Tesis: Requerimientos De Parámetros Para Transporte De Redes LTE

REQUERIMIENTOS DE PARÁMETROS PARA

TRANSPORTE DE REDES LTE.

GERSON RAMÓN CHAVARRÍA VERA

.

UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE

FACULTAD TECNOLOGICA

DEPARTAMENTO DE TECNOLOGIAS INDUSTRIALES

Profesor Guía: Ariel Contreras

Ingeniero Civil Electrónico

Memoria para obtener el Título

Profesional de Tecnólogo en

Telecomunicaciones con Grado

Académico de Bachiller en

Tecnologías.

Santiago - Chile

2011

II

Derechos de Autor

Se autoriza la reproducción parcial o total de esta obra, con fines

académicos, por cualquier forma, medio o procedimiento, siempre y cuando

se incluya la cita bibliográfica del documento.

© Gerson Chavarría Vera.

III

Hoja de Calificación

IV

Agradecimientos

Quiero agradecer, cada una de las personas que me apoyaron y me

motivaron a la realización de esta tesis, a familia, en especial a mi hermano

Francisco, por su apoyo y motivación. Además a mis amigos de la

universidad y del colegio.

A cada uno de los profesores de la carrera, que con paciencia me

entregaron las herramientas más importantes para mi futuro, como también

sus experiencias en el mundo laboral.

Un agradecimiento en especial, a la gente del departamento de Ingeniería

Eléctrica de la Universidad de Chile, por la invitación al seminario de LTE.

V

Tabla de contenidos

Derechos de Autor ......................................................................................... II

Hoja de Calificación ...................................................................................... III

Agradecimientos ........................................................................................... IV

Tabla de contenidos ....................................................................................... V

Índice de tabla............................................................................................... XI

Índice de ilustración ..................................................................................... XII

Índice de esquemas .................................................................................... XIV

Índice de gráficos ......................................................................................... XV

Resumen .................................................................................................... XVI

Introducción ............................................................................................... XVII

Introducción general ............................................................................... XVII

Objetivo General .................................................................................... XVIII

Objetivos Específicos ............................................................................ XVIII

Problema existente ................................................................................ XVIII

Metodología ............................................................................................. XIX

Capítulo I: Marco teórico ................................................................................ 1

1. Marco Teórico: Sistema de telefonía celular ........................................ 1

1.1 Concepto de teléfono celular ............................................................ 2

1.2 Arquitectura general de una red telefónica móvil .............................. 2

1.2.1 Funcionamiento del esquema de telefonía móvil ....................... 3

1.3 Concepto de celda ............................................................................ 3

1.3.1 Geometría de la celda ................................................................ 4

1.3.2 Tipos de celda ............................................................................ 6

1.3.3 Radio (longitud) de la Celda ....................................................... 7

1.3.4 División de celdas ...................................................................... 8

1.4 Administración de frecuencias .......................................................... 9

1.4.1 Re-uso de frecuencia ................................................................. 9

1.4.2 Distancia de re-uso de frecuencia .............................................. 9

VI

1.5 Asignación de canales .................................................................... 10

1.6 Conceptos de movilidad.................................................................. 10

1.6.1 Localización ............................................................................. 10

1.6.2 Handover en la red ................................................................... 11

1.6.2.1 Tipos de handover ................................................................ 12

1.6.2.1.1 Desde el punto de vista de usuario .................................... 12

1.6.2.1.2 Desde el punto de vista de red .......................................... 13

Capitulo II: Estandarización de las redes móviles ........................................ 15

2. Organismo ......................................................................................... 15

2.1 3GPP ........................................................................................... 15

2.1.1 Forma de operar de 3GPP ....................................................... 17

2.1.2 Revisiones realizadas por 3GPP .............................................. 18

Capítulo III: Contexto evolutivo de 3G a 4G ................................................. 21

3. Motivos del origen de la evolución ..................................................... 21

3.1 Los ejes evolutivos ......................................................................... 23

3.1.1 Necesidades de los clientes ..................................................... 23

3.1.1 Necesidades de los operadores ............................................... 24

3.2 Revisión de tecnologías .................................................................. 26

3.2.1 UMTS/WCDMA ........................................................................ 26

3.2.1.1 Funcionamiento de WCDMA ................................................. 27

3.2.1.2 Arquitectura de la red WCDMA ............................................. 28

3.2.2 HSDPA ........................................................................................ 28

3.2.2.1 Características principales de HSDPA .................................. 29

3.2.2.2 Arquitectura de HSDPA ........................................................ 29

3.2.3 HSPA+ ......................................................................................... 29

Capítulo IV: Long Term Evolution (LTE) ...................................................... 31

4. Contexto de LTE ................................................................................ 31

4.1 Arquitectura general de LTE ........................................................... 32

4.1.1 Arquitectura E-UTRAN y EPC .................................................. 35

4.1.1.1 Arquitectura de la red de acceso E-UTRAN .......................... 35

4.1.1.1.1 Interfaz de radio ................................................................. 36

VII

4.1.1.1.2 Interfaz S1 ......................................................................... 37

4.1.1.1.3 Interfaz X2 ......................................................................... 40

4.1.2 Arquitectura de la red troncal EPC ........................................... 41

4.2 Protocolos en la red LTE ................................................................ 42

4.2.1 Stacks del protocolo en el plano de usuario de LTE ................ 42

4.2.2 Stacks del protocolo en el plano de control de LTE ................. 44

4.3 Movilidad en LTE ............................................................................ 48

4.3.1 Gestión de handover ................................................................ 50

4.3.1.1 Ejecución de handover.......................................................... 51

4.3.1.2 Handover intra-LTE ............................................................... 52

4.3.1.3 Handover con soporte de la interfaz X2 ................................ 52

4.3.1.4 Handover sin soporte de la interfaz X2 ................................. 53

Capítulo V: Red de transporte ..................................................................... 55

5. Topología de un backhaul LTE .......................................................... 57

5.1 Soluciones tecnológicas en la red de transporte. ........................ 57

5.1.1 Tecnologías en el Backhaul de LTE ......................................... 58

5.1.1.1 Ethernet ................................................................................ 58

5.1.1.2 IP/MPLS ................................................................................ 59

5.2 Escenarios del backhaul en LTE .................................................... 61

5.2.1 Escenario con Carrier Ethernet ................................................ 62

5.2.1.1 Aplicabilidad .......................................................................... 62

5.2.1.2 Stack de protocolos .............................................................. 63

5.2.2 Escenario 2 Acceso con MPLS más VPN en L2/L3 ................. 64

5.2.2.1 Aplicabilidad .......................................................................... 65

5.2.2.2 Stack de protocolos .............................................................. 65

Capítulo VI: Requerimientos técnicos de LTE y de la red de transporte

(backhaul) .................................................................................................... 67

6. Performance en LTE .......................................................................... 67

6.1 Performance en perspectiva del usuario y operador ...................... 69

6.1.1 Performance en perspectiva del usuario .................................. 69

6.1.2 Performance en perspectiva del operador ............................... 70

6.2 Calidad de servicio (QoS) ............................................................... 71

VIII

6.2.1 Mecanismos de QoS en LTE ................................................... 72

6.2.1.1 Control de QoS a nivel de portadora ..................................... 72

6.2.1.1.1 Parámetros de QoS ........................................................... 74

6.2.1.1.2 Iniciación de la red en base al QoS ................................... 75

6.2.1.2 Control de QoS en el nivel de servicio de flujo de datos. ...... 77

6.2.1.2.1 La política y la Regla de Control de Carga ........................ 79

6.2.1.3 Control de QoS en el plano de control y de usuario. ............. 79

6.3 Performance de LTE definido por 3GPP......................................... 80

6.3.1 Tasa de bit máximo en capa 1 ................................................. 82

6.3.2 Categorías de las UE ............................................................... 85

6.3.3 Performance a nivel de enlace ................................................. 86

6.3.3.1 Performance en el enlace descendente ................................ 86

6.3.3.2 Performance en el enlace ascendente .................................. 88

6.3.3.2.1 Impacto de ancho de banda de transmisión ...................... 88

6.3.3.2.2 Impacto del terminal móvil en movimiento ......................... 89

6.3.3.3 Administración del enlaces ................................................... 91

6.3.3.3.1 Parámetros propuestos en el UL y DL a baja frecuencia ... 92

6.3.3.3.2 Perdidas de trayectoria ...................................................... 94

6.3.3.3.3 Rango de la celda .............................................................. 95

6.3.4 Eficiencia espectral .................................................................. 95

6.3.5 Latencia .................................................................................... 96

6.3.5.1 Latencia en el plano usuario ................................................. 96

6.3.5.2 Latencia en el plano de control ............................................. 97

6.3.6 Capacidad en el plano de control ............................................. 99

6.3.7 Flexibilidad del espectro ........................................................... 99

6.3.7.1 Flexibilidad en la disposición dúplex ..................................... 99

6.3.7.1.1 Frequency Division Duplex .............................................. 100

6.3.7.1.2 Time Division Duplex ....................................................... 101

6.3.7.1.3 Ventajas y desventajas de la transmisión en FDD y TDD 102

6.3.7.2 Flexibilidad en la banda de frecuencia ................................ 104

6.3.7.3 Flexibilidad en el ancho de banda ....................................... 105

IX

6.3.8 Cobertura ............................................................................... 105

6.3.9 Complejidad ........................................................................... 107

6.3.10 Retardo en el handover....................................................... 107

6.3.11 Performance en la red Backhaul de LTE ............................ 108

6.3.11.1 Tipo de tráfico en función clase de servicio. ....................... 109

6.3.11.2 Recomendaciones del Throughput ..................................... 110

Capítulo VII: Simulaciones e implementaciones en LTE ............................ 115

7. Introducción ..................................................................................... 115

7.1 Simulación con LTE-Simulator ...................................................... 115

7.1.1 Parámetros de simulación ...................................................... 115

7.1.2 Resultados de la simulación ................................................... 116

7.1.2.1 Paquetes perdidos .............................................................. 116

7.1.2.2 Retardo ............................................................................... 117

7.1.2.3 Rendimiento ........................................................................ 118

7.1.2.4 Eficiencia en la celda .......................................................... 119

7.2 Prueba de campo del performance en FDD ................................. 120

7.2.1 Parámetros de la prueba de campo ....................................... 120

7.2.2 Resultados de la prueba de campo ........................................ 122

7.2.2.1 Rendimiento para un usuario en el DL ................................ 122

7.2.2.2 Rendimiento en el UL para un solo usuario ........................ 125

7.2.2.3 Rendimiento para múltiples UE ........................................... 125

7.2.2.4 Rendimiento del Handover en las bandas 2 GHz y 700 MHz ...

............................................................................................ 126

7.3 Medición de LTE en aplicaciones de Gaming ............................... 127

7.3.1 First Person Shooter (FPS) y Racing ..................................... 128

7.3.2 Estrategia en Tiempo Real (RTS) o Simulaciones ................. 128

7.3.3 Multijugador Masivo Online juegos de rol (MMORPG) ........... 128

7.3.4 Juegos en tiempo no real (NRTG).......................................... 128

7.4 Entorno de prueba LTE en la Universidad de Chile ...................... 130

7.4.1 Entorno de prueba y parámetros ............................................ 131

Capítulo VIII: Hardware de LTE ................................................................. 133

8.1 Hardware en E-UTRAN ................................................................ 133

X

8.2 Hardware en el EPC ..................................................................... 140

8.3 Hardware en el backhaul .............................................................. 142

Capítulo IX: Panorama de LTE en Chile .................................................... 145

Capítulo X: Conclusiones ........................................................................... 149

Bibliografía ................................................................................................. 152

Referencias digitales. ............................................................................. 152

Libros ...................................................................................................... 154

Manuales de proveedores ...................................................................... 154

Journals .................................................................................................. 155

Tesis ....................................................................................................... 155

XI

Índice de tabla

Tabla 2.1 Revisiones de 3GPP .................................................................... 19

Tabla 6.1 Estandarizadas características de QCI ........................................ 75

Tabla 6.2 Baseline del performance de LTE en el TR25.913 ...................... 82

Tabla 6.3 Tasa de velocidad máxima en DL (Mbps) .................................... 83

Tabla 6.4 Tasa de velocidad máxima en UL (Mbps) .................................... 83

Tabla 6.5 Tasa de velocidad máxima en DL considerando el tamaño de los

bloques de transporte .................................................................................. 84

Tabla 6.6 Tasa de velocidad máxima en UL considerando el tamaño de los

bloques de transporte .................................................................................. 84

Tabla 6.7 Categorías de las UE ................................................................... 86

Tabla 6.8 Eficiencia en el ancho de banda de LTE en el DL utilizando 10

MHz ............................................................................................................. 87

Tabla 6.9 Beneficio de 900 MHz frente a 2600MHz ..................................... 92

Tabla 6.10 Datos del enlace ascendente ..................................................... 93

Tabla 6.11 Datos del enlace descendente ................................................... 93

Tabla 6.12 Elementos de la latencia ............................................................ 97

Tabla 6.13 Numero de banda de FDD en LTE .......................................... 101

Tabla 6.14 Numero de banda de TDD en LTE .......................................... 102

Tabla 6.15 Ventaja y desventaja de FDD y TDD en LTE ........................... 103

Tabla 6.16 Clase de tráfico en base a la prioridad ..................................... 110

Tabla 7.1 Parámetros de LTE en el simulador ........................................... 116

Tabla 7.2 Parámetros de las pruebas de campo ....................................... 121

Tabla 7.3 Asignación de variables ............................................................. 123

Tabla 7.4 Rendimiento para varias UE ...................................................... 125

Tabla 7.5 Rendimiento del handover ......................................................... 127

Tabla 7.6 Parámetro de configuración ....................................................... 132

XII

Índice de ilustración

Ilustración 1.1 Esquema general de un sistema de telefonía móvil ............... 3

Ilustración 1.2 Geometría de la celda ............................................................ 4

Ilustración 1.3 Celda hexagonal, clúster K=4 ................................................. 5

Ilustración 1. 4 Mapa de radiación de una antena omnidireccional................ 6

Ilustración 1.5 Establecimiento de una celda en base a la distribución

poblacional ..................................................................................................... 7

Ilustración 1.6 Proceso de handover entre las celdas .................................. 12

Ilustración 2.1 Evolución de las tecnologías móviles ................................... 15

Ilustración 2.2 Ejemplo de estandarización .................................................. 18

Ilustración 3.1 Relación de las tramas de radio con los chips en WCDMA .. 27

Ilustración 3.2 Arquitectura de la red WCDMA............................................. 28

Ilustración 3.3 Arquitectura en la red HSDPA .............................................. 29

Ilustración 3.4 Actualización de SW y HW en HSPA+ ................................. 30

Ilustración 4.1 Arquitectura de la red LTE .................................................... 33

Ilustración 4.2 Arquitectura E-UTRAN ......................................................... 35

Ilustración 4.3 Mecanismos de la interfaz aérea para transmitir datos ........ 36

Ilustración 4.4 Red de acceso E-UTRAN ..................................................... 38

Ilustración 4.5 Control de establecimiento de los servicios portadores ........ 39

Ilustración 4.6 Arquitectura EPC .................................................................. 41

Ilustración 4.7 Procedimiento de handover basado en X2 ........................... 53

Ilustración 4.8 Procedimiento de handover no basado en X2 ...................... 54

Ilustración 5.1 Red típica del backhaul ........................................................ 55

Ilustración 5.2 Tipos de topologías .............................................................. 57

Ilustración 5.3 Carrier Ethernet .................................................................... 59

Ilustración 5.4 Principio de conmutación en la red IP/MPLS ........................ 60

Ilustración 5.5 Convergencia de la red de transporte ................................... 61

Ilustración 5.6 Escenario de ethernet ........................................................... 62

Ilustración 5.7 Stack de protocolos con IEEE 802.1AD ............................... 63

Ilustración 5.8 Stack de protocolos que soportan SDH ................................ 64

Ilustración 5.9 Escenario con MPLS, en una VPN L2/L3 ............................. 64

Ilustración 5.10 Stack de protocolos en la VPN L2 ...................................... 65

Ilustración 5.11 Stack de protocolos en la VPN L3 ...................................... 66

Ilustración 6.1 Definición de la taza de datos requeridos en el Performance

de LTE ......................................................................................................... 69

Ilustración 6.2 Procedimiento de activación de la portadora dedicada ........ 76

Ilustración 6.3 Arquitectura lógica de la PCC ............................................... 78

Ilustración 6.4 Arquitectura del servicio con portadora en EPS ................... 80

Ilustración 6.5 Pérdidas de trayectoria en distintas tecnologías .................. 94

Ilustración 6.6 Rango de celdas ................................................................... 95

XIII

Ilustración 6.7 Tiempo de ida y vuelta, en la red .......................................... 96

Ilustración 6.8 Estados de transición ........................................................... 98

Ilustración 6.9 Tecnología FDD y TDD ...................................................... 100

Ilustración 6.10 Radio de la BS en la zona rural de Australia .................... 106

Ilustración 6.11 Rendimiento máximo en el DL diferentes antenas UE ..... 107

Ilustración 6.12 Red backhaul genérica en la telefonía móvil .................... 109

Ilustración 6.13 Características del modelo cliente servidor ...................... 112

Ilustración 6.14 Comunicación Peer-to-Peer ............................................. 112

Ilustración 6.15 Velocidad de transmisión versus el tiempo de ida y vuelta .....

................................................................................................................... 114

Ilustración 7.1 Zonas de pruebas, modelada con la aplicación TEMS ....... 121

Ilustración 7.2 Localización de la UE (estacionaria y en movimiento) ........ 123

Ilustración 7.3 Esquema de la arquitectura montada ................................. 131

Ilustración 7.4 Montaje de los equipos ....................................................... 132

Ilustración 8.1 Estación base de cualquier sitio de LTE ............................. 134

Ilustración 8.2 RBS Ericsson 6102 ............................................................. 134

Ilustración 8.3 Radio Shelf en el RBS ........................................................ 135

Ilustración 8.4 Unidad digital ...................................................................... 135

Ilustración 8.5 Esquema de modulación y demodulación de la Unidad de

Radio ......................................................................................................... 136

Ilustración 8.6 Conexiones de cables ópticos ............................................ 137

Ilustración 8.7 Antena SkyCross instalada en Estados Unidos .................. 138

Ilustración 8.8 Tablet con soporte a LTE ................................................... 139

Ilustración 8.9 Smathphone con soporte a LTE ......................................... 139

Ilustración 8.10 Mobile Hotspot de Verizon LTE ........................................ 140

Ilustración 8.11 Modem USB ..................................................................... 140

Ilustración 8.12 Nodos de la puerta de enlace ........................................... 141

Ilustración 8.13 Nodos de control ............................................................... 141

Ilustración 8.14 Evolve Packet Core .......................................................... 142

Ilustración 8.15 Red MPLS-TP implementadas con los equipos TN700 .... 143

Ilustración 8.16 Switch de Transporte Ethernet “BlackDiamond 8800” ...... 144

Ilustración 9.1 Conteiner de LTE perteneciente a Ericsson ....................... 145

Ilustración 9.2 Modem 4G de Ericsson Chile ............................................. 146

Ilustración 9.3 Inauguración del laboratorio de LTE ................................... 147

Ilustración 9.4 Evolve Packet Core instalado en el laboratorio .................. 148

XIV

Índice de esquemas

Esquema 2.1 Entidades de 3GPP ............................................................... 16

Esquema 2.2 Sub-división de RAN TSG ..................................................... 16

Esquema 2.3 Proceso de estandarización ................................................... 18

Esquema 3.1 Evolución de servicios 2G a 4G ............................................. 22

Esquema 4.1 Protocolo entre la UE y la P-GW en E-UTRAN ...................... 42

Esquema 4.2 Stacks de protocolos entre el eNodoB y la S-GW ................. 43

Esquema 4.3 Stacks de protocolos con acceso 2G por la interfaz S-4 ........ 43

Esquema 4.4 Stacks de protocolos con acceso 3G por la interfaz S-12 ...... 44

Esquema 4.5 Stacks de protocolos con acceso 3G por la interfaz S-4 ........ 44

Esquema 4.6 Stack de protocolos entre el eNodoB y MME ........................ 45

Esquema 4.7 Stacks de protocolos entre la UE y MME ............................... 45

Esquema 4.8 Stack de protocolos entre la UE y MME ................................ 46

Esquema 4.9 Stacks de protocolos entre SGSN y S-GW ............................ 46

Esquema 4.10 Stacks de protocolos entre S-GW y P-GW .......................... 47

Esquema 4.11 Stacks de protocolos entre la MME y MME ......................... 47

Esquema 4.12 Stacks de protocolos la MME y S-GW ................................. 48

Esquema 4.13 Stacks de protocolos entre la MME y HSS .......................... 48

Esquema 4.15 Funcionamiento de la conectividad en LTE ......................... 49

Esquema 4.16 Fases de función de transferencia ....................................... 50

XV

Índice de gráficos

Gráfico 3.1 Penetrabilidad de la banda ancha móvil con la banda ancha fija

..................................................................................................................... 23

Gráfico 3.2 Tráfico de datos vs tráfico de voz en una red HSPA ................. 24

Gráfico 3.3 Volumen de tráfico vs costos de la red ...................................... 26

Gráfico 6.1 Sensibilidad del eNodoB en LTE en función de la potencia

recibida con distintos anchos de banda entre 360 kHz, 1.08MHz y 4.5MHz 89

Gráfico 6.2 Rendimiento del eNodoB en LTE, en función de la SNR con la

UE en movimiento a diferentes velocidades ................................................ 90

Gráfico 6.3 Valores requeridos para SNR, para diferentes eficiencias

espectrales con la UE en movimiento .......................................................... 90

Gráfico 6.4 Tiempos de entrega del handover ........................................... 108

Gráfico 7.1 Pérdida de paquetes en video ................................................. 117

Gráfico 7.2 Retardo en la transmisión de video ......................................... 118

Gráfico 7.3 Rendimiento experimentado en la transmisión de video ......... 119

Gráfico 7.4 Eficiencia espectral.................................................................. 120

Gráfico 7.5 Escenario de los distintos videos juegos ................................. 130

XVI

Resumen

La tecnología LTE, correspondiente a la cuarta generación de la telefonía

móvil se convirtió en el estándar ya definido para las empresas operadoras,

que buscan aprovechar la gran potencialidad en la transmisión de datos a

múltiples usuarios a una alta tasa de transferencia, compitiendo con las ISP

tradicionales.

El objetivo del presente trabajo, es obtener información de la tecnología LTE,

enfocada a los requerimientos técnicos, como ancho de banda, delay, jitter,

arquitectura de red, entre otras cualidades.

Para poder desarrollar aquel trabajo, se realizó una revisión exhaustiva de

los requerimientos que exige la organización 3GPP en LTE, con el reléase 8,

autores dedicados al área de la RF y manuales de los proveedores de la

telefonía móvil. Comparando cada una de estas fuentes, se estableció un

definición única para poder responder, a los requerimientos distintas se

Por último se establecieron ejemplos de implementación de redes LTE, para

poder comprender cuanto difiere los valores propuestos teóricamente con

respecto a una red gestionada a gran escala, como también se estableció un

escenario de rendimiento en gaming, caracterizado por el alto rendimiento y

un tratamiento especial en el QoS, para garantizar una mejor experiencia en

el servicio hacia el usuario.

XVII

Introducción

Introducción general

Actualmente la telefonía móvil busca romper el paradigma instaurado por

más de quince años en el inconsciente colectivo de los usuarios, de que, los

teléfonos celulares solo sirve para poder llamar y recibir datos de voz, muy

propio de los sistemas GSM (2G). Pero con la llegada del protocolo IP en las

redes de datos, el uso de aquel protocolo comenzó a crecer, convirtiéndose

en el protocolo por excelencia en la transmisión de redes no conectadas

directamente. Para los sistemas móviles integrar no solo voz, sino que

también datos e Internet, con la ayuda de IP, se convirtió en una nueva

aventura por parte de las operadoras en ofrecer este servicio, pero se

aprontaba un problema dentro de la implementación, pero no eran los

equipos móviles, ya que, la alta integración de la electrónica de los

semiconductores permitió lanzar al mercado celulares muy similares a los

computadores personales, con sistemas operativos customizados,

aplicaciones capaces de leer formatos multimedia como pdf, jpeg, avi, mp3,

entre otros.

El gran problema que se enfrentaron las operadoras, fueron las velocidades

para acceder a Internet, y este problema fue una falla multisistema, de

partida la tecnología de acceso del celular hacia la Internet, GRPS y EDGE

(2.5G), entregaba velocidades muy bajas en comparación con la velocidad

de acceso de Internet por ADSL, lo que no representaba una alta vialidad

económica para la operadora móvil. La otra problemática era la arquitectura

ofrecida por las tecnologías 2.5G, puesto que, el protocolo IP trabaja en

base a la conmutación de paquetes, así la red se deberían establecer dos

posibles rutas, una red de conmutación de circuito para la voz y la

conmutación de paquete para los datos que trabajan en función de IP, esto

ocasionaba un alto costo de operación y mantenimiento.

La llegada de la nueva arquitectura UTRAN 3G, permitió soportar Internet

dentro de las redes, pero las velocidades que ofrecía WCDMA y HSDPA, no

entregaba una alta velocidad, como las ISP, de hecho, las ISP emigraron a

sistemas ópticos mucho más rentables como por ejemplo DWDM. Pero

cuando la entidad 3GPP lanzó HSPA+, les significo una gran motivación

para continuar con los servicios de Banda Ancha Móvil a los usuarios, así la

3GPP en conjunto con los operadores, decidieron crear un nuevo estándar

que corresponde a LTE o Long Term Evolution, estas permite entregar a

altas velocidades de transmisión, capaz de superar a las velocidades

ofrecidas por las ISP en el mercado.

XVIII

La convergencia tecnología, en donde un dispositivo es capaz de soportar

múltiples servicios facilitó la necesidad de entrar con LTE como medio único

para cumplir las exigencias del mercado. Además los usuarios empezaron a

hacerse mucho más exigente en la calidad de servicio, quienes deseaban

tener una mejor cobertura, el servicio de Internet sea continuo, sumado con

un precio accesible.

El despliegue de 4G, permitiría poder suplir las desventajas de 3G y 3.5G

con respecto a la utilización del protocolo IP dentro de sus redes de

transporte, dentro de la tecnología LTE, la cual tienen como base a 3GPP,

que anteriormente desarrollaron la tecnología HSDPA, en base acuerdos.

Esto implica que muchas telcos, sientan familiaridad con LTE. Así LTE, será

capaz de transmitir velocidades teóricas de un máximo de 100Mbps, con una

arquitectura de red capaz de soportar plenamente IP, así entregando

tiempos de latencia menores que HSDPA.

Objetivo General

Conocer, investigar, y analizar los requerimientos técnicos necesario, en la

cual opera una red que trabaja con el estándar LTE, conociendo el alto

impacto que genera LTE tanto para los operadores como a los usuarios de

esta tecnología de 4G y como la red de transporte influye en el cumplimiento

de dicho estándar.

Objetivos Específicos

Mencionar a las tecnologías móviles antecesoras que fundamentaron

a LTE (WCDMA, HSDPA, HSPA+).

Entender las funciones de una red de transporte.

Conocer las características de la tecnología móvil LTE.

Definir las bandas de frecuencia en la cual opera.

Enseñar el equipo necesario en la que trabaja LTE.

Comprender los beneficios que entrega LTE.

Dar a conocer ejemplos de redes ya implementadas, con sus

respectivas mediciones.

Problema existente

Actualmente las operadoras deben cumplir las necesidades de los usuarios

en cuanto a la conectividad, las redes ADSL que proveen Internet a sus

clientes y muchas veces por factibilidad técnica, entre ellas, la zona

geográfica, que no pueden entregar dichos servicios. Por ello el acceso a

Internet móvil, se convierte en una posible solución ante este problema de

XIX

conectividad. Pero las tecnologías de acceso a Internet móvil, presentan

deficiencias en lo referente al rendimiento de la velocidad que se les otorga a

los usuarios finales. Pero para suplir estas falencias, la red de transporte de

cumplir ciertos parámetros de técnicos.

De esta manera, la solución a este problema es LTE, quien propone solución

en cuanto a la conectividad y a la velocidad de transmisión. Y es por este

motivo, que el presente trabajo de título necesita conocer a cabalidad los

requerimientos técnicos de una red LTE, junto con la red de transporte o

backhaul.

Metodología

La metodología a utilizar para poder conseguir el objetivo general de este

trabajo, se fundamenta en la recopilación exhaustiva de información, para

poder tener un amplio espectro de conocimiento sobre LTE. Dentro de las

fuentes a consultar serán:

Lectura de journals (IEEE Xplorer).

Revistar vinculadas al tema (IEEE Communication).

Manuales de proveedores (Ericsson, NOKIA-SIMENS, HUAWEI).

Libros (McGraw-Hill, JohnWiley & Sons, CRC Press).

Después de la recopilación de datos, se procederá a la discriminación de

esta, para tener los la información más acertada, que permita el

cumplimiento del objetivo general.

Como tercer paso se planteará un marco teórico de la telefonía móvil

general, con el fin de comprender ciertos detalles que rigen a los sistemas

móviles, como handover, celda, arquitectura, entre otros. Luego se

mencionarán las tecnologías antecesoras, que a sus constantes evoluciones

y desarrollo permitieron definir a la LTE. Así el siguiente paso, corresponde a

definir los elementos que conforman una red LTE, luego se estudiarán las

funciones y características de las redes de transporte en LTE. Permitiendo

entender como dichos elementos influyen en el rendimiento. Para luego

definir los requerimientos técnicos de LTE tanto en la red aérea de acceso y

transporte, soportado con ejemplos de implementación y sus respectivas

mediciones.

Por último se formularán las conclusiones pertinentes, sobre los

requerimientos de LTE, que influyen en el rendimiento del transporte de

datos dentro de dicha red.

1

Capítulo I: Marco teórico

1. Marco Teórico: Sistema de telefonía celular

En este capítulo abordaremos de manera teórica, los conceptos más

generales de la telefonía móvil, en base a cómo opera dicha tecnología

utilizando las ciencias físicas para explicar por ejemplo las propagaciones de

ondas entre una antena y el equipo del usuario, la administración de las

frecuencia o la arquitectura que tiene la red, tomando en cuenta la del

proveedor de servicio y del usuario. Es cierto que el avance de la telefonía

móvil ha sido vertiginoso en estos veintiún años, si tomamos como

referencia el lanzamiento de la segunda generación de telefonía móvil

conocida como 2G, la cual presentaba una diversidad de protocolos en la

que regían cada zona geográfica (Norte América, Europa, Asia, entre otros),

tales como GSM, Cellular PCS/IS-136 o IS-95/cdmaONE, lo que a futuro

empezaron a evolucionar en función a los requerimientos del clientes y una

necesidad tecnológica en la integración de IP dentro de sus redes, por ello la

complejidad aumentaba lo que implicaba una nueva arquitectura dentro de la

red, pero para poder entender cada protocolo o arquitectura debemos

analizar sus componentes que lo integran.

Dentro de los objetivo que presenta el sistema de telefonía celular, el

académico de la Universidad Nacional de Rosario, Renzo Mare, definió los

objetivos en el cual motivo al desarrollo de las comunicaciones, tales como:

Alta capacidad de servicio, capacidad para dar servicio de tráfico a

varios millones dentro de una zona determinada y con un espectro

asignado.

Uso eficiente del espectro, uso eficiente de un recurso muy limitado

como es el espectro de radio asignado al uso público.

Adaptabilidad a la densidad de tráfico, la densidad de tráfico varia en

los distintos puntos de un área de servicio, el sistema se tiene que

adaptar a estas variaciones.

Compatibilidad, seguir estándar, de forma tal de proveer el mismo

servicio básico, con las mismas normas de operación a lo largo de

todo país.

Facilidad de extensión, se trata que un usuario pueda cambiar de

área de servicio pasando a una distinta y tener la posibilidad de

comunicarse (Roaming).

Servicio a vehículos y portátiles.

Calidad de servicio, implica seguir niveles estándares de bloqueo y

calidad de voz.

2

Accesible al usuario, el costo del servicio pueda ser pagado por un

gran número de personas.

1.1 Concepto de teléfono celular

El teléfono celular es importante tenerlo en cuenta, ya que, es la interfaz

entre los usuarios para poder ejecutar o recibir la información,

comportándose como un dispositivo dual, en cual la transmisión es full-

duplex en donde utiliza una frecuencia para hablar y una segunda frecuencia

separada para escuchar, es decir, que ambas personas en la conversación

pueden hablar a la vez.

1.2 Arquitectura general de una red telefónica móvil

Dentro de este esquema, se establece en base a una sinergia de elementos,

en la cual, si uno falla o no se encuentra presente, la red no opera. Los

componentes que lo definen son:

Estaciones móviles (MS). Son los equipos que prestan el servicio concreto en el lugar, instante y formato (voz, datos o imágenes). Cada estación móvil puede actuar como emisor, receptor o ambos modos.

Estaciones base (BS). Se encargan de mantener el enlace radioeléctrico entre la estación móvil y la estación de control durante la comunicación. Atiende a una o varias estaciones móviles.

Estaciones de control (BSC). Realiza las funciones de gestión y mantenimiento del servicio. Asigna las estaciones base de un sector, a las estaciones móviles que se desplazan dentro de él.

Centro de conmutación (MSC). Permiten la conexión entre las redes públicas y privadas con la red de comunicaciones móviles y la interconexión entre estaciones móviles localizadas en distintas áreas geográficas de la red móvil.

3

Ilustración 1.1 Esquema general de un sistema de telefonía móvil

1.2.1 Funcionamiento del esquema de telefonía móvil

Para poder entender este esquema, debemos ubicarnos en el plano de un

usuario emisor, en la cual, desea realizar una llamada a un receptor ya sea

fijo o dinámico. La señal que envía hacia la antena solicitando

establecimiento de la conexión de un determinado número (señal digital

codificada), para luego enviar la señal a un “switch” o conmutador.

1.3 Concepto de celda

A grandes rasgos la idea de celda corresponde al “área en el cual un sitio de

transmisión particular es el más probable de servir llamadas telefónicas

móviles”, para el operador de la red telefónica móvil, corresponde a la zona

de cobertura que posee una transmisor (antena) o una estación base. Ahora

bien, el área en que entrega la cobertura, está sujeta a un amplio espectro

de parámetros tales como:

Potencia de la antena.

Banda de frecuencia utilizada.

Altura y posición de la torre.

Tipo de antena.

Topografía de la zona.

Sensibilidad del radio receptor.

4

1.3.1 Geometría de la celda

La geometría es un factor delimitador que utilizan las operadoras para

determinar qué zonas van a transmitir el servicio en cada canal usado,

siendo importante para evitar interferencias de co-canal1. Dentro de la

geometría de la celda, se puede apreciar tres tipos de celda, estas son la

ficticia, ideal y real, tal como se puede apreciar en la siguiente imagen.

Ilustración 1.2 Geometría de la celda

La celda ficticia esta representa por su figura geométrica en base de

hexágonos, de igual forma a los hexágonos de un panal de abeja, aquel

diseño fue definido por los ingenieros del Laboratorio Bell, por la razón de

que las relaciones geométricas que presenta el hexágono, al agruparlos en

la misma proporción las celdas no presentan espacios vacíos ni

transposiciones entre otras celdas. Ahora bien, un conjunto de celdas se le

denomina, grupo o “cluster”.

1 El concepto de co-canal, se refiere a dos señales, de las cuales sus portadoras ocupan un

mismo canal. 2 UTRAN (UMTS Terrestrial Radio Access Network) o en español Red de Acceso Radio

5

Ilustración 1.3 Celda hexagonal, clúster K=4

En cambio la celda ideal toma la forma de circunferencia, puesto que, las

antenas que tiene cada celda, corresponden a la clase de antena isotrópica

posicionada en el centro de la celda. Importante recordar que una antena

isotrópica, teóricamente presenta una radiación esférico perfecto y una

ganancia lineal unitaria.

Por último la geometría real de una celda, corresponde a la forma real que

tienen las antenas, ya que, agrandes rasgos una antena celular son antenas

direccionales que para lograr la geometría ideal, se instalan antenas

sectoriales para lograr la forma de una antena omnidireccional.

6

Ilustración 1. 4 Mapa de radiación de una antena omnidireccional

1.3.2 Tipos de celda

La empresas operadoras de servicios móviles, al momento de definir el tipo

de celda, el planificador de la red, debe prestar atención a la densidad

demográfica, ya que, cada zona es muy variada de acuerdo a la distribución

de las personas. Es importante destacar que el planificador de red no solo se

preocupa de la densidad, también del tráfico que realizan los usuarios

(Erlang) y de la topografía, pero para poder determinar el tipo de celda solo

se necesita tener en consideración la densidad poblacional de un área en

específico.

7

Ilustración 1.5 Establecimiento de una celda en base a la distribución poblacional

Macro celdas, son celdas grandes para áreas con población dispersa.

Micro celdas, las celdas se particionan para aumentar la

disponibilidad de los canales, además presenta una potencia de

transmisión menor. Este tipo de celda se utiliza mucho en zonas

poblacionales densas.

Celdas Selectivas, tiene que ver con la limitación de la zona de

cobertura, por ejemplo, el túnel del Metro de Santiago, tener una

celda que su cobertura sea 360º es algo ineficiente.

1.3.3 Radio (longitud) de la Celda

El radio de máximo está determinado por la relación señal a ruido (S/N), la

señal mayor a los 18 dB, otorga una calidad de servicio satisfactoria, pero en

la práctica, la longitud se encuentra limitada por la topografía, producto de la

existencias de obstáculos naturales o artificiales, las propiedades físicas de

la antena, como valores de configuración de inclinación de la antena, como

también la potencia entregada por el equipo.

8

1.3.4 División de celdas

Dentro de la literatura técnica, la división de la celda es conocida también

como “cell splitting”, el objetivo que tiene la división de las celdas, se

relaciona con la eficiencia del espectro, pero a grandes rasgos este concepto

se refiere al proceso de subdividir una celda congestionada (alta demanda

de tráfico) en otras celdas más pequeñas, y estas poseen sus propias

estaciones bases, como también, su reducción en la altura de la antena y su

potencia de transmisión. Con ello permite incrementar la capacidad de un

sistema telefónico móvil, dado que incrementa el número de veces que se

reutilizan los canales (en el tema 1.4, se acotara a cabalidad), estableciendo

nuevas celdas más pequeña que las celdas originales, instalando estas

pequeñas celdas entre las celdas existentes, incrementando la capacidad,

debido al aumento de los canales por unidad de área.

Cuando empieza aumentar la densidad de tráfico, sumado con los canales

de frecuencia en cada celda, que no pueden entregar las correspondientes

llamadas realizadas por el usuario, la celda original se divide en celdas más

pequeñas, con la mitad del radio de la celda original. Para lograr la división

de la celda se realiza mediante una ecuación.

Ecuación 1.1 Establecimiento del radio de la nueva celda

En base a la Ecuación 1.1 Establecimiento del radio de la nueva celda, se

determina otra ecuación.

Ecuación 1.2 Establecimiento de nueva área de la celda

En teoría vemos que cada celda lleva la misma carga de trafico cargado de

la celda original, matemáticamente determinado.

Ecuación 1.3 Relación de las nuevas celdas con la carga de tráfico

9

1.4 Administración de frecuencias

Como se mencionó anteriormente, los sistemas de telefonía móvil poseen

dos frecuencias, una para transmitir y la otra para recibir, simultáneamente la

voz, pero este recurso no es infinito, al contrario, es escaso. Una forma de

optimizar los recursos (frecuencia), se instauró el concepto de re-uso de

frecuencias, en la que define el uso de las mismas frecuencias portadoras

para establecer distintas áreas separadas por una longitud extensa, para

evitar el problema de interferencia de co-canal. Una forma de reducir dicha

interferencia, es el establecimiento de una separación geográfica.

1.4.1 Re-uso de frecuencia

Este concepto es considerado, el más importante dentro de los sistemas de

telefonía móvil, ya que, permite a los usuarios que están ubicados en celdas

distintas pudiendo utilizar la misma frecuencia simultáneamente, por

consiguiente, puede ser utilizado tanto en el dominio del tiempo y espacio.

Cuando nos referimos al dominio del tiempo, se ocupa la misma frecuencia

pero en diferentes espacios de tiempo (time slots); a esto se le llama

multiplexación por división de tiempo o anglosajonamente “time division

multiplexing” (TDM).

En cambio cuando nos referimos al re-uso de frecuencia, mirado desde el

dominio del espacio, es posible encontrar dos condiciones. La primera

condición, se refiere cuando una misma frecuencia asignada en dos áreas

geográficas distintas. La segunda condición, establece una misma

frecuencia usada reiteradamente en una misma zona.

1.4.2 Distancia de re-uso de frecuencia

Este concepto se encuentra designado por muchas variables, tales como, la

altura de la antena, transmisión de la potencia en las celdas, zona geográfica

y el número de celdas co-canales en la vecindad de la celda central. Usando

las matemáticas uno puede determinar la distancia de re-uso de frecuencia.

Ecuación 1.4 Distancia de re-uso de frecuencia

√

10

1.5 Asignación de canales

Para la utilización eficiente del espectro de radio, se requiere un sistema de

reutilización de frecuencias que aumente la capacidad y minimice las

interferencias. Se han desarrollado una gran variedad de estrategias de

asignación de canales para llevar a cabo estos objetivos. Las estrategias de

asignación de canales se pueden clasificar en fijas o dinámicas. La elección

de la estrategia de asignación de canales va a imponer las características

del sistema, particularmente, en cómo se gestionan las llamadas cuando un

usuario pasa de una celda a otra, este proceso de denomina, handover.

En una estrategia de asignación de canales fija, a cada celda se le asigna un

conjunto predeterminado de canales. Cualquier llamada producida dentro de

la celda, sólo puede ser recibida por los canales inutilizados dentro de esa

celda en particular. Si todos los canales de esa celda están ocupados, la

llamada se bloquea y el usuario no recibe servicio. Existen algunas variantes

de ésta estrategia. Una de ellas permite que una celda vecina le preste

canales, si tiene todos sus canales ocupados. El Centro de Conmutación

Móvil ("Mobile Switching Center" ó MSC) supervisa que estos mecanismos

de presta canales, no interfieran ninguna de las llamadas en progreso de la

celda donadora.

En una estrategia de asignación de canales dinámicos, los canales no se

fijan en diferentes celdas permanentemente. En su lugar, cada vez que se

produce un requerimiento de llamada, la estación base servidora pide un

canal al MSC. Éste entonces coloca un canal en la celda que lo pidió,

siguiendo un algoritmo que toma en cuenta diversos factores, como son la

frecuencia del canal, su distancia de reutilización, y otras funciones. Las

estrategias de asignación dinámicas aumentan las prestaciones del sistema,

pero requieren por parte del MSC una gran cantidad de cómputo en tiempo

real.

1.6 Conceptos de movilidad

1.6.1 Localización

La movilidad de los usuarios en un sistema celular, es una de las mayores

diferencias con la telefonía fija, en particular con las llamadas recibidas. Una

red fija, puede encaminar una llamada hacia un usuario fijo simplemente

sabiendo su dirección de red (número de teléfono), dado que el conmutador

local, al cual se conecta directamente la línea del abonado, no cambia. Sin

11

embargo en un sistema celular la celda en la que se debe establecer el

contacto con el usuario cambia cuando éste se mueve. Para recibir

llamadas, primero se debe localizar al usuario móvil, y después el sistema

debe determinar en qué celda está actualmente.

En la práctica se usan tres métodos diferentes para tener que cumplir el

concepto de movilidad. En el primer método, el equipo móvil indica cada

cambio de celda a la red, la cual, se le llama actualización sistemática de la

localización al nivel de celda. Cuando llega una llamada, se necesita enviar

un mensaje de búsqueda sólo a la celda donde está el dispositivo móvil, ya

que, ésta es conocida. Un segundo método sería enviar un mensaje de

página a todas las celdas de la red cuando llega una llamada, evitándonos

así la necesidad de que el móvil esté continuamente avisando a la red de su

posición. El tercer método es un compromiso entre los dos primeros

introduciendo el concepto de área de localización.

Un área de localización, es un grupo de celdas en que cada una de ellas

pertenecientes a un área de localización simple. La identidad del área de

localización a la que una celda pertenece se les envía a través de un canal

de difusión ("broadcast"), permitiéndoles a los equipos móviles saber el área

de localización en la que están en cada momento. Cuando un equipo móvil

cambia de celda se pueden dar dos casos: ambas celdas están en la misma

área de localización: el equipo móvil no envía ninguna información a la red.

Las celdas pertenecen a diferentes áreas de localización: el equipo móvil

informa a la red de su cambio de área de localización.

1.6.2 Handover en la red

En el apartado anterior se trataron las consecuencias de la movilidad en el

“modo idle”. En el “modo dedicado”, y en particular cuando una llamada está

en progreso, la movilidad del usuario puede inducir a la necesidad de

cambiar de celda servidora, en particular cuando la calidad de la transmisión

cae por debajo de un umbral previamente definido.

Con un sistema basado en células grandes, la probabilidad de que ocurra

esto es baja y la pérdida de una llamada podría ser aceptable. Sin embargo,

si queremos lograr grandes capacidades tenemos que reducir el tamaño de

la celda, con lo que el mantenimiento de las llamadas es una tarea esencial

para evitar un alto grado de insatisfacción en los abonados.

12

Ilustración 1.6 Proceso de handover entre las celdas

Al proceso de la transferencia automática de una comunicación (de voz o

datos) en progreso de una celda a otra para evitar los efectos adversos de

los movimientos del usuario se le llama "handover" (o "handoff"). Este

proceso requiere, primero algunos medios para detectar la necesidad de

cambiar de celda mientras estamos en el “modo dedicado” (preparación del

handover), y después se requieren los medios para conmutar una

comunicación de un canal en una celda dada a otro canal en otra celda, de

una forma que no sea apreciable por el usuario.

1.6.2.1 Tipos de handover

El handover se puede producir de diferentes maneras, por ello en términos

generales se clasifica en dos categorías, desde el punto de vista del usuario

y de red. A continuación se hace una breve descripción de los distintos tipos

de handover.

1.6.2.1.1 Desde el punto de vista de usuario

El proceso de traspaso se realiza de forma transparente al usuario, de modo

que las transiciones entre una célula y otra, sean suficientemente pequeñas

como para pasar desapercibidas por los usuarios.

Hard-Handover, antes del proceso de traspaso, el móvil está

conectado a su estación base origen. Durante el proceso de

Handover, se desconecta de ésta y durante un tiempo (del orden de

milisegundos) no está conectada a ninguna otra BS. Mediante este

procedimiento, se usa por lo tanto, un solo canal. De éste modo la

13

conexión con la BS original se corta antes de realizar la nueva

conexión a la nueva BS.

Es el método más utilizado (por ejemplo en GSM) a pesar de ser

menos fiable que el siguiente caso que se explica, soft-handover.

Fundamentalmente, se usa hard-handover en FDMA y TDMA cuando

se usan diferentes rangos de frecuencias en canales adyacentes para

minimizar las interferencias de canal. De esta forma MS se mueve de

la una BS a otra BS, ya que es imposible la comunicación con ambas

BS (desde diferentes frecuencias).

Soft-Handover, en este caso, durante el proceso de traspaso el móvil

estará conectado mediante un canal a la BS origen y mediante otro

canal a la BS destino. Durante dicho proceso, la transmisión se

realiza en paralelo por los dos canales, es decir, no se produce

interrupción del enlace. Con dicho sistema se asegura una conexión

con la estación base de la nueva celda antes de cortar con la

conexión antigua. Éste es el sistema que proporciona mucha

fiabilidad, a pesar de tener, por el contrario, una difícil implementación

(sólo en CDMA ONE ).Los estándares CDMA y WCDMA utilizan soft

handover.

Sin handover: en el caso de que no se realice handover, no se realiza

traspaso entre BSs. Simplemente el MS establece una nueva llamada

al salir del área de cobertura de la BS. Ello presenta una gran ventaja,

la de poseer un procedimiento mucho más simple, lo que conlleva, por

otro lado necesita una gran velocidad de establecimiento de llamada.

1.6.2.1.2 Desde el punto de vista de red

Desde el punto de vista de red encontramos diferentes clasificaciones si

suponemos que estamos en hard-handover o bien el soft-handover.

Caso para hard-handover:

Intra-Cell Handover, en un sistema normal, con varias redes. Sólo se

realiza intra-cell handover cuando la calidad de conexión de un canal

físico (que ha sido medido por la misma BS) está por encima del nivel

deseado. De tal manera que intra-cell handover puede realizar un

cambio de slot en la misma frecuencia (TDMA), un cambio de

frecuencia (FDMA) o un cambio de frecuencia y tiempo simultaneo.

Sin embargo, no existe actualmente ningún criterio para realizar intra-

cell handover cuando los límites de la conexión de salida están por

debajo del nivel deseado por la BS, especialmente cuando las

http://es.wikipedia.org/wiki/GSM

http://es.wikipedia.org/wiki/FDMA

http://es.wikipedia.org/wiki/TDMA

http://es.wikipedia.org/w/index.php?title=CDMA_ONE&action=edit&redlink=1

http://es.wikipedia.org/wiki/CDMA

http://es.wikipedia.org/wiki/WCDMA

14

conexiones colindantes están también por debajo del nivel deseado

(por ejemplo cuando un inter-cell handover no proporciona ninguna

salida que mejore la calidad).

Inter-Cell Handover, este es el tipo de handover más simple. Será

necesario cuando la señal de la conexión de un canal físico sea baja.

Para evaluar la calidad de la conexión, el móvil constantemente

transmite los valores de las medidas RXLev (nivel recibido medido por

el teléfono) y las RXQual(el radio del error de bit determinado) a la

BS. Si la BS quiere entregar el teléfono a otro canal, lo que necesita

es informar al teléfono sobre el número del nuevo canal y su nueva

configuración. El teléfono cambia directamente al nuevo canal y

puede mantener ambas configuraciones para la sincronización de la

BS. El proceso de Intra cell handover es posible realizarlo entre

diferentes bandas de GSM.

Caso para soft-handover:

Softer handover, en este caso, la BS recibe dos señales separadas a

través del canal de propagación. Debido a las reflexiones sobre

edificios o barreras naturales, la señal enviada desde las MS llega a

dos sectores distintos de la BS. Las señales recibidas durante el

proceso de softer handover se tratan de una manera semejante a las

señales muli-path. Soft handover, este caso es muy similar al caso anterior de softer

handover pero en éste caso las celdas pertenecen a más de un nodo.

Para ello se realiza una combinación mediante RNC. Es posible

realizar simultáneamente soft y softer handover.

http://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Muli-path&action=edit&redlink=1

15

Capitulo II: Estandarización de las redes móviles

2. Organismo

2.1 3GPP

Es un grupo fundado en 1998, con la finalidad de desarrollar

especificaciones técnicas de las redes móviles, basándose en la tecnología

padre, GSM, para luego formar el estándar UMTS, correspondiente a 3G,

llegando actualmente a definir la estandarización LTE, como tecnología de

4G, dejando atrás a WCDMA, HSDPA y HSPA+. El impacto que tuvo GSM a

nivel mundial, incluyendo a nuestro país, permitió el mejoramiento y

constante actualizamiento, logrando que muchas empresas operadoras de

servicios de telefonía móvil adoptaran los estándares impulsados por 3GPP

actualmente, tal como lo muestra la imagen presentada a continuación.

Ilustración 2.1 Evolución de las tecnologías móviles

El génesis de esta organización se estableció mediante la fusión de otras

entidades estandarizadoras, tales como ARIB (Japón), ETSI (Europa), T1P1

(EEUU), pero a futuro la T1P1 se pasó a llamar ATIS. Luego en 1999 la

entidad China CWTS se unió, aportando con la tecnología TD-SCDMA,

basado en TDD, la cual el transmite el tráfico del “Up Link” (UL) y “Down Link

(DL)” sobre diferentes ranuras de tiempo de la misma trama. Con el tiempo

la organización “China Wireless Telecommunication Standard Group”

(CWTS), paso a llamarse “China Communications Standard Association”

(CCSA). De esta manera en el Esquema 2.1, se puede observar los

miembros actuales que conforman la 3GPP.

16

Esquema 2.1 Entidades de 3GPP

La organización 3GPP, inició actividades a finales de 1998, además

realizaron trabajos, enfocados en los aspectos técnicos a principio de 1999,

con la finalidad de crear una estandarización común, la cual se le llamó

“Release 99”, la cual, corresponde a la primera especificación sobre las

redes de telefonía 3G. Este lanzamiento, fue la que sentó las bases de las

futuras redes telefónicas (HSPA, HSPA+ y LTE) basadas en GSM, tomando

en cuenta la transferencia de tráfico de alta velocidad en la conmutación de

circuitos y conmutación de paquetes.

Dentro de 3GPP, existen cuatro grupos de especificación técnica o TSG,

proveniente del inglés “Technical Specification Groups”, dicho grupo se

definen como: “Radio Access Network TSG”, “Core Network TSG”, “Service

and System Aspects TSG” y “Terminal TSG”. Dentro de la tecnología

WCDMA, correspondiente a la tercera generación, toma importancia el grupo

“Radio Access Network TSG”, dicha TSG fue nuevamente dividida en cinco

sub-grupos de trabajadores o “working groups”, como se aprecia en el

siguiente esquema.

Esquema 2.2 Sub-división de RAN TSG

3GPP

ETSI ARIB TTA ATIS CCSA TTC

Radio Access Network TSG

WG 1

Radio Layer 1

WG 2

Radio Layer 2/3

WG 3

Architectute and Interface

WG 4

Radio Performance and

RF Parameters

WG 5

Terminal Conformance

Testing

17

El RAN TSG, fue considerado dentro del lanzamiento “Release 99” en la

especificación de la interface aérea UTRAN2, así los miembros de la

organización asumieron individualmente en desarrollar estándares, tomando

en cuenta las especificaciones realizadas por 3GPP. Un ejemplo de esto, es

el caso de la organización ETSI, realizó un lanzamiento llamado “Release-

99”3 sobre UMTS, que es idéntico al “Release 99” de 3GPP.

Por ello 3G/UMTS, tiene como objetivo aumentar la capacidad del sistema,

permitiendo aumentar la cantidad de usuarios que requieran servicios de voz

y datos. Por norma UMTS trabaja con WCDMA, como tecnología de acceso

al medio, basándose en el ensanchamiento del ancho de banda, permitiendo

la eficiencia del espectro radioeléctrico.

2.1.1 Forma de operar de 3GPP

Esta organización se define en “work ítems” o elementos de trabajo, de los

cuales definen un motivo y objetivo para una nueva característica dentro de

una determinada tecnología. Los elementos de trabajo, a menudo contiene

las especificaciones para ser implementadas y ser agendadas para su

ejecución; también necesitan ser apoyadas por las cuatro TSG pero en

realidad necesitaban contar con algún motivo que puedan ser acordados

en los respectivos cuatro grupos de especificación técnica del nivel RAN.

No obstante, cada “work ítem” es designado un relator, que tiene como

objetivo de coordinar todo el trabajo y procurar de informar a los TSG todos

los progresos realizados por parte de los “working group”. Por consiguiente

los cuatro TSG, concretan reuniones cada tres meses para supervisar dichos

avances. Cuando todos los “working group” terminan el “work item” se crean

las solicitudes de cambio o “change requests”, estos contienen todos los

cambios necesarios en cada especificación en particular. Una vez que es

aprobado por todos los niveles de la TSG, la estandarización es actualizada

en una nueva versión con todos los cambios realizados.

Para resumir y quedar más claro, el proceso que tiene la 3GPP de

implementar una nueva estandarización, se mostrará acontiación el

Esquema 2.3, además un ejemplo de las fases de estudios que realizan los

“working group” hasta llegar a la fase de estandarización en una tecnología

determinada.

2 UTRAN (UMTS Terrestrial Radio Access Network) o en español Red de Acceso Radio

Terrestre UMTS, permite a los terminales de usuario acceder al núcleo de red de UMTS. Los principales elementos de red de UTRAN son los Nodos B y los RNCs (Radio Network Controllers). (Fuente Wikipedia) 3 Se puso un guión para diferenciar el “Release-99” de ETSI con el “Release 99” de 3GPP

18

Esquema 2.3 Proceso de estandarización

Ilustración 2.2 Ejemplo de estandarización

2.1.2 Revisiones realizadas por 3GPP

Los procesos de estandarización se establecen en una revisión anual

denominado “Release”, ofreciendo a los desarrolladores una plataforma

estable para la implementación y para permitir la adición de nuevas

características que requiere el mercado.

Actualmente los documentos están disponibles gratuitamente en el sitio

web de la 3GPP, en donde se encuentran todos los

estándares 3GPP descritos. La información que contiene los “Release”, son

completos y detallados para dar una idea de cómo funciona la industria de

la telefonía móvil. Dentro de la información que contienen, abarcan desde la

interfaz área, la red central, codificación de voz, entre otras características.

19

Tabla 2.1 Revisiones de 3GPP

Versión Año de

lanzamiento Descripción

Release 99

2000 Especifica la primera red 3G UMTS, incorporando una interfaz de aire CDMA

Release 4 2001

Se incorpora nuevas características, como soporte de servicios de mensajería multimedia, como también en la red del núcleo (Core Network) pasa ser todo IP (Internet Protocol)

Release 5 2002

Se introduce el concepto de IMS (IP Multimedia Subsistem), el permite la transmisión eficiente de IP en los datos de multimedia en las redes móviles, empleando la conmutación de paquete de IP y el protocolo SIP. Se introdujo la tecnología HSDPA, que permite la optimización del espectro en el canal descendente, con el objetivo de alcanzar velocidades de baja hasta 14 Mbps (valor teórico máximo)

Release 6 2004

Se agrega la tecnología HSUPA (Hight Speed Uplink Packet Access) que ofrece una mejora sustancial en la velocidad para el tramo de subida, desde el terminal móvil hacia la red, entregando una alta tasa de transferencia de subida hasta 7.2 Mbps. También se adiciona el servicio MBMS (Multimedia Broadcast Multicast Service), permite la entrega eficiente de los servicios de broadcast y multicast para la difusión en varias celdas en una frecuencia única, logrando asi la entrega de servicios de radiodifusión (Push To Talk) y TVMovil.

Release 7 2007

Se centra en la disminución de la latencia, mejora de calidad de servicio y aplicaciones en tiempo real como VoIP. Esta especificación también se centran en HSPA + (Evolved High Speed Packet Access), el protocolo SIM de alta velocidad.

Release 8 2008

Corresponde al primer lanzamiento oficial de LTE, utilizando una red 100% IP. Se agregan nuevas características, como la multiplexación por OFDMA. Se suma la mejora de antenas múltiples. Aparece una nueva arquitectura, formada por EPS (Evolved Packet System), RNC (Radio Network Controller) y el eNodeB.

Release 9 2009 Mejoras en el SAE (System Architecture Evolution). Se define la interoperabilidad

20

WiMAX y LTE. Se establece el Dual-celular HSDPA con MIMO.

Release 10

2011

LTE Advanced cumplimiento de los requisitos de IMT 4G avanzada. Compatible con la versión 8 (LTE). Multi-celular HSDPA (4 operadores).

Release 11

2012

La interconexión IP avanzado de los Servicios. Servicio de interconexión entre los operadores nacionales capa / operadores, así como otros proveedores de aplicaciones de otros fabricantes. Contenido sigue abierta (a partir de abril de 2011).

21

Capítulo III: Contexto evolutivo de 3G a 4G

3. Motivos del origen de la evolución

La importancia de entender la evolución de las distintas tecnologías descrita

en cada una de las generaciones de la telefonía móvil, radica en la

necesidad de comprender LTE, por lo tanto, se hace indispensable realizar

una revisión de las tecnologías antecesoras, recordando que en el Capítulo

2, vimos las regulaciones y muchas de estas son mejoras en los sistemas,

con la finalidad de adaptar las necesidades del cliente, para justificar la

existencia de las empresas proveedoras como las operadoras.

Partiremos definiendo las tecnologías de la tercera generación hasta llegar a

la cuarta generación, para luego describir detallamente las características

técnicas y operacionales de LTE (4G). Es importante destacar que LTE es

una evolución en base a GSM (2G) y no describiremos ninguna tecnología

en base a 2G, ya que, estas redes están pensadas principalmente al tráfico

de voz, en cambio 3G el tráfico está orientado a datos, principalmente al

acceso de internet en los equipos móviles, permitiendo a las operadoras

competir con otro nicho dentro del negocio de las telecomunicaciones, la

internet fija o de acceso a ADSL. Así lo confirma la empresa Bytemobile,

encargada de optimizar el tráfico a los operadores, quien afirma “hasta un 60

por ciento del tráfico de datos del móvil lo generan los consumidores que ven

vídeos en sus teléfonos”4, a esto se debe a que existe actualmente una

convergencia del protocolo IP, permitiendo la transmisión múltiples servicios

como imágenes, música, video y datos.

4 Extraído del reportaje “Estadística tráfico de datos móviles”. Fuente

http://www.nuevastecnologias.com/estadisticas-trafico-de-datos-moviles-21-06-2011/

22

Esquema 3.1 Evolución de servicios 2G a 4G

Así parte UTMS en año 2000, estableciendo como WCDMA como interface

aérea para la utilización eficiente del espectro, estableciendo un puente

entre 2G y 3G, para el cual entrega una velocidad máxima de 2 Mbps.

Durante Marzo del 2004, se realiza una evolución de la especificación de

UMTS, la cual se integra TD-SCDMA, conocida como tecnología CDMA

síncrona por división en el tiempo; dicha especificación se denominó

“Release 4”.

Durante el 2002 se instaura el “Release 5”, agregado paquetes de datos a

los servicios UMTS, alcanzando una tasa transmisión de 14 Mbps, dicha

tecnología fue un hito para las operadoras, puesto que, lograron integrar

servicios de voz y datos dentro de la redes de telefonía móvil, siendo una

revolución dentro del mercado sumando, al ingreso teléfonos inteligentes o

“smartphones” y módems USB. Esta tecnología de optimización se conoció

como HSDPA o 3.5G, que para nuestro país no pasó inadvertido, de hecho,

Chile se convirtió en el primer país de Latinoamérica en emplearla en el año

2006.

En el lanzamiento del “Release 6” se establece una mejora con un enlace de

subida dedicado (E-DCH), pero manteniendo el fundamento de la

transmisión de paquetes de HSDPA, logrando en el UL una tasa de

transferencia máxima de 7.2 Mbps. Esta tecnología es conocida como

HSUPA y se relaciona como la generación 3.75G. Ya en Diciembre del 2007

se estable un nuevo estándar definido en el “Release 7”, esta tecnología se

llamó HSPA+ o HSPA Plus, otorgando velocidades de hasta 84 Mbps de

bajada y 22 Mbps de subida.

23

Ya así en el “Release 8” aparece la tecnología LTE o Long Term Evolution

(Evolución a Largo Plazo), tema central de este trabajo. Esta especificación

se convierte en la evolución de UMTS (3G), para convertirse en la 4G,

siendo fundamental para el despliegue definitivo de internet móvil, gracias a

que su arquitectura “All IP”, que significa que la red soporta en un 100% el

protocolo IP. Sumado a que los “smartphones”, se están convirtiendo en

verdaderos computadores, capaces de acceder a los datos alojados en la

Internet, de esta manera, las operadoras deben preocuparse del QoS

(calidad de servicio) de los usuarios. El servicio de LTE es capaz de entregar

datos, especialmente servicios multimedia, soportando IP. Como también se

mejora las aplicaciones de datos avanzados de persona a persona o

también conocidos como Peer to Peer (P2P), con mayores y más simétricos

los ratios de datos, como por ejemplo la sincronización de e-mail en el móvil

o juegos en tiempo real con otro jugador.

3.1 Los ejes evolutivos

3.1.1 Necesidades de los clientes

Hoy en día Internet es un medio muy masivo, lo que en el futuro, los

abonados a los servicios de banda ancha, alcanzarán a 3400 millones en

2014 y alrededor del 80% de los usuarios, comenzarán a utilizar la banda

ancha móvil, como se muestra en la Gráfico 3.1. Los consumidores son

capaces de entender y apreciar los beneficios que entrega la banda ancha

móvil, uno de estos beneficios es la gran portabilidad que presenta el dicho

servicio, ya que, la mayoría de los usuarios, poseen teléfonos móviles con

acceso a internet móvil, como también tiene la ventaja de entregar servicios

a los notebooks a través de dispositivos USB.

Gráfico 3.1 Penetrabilidad de la banda ancha móvil con la banda ancha fija

24

Haciendo énfasis en el tráfico de información, cuando se implementó la

tecnología HSPA, la experiencia de servicio o el QoE (Quality of Experience)

por parte del usuario, fue muy alta, por la excelente cobertura que entregaba

los operadores, sumado a la gran oferta de servicios y terminales móviles.

Así en Mayo de 2007, el tráfico de paquetes de datos tráfico superó el tráfico

de voz, creciendo en la demanda de manera exponencial, lo que a futuro, el

ancho de banda de las redes de HSPA no dará abasto para soportar la gran

demanda de datos con respecto a la voz.

Gráfico 3.2 Tráfico de datos vs tráfico de voz en una red HSPA

3.1.1 Necesidades de los operadores

Los operadores de los servicios móviles realizan negocios en un entorno

cada vez más competitivo, ya que, el mercado ofrece una gran cantidad de

proveedores como lo son, Ericsson, Nokia-Siemens, ZTE, Huawei, Motorola,

y la lista continua. Dentro de la gran competitividad, los operadores no sólo

compiten con otros operadores, sino también con nuevos actores y nuevos

modelos de negocio. Un ejemplo de esto sería el caso actual de Chile,

donde los operadores móviles como Entel, Movistar y Claro, compiten entre

ellos, en el 2012 se agrega al mercado el operador VTR/Nextel,

amenazando a las tres operadoras actuales; pero también se ha introducido

un nuevo modelo de negocio en el ámbito de las comunicaciones móviles,

que son las MVNO5 u Operadores Móviles Virtuales, como lo es GTD Móvil6.

5 Mobile Virtual Network Operator, a punta a una compañía que no posee una concesión de

espectro de frecuencia para ofrecer el servicio de telefonía móvil en una red propia, de modo que, sino que revende servicios de telefonía móvil bajo su propia marca usando la red de otra operadora de servicio móvil.

25

Para las operadoras invertir en redes mucho más eficientes, es un gran

desafío para ellas por el alto costo capital y costo operacional, así las

operadoras buscan la formulación de estrategias de mercado y tecnológica,

junto a la eficiencia del espectro radioeléctrico, definidos por organismos de

estandarización y normalización. Para lograr el beneficio anhelado, las

operadoras establecen sinergias entre los proveedores e institutos de

investigación, En Chile se generó una sinergia entre la operadora (Entel),

proveedora (Ericsson) y Universidad (Facultad de Ciencias Físicas y

Matemáticas de la Universidad de Chile) en 2007 para la implementación de

un laboratorio 3G7. El programa de Redes de Próxima Generación Móvil

(NGMN), busca que la tecnología sucesora de HSPA o sea, 4G, debe

cumplir:

Eficiencia espectral y reutilización de los canales.

Entregar en los extremos de la red una mejor relación “costo-

eficiencia”, permitiendo una baja latencia en los servicios.

Mejor relación “costo-eficiencia”, dentro de la red, otorgando una

mejor calidad de servicio (QoS), movilidad y el roaming.

No debe interferir con las actuales redes de HSPA+.

Generar una concesión de licencias que lleva a una mayor

transparencia y previsibilidad del costo total de derechos de propiedad

intelectual para operadores, proveedores de infraestructura y el

dispositivo de fábrica.

Dentro de 4G existe una gran variedad de tecnologías que aspiran a

convertirse en la tecnología más ad-hoc a las necesidades de las

operadoras. Entre las tecnologías que están en el nicho de la cuarta

generación, se encuentra, WiMax, LTE, UMB. Pero por un tema se confianza

muchas operadoras a nivel mundial están aceptando oficialmente a LTE

como la tecnología que satisface las necesidades de las operadoras, como

lo muestra el Gráfico 3.3, donde cada año el consumo del volumen de IP por

parte de los usuarios, pero para las operadoras el uso de las redes HSPA+

implica un gran costo en la red; pero con la implementación de LTE, los

costos son bastante bajos a lo largo del tiempo y capaz de soportar el gran

volumen de tráfico IP.

6 Fuente http://w2.df.cl/grupo-gtd-lanzara-comercialmente-telefonia-movil-a-fines-de-este-

mes/prontus_df/2011-07-04/213843.html 7 http://boletin.ing.uchile.cl/~boletin/boletin/noticia.php%3Fid%3D9058

26

Gráfico 3.3 Volumen de tráfico vs costos de la red

3.2 Revisión de tecnologías

3.2.1 UMTS/WCDMA

Es un estándar correspondiente a la tercera generación de tecnologías de la

telefonía móvil, en la cual, fue propuesto por la entidad 3GPP en el año

1999. WCDMA, es un acrónimo que significa, “Wide-band Code Division

Multiple Access” (Acceso Múltiple por División de Código de banda ancha),

la información que entrega el usuario es difundida a través de un ancho de

banda amplio, multiplexando una unidad básica de información o chips8

derivados de los “spreading codes” de CDMA con la finalidad de soportar

una alta tasa de transmisión máxima de 2Mbps. El uso de esta interfaz aérea

permite que la información fluya a 3.84 Mega chips por segundo, llevando el

ancho de banda de la portadora a un valor aproximado a los 5MHz. Los

chips puede ser divididos dentro de 10 ms tramas de radio, cada una de

estas pueden ser divididas dentro de 15 slots o espacios de 2560 chips,

como lo muestra la Ilustración 3.1. Los bits de los diferentes canales son

codificadas por cada número variable de chips.

8 Dentro del estándar W-CDMA, chips se refiere a la unidad básica de información, en

donde, cada chip depende del canal

27

Ilustración 3.1 Relación de las tramas de radio con los chips en WCDMA

De esta manera WCDMA, permite entregar ciertos beneficios en cuanto al

rendimiento de la red de la telefonía móvil, así el operador de la red (telco)

puede implementar múltiples portadoras para aumentar la capacidad de la

información que entregan los usuarios, como también, el uso de antenas

adaptativas y la aplicación de detección de multiusuario, permitiendo

englobar un nuevo concepto en 3G llamado “conceptos receptor”. Esta idea

de concepto receptor era imposible establecerla en la segunda generación

(2G) o sólo se puede aplicar bajo restricciones severas a incrementos

limitados en el desempeño. Lo que a futuro permitió el desarrollo de 3G, en

una arquitectura mucho más robusta, denominada RAN9, permitiendo

controlar el tráfico de los usuarios a través de la conmutación de paquetes.

3.2.1.1 Funcionamiento de WCDMA

La tecnología WCDMA trabaja con dos tipos de tecnologías de Existen dos

modos de funcionamiento para WCDMA en UMTS, uno es el Frequency

Division Duplex (FDD) y el Time Division Duplex (TDD). Las características

de cada uno de ellos son Modo FDD. Cada transmisión se identifica por la

portadora y por el código seudo aleatorio WCDMA. Se utiliza una portadora

diferente para cada enlace, el UL y el DL, dentro de una banda „apareada‟.

Modo TDD. Cada transmisión se identifica por la frecuencia de la portadora,

el código WCDMA y uno de los 15 intervalos de tiempo de la trama TDMA

(Time Division Multiple Access). Se utiliza una misma portadora para ambos

enlaces, tanto ascendente como descendente, dentro de la banda

“desapareada”. Los intervalos de tiempo pueden ser repartidos de forma

9 Acrónimo, que significa Radio Access Network, esto forma parte de los operadores o de la

telco, compuesta por la estación de radio base (RBS) y el control de nodo (RNC)

28

dinámica entre el enlace descendente y el ascendente. Este modo es idóneo

para aplicaciones de tráfico asimétrico como puede ser el acceso a Internet.

3.2.1.2 Arquitectura de la red WCDMA

Dicha arquitectura está basada en las dos tecnologías anteriores, que son,

principalmente GSM y en una menor esencia GRPS, de esta manera, los

operadores tienen la ventaja ahorrar el costo de implementar una nueva

topología, ya que, es una evolución de 2G logrando la interoperabilidad entre

las dos tecnologías y toda la capa física, según el modelo OSI, no requiere

un mayor cambio de hardware, entregándole una gran flexibilidad de

servicios, permitiendo al usuario acceder a datos o voz, en una determinada

zona o celda.

Ilustración 3.2 Arquitectura de la red WCDMA

Esta red de acceso, está compuesta por las estaciones base, el nombre que

se le entrega en 3G es RBS (Radio Base Station) o nodoB.

3.2.2 HSDPA

La red HSDPA o conocida como, High Speed Dowmlink Packet Access,

corresponde al Release 5 de 3GPP, que permite establecerse como la

evolución de la tecnología WCDMA, anteriormente descrita. La cualidad que

presenta HSDPA, es la mejora en el enlace descendente, permitiendo

entregar una máxima tasa de transmisión de 14 Mbps, de manera teórica.

Pero a nivel de operadoras, la velocidad máxima alcanza fue entre 2 a 4

29

Mbps, es importante agregar que HSDPA, solo contempla mejoras a nivel de

DL.

3.2.2.1 Características principales de HSDPA

La característica principal que tiene HSDPA, es la capacidad de trabajar en

base a la adaptación del enlace o también conocido como modulación

adaptativa. Aquella técnica permite adaptar una velocidad de transmisión a

las condiciones del canal, tomando como criterio, el tipo de modulación y

codificación a emplear.

La técnica de modulación que utiliza es QPSK y 16QAM, esto implica que

puede transmitir de a dos bits por símbolo a cuatro bits por símbolo, este

aumento de bits por símbolo, permite entregar una menor inmunidad al

ruido.

3.2.2.2 Arquitectura de HSDPA

La arquitectura que rige en esta tecnología, es la misma en donde

convergen dos redes de acceso, GERAN (GRPS/EDGE) y UMTS (WCDMA).

Para HSPDA, la red de acceso se denomina UTRAN.

Ilustración 3.3 Arquitectura en la red HSDPA

3.2.3 HSPA+

La tecnología HSPA+ o también conocida como HSPA Pluss, se basa en

una sinergia entre HSDPA y HSUPA, permitiendo mejorar el servicio entre el

DL y UL, además está pensado para coexistir con las redes de LTE,

mediante la actualización se software o hardware dentro de la RBS o NodoB

y de la RNC, como se muestra en la Ilustración 3.4

30

Ilustración 3.4 Actualización de SW y HW en HSPA+

31

Capítulo IV: Long Term Evolution (LTE)

4. Contexto de LTE

Con el fin de desarrollar mejores capacidades en la transmisión de paquetes

en las redes WCDMA/HSPA, 3GPP se encargó de gestionar una evolución,

que pudiera mejorar la tecnología de acceso de radio, la cual, se denominó

Long Term Evolution o Evolución a Largo Plazo (LTE). Para ello, el núcleo

de la red o Core, también va a evolucionar, dicha mejora se conoce como

Sistema de Evolución de la arquitectura (SAE). Estos nuevos requisitos son

definidos por la versión 8 del 3GPP. Las redes de próxima generación (NGN)

se están configurando hacia el concepto de una red “All-IP”, LTE y SAE

apoyará el uso de las NGN “IP Multimedia Subsystem” (IMS).

LTE, es conocido como una de las tecnologías que se encuentra en la cuarta

generación o 4G, cuya finalidad es entregar grandes velocidades máximas

de hasta 100 Mbps en el descendente y 50 Mbps en el canal ascendente.

Por lo que estudiamos en el capítulo 3, todas las tecnologías apuntan a un

mismo objetivo en común, aumentar la eficiencia espectral, con un ancho de

banda (BW) más amplio para lograr las máximas velocidades en un usuario.

Para que LTE consiga una mejor eficiencia espectral, debe recurrir al uso de

esquemas de modulación de orden superior y junto con la tecnología de

múltiples antenas o MIMO.

La comercialización de LTE comenzó en diciembre de 2009 con el

lanzamiento de redes en dos ciudades escandinavas, incluyendo los costos

de despliegue y puesta en marcha del servicio de Internet móvil. Dentro de

los costos asociados a la implementación, incluyendo la migración de las

redes UMTS a los nuevos requerimientos, puesto que los cambios son a

nivel del nucleo o “Core”.

LTE, por ser una evolución de las tecnologías en GSM, es capaz de utilizar

algunas de las características de HSPA, específicamente a lo que le

concierne sobre planificación de algoritmos, canales de datos compartidos,

HARQ, entre otras funciones. De esta manera LTE presenta ciertos

objetivos, que desembocaron en la creación de su respectiva

estandarización, en distintas categorías, tales como:

Requisitos de Velocidad de datos. La bajada y subida de datos pico

requerimientos de velocidad son de 100 Mbps y 50 Mbps,

respectivamente. Esto es suponiendo un ancho de banda de 20 MHz

de espectro.

Soporte para sistemas FDD y TDD.

32

Apoyo a la movilidad.

Reducción de la latencia.

La experiencia de usuario mejorada.

Convivencia con el legado de los sistemas de 3GPP.

El despliegue flexible del espectro utilizando diversas configuraciones

de BW.

El despliegue flexible del espectro utilizando una variedad de

frecuencias bandas.

Mejora de la cobertura.

Aumento de la seguridad.

Aumento de la capacidad del sistema.

4.1 Arquitectura general de LTE

La arquitectura de red en LTE se basa en una serie de características

requeridas, que se descomponen en elementos funcionales específicos en

las aplicaciones de las entidades de la red física. Esta es la razón por la que

3GPP especifica un Núcleo Paquete Evolucionado o Evolved Packet Core

(EPC), que es la arquitectura de red para apoyar la E-UTRAN, a través de

una reducción en el número de elementos de red, permitiendo una

funcionalidad más simple, también se le agrega una mayor redundancia,

sobre todo, teniendo en cuenta las conexiones a la línea fija y otras

tecnologías de acceso inalámbrico, lo que las operadoras, tendrán la

capacidad de ofrecer una mejor experiencia de movilidad en la red.

33

Ilustración 4.1 Arquitectura de la red LTE

Cada uno de los elementos correspondientes a la arquitectura ha sido

pensado para mantener una gran cantidad servicios, principalmente datos,

utilizando la conmutación de paquetes, recordando que las redes de LTE,

trabajan bajo el concepto “All-IP” o “Todo-IP”, De esta manera, toda la

infraestructura de una red LTE, incluyendo la red toncal EPC y la red de

acceso E-UTRAN, se pueden encontrar con elementos propios de las redes

IP, tales como, routers, servidores DHCP (Dynamic Host Configuration

Protocol) para la configuración automática de las direcciones IP de los

equipos de la red LTE y servidores DNS (Domain Name Server) para asociar

los nombres de los equipos con sus direcciones IP.

Es necesario agregar que la arquitectura LTE, también es capaz de dar los

ajustes necesarios para la entrega de la calidad de servicios (QoS), así las

operadoras son capaces de entregar servicios a la necesidad de los

usuarios. Además todas las transmisiones de datos que realiza LTE entre

UE y una red externa se denominan, Servicio de Portadora EPS (EPS

Bearer Service), en contraste, a la transmisión de datos otorgada por la red

de acceso E-UTRAN se denomina E-UTRAN Radio Access Bearer (ERAB).

Si observamos la Ilustración 4.1, podemos apreciar otras dos arquitecturas,

la red de acceso E-UTRAN y la red troncal EPC, que al establecer una

sinergia entre estas dos arquitecturas, se encargan de la entrega de los

paquetes IP entre los dispositivos móviles (UE) y las redes externas como la

34

“Packet Data Network” o también con la red PSTN, cada una de estas

arquitecturas serán definidas en el capítulo 4.1.1.1 y 4.1.2. Los elementos a

modo general que integra la arquitectura de una red LTE son:

UE, el terminal móvil, esta puede ser un celular o un modem USB

eNodoB, el eNodoB (estación base en LTE), comienza como punto de

contacto para la UE y termina en la interfaz de aire. Estableciendo un

nodo lógico en el E-UTRAN, lo que incluye algunas de las funciones

previamente definidas en la “Convención Nacional Republicana de la

UTRAN”, como portador de radio gestión, enlace ascendente y

descendente de radio dinámico de gestión de recursos y datos de

paquetes de programación y gestión de la movilidad.

Mobility Management Entity (MME), permite gestionar la movilidad

aspectos en materia de acceso a los servidores de la 3GPP, como la

selección de puerta de enlace y seguimiento de la gestión de área de

la lista.

Servering GateWay (S-GW), es el punto de anclaje de la movilidad

local para la entrega de datos entre varios eNodoB y también

proporciona un la movilidad entre los servidores 3GPP. También tiene

la responsabilidad, de cobrar y algunas la aplicaciones de políticas de

servicio. El S-GW y la MME pueden ser implementado en un nodo

físico o por nodos físicos separados.

Packet Data Network Gateway (P-GW), La GW PDN termina la SGI

interfaz hacia la red de paquetes de datos (PDN). Que las rutas de los

paquetes de datos entre el CPE y la PDN externa, y es el nodo clave

para la aplicación de políticas y la carga de recopilación de datos.

También proporciona el punto de anclaje para la movilidad con no

3GPP accesos. El PDN externa puede ser cualquier tipo de red IP, así

como el IP Multimedia Subsystem (IMS) de dominio. El PDN-GW y el

S-GW puede ser implementado en un nodo físico o por nodos físicos

separados.

Interfaz de S1, es la interfaz que separa los E-UTRAN y el EPC. Se

divide en dos partes, el S1-U, que lleva los datos de tráfico entre el

eNodoB y el P-GW. La S1-MME, que es una interfaz de señalización

de sólo entre los eNodoB y el MME.

Interfaz de X2, es la interfaz entre eNodoB, que consiste en dos

partes: la X2-C es la interfaz entre el plano de control y el eNodoB. La

X2-U es la interfaz entre el plano de usuario y el eNodoB. También

existe una interfaz entre el X2 eNode-B que necesitan comunicarse

entre sí.

35

4.1.1 Arquitectura E-UTRAN y EPC

4.1.1.1 Arquitectura de la red de acceso E-UTRAN

La definición a grandes rasgos de E-UTRAN, se remonta en los sistemas

3G, donde UTRAN, correspondía a la UE, que podía acceder al núcleo de

red, mediante el uso de determinadas interfaces, de esta manera, LTE utiliza

el mismo criterio, pero está tiene un carácter evolutivo, ya que, en 3G la red

de acceso estaba compuesta por la estación base (RBS o nodoB) y con los

equipos controladores, como el RNC. En cambió en LTE, existe un único

elemento, el eNodoB, siendo una evolución que permitió integrar dos

elementos que se encontraban separado físicamente, de ahí viene el

nombre, Evolve-UTRAN o simplemente E-UTRAN. La organización 3GPP,

definió la arquitectura detalladamente en la especificación TS 36.300 y TS

36.401.

Como se mencionó anteriormente la red de acceso está compuesta por un

solo elemento activo, que es el “evolved-NodoB”, que cumple con la

finalidad, de entregar la conectividad entre la UE junto la red troncal EPC. El

eNodoB, puede comunicarse con el resto red LTE mediante tres interfaces,

la interfaz de radio, S1 y X2, como se muestra en la Ilustración 4.2.

Ilustración 4.2 Arquitectura E-UTRAN

Según TR 25.912 de 3GPP, menciona “el eNBs están interconectados entre

sí por medio de las interfaces de X2. Se supone que siempre existe una

interfaz entre el X2 eNBs que necesitan comunicarse entre sí, por ejemplo,

para el apoyo de la entrega de UEs en LTE_ACTIVE. Los eNBs también

están conectados por medio de la interfaz S1 de la EPC (Evolved Packet

36

Core). La interfaz S1 es compatible con una relación de muchos a muchos

entre aGWs y eNBs”

La función clave de un eNodoB, consiste en la gestión de los recursos radio,

como también las funciones de control de admisión de los servicios

portadores radio, control de movilidad (realizar un handover), asignación

dinámica de los recursos radio tanto en el enlace ascendente como

descendente (funciones de scheduling o programación), control de

interferencias entre estaciones base, control de la realización y del envío de

medidas desde los equipos de usuario que puedan ser útiles en la gestión de

recursos.

4.1.1.1.1 Interfaz de radio

La función que entrega la interfaz radio, es definir los mecanismos de

transferencia de información, dichos mecanismos están fundamentados en

la difusión de señalización de control, envío de paquetes IP y transferencia

de señalización de control entre un UE y el eNodoB, como se puede apreