece conectividad al backhual

de la red para un número de pequeñas celdas en un área determinada y sirve como

concentrador para las interfaces lógicas.(Alliance, 2012)

1.3.4 Coexistencia de estaciones macro y nodos de baja potencia.

Una de las cuestiones básicas con las redes heterogéneas es como determinar el espectro a

usar en cada capa celular y para cada tecnología (HSPA y LTE).Para alcanzar el máximo de

datos posibles, es necesario utilizar al menos tanto ancho de banda como el UE es capaz de

manejar en cada capa. La capacidad del UE en términos de bandas de frecuencias influye

en las posibilidades del espectro: si el problema es de capacidad (alto volumen de tráfico ) o

si el espectro es escaso, entonces las frecuencias portadoras de la macro celda pueden ser

reusadas. Sin embargo tal enfoque requiere de una buena planificación celular y esquemas

de administración de los recursos de radio para el control de interferencias entre capas

celulares. En particular la movilidad y la calidad del plano de control podrían ser

afectadas(Landstrom et al., 2011).

Por definición un nodo de baja potencia tiene una potencia de transmisión

significativamente más baja que la estación base macro celular que le rodea. La selección

de la celda por parte del terminal se realiza por criterios de potencia de transmisión y por


perdidas en el trayecto. Para el enlace UL, como la sensibilidad de las estaciones es similar

pues la potencia de transmisión es la misma (la del terminal) son las pérdidas de trayecto

las que determinan a cual estación el terminal debe conectarse.

En el DL la potencia de la macro estación es mayor que la de la estación de pequeña celda,

aquí la decisión de selección de la celda se hace por la que mayor Potencia Recibida de la

Señal de Referencia (RSRP). Esta es una métrica que se refiere a la potencia recibida

promedio de todos los elementos del recurso que portan la señal de referencia específica de

la celda dentro del ancho de banda considerado. Estas ideas son mostradas en la Figura 1.6.

Figura 1.6 Selección sencilla de celdas en redes heterogéneas.Fuente:(Landstrom et

al., 2011).

Los fundamento hasta aquí expuestos necesitan de tecnologías ,que fucionadas hagan de

las redes heterogéneas la solución ideal para incrementar la cobertura y capacidad de las

redes móviles.

1.3.5 Escenarios de despliegue de pequeñas celas.

Los aspectos claves para el despliegue de pequeñas celdas con tecnologias LTE y LTE-

A,son considerados a partir de (“Overview of 3GPP Release 12 V0.2.0 (2015-09),”

2015).Estos aspectos estan relacionados principalmente con los escenarios de densificacion

de pequeñas celdas bajo la cobertura de la estacion macrocelular.

Los escenarios de despliegue se consideran donde las pequeñas celdas puedan ser

desplegadas bajo la cobertura de la estacion macro para proporcionar mayor cobertura y


capacidad. La densificación de pequeñas celdas se considera como un potencial para

descargar más trafico desde usuarios inteligentes,como se muestra en la Figura 1.7. Este

tipo de escenarios requiere de nuevas y avanzadas técnicas de coordinacion de

interferencia,tales como las que puede proporcioanr LTE y mejor LTE-A.

Figura 1.7 Esceneraio de despliegue de redes heterogéneas.Fuente:(Acharya et al.,

2014).

Como una forma de resaltar los beneficios que trae el despliegue de pequeñas celdas, tales

como mejora en eficiencia espectral, mejora en movildad, incremento en la cobertura y

capacidad de la red movil, la Release 12 identifica los caminos a seguir para la evolucion

de los distinos escenaros de pequeñas celdas.

Escenario 1: Despliegue de pequeñas celdas en la misma frecunecia(F1) que la

macrocelda,como se observa en la figura 1.8 .Este escenario cumple con las siguientes

caracteristicas:cluster exterior de pequeñas celdas exterior de 4 a 10 pequeñas celdas por

cluster coordinacion entre pequeñas celdas y macroceldas mediante la interfaz X2.

Figura 1.8 Esquema del escenario 1. Fuente:(Acharya et al., 2014).


Escenario 2: Despliegue de pequeñas celdas con F1 y las macroceldas con F2 en interiores,

como se observa en la figura 1.9. Aquí al igual que en el escenario 1 el clúster está formado

con la misma cantidad de pequeñas celdas, puede utilizar cualquier tipo de solución para el

backhaul.

Figura 1.9 Esquema del escenario 2. Fuente:(Acharya et al., 2014).

Cada una de los escenarios de despliegue de las pequeñas celdas tratados hasta aquí es

haciendo uso de tecnologías de radio acceso como LTE y LTE-A. Estas ofrecen varias

técnicas para mitigar y controlar la interferencia que se producen al diversificar tales

escenarios como parte de las redes heterogéneas.

1.4 Conclusiones del capítulo.

Las redes heterogéneas y con ellas las pequeñas celdas como complemento a las estaciones

macro han sido una atractiva solución para expandir la cobertura y la capacidad de las redes

móviles. La diversificación de complejos entornos y convergencia de disimiles RAT hacen

de esta red multicapa la solución idónea para aquellos puntos de alta demanda de servicios

móviles, donde la cobertura y la capacidad se hace limitada. El despliegue e

implementación de HetNets está en dependencia de las características del entorno y según

este serán los escenarios a aplicar. Para este documento los escenarios y en general las

HetNets se basarán en LTE y LTE-Avanzado como las tecnologías de acceso por radio más

óptima para su despliegue, como se explicará en el capítulo 2.

CAPÍTULO 2.TECNOLOGÍAS EN EL USO DE REDES HETEROGÉNEAS. 32

CAPÍTULO 2. TECNOLOGÍAS EN EL USO DE REDES

HETEROGÉNEAS.

Considerando lo novedoso que representa este tema para el desarrollo de los sistemas

móviles en Cuba, y la preparación del personal capacitado para la implementación de la

tecnología, se aborda en este capítulo las generalidades de LTE y LTE-A, los parámetros

técnicos y los rasgos característicos que hacen de estas tecnologías de radio acceso la ideal

para redes heterogéneas. Esto no quiere decir que las definiciones sobre redes heterogéneas

y pequeñas celdas son exclusivas de la tecnología LTE ya que en principio son aplicables

también a la tecnologías anteriores incluyendo GSM; pero las velocidades que se requieren

para dar solución a las demandas de trafico actúales requiere de velocidades de datos

aplicable a partir de HSPA en 3G. Por otro lado, los rasgos distintivos de las tecnologías

LTE y LTE-A son los más atractivos en las tecnologías que este trabajo describe.

2.1 Diferencias entre UMTS y LTE.

Las conexiones inalámbricas y los dispositivos móviles no solo son cada vez más

inteligentes en sus capacidades de computo, sino también están evolucionando desde

conectividad de red de más baja generación (2G) hasta conectividad de red de más alta

generación (3G y 4G o LTE). Cuando las capacidades de los dispositivos se combinan con

mayor velocidades, mayor ancho de banda y redes más inteligentes, conduce a la amplia

adopción de aplicaciones avanzadas que contribuyen al aumento del tráfico de datos

móviles. Para ello los operadores móviles de todo el mundo han optado por un despliegue

total de redes 4G o LTE ayudando además a satisfacer la creciente demanda de los usuarios

finales por más ancho de banda, mayor seguridad y más rápida conectividad en

movimiento, como parte fundamental dentro de una red heterogénea.(Cisco, 2016)

La red de acceso radio o RAN presenta algunas diferencias sustanciales. En UMTS la

arquitectura de radio acceso o UTRAN básicamente está compuesta por las Estaciones

Base o NodosB, conectadas mediante el interfaz lub al RNC. Por su parte el RNC se

conecta al núcleo de red mediante los interfaces lu-cs e lu-ps a los dominios de circuitos y


paquetes respectivamente y a otros RNC mediante la interfaz lur. En LTE la arquitectura de

radio acceso es definida como EUTRAN, cuya arquitectura se describe en las

especificaciones técnicas(3GPP. TS 36.300, 2014) y donde la diferencia más significativa

con UTRAN es la eliminación de los RNCs al incorporar nodos B evolucionados

(eNodoB) a los que se les integran las funcionalidades que estos realizaban hasta hora.

Los eNBs se conectan a través de la interfaz S1 al Núcleo de Paquetes Evolucionados

(EPC, Evolved Packet Core) mientras que mediante la interfaz X2 se interconectan con

otros eNBs adyacentes para permitir handover inter-celdas.

Desde el punto de vista del Núcleo de Red, las redes existentes antes del desarrollo de LTE

son híbridas al disponer de los dominios de Conmutación de Circuitos y de Conmutación

de Paquetes. Una de las novedades que presenta LTE consiste en que la convergencia de los

servicios de voz y de datos proporciona el transporte de todo tipo de tráfico mediante una

arquitectura basada en IP, lo que supone la eliminación del dominio de Conmutación de

Circuitos e incorpora el concepto de ¨red plana¨.

Estas diferencias quedan recogidas en la Figura 2.3 donde se muestran la arquitectura tanto

de UMTS como de LTE, de forma separada. La figura que muestra las arquitecturas de

LTE y UMTS integradas en una sola, se adjunta al Anexo I como Figura I.1.

Figura 2.1 Arquitectura separadas de LTE y UMTS.Fuente:(“About 3GPP Home,”

2016)

Es importante notar en la Figura 2.1 que la red LTE está más optimizada debido a la

reducción del número de elementos empleados en dicha red. Además, mientras en UMTS


solamente se habla de paquetes IP en la interfaz Gn (entre el SGSN y el GGSN), en LTE la

red IP se extiende desde el eNodoB hasta el EPC, de ahí que se pueda hablar de LTE como

un entorno ¨All IP¨.

2.2 Generalidades y características de los Sistemas LTE y LTE-Avanzado.

2.2.1 LTE

LTE se especifica en el Release 8 que fue publicado en diciembre del 2008. Desde entonces

la 3GPP continuamente evoluciona la especificación LTE con la publicación de nuevos

Release. Gran parte de los estándares LTE se desarrollan sobre UMTS/HSPA. Los

requerimientos para los sistemas LTE Rel-8 incluyen mejorar la cobertura y capacidad,

mejorar la experiencia de los usuarios a través de mayores velocidades de datos y latencia

reducida, reducir los costos de despliegue y operación y dar una perfecta integración con

los sistemas existentes. Los requerimientos completos de LTE están definidos en (3GPP.

TS 36.913, 2012)entre ellos destacan :

• Flexibilidad en la elección del espectro de frecuencias empleado (1.25MHz, 2.5MHz,

5MHz, 10MHz, 15MHz y 20MHz), permitiendo al operador la posibilidad de diseñar

una red acorde con los recursos espectrales disponibles.

• Velocidad pico de 100Mbps en el DL y 50Mbps en el UL, para un espectro de

20MHz.

• Eficiencia espectral de 3 a 4 veces superior que la alcanzada en la Release 6 para el

DL y de 2 a 3 veces mejor para el UL.

• Reducción de latencia en la red de radio acceso a 10ms.

• Cobertura o tamaño de celda entre 5 y 100 Km, con una ligera degradación a partir

de los 30 Km, es decir los requisitos de velocidad pico, movilidad y eficiencia

espectral no pueden cumplirse estrictamente después de 30Km.

• Compatibilidad de interconexión con sistemas heterogéneos como las redes 3GPP

existente y entornos no especificados por el 3GPP (no-3GPP) como pueden ser

WLAN y WIMAX.

• Garantía de calidad de servicio de extremo a extremo.


• Habilidad de gestionar móviles con alta movilidad y es compatible con sistemas

tanto por división de frecuencia dúplex (FDD) como división del tiempo dúplex

(TDD).

En general, LTE ha sido diseñado para mejorar la calidad de la experiencia de los usuarios

finales relativo a los sistemas celulares. El número de usuarios soportados por LTE es

mayor y el rango de aplicación proporcionada es más amplio. Todo esto se hace posible por

la optimización y diseño extensivo de todas las capas del sistema celular.

2.2.2 Tipos de modulación usadas en LTE/LTE-A

A diferencia de tecnologías móviles anteriores LTE y para LTE-A combinan esquemas de

modulación, usando Acceso Múltiple por División de Frecuencias Ortogonales (OFDMA,

Orthogonal Frequency-Division Multiple Access) para el DL y Acceso Múltiple por

División de Frecuencias con Portadora Única (SC-FDMA, Single Carrier Frequency

Divison Multiple Access ) para el UL.

En OFDMA, las frecuencias se dividen en subportadoras de frecuencias paralelas, cada

subportadora es capaz de llevar un símbolo modulado. Diferentes subportadoras se agrupan

para formar un subcanal que sirve como la unidad básica de transmisión de datos como se

muestra en la Figura 2.2. Las razones principales por lo que OFDMA fue seleccionado

como la técnica de modulación básica para LTE y para LTE-A son la alta eficiencia

espectral, baja complejidad de implementación y la capacidad para soportar características

avanzadas tales como planificación ( scheduling) de frecuencias selectivas ,transmisión con

múltiples entradas y múltiples salidas (MIMO, multiple-input multiple-output ) y

coordinación de interferencias(Ghosh & Ratasuk, 2011).

La característica principal de SC-FDMA es que transmite cada símbolo de datos usando el

ancho de banda completo que le es asignado, a diferencia de OFDMA donde cada símbolo

de datos es transmitido usando varias subportadoras, como muestra la Figura 2.2. SC-

FDMA se seleccionó para el UL debido a que esta tiene ventajas similares a OFDMA tales

como ortogonalidad entre usuarios, scheduling en el dominio de la frecuencia y robustez

con respecto a la operación en trayectos múltiples. Además SC-FDMA tiene un bajo

requerimiento de back-off , que se traduce en la reducción de potencia de transmisión media

para asegurar que la máxima potencia se quede dentro de la región lineal del amplificador


de potencia, en comparación con OFDMA. Como resultado la potencia promedio de

transmisión puede ser mucho mayor usando SC-FDMA de lo que puede esperarse con

OFDMA. Esto aumenta la cobertura en el UL y proporciona altas razones de datos a los

usuarios principalmente en el borde de la celda(Ghosh & Ratasuk, 2011).

Figura 2.2 Estructura de modulación para el DL (OFDMA) y el UL (SC-

FDMA).Fuente:(“About 3GPP Home,” 2016)

2.2.3 LTE-Avanzado

Luego del lanzamiento de LTE-Release 8, la 3GPP siguió trabajando en nuevos

requerimientos para definir una especificación con más capacidades mejoradas y con el fin

de cumplir con los requerimientos establecidos para las IMT-A, definida por la ITU-R. De

esta nueva especificación surge LTE-Avanzado descrita finalmente en la Release 10

lanzada en marzo del 2011. LTE-Avanzado o también LTE Rel-10 es una mejora continua

sobre LTE, manteniendo la compatibilidad estricta con versiones anteriores. Los

requerimientos completos de LTE-Avanzado están en descritos en (3GPP. TS 36.913,

2012). En general LTE-A es compatible con una variedad de escenarios de cobertura.

Provee una cobertura coherente desde macroceldas a interiores, se enfoca en resolver

entornos de baja velocidad de transmisión con la transmisión de altas velocidades de datos,

incluye reducciones de costos significativos en consumo de potencia y costos tecnológicos,

entrega alta eficiencia espectral y baja latencia.

Algunos de estos requerimientos son:

Razón de datos pico: Soporta razones de datos pico para el DL de 1Gbps y para el

UL de 500Mbps, sobre un ancho de banda de 20 MHz para ambos enlaces.


Eficiencia espectral: La eficiencia espectral pico es de 30bps/Hz para el enlace

descendente (asumiendo una configuración de antenas de 8x8 MIMO), y para el

enlace ascendente presenta una eficiencia espectral de 15bps/Hz (asumiendo una

configuración de antenas de 4x4 MIMO). Por lo tanto un espectro con un ancho de

banda de 40Mhz puede tener un rendimiento de 1,2Gbps para el enlace descendente

y de 600Mbps para el enlace ascendente.

Movilidad: La movilidad es similar a LTE Rel-8, puede soportar una movilidad de

hasta 350Km/h o hasta 500Km/h en dependencia de la banda de frecuencias.

Espectro: En consonancia con los requerimientos de la IMT-A, LTE-A agrega

nuevas bandas de frecuencias adicionales a las ya existentes en LTE Rel-8. Más

específicamente trabaja en las bandas de: 450-470MHz,698-862MHz, 790-

862MHz, 2.3-2.4GHz y 4.4-4.99GHz .

Costo: El costo de la infraestructura y los dispositivos es relativamente bajo. El

backhaul puede ser alámbrico e inalámbrico, pudiendo usar una interfaz de aire

basada en LTE puede además soportar las características de Redes Auto-

organizadas (SON, Self Organizing Networks) para reducir la cantidad de pruebas

de control en la red, lo que conlleva a obtener mayores ahorros en costos.

Además LTE-A más allá de brindar una mejor experiencia para los usuarios, apoya el

despliegue e implementación de redes heterogéneas, donde nodos de baja potencia tales

como microceldas, picoceldas y femtoceldas están bajo disposición de las estaciones

macrocelulares de alta potencia.

Con el propósito de mejorar LTE Rel-8 y cumplir con los requerimientos de IMT-A; LTE-

A ha adoptado una serie de tecnologías avanzadas que cumplen con los distintos aspectos

establecidos. Estos avances se pueden resumir de la siguiente manera(Holma & Toskala,

2012):

Agregación de portadoras.

Mejoras en la tecnología de antenas MIMO.

Mejora la cobertura y capacidad de la red móvil.

Uso de backhaul inalámbrico.

Soporte de home eNodoB para pequeñas celdas.


Implementación de SON.

Soporte tanto redes homogéneas como redes heterogéneas.

Introduce mejoras en la coordinación de Interferencias interceldas, con mayores

avances en CoMP .

Con la agregación de portadoras, más de una componente portadora (CC) puede ser

asignada a un usuario específico, con el fin de aumentar el ancho de banda en el UL y en el

DL. Puede ser asignado para un usuario de 1 a 5 portadoras, por lo que el ancho de banda

puede ser hasta 100MHz, teniendo en cuenta que cada portadora usa un ancho de banda

escalable de hasta 20MHz, proporcionando además mayor flexibilidad en el espectro. La

asignación de portadoras puede ser asimétrica, es decir, hacer diferentes asignaciones en el

DL que para el UL, las asignaciones de portadoras para el UL nunca será mayor que para el

DL además las portadoras agregadas no tienen que ser del mismo tamaño, esto se muestra

en la Figura 2.3. Estas pueden clasificarse en contiguas, entre bandas no contiguas e inter

banda no contigua, todas en el dominio de la frecuencia. Solo pueden ser agregadas estos

tres tipos de portadoras en dependencia de la localización de la banda de frecuencia en el

espectro(Zhang & Zhou, 2013).

Figura 2.3 Esquema de agregación de portadoras según la 3GPP.Fuente:(“About 3GPP

Home,” 2016)

En comunicaciones inalámbricas, la existencia del desvanecimiento multitrayecto causado

por los diferentes entornos de transmisión afecta el rendimiento de todas las

comunicaciones inalámbricas. Para eficazmente resolver este problema los terminales

móviles deberían tener arreglos de antenas, sin embargo esto en muchos casos sería


impracticable, debido al tamaño físico de las antenas, el costo de fabricación y la

complejidad del hardware de los dispositivos móviles. Para ello se ha propuesto usar

técnicas de diversidad de espacio basada en la comunicación colaborativa. La colaboración

multipunto (CoMP, Coordinated Multi Point Operation) permite la transmisión y

recepción desde múltiples puntos de distribución de una manera coordinada. La razón

principal de introducir CoMP es para mejorar el rendimiento de la red fundamentalmente

en el borde de la celda. Basado en como la coordinación entre celdas comparten y trasmiten

los datos a los usuarios, la tecnología CoMP se divide en dos categorías. La primera de

ellas se nombra Procesamiento Unido, que a su vez se divide en Transmisión unida y

Selección Dinámica de la celda. La otra categoría se nombra Planificación

Coordinada(CS)/Modificación del patrón (Beamforming) Coordinado (CB). En la

transmisión unida, múltiples eNB envían datos simultáneamente a un solo UE utilizando la

misma frecuencia; por su parte en la Selección dinámica de celda, un eNB está

dinámicamente seleccionado para enviar datos a un UE. Por otra parte en CS y CB los

datos están disponibles en más de un punto de distribución y se transmiten solamente desde

un único punto de distribución en el momento, en este tipo de técnica, los puntos de

distribución están conectados entre sí con el fin de intercambiar información(Zhang &

Zhou, 2013).

Una de las técnicas cruciales para el desarrollo de la cuarta generación de sistemas móviles

ha sido los arreglos de antenas, entre ellas está el uso de múltiples entradas y múltiples

salidas (MIMO, Multiple Input Multiple Output). MIMO se utiliza para incrementar la

razón de bit con la transmisión y recepción de múltiples y diferentes flujos de datos a través

de múltiples antenas. MIMO proporciona diferentes flujos de datos con la misma

frecuencia y en el mismo tiempo, estos flujos son separados con diferentes señales de

referencia(Zhang & Zhou, 2013).

Después del procesamiento espacio-tiempo, el flujo de símbolos a ser transmitidos es

asignado hacia la antena transmisora y transmitido hacia el receptor a través del canal

inalámbrico. El nodo receptor detecta este flujo de datos de subcanales espaciales por su

correspondiente procesamiento MIMO. Esta tecnología de múltiples antenas incrementa

exponencialmente la capacidad del canal en comparación con un sistema de una sola antena

debido a la diversidad de espacio que ofrece, siendo además una de las tecnologías más


fuertes para soportar altas velocidades y altas capacidades en las nuevas generaciones de

sistemas móviles.

Las redes auto-organizadas se introducen como un concepto para la automatización de la

planificación, administración, configuración, optimización y reparación en redes móviles.

Las principales motivaciones detrás de estas técnicas son(Américas, 2011):

Los sistemas fijos no pueden adaptarse a la naturaleza caótica del sistema móvil,

debido a la movilidad de los usuarios y a las condiciones variables del canal

inalámbrico. Esto conduce a estar por encima o por debajo en la utilización de los

recursos inalámbricos bajo diferentes condiciones.

Con el crecimiento y escalabilidad de las redes móviles, los métodos de

optimización periódicos con el trabajo humano se vuelve ineficiente y propenso a

errores, por lo que métodos autónomos pueden ayudar a disminuir la mano de obra

humana y los gastos en operación.

Con la introducción del concepto de redes heterogéneas, con los métodos de gestión

tradicionales, sería imposible de gestionar los nodos de la red por su cantidad y

diversidad de características. Especialmente, configurar y optimizar pequeñas celdas

que no pueden ser gestionadas por el operador de red por su carácter privativo (solo

las operan los clientes).

En general una SON puede automáticamente extender, cambiar, configurar y optimizar su

topología, cobertura, capacidad, tamaño de la celda y canal asignado, basado en cambios de

localización, patrones de tráfico, interferencia y situación del entorno. SON ha sido

diseñado para automáticamente configurar y optimizar la red LTE por auto-configuración,

auto-optimización y auto-reparación (3GPP. TS 36.902, 2011).

Las funcionalidades de las redes auto-organizadas pueden encontrarse juntas o divididas y

localizarse en diferentes nodos. Estas redes organizadas automáticamente pueden estar

divididas en tres arquitecturas principales: SON Distribuido, SON Centralizado y SON

Híbrido(Alliance, 2012). Las soluciones de SON pueden dividirse en tres categorías

distintas: auto-configuración, auto-optimización y auto-reparación(Zhang & Zhou, 2013).

La optimización de la cobertura y capacidad se realiza a través de la toma de medidas de la

red mediante el uso de herramientas de planificación y modelos teóricos de propagación.


El uso de esos modelos y herramienta permiten que los nodos de la red puedan cambiar su

cobertura con el cambio de la potencia de transmisión o la configuración de las antenas,

mientras los nodos incrementan su cobertura tienen que tener también en cuenta su

capacidad y la interferencia con otras celdas vecinas.

Para la reducción de interferencia y además minimizar la intervención manual humana en

las tareas de optimización y administración de la red, SON se basa en la Coordinación de

Interferencia entre Celdas (ICIC) .La ICIC requiere que las celdas vecinas intercambien

información sobre la parte del ancho de banda que ellas están usando. Estas celdas vecinas

pueden coordinar que parte del ancho de banda están usando en cada celda y la potencia de

transmisión entre varios bloques de frecuencia. La interferencia entre celdas puede ser

reducida o evitada en ambos enlaces (DL y UL) por un uso coordinado de los recursos

disponibles en las celdas relacionadas que conduzcan a mejorar la relación señal a ruido y

el rendimiento correspondiente. Esta coordinación se realiza por la restricción y preferencia

para el uso de recursos en las diferentes celdas, esto puede ser logrado por medio de los

mecanismos ICIC(Rodríguez, 2013). Por otra parte la capacidad podría ser mejorada si se

desconecta aquellos HeNB por ejemplo, que no son necesarios para el tráfico en cierto

punto del tiempo cuando el usuario no está en casa. En este caso se espera que aumente la

capacidad y calidad en el servicio mediante la readecuación de interferencia.

El objetivo de ahorro de energía es reducir los costos operativos de los nodos mientras se

mantiene la calidad del servicio. Para ahorrar energía, algunas celdas se pueden

apagar durante condiciones de baja carga y de nuevo cuando se aumenta la carga en el

sistema. Además, el consumo de energía de un nodo se puede reducir con la disminución de

las portadoras activas fuera de las horas pico.

El propósito de la Optimización de la movilidad es proporcionar un mejor servicio a los

usuarios móviles. En el estado móvil, el usuario tiene que hacer el handover en modo

conectado y re-seleccionar la celda en modo inactivo después de entrar al área de cobertura

de una nueva celda. Mientras se hace el cambio de celda, el usuario puede encontrarse con

algunos problemas como caídas de llamadas, fallos de enlace de radio, handovers

innecesarios y re selección de celdas innecesarias. La optimización robusta de la movilidad


trata de minimizar este problema con el ajuste de los parámetros de configuración

requeridos

El objetivo del equilibrio de carga de la movilidad es dirigir el tráfico a los otros nodos

adecuados en condiciones de carga pesada o en el resultado de los factores como la calidad

de servicio o el consumo de energía.

2.3 Arquitectura de los sistemas LTE y LTE-A.

A diferencia de los sistemas antecesores, para simplificar la arquitectura del sistema, LTE

ha sido diseñado para ser una red completa de conmutación de paquetes basada en la

transmisión eficiente de paquetes IP. La Figura 2.3 ilustra la arquitectura completa del

sistema LTE y LTE-A. La arquitectura del sistema LTE consta de dos componentes

esenciales para su correcto funcionamiento: La Red de Radio Acceso Terrestre Universal

Evolucionada (E-UTRAN, Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network) y el EPC.

La arquitectura del EPC también es llamado SAE (Service Architecture Evolution) y a la

combinación de E-UTRAN y EPC/SAE es llamada Sistema de Paquetes Evolucionado

(EPS, Evolved Packet System). Subsiguientemente se usa el término EPC/SAE y Núcleo de

Red (CN) como lo mismo(“About 3GPP Home,” 2016).

Figura 2.3 Arquitetura de los sistemas LTE y LTE-A. Fuente: (“About 3GPP

Home,” 2016)

La E-UTRAN es el primer punto de entrada para un UE hacia la red LTE. Los protocolos

E-UTRAN cubren el proceso de comunicación entre el UE y la red sobre el enlace


inalámbrico. Para LTE la E-UTRAN consta de un único elemento, el eNB que actúa de

interfaz con el terminal del usuario. Dentro de sus funciones están:

Ser responsable de la transmisión y recepción de las señales de radio desde y hacia

el UE.

Procesar la señal asociada a la transmisión y recepción de radio (encriptar y

desencriptar la información, comprimir y descomprimir los encabezados de los

paquetes en el UL y DL.

Incluir mecanismos de control de acceso al medio por el cual múltiples UE

comparten el canal inalámbrico.

Asegurar fiabilidad del nivel del enlace, segmentación y reagrupación de las

unidades de procesamiento de datos de capa superior.

Estas funcionalidades de la E-UTRAN son implementadas por los eNodoB. Algunas de las

funciones del eNodoB están relacionadas con el canal inalámbrico y sus propiedades. El

canal inalámbrico es limitado en banda y es un medio de difusión por radio. Las señales

transmitidas sobre el canal sufren atenuación en amplitud y fase y cunado múltiples UE

acceden a él simultáneamente se interfieren unos con otros, situación que es muy común en

las redes heterogéneas. (Acharya et al., 2014)

Las interfaces X2 y S1 están definidas para proporcionar comunicación entre dos entidades

diferentes en LTE. La anterior situación se observa en la Figura 2.4.

Figura 2.4 Interfaces X2 y S1.Fuente:(“About 3GPP Home,” 2016)

Una de las funcionalidades nuevas que introduce LTE en su arquitectura es la

interconexión entre eNodos B sin importar la clase de estación (macro, micro ,pico, femto).


Esto se hace posible mediante la interfaz X2 y puede así implementarse muchos de los

algoritmos avanzados de coordinación de interferencias. El estándar describe la interfaz X2

como una interfaz lógica de punto a punto entre dos eNodoB. Esta interfaz lógica es

implementada sobre una conexión física real entre dichas entidades, en implementaciones

prácticas el medio de conexión puede ser Fibra, Ethernet o inalámbrico. Es posible también

que no exista ninguna conexión física directa entre los eNodoB, pero los algoritmos de la

interfaz X2 todavía pueden tener en cuenta como los eNodoB son conectados mediante el

EPC (por ejemplo dos eNodoB pueden estar servidos por el mismo MME). Diferentes

medios llevaran a diferentes latencias y capacidades. Escoger el medio determinará el

rendimiento de los algoritmos implementados sobre X2, por ejemplo un algoritmo

dinámico de coordinación de interferencia que requiere un intercambio rápido de

información de interferencia entre los eNodoB no puede ser posible sobre un medio con

alta latencia. Siendo el medio uno de los más grandes desafíos para interconectar pequeñas

celdas que se encuentran en el despliegue de redes heterogéneas.(Acharya et al., 2014)

Por otra parte está la interfaz S1, es usada para interconectar los eNodoB al EPC (bien al

MME o al S-GW). La interfaz que conecta los eNodoBs con el S-GW(Serving Gateway) es

llamada S1-U y es usada para transferir datos del usuario y la interfaz que conecta los

eNodoB con el MME (Mobile Management Entity) es llamada S1-MME y es usada para

transferir información al plano de control, como por ejemplo información de soporte de

movilidad, gestión de los servicios de datos, servicios de ubicación y administración de red.

La idea anterior se muestra en las Figura 2.3 y Figura 2.4.

El EPC es la parte principal de la red LTE. Este es una evolución radical sobre anteriores

núcleos de red de los estándares de segunda y tercera generación de sistemas móviles. En

GSM por ejemplo el núcleo estaba basado en conmutación de circuitos, luego de la

aparición de GPRS, mientras los datos se transmitían en paquetes, la voz y los SMS seguían

siendo transmitidos por conmutación de circuitos, convirtiéndose esta en una red híbrida.

En 3G este concepto se mantuvo igual para el núcleo de la red. En LTE se simplificó la

red eliminando la conmutación de circuitos para convertirla en una red basada totalmente

en conmutación de paquetes IP. Las funciones principales del EPC son la gestión de la

movilidad, la gestión de la seguridad, la administración de las sesiones y el control de

políticas y cargas.


Dentro del núcleo de la red existen tres entidades básicas para soportar la movilidad, el

MME (Mobility Management Entity), el S-GW y el P-GW (PDN Gateway). Mientras el

MME se encarga de la señalización, el S-GW y el P-GW se emplean para los datos del

usuario.

El MME constituye una entidad del plano de control encargada únicamente de la

señalización por lo que por ella no transitan los paquetes con tráfico de datos de los

usuarios. Por la interfaz S3 y S4 se realiza el control de señalización para la movilidad con

redes 3GPP (2G, 3G) e interactúa con el HSS (Home Subscriber Server) responsable de

realizar el proceso de autenticación de los usuarios.

El núcleo de la red es interconectado con la red de acceso por radio mediante la interfaz

S1.Dicha interfaz consta del plano de control S1-mme entre el eNB y el MME y el plano de

usuario S1-u entre el eNB y el S-GW. La relación múltiple de esta interfaz S1 proporciona

redundancia y balance de cargas, permitiendo conectar cada eNB a varios MMEs y S-Gws.

El S-GW y el P-GW son entidades lógicas del plano de usuario, la unión entre ellas

conforman el llamado SAE Gateway, este sirve de interfaz entre la red de acceso y las

diferentes redes de paquetes. En la práctica y en dependencia de los escenarios desplegados

ambas puertas de enlace pueden implementarse como un único elemento de red. Dentro de

algunas de las funciones del S-GW están:

• Intervenir de forma activa en el proceso de movilidad cuando se produce

handover entre eNB.

• Involucrarse con el tráfico de usuario en caso de movilidad entre LTE y otras

tecnologías 3GPP.

• Encargarse de hacer una réplica de la información del tráfico de usuario.

Por otra parte el P-GW se considera el punto de entrada y salida del tráfico hacia y desde el

usuario, proporcionando conectividad hacia otras redes externas. Algunas de sus funciones

son:

• Realizar transferencias de las políticas de calidad de servicio y tiene en

cuenta la tarificación del tráfico de usuario.


• Facilita una movilidad transparente y continua en las sesiones de usuario

cuando este se desplaza entre redes de acceso tecnológicamente

heterogéneas.

La flexibilidad que ofrece la arquitectura del sistema LTE permite el empleo de un único

nodo para implementar el SGSN (Serving GPRS Support Node) y el MME, permitiendo

disponer de una red con un núcleo de paquetes común para múltiples tecnologías como

GSM, UMTS/HSPA y LTE/LTE-A.

2.4 Conclusiones del capítulo

LTE y LTE-A han sido las tecnologías de acceso por radio que más se han desarrollado y

optimizado para el trabajo en redes heterogéneas. Ambas tecnologías de banda ancha móvil

están diseñadas para la transmisión eficiente de paquetes a alta velocidad y de gran

capacidad. El uso de modulaciones altamente eficiente para el DL como para el UL permite

una comunicación robusta además de proporcionar un mayor rendimiento de los equipos

terminales. Son tecnologías que introducen nuevas funcionalidades y un mejorado diseño

en la arquitectura de la red móvil, soportando también compatibilidad con anteriores

generaciones. Esto simplifica y economiza su despliegue y más aún dentro de HetNets. Las

estrategias que serán analizados en el capítulo III son sobre la base de estas tecnologías

debido a las superioridades técnicas sobre sistemas anteriores y a las ventajas antes

mencionadas, muy utilizadas sobre el despliegue de HetNets. La anterior aseveración no

quiere decir que no sea oportuno o beneficioso utilizar tecnologías de radio como GSM y

UMTS como parte el despliegue de HetNets y que sigan constituyendo alternativas

factibles para las dichas redes.

CAPÍTULO 3.ANÁLISIS DE POSIBLES SOLUCIONES Y ESTRATEGIAS PARA EL DESPLIEGUE

DE LAS REDES HETEROGÉNEAS. 47

CAPÍTULO 3. ANÁLISIS DE POSIBLES SOLUCIONES Y

ESTRATEGIAS PARA EL DESPLIEGUE DE LAS REDES

HETEROGÉNEAS.

En este capítulo se analizarán algunas soluciones para los diferentes escenarios de

implementación de las redes heterogéneas, con el fin de resolver los diferentes desafíos que

se desprenden al desplegar dichas redes. Se enfoca principalmente en las soluciones para el

backhaul de la red y en la coordinación entre diferentes estaciones bases sin distinguir en

alcance y potencia. Además, se proponen algunas estrategias encaminadas a simplificar la

complejidad de las HetNets y hacer un uso eficiente de los recursos para expandir la

cobertura y la capacidad de la red móvil.

3.1 Desafíos en el backhaul para HetNets

Como se ha visto las pequeñas celdas complementan las estaciones macro para ayudar a

cumplir con la creciente demanda de ancho de banda móvil dentro de la formación de una

red heterogénea. Sin embargo, por su carácter heterogéneo y complejo dicha red necesita

superar dos desafíos claves como los son en el backhaul y en la coordinación entre las

diferentes y diversas estaciones.

En la figura 3.1 se muestra la arquitectura clásica de una red heterogénea donde se destaca

principalmente la red de transporte que incluye el backhaul móvil y el enlace a la red

externa.

El backhaul constituye el elemento que más dificultades exhibe en el despliegue de redes

heterogéneas y por tanto es donde radican los mayores problemas. Su comportamiento

afecta el rendimiento de las redes de acceso por radio. Se requieren un backhaul de alto

rendimiento y baja latencia. La selección del mismo debe estar basada en el tipo de pequeña

celda para que sea efectivo en cuanto a costos.



Las redes con un gran número de pequeñas celdas requieren soluciones en el backhaul que

puedan hacer una selección del medio de transmisión, que incluye, fibra óptica, líneas de

cobre y conectividad inalámbrica, lo que significa un problema para los operadores que

desean utilizar los recursos de la infraestructura existente que no necesariamente son los

que necesita el sitio y que resulta en una inversión en una red de mayores rendimientos,

afectando así el costo de instalación y el tiempo a invertir.

Figura 3.1 Arquitectura clásica de una red heterogénea que incluye el backhaul de la red

móvil.Fuente:(Alliance, 2012)

Las soluciones para el backhaul en redes heterogéneas principalmente, se divide en dos

grupos: soluciones cableadas y soluciones inalámbricas. Es muy común utilizar dentro de

una red heterogénea una solución híbrida que incluya usar la cableada para interconectar las

estaciones hacia el núcleo de red y la solución inalámbrica para interconectar las estaciones

macro con las pequeñas celdas, como se observa en la Figura 3.1, esta última en caso de

que la solución cableada no llegue hasta las pequeñas celdas siendo alto además el costo

de instalación de un nuevo cableado(Alliance, 2012).

La conectividad entre las pequeñas celdas y las macroceldas están basadas en topologías

punto a punto (P2P) y punto a multipunto (P2MP) independientemente de la conexión

utilizada ya sea inalámbrica o cableada, como se observa en la figura 3.2.



Figura 3.2 Tipo de conectividad entre estaciones.

Ambos tipos de conectividad pueden ser establecidos directamente entre las estaciones,

pero ya para HetNets como el número de sitios se incrementa es necesario el uso de puntos

de agregación para interconectar las estaciones base. Los puntos de agregación se utilizan

para limitar el número de interfaces lógicas S1 que llegan al núcleo de la red móvil.

3.1.1 Implementacion de soluciones cableadas para backhaul en HetNets.

Dentro de las soluciones cableadas se tienen dos medios de conectividad que incluyen el

cobre y la fibra óptica. Esto se muestra en la Figura 3.2.

Figura 3.2 Solución cableada para el backhaul móvil. Fuente: (Alliance, 2012)



3.1.1.1 Conectividad por cobre

El tipo de conexión por cobre se puede basar en la familia de tecnologías xDSL (Digital

Subscriber Line). Sin embargo, como en este documento se tratan soluciones sobre la base

de LTE y LTE-A, teniendo en cuenta que las velocidades de datos de ambas tecnologías

superan los 100Mbps, solo se puede usar eficientemente la tecnología Línea de abonado

digital de muy alta tasa de transferencia (VDSL2, Very high speed digital subscriber line 2),

que aprovecha la infraestructura telefónica del par trenzado de cobre, para el bakhaul de

pequeñas celdas.VDSL2 se rige bajo el estándar G.993.2 de la UIT-T. Según el estándar el

uso de la tecnología VDSL2 se limita a la distancia de instalación de hasta 1km

aproximadamente obteniendo una velocidad de transmisión límite de 100Mbps(“ITU-T

G.993.2,” 2015).

3.1.1.2 Conectividad por fibra

Otra de las soluciones cableadas es el uso de la fibra óptica. La solución con fibra óptica es

usada en enlaces de alta capacidad punto a punto y punto a multipunto Prácticamente

cualquier capacidad puede ser lograda con esta solución logrando además baja latencia.

Las soluciones con fibra óptica para el backhaul puede estar basada en novedoso

estándares de redes ópticas pasivas (PON, Passive Optical Networking): como lo es Gigabit

sobre PON (GPON) y Ethernet sobre PON La tabla 3.1 muestra las características

principales de estas soluciones sobre fibra(Forum, 2013).

Tabla 3.1 Características técnicas de GPON y EPON

Aspectos EPON GPON

Estándares IEEE 802.3ah ITU-T G.984

Servicios Ethernet y TDM ATM, Ethernet y TDM

Alcance Hasta 20km Hasta 60 Km

Capacidad DL:1Gbps

UL: 1Gbps

DL:1.244Gbps,2.488Gbps

UL:155Mbps,622Mbps,1.2Gbps,2.4Gbps



GPON de este modo, no sólo ofrece mayor ancho de banda que EPON, es además mucho

más eficiente y permite a los operadores continuar ofreciendo sus servicios tradicionales

(voz basada en TDM) sin tener que cambiar los equipos ya instalados.

Las soluciones en el backhaul cableado han jugado un papel clave en el backahul móvil en

los últimos años debido a su alta fiabilidad, altas velocidades de datos y alta disponibilidad.

Sin embargo, no siempre es factible, económico o viable el uso de soluciones cableadas,

por ello se han desarrollado soluciones inalámbricas capaces de mantener alta

disponibilidad, de rápida instalación, alta capacidad y de bajo costo en dependencia del

escenario de implementación.

3.1.2 Implementacion de soluciónes inalambrica para backhaul en HetNets.

Diferentes soluciones inalámbricas se han propuesto para el backhaul de pequeñas celdas.

Estas soluciones se pueden agrupar en una amplia gama de categorías con características

muy similares, que son, en cierta medida utilizadas según el ambiente de propagación ya

sea entre la pequeña celda y la estación macrocelular o entre pequeñas celdas. Estas,

incluyen frecuencias de portadoras desde 600MHz hasta 80GHz, propagación con línea de

vista directa (LOS, line of sight) o sin línea de visión directa (NLOS, non line of sight) y

topologías de red con conectividad P2P y P2M. Esto se muestra en la Tabla 3.2(Forum,

2013).

Tabla 3.2 Categorías de soluciones para el backhaul inalámbrico.

Categorías Portadora LOS/NLOS Conectividad

Onda milimétrica(70-

80GHz)

70-80GHz LOS P2P

Onda milimétrica 60GHz 56-64GHz LOS P2P

Microondas (6-60GHz) 6-56GHz LOS P2P/P2MP

Sub-6GHZ 800MHz-6GHz NLOS/LOS P2P/P2MP

Originalmente el backhaul inalámbrico estaba diseñado para una comunicación con LOS

entre las estaciones base. En entornos urbanos y centros de ciudades, los caminos de

propagación entre pequeñas celdas y las estaciones macrocelulares están expuestos a



obstrucciones por edificios, señales de tránsito y otros objetos, por lo que encontrar en

muchas ocasiones una línea de vista directa limpia de obstáculos es muy difícil. Por ello se

optó por la solución NLOS, la cual se basa en efectos de la señal electromagnética como

son la difracción, la reflexión y la penetración, como se observa en la Figura 3.3

Figura 3.3 Despliegue de las soluciones de propagación para el backhaul inalámbrico.

La frecuencia de portadora utilizada por una solución inalámbrica dictamina en gran

medida las características de la siguiente forma:

A bajas frecuencias, las obstrucciones del enlace son más pequeñas en comparación con la

longitud de onda, dando una mejor penetración o por medio de la difracción alrededor de

dichos obstáculos. En términos del backhaul, los sistemas que utilizan soportes por debajo

de los 6GHz pueden soportar propagación NLOS. Por encima de los 6Ghz, las pérdidas

tienden a ser demasiado alta por lo que se utiliza únicamente propagación con LOS. Es

importante resaltar que a frecuencias cercanas a los 60Ghz la absorción de oxígeno en la

atmósfera se vuelve significativa para el enlace, pues las altas perdidas de propagación aquí

se pueden aprovechar para reducir la interferencia(Forum, 2013).

Los sistemas de propagación NLOS generalmente tienen las siguientes características:

Frecuencia de portadoras por debajo de los 6GHz



Antenas omnidireccionales de baja ganancia y ancho del haz más ancho (la

señal llega sobre diferentes ángulos, esto no es evidente en el momento de su

implementación y puede variar con el tiempo)

Como las antenas son omnidireccionales, no se necesita alinearlas.

Soporta una rápida adaptación del enlace para hacerle frente al cambio de canal.

Esto además de ser relevante para las comunicaciones móviles se aplica a los

enlaces fijos extremos debido al movimiento de los objetos que causan

multitrayecto en el canal.

MIMO de 2x2, 4x4 y 8x8.

Como el ancho de banda es limitado debido a las bajas frecuencias tiene baja

reutilización. Utiliza un sofisticado sistema para la coordinación de

interferencias entre celdas.

Mientras que los sistemas de propagación LOS tienen las siguientes características:

Frecuencias de portadora más altas, en las regiones de ondas milimétricas y

microondas.

Antenas de mayor ganancia con haces estrechos que deben estar alineados a lo largo

de la línea de visión.

La modulación adaptativa del enlace permite compensar las pérdidas por

propagación debido desvanecimientos y atenuación por lluvia.

Diversidad como forma de cancelar la interferencia.

Usa mayor reutilización debido al gran ancho de banda que se tienen a altas

frecuencias pudiendo funcionar con altas relación señal a interferencia.

Como se muestra en la Tabla 3.2, el uso de backhaul inalámbrico entra dentro de algunas

categorías cubriendo las bandas desde 600Mhz hasta 80GHz.

Las ondas milimétricas se ven afectadas por la atenuación atmosférica en un grado mayor

que las frecuencias bajas. La atenuación de la señal de radiofrecuencia a 60GHz es causada

principalmente por el oxígeno, mientras que en la banda de 70-80GHz la atenuación es

causada principalmente por moléculas de agua en el vapor de aire. Como resultado, la



frecuencia de 60GHz es fuertemente atenuada, debido a esto el alcance máximo práctico es

de alrededor de 1Km. Por otro lado, la banda de 70 a 80GHz está más propensa a ser

afectado por fuertes lluvias, lo que equivales normalmente a una distancia de unos pocos

kilómetros dependiendo de la región de lluvia y el factor de disponibilidad del enlace

deseado. En la Tabla 3.3 se recogen algunas características en cuanto a cobertura y

capacidad(Coldrey & Engstrom, 2014).

Debido a la densificación de estaciones macro y pequeñas celdas en redes heterogéneas, las

cercanías entre dichas estaciones se acortan, por lo que permiten utilizar las bandas

milimétricas en enlaces de alta capacidad a cortas distancias, como por ejemplo entre

pequeñas celdas con LOS.

La banda de microondas comprendida de 6 a 60GHz también ha sido muy utilizada en el

backhaul inalámbrico. Es una de las tecnologías inalámbricas que más se han usado durante

décadas para proporcionar alta capacidad en los enlaces de comunicación. Esta tecnología

es ideal para enlaces P2P de alta capacidad entre las estaciones macrocelulares y en

ocasiones entre la estación macro y las pequeñas celdas. Las características principales de

esta banda se muestran en la Tabla 3.3(Coldrey & Engstrom, 2014).

Por otra parte, también se ha extendido el uso de la banda de frecuencias inferiores a

6GHz, la misma se ha utilizado principalmente para servicios de acceso inalámbrico para

operar NLOS. Las características típicas de esta banda hacen que sea muy adecuada para el

backlhaul de pequeñas celdas desplegadas en lugares donde se requieren alta capacidad y

conectividad NLOS. Como muestra la tabla 3.3

Algunas de las frecuencias inferiores a 6GHz son comúnmente asignadas para

comunicaciones móviles de los UE con las estaciones bases, por lo que la banda está

limitada en frecuencia para el backhaul de pequeñas celdas. Sin embargo, algunas

frecuencias están infrautilizadas, incluyendo los rangos de frecuencia por encima de los

3GHz, el cual, debido a las pérdidas de propagación a distancia no son óptimas para

proporcionar conectividad móvil a los teléfonos. Estas asignaciones de espectro son ideales

para aplicaciones de backhaul celular ya sea con LOS como con NLOS.



Tabla 3.3 Características de las soluciones para el backhaul inalámbrico

Aspectos Milimétricas

(60,70-80GHz)

Microondas

6-60GHz

Sub-6GHz

Capacidad 100Mbps-1Gbps (60Ghz)

Multi-Gbps(70-80GHz)

1Gbps a 28MHz 170Mbps con 20MHz de

ancho de banda

Cobertura <1Km a 60Ghz

Hasta 3Km a 70-80GHz

2-4Km para una

frecuencia entre

30-42GHz

1.5Km-2.5Km para una

frecuencia de

3.5GHz(áreas urbanas)

10Km a una frecuencia

de 3.5GHz(áreas rurales)

3.2 Desafíos en la Coordinación para HetNets.

Existen numerosas técnicas para ayudar al aumento de la capacidad en HetNets pero con el

resultado de un aumento considerable de la complejidad de la red lo que implica un

incremento y complejidad de gestión de las funciones de coordinación entre los nodos de la

red.

La coordinación entre las pequeñas celdas y la red macro en HetNets se logra mediante una

gestión de tráfico común a través de tecnologías, frecuencias y locaciones. Lo anterior

implica, habilitar un monitoreo continuo del comportamiento del usuario a través de las

tecnologías y coordinar decisiones basadas en la carga de la red o la priorización de

servicio.

La coordinación entre las celdas macro y las pequeñas puede reducir también el número de

pequeñas celdas requeridas. Un gran número de celdas crea una nueva complicación para

los móviles para detectar la mejor celda para asociarse.

Desde la perspectiva de la red de radio la complejidad de las HetNets compuestas de varios

niveles y tecnologías puede, con facilidad, pasar a ser incontrolable a menos que sea

cuidadosamente diseñada. La cantidad de relaciones de vecindades en una red de diferentes

tamaños de celdas puede incrementarse sustancialmente y la gestión manual de la identidad

de la celda y su lista de vecindades se convierte en una labor intensiva y costosa. La



necesidad de moverse inapreciablemente desde una tecnología de acceso a otra para

mantener un máximo de cobertura y utilización de los recursos exige una interrelación de

trabajo efectiva entre celdas macro y pequeñas celdas al igual que entre tecnologías de

acceso de radio.

En las redes heterogéneas la coordinación entre la macro celda y la pequeña celda tiene un

impacto muy positivo en el comportamiento de la red de radio. La coordinación reduce el

número de pequeñas celdas requeridas entre un 50% y un 70% e incrementa la razón de bit

del usuario en dispositivos limitados por potencia de transmisión e interferencia en un

factor de dos a diez(Zurbano, 2016).

Hasta aquí se puede decir que otro de los aspectos más importante y complejo para la

correcta operación de las HetNets es la coordinación. Por esta razón, los operadores

trabajan para gestionar las funciones de coordinación en las formas más eficientes posibles

y menos complejas. Esto se ha logrado separando los datos, las funciones de control y las

aplicaciones moviéndolas desde un hardware especializado hacia una infraestructura

estándar de centro de datos, lo que se denomina Virtualización de las Funciones de Red

(NFV).

Las soluciones iniciales para el incremento de la capacidad de las redes móviles, se han

basado fundamentalmente en la introducción de pequeñas celdas como una tecnología

complementaria a las estaciones macrocelulares tradicionales, llegando a formar lo que ya

se ha mencionado en el primer capítulo como una red heterogénea. Sin embargo, el costo

de construir, operar y mejorar la Red de Radio Acceso o RAN en tal heterogeneidad es

cada vez más caro y difícil de manejar.

3.3 Estrategias que se han de trazar para lograr el despliegue de HetNets para

expandir la cobertura y la capacidad de las redes móviles.

En aras de disminuir el costo de construcción, realizar una operación más eficiente y lograr

el mejoramiento de la Red de Radio Acceso o RAN en entornos heterogéneos se plantean

un conjunto de estrategias. Las mismas también tienen como objetivo lograr un aumento en

la cobertura y un aumento de la capacidad en las redes móviles existentes. Las siguientes

estrategias se basan en el concepto de Red de Acceso en la nube o concentrada,

denominada C-RAN. La arquitectura de red ha evolucionado para centralizar, concentrar y



virtualizar algunas funciones que anteriormente estaban distribuidas, mientras que otras

funciones que anteriormente estaban centralizadas se trasladan a una localización más

próxima a la frontera de la red.

La arquitectura C-RAN no es más que una nueva distribución de los nodos de la RAN y

puede ser de dos tipos fundamentales: Completamente Centralizada y Parcialmente

Centralizada tal como muestran en las Figuras 3.4 y 3.5(ALLIANCE, 2013).

Ambas arquitecturas están compuestas de tres partes. La primera compuesta por las

unidades de radio remotas, referidas como RRH o RRU y donde están las funciones de

radio conjuntamente con las antenas. La segunda, una red de transporte de gran ancho de

banda y baja latencia (por lo general óptica) que unirá la colección de unidades de banda

base (BBU) con los RRH. Por último, se encuentra la BBU donde radican las funciones de

banda base de la capa L1 y aquellas pertenecientes a la las capas L2 y L3 de la BTS la que

está compuesta sobre la base de procesadores programables y tecnología de virtualización

en tiempo real.

En la arquitectura completamente centralizada las capas L1 (o banda base), L2 y L3 de las

funciones de la BTS están localizadas en la BBU. Esta arquitectura tiene la ventaja de una

fácil actualización y expansión de la capacidad de la red y posee una mejor capacidad para

soportar operación con múltiples estándares y distribución de recursos, además, es más

conveniente para soportar las técnicas de procesamiento de señal en múltiples celdas

cooperativas (CoMP). Su desventaja radica en el gran ancho de banda requerido por la

BBU.

En la arquitectura parcialmente centralizada los RRH van a integrar no solamente las

funciones de radio sino también las de banda base, mientras que las restantes se localizan

en la BBU. La ventaja de esta arquitectura es que requiere mucho menos ancho de banda de

transmisión entre BBU y RRH. Su desventaja radica tener menos flexibilidad para

actualizaciones y menos conveniente en el caso de celda colaborativas al estar el

procesamiento de banda base integrado con el RRH.



Figura 3.4 Arquitectura C-RAN Completamente centralizada. Fuente:(Radisys, 2015)

Figura 2.5 Arquitectura C-RAN Parcialmente centralizada. Fuente:(Radisys, 2015)

3.3.1 Casos de uso para el despliegue de C-RAN.

Existen varios enfoques de cómo desplegar C-RAN como estrategia dentro de redes

heterogéneas para obtener una mayor cobertura y capacidad en las redes móviles. A

continuación se muestran dos de estos enfoques por ser los más

representativos(ALLIANCE, 2013):

Desplegar C-RAN a pequeña escala usando el mismo sitio de la tecnología anterior.

Desplegar C-RAN para dar cobertura en interiores.

En muchas ocasiones se puede aprovechar el sitio existente para concentrar la RAN con

nuevas tecnologías sin necesidad de invertir y tener que negociar nuevos sitios. Bajo esta



situación, puede introducirse una nueva arquitectura C-RAN a pequeña escala para

suministrar suficiente capacidad de red para hacerle frente a la creciente demanda de datos

en una era de internet móvil. Este método parte de la ya desplegada estación macrocelular

tradicional distribuida en tres sectores, al que se le agregan nodos de baja potencia que son

conectados con fibra (en dependencia del entorno) a la BBU.

El segundo paso consiste en hacer un escenario de división celular, aquí la celda de la

estación macro es subdividida en varias celdas pequeñas, mediante la adicción de nuevas

BBU y la reducción del radio de cobertura de la celda vieja. Estas nuevas BBU son

concentradas o montadas en la nube. Luego el tercer paso consiste en crear un escenario de

superposición al introducir una nueva banda de frecuencia o un nuevo estándar de radio

para proporcionar gran capacidad a la red. Los tres pasos anteriores pueden ser combinados

entre sí en las que HetNets, la subdivisión y superposición de celdas puede ser unidas para

formar un cuarto paso más eficiente y con mayor cobertura y capacidad en la red(Alliance,

2015). Estos cuatro pasos se observan en la Figura 3.6

Figura 3.6 Despliegue de C-RAN usando el sitio existente. Fuente:(Alliance, 2015)



Desplegar C-RAN para dar cobertura en interiores consiste en desplegar una serie de

pequeñas celdas por todo el escenario. Típicamente los escenarios en este tipo de entrono se

asumen como pisos del edificio (hospitales, hoteles) con pequeñas celdas y luego

conectadas con fibra a las BBU concentradas en la nube, en la mayoría de los casos se

cuenta con fibra óptica en estos lugares. Los beneficios de C-RAN pueden ser introducidos

para dar cobertura en interiores, por ejemplo gracias a los recursos compartidos entre las

RU distribuidas en el edificio mediante las BBU en la nube, algoritmos de radio

cooperación pueden ser implementados para reducir interferencia entre las celdas y mejorar

la capacidad total en interiores(Alliance, 2015). Esta arquitectura se observa en la Figura

3.7.

Figura 3.7. Despliegue de C-RAN para brindar cobertura en interiores. Fuente:(Alliance,

2015)

Para las dos arquitecturas planteadas, las ventajas de la Distribución C-RAN se listan

Infraestructura eficiente en cuanto a energía

Costo reducido en CAPEX y OPEX.

Mejora de la capacidad.

Adaptabilidad ante tráfico no uniforme

Descarga de tráfico de Internet Inteligente

Alta eficiencia espectral

Basada en plataformas abiertas.

Soporta múltiples estándares



Evolución homogénea

Brinda una plataforma para ingresos adicionales mediante generación de servicios.

3.3.2 Virtualización

La Virtualización de las Funciones de Red (NFV) está encaminada a transformar el modo

en que los operadores de red diseñan la arquitectura de la misma mediante la evolución del

estándar de las Tecnologías de la Información (IT) sobre la tecnología de virtualización

para consolidar muchos tipos de equipos de red sobre servidores estándar industriales de

gran volumen, conmutadores y dispositivos de almacenaje, los cuales podrían esta

localizados en una variedad de Puntos de Presencia en una Infraestructura NFV (NFVI-

PoP), incluyendo centros de datos, nodos de red y en la premisas del usuario final.

Nueve casos de redes virtualizadas han sido definidos por ETSI. De ellos solo dos se

ajustan a implementación en redes HetNets y son la virtualización del Núcleo de Red Móvil

y la virtualización de la Estación Base Móvil o también Red de Acceso de Radio

(RAN)(Forum, 2015b).

La virtualización se puede llevar a cabo en forma parcial virtualizando sólo algunas

funciones de todas las posibles. En la actualidad la virtualización del núcleo de red está

dirigida solamente al núcleo EPC del sistema LTE y las funciones de red adjuntas como

son: MME, S/P-GW, PCRF, etc. También a las Funciones de Red para interoperación entre

3G y EPC como son: SGSN y GGSN y a las Funciones de Red de IMS.

Un núcleo de red con funciones de red virtualizadas puede coexistir con otro con funciones

de red no virtualizadas. La virtualización del núcleo de red permite que determinadas

funciones de este puedan ser movidas hacia otros nodos de la red móvil.

En el caso de virtualización del Núcleo de la Red Móvil las ventajas que se obtienen son:

Reducción del TCO

Mejora de la eficiencia en el uso de la Red debido a la flexibilidad de asignación de

diferentes Funciones de Red.

Disponibilidad de servicios y resiliencias superiores bridadas a los usuarios

mediante reconfiguración dinámica de la red, que es un rasgo inherente a la

tecnología de virtualización.



Elasticidad, lo que significa que la capacidad dedicada a cada función de red puede

ser dinámicamente modificada de acuerdo a la carga actual de la red.

Reconfiguración Topológica, la topología de la red puede ser reconfigurada

dinámicamente para optimizar su rendimiento.

La virtualización de la estación base móvil lleva la virtualización hasta al menos una

parte de los nodos de la RAN sobre servidores estándar, conmutadores y almacenadores.

Esto proporciona ventajas en cuanto a espacio ocupado y al consumo de energía debido a la

asignación dinámica de recursos y el balance de la carga de tráfico y a una mejor gestión y

operación.

Lo que se desea es que las redes móviles con múltiples nodos de RAN, provenientes de

múltiples suministradores y que usualmente operan con diferentes sistemas de red móvil

(3G, LTE) en una misma área puedan ser consolidados dentro de una estación base física

mediante tecnologías de virtualización.

En la arquitectura tradicional, si el sistema está diseñado para satisfacer la carga pico, lo

que es usual, la utilización de la RAN estará por debajo de su máxima capacidad y por

tanto, la carga promedio será aún más baja pero los recursos de cada RAN no pueden ser

compartidos con otras.

La virtualización de Radio bases requiere procesamiento de la banda base de radio

utilizando las tecnologías de virtualización en IT, tales como procesadores de propósitos

generales de alto rendimiento y procesamiento en tiempo real de virtualización para

garantizar la capacidad de procesamiento de señal requerida. Por otro lado, la virtualización

de estación base para C-RAN requiere la construcción de los recursos de procesamiento o

sea, el conjunto de BBU para la agregación de recursos dentro del entorno virtualmente

centralizado tal como un centro de datos o infraestructura de nube.

Los objetivos se plantean para LTE, pero son aplicables indistintamente a 2G y 3G. Los

objetivos principales son(Forum, 2015a):

Para los nodos de RAN tradicionales tales como eNodo B, HeNodoB, femto celdas

y pico celdas, el objetivo de virtualización recae sobre MAC, RLC, PDCP, RRC,

CoMP y unidad de procesamiento de banda base de radio.



Para C-RAN, se consideran todas las funciones en la BBU, arriba descritas, junto

con las funciones de conmutación y balance de carga.

Mediante la virtualización de la Estación Base es posible compartir los recursos entre

diferentes sistemas mediante asignación dinámica con la consiguiente reducción del

consumo de potencia. La posibilidad de virtualización de la estación base permite modificar

la arquitectura típica de la RAN al caso denominado RAN Centralizada (C-RAN) lo que

permite aprovechar más eficientemente la utilización de recursos entre diferentes estaciones

base físicas.

En la arquitectura típica de estaciones base distribuidas los elementos que la constituye son

la unidad de Banda Base (BBU) alojada en un bastidor y la unidad de radio remota,

denominada RRU que se encuentra ubicada en la base de la torre o en lo alto de esta. La

conexión entre ambos módulos se realiza mediante fibra óptica a través de la Interfaz de

Radio Pública Común (CPRI, Common Public Radio Interface). La centralización de la

RAN mueve la BBU a una locación centralizada donde comparte el espacio con otras

unidades de banda base.

Existen tres formas de virtualizar en una solución C-RAN basado en plataformas 3GPP:

virtualización del hardware, virtualización de la red y virtualización de las

aplicaciones(Forum, 2015).

Virtualización del hardware, consiste en virtualizar una parte del hardware de la

RAN usando un hipervisor para crear y gestionar una capa RAN virtual. Un

hipervisor por definición permite que varios sistemas operativos funcionen de forma

concurrente en un equipo servidor. El alcance de este tipo de virtualización es

permitir el máximo de utilización del hardware, permitir conmutar en caso de fallos

y poder gestionar la infraestructura C-RAN desde una interfaz automática

programable (API) unificada.

La virtualización de la red, elementos de red tales como enrutador, conmutadores,

elementos de almacenamiento y elementos de transporte se abstraen y se combinan

para ser administrados por un sistema operativo de red. Estos elementos de red

virtuales pueden ser asignado y administrados por API unificadas que permiten fácil

implementación de políticas de control de red.



La virtualización de las aplicaciones esta también dentro de la RAN. Pude ser una

característica útil cuando se necesitan entornos en tiempo de ejecución. Cuando se

virtualizan las aplicaciones trae como ventaja ejecutar las aplicaciones dentro de la

C-RAN sin necesidad de reescribir el software.

3.4 Conclusiones del capítulo.

Las posibles soluciones están dirigidas a resolver desafíos que traen consigo el despliegue

de las redes heterogéneas. Son soluciones que se analizan de forma general, pues dependen

del entorno de despliegue de dichas redes ya que cada entorno puede tener diferentes

características propias del mismo. Por otra parte, las estrategias analizadas son con el

objetivo de simplificar la complejidad y reducir el costo de la RAN en las redes

heterogéneas. Con ellas se hace un uso eficiente de los recursos que se disponen para

expandir la cobertura y capacidad de la red móvil.

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 65

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

Conclusiones

En el presente proyecto se logró realizar un estudio sobre el uso de las redes heterogéneas

para expandir la cobertura y capacidad de las redes móviles, enfocados principalmente en

las pequeñas celdas como complemento a las estaciones macro celulares, a las tecnologías

de acceso por radio como LTE y LTE-A y en las soluciones a los problemas que acarrea el

despliegue de las redes heterogéneas. De esta forma se ha logrado la conformación de un

documento integrador para la Facultad de Ingeniería Eléctrica de la Universidad Central

¨Marta Abreu¨ de Las Villas, con la orientación del personal de ETECSA.

Teniendo en cuenta todo el desarrollo de la tesis se puede arribar a las siguientes

conclusiones:

La revisión y clasificación minuciosa de la bibliografía existente, sobre temas

relacionados con el uso de las redes heterogéneas, permitió la confección de un

informe basado en literaturas con alto nivel de confiabilidad, prestigio y actualidad.

La estructuración asequible del informe facilita la comprensión y búsqueda de

información, sobre el uso de las redes heterogéneas para expandir la cobertura y

capacidad de las redes móviles, de todo aquel que se inicie en el tema.

La valoración de tecnologías de acceso como LTE y LTE-A, permitió seleccionarlas

como parte fundamental de las redes heterogéneas porque son las que más se han

desarrollado para este tipo de redes, las más difundidas en la bibliografía y con las

que mejores desempeños se obtienen en el despliegue de HetNets.

El análisis de las posibles soluciones y estrategias para el despliegue de las redes

heterogéneas no se realiza sobre una arquitectura rígida de red, es decir que siempre

las arquitecturas propuestas tienen que hacer un análisis de las características del

entorno a aplicar.

El documento confeccionado incluye información que proviene de fuentes

bibliográficas altamente confiables y actuales, y se estructura de manera elemental,

para facilitar la búsqueda de información y la comprensión.

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 66

Recomendaciones

Considerando los resultados obtenidos con la conformación de este documento integrador,

se recomiendan los siguientes aspectos:

El aprovechamiento del aporte académico del documento con la inclusión en el plan

de estudio de la carrera Telecomunicaciones y Electrónica, como parte de la

asignatura Comunicaciones Móviles; y con su utilización en cursos de capacitación

del personal de ETECSA o en cursos de postgrados.

El diseño e implementación de una interfaz web que agrupe la presente tesis y otras

realizadas en la facultad que guarden relación con las Redes Heterogéneas, y

permita el acceso a los documentos que se especifican en el acápite Referencias

Bibliográficas, para facilitar la búsqueda de información de todo aquel que pudiera

interesarle.

La profundización sobre las pequeñas celdas como parte fundamental de las redes

heterogéneas, por su valor investigativo.

La realización de estudios posteriores acerca de otros aspectos esenciales de la

tecnología de Redes Heterogéneas.

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS 67

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

3GPP. TS 36.300. (2014). Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-

UTRA) and Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network (E-

UTRAN); Overall description, v11.9.0.

3GPP. TS 36.902. (2011). Self-configuring and self-optimizing network

(SON) use cases and solutions, v9.3.1(May).

3GPP. TS 36.913. (2012). Requirements for further advancements for Evolved

Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA) (LTE-Advanced),

11.0.0(November), 0–16.

About 3GPP Home. (2016). Retrieved from http://www.3gpp.org/about-

3gpp/about-3gpp

Acharya, J., Gao, L., & Gaur, S. (2014). Heterogeneous networks in lte-

advanced.

Alliance, N. (2012). Small Cell Backhaul Requirements next generation

mobile networks.

ALLIANCE, N. (2013). S UGGESTIONS ON P OTENTIAL S OLUTIONS

TO C-RAN BY NGMN, 4.0.

Alliance, N. (2015). A Deliverable by the NGMN Alliance FURTHER

STUDY ON CRITICAL C-RAN TECHNOLOGIES next generation

mobile networks F URTHER STUDY ON CRITICAL C-RAN

TECHNOLOGIES, 1.0.

Americas, 4G. (2011). Self-Optimizing Networks: The Benefits of SON in

LTE, (july), 1–69. Retrieved from

http://www.4gamericas.org/documents/Self-Optimizing%20Networks-

Benefits of SON in LTE

Cisco. (2016). Cisco Visual Networking Index : Global Mobile Data Traffic

Forecast Update , 2015 – 2020.

Coldrey, M., & Engstrom, U. (2014). Wireless backhaul in future

heterogeneous networks. Ericsson Review.


ERICSSON. (2015). Mobility Report, (November).

Forum, S. C. (2013). Backhaul technologies for small cells Use cases,

requirements and solutions, (February).

Forum, S. C. (2015a). Virtualization for Small Cells: Overview, 5.1(June).

Forum, S. C. (2015b). Virtualization in small cell networks, (March).

Ghosh, A., & Ratasuk, R. (2011). Essentials of LTE and LTE-A.

Holma, H., & Toskala, A. (2012). LTE-ADVANCED 3GPP Solution For IMT-

Advanced. John Wiley.

Hu, R., & Qian, Y. (2013). HETEROGENEOUS CELLULAR NETWORKS

HETEROGENEOUS. (J. Wiley, Ed.) (First). USA.

Hu, R., & Qian, Y. (2014). Resource Management for Heterogeneous

Networks in LTE Systems.

ITU-T G.993.2. (2015), 2.

Iyer, R., & Zeto, J. (2012). Small Cells,Big Challenge: A Definitive Guide to

Designing and Deploying HetNets.

Lamberti, P. (2013). Ericsson Heterogeneous Network.

Landstrom, S., Furuskar, A., & Kronestedt, F. (2011). Heterogeneous

networks – increasing cellular capacity.

Liu, Y., & Shen, X. (2014). Cognitive Resource Management for

Heterogeneous Cellular Networks. University of Waterloo Waterloo, ON,

Canada: Department of Electrical and Computer Engineering.

Overview of 3GPP Release 12 V0.2.0 (2015-09). (2015).

Paolini, B. M., & Rayal, F. (2013). Making HetNets a reality : Challenges and

solutions.

Prensa, C. D. E. (2015). Claro impulsa cobertura interior en hospital y banco

de Puerto Rico con Ericsson Radio Dot System.

Qutqut, M. H. (2014). Mobile Small cells in Cellular Heterogeneous

Networks.

Radisys. (2015). Evaluating Cloud RAN, (June).


Rodríguez, E. (2013). Inter Cell Interference Coordination techniques in

HETNETS Almost Blank Sub-Frames approach, (June).

Sauter, M. (2014). From GSM to LTE-ADVANCED AN INTRODUCTION TO

MOBILE NETWORKS AND MOBILE BROADBAND (Second Edi).

Zhang, X., & Zhou, X. (2013). LTE-Advanced Air Interface Technology LTE-

Advanced Air Interface. New York: Taylor & Francis Group.

Zurbano, F. (2016). La, Redes Heterogéneas y Virtualización para incrementar

Móviles, Capacidad de las Redes. Informatica 2016 ,La Habana.

GLOSARIO DE TÉRMINOS 70

GLOSARIO DE TÉRMINOS

3GPP 3rd Generation Partnership Project

CS/CB Coordinated Scheduling / Beamforming

CC Component Carrier

CoMP Coordinated Multi Point

C-plane Control-plane

C-RAN Cloud Radio Access Network

DSL Digital Subscriber Line

eNB eNodeB

EPC Evolved Packet Core

EPS Evolved Packet System

ETSI European Telecommunications Standards Institute

E-UTRAN Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network

FDD Frequency Division Duplex

FDM Frequency Division Multiplexing

GERAN GSM EDGE Radio Access Network

GPRS General Packet Radio Service

GSM Global System for Mobile Communications

HeNB Home eNB

HeNB-GW HeNB Gateway

HetNet Heterogeneous Networks

HSDPA High Speed Downlink Packet Access

HSPA High Speed Packet Access

HSS Home Subscriber Server

HSUPA High Speed Uplink Packet Access

IP Internet Protocol


ITU-R International Telecommunications Union - Radio

ITU-T International Telecommunications Union -T

LTE Long Term Evolution

LTE-A Long Term Evolution Advanced

MAC Medium Access Control

MIMO Multiple Input Multiple Output

MME Mobility Management Entity

OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing

OFDMA Orthogonal Frequency Division Multiple Access

P-GW Packet Data Network Gateway

QoS Quality of Service

RLC Radio Link Control

RAN Radio Access Network

RBS Radio Base Station

RNC Radio Network Controller

RNS Radio Network Subsystem

RRC Radio Resource Control

RRM Radio Resource Management

RRC Radio Resource Control

RRH Remote Radio Head

RSRP Reference Signal Received Power

RSRQ Reference Signal Received Quality

SC-FDMA Single Carrier Frequency Division Multiple Access

Se-GW Security Gateway

SMS Short Message Service

SON Self Organizing Networks

S-GW Serving Gateway

UE User Equipment

UMTS Universal Mobile Telecommunications System

UTRAN Universal Terrestrial Radio Access Network

U-plane User-plane


VDSL Very high Digital Subscriber Line

WCDMA Wideband Code Division Multiple Access

ANEXOS 73

ANEXOS

Anexo I Arquitectura de la red móvil

Figura I.1 Arquitectura LTE y UMTS integradas en una sola arquitectura definida por la

3GPP. Fuente: (“About 3GPP Home,” 2016)

Estudio del Uso de Redes Heterogéneas para expandir la ...

Documents

Transcript of Estudio del Uso de Redes Heterogéneas para expandir la ...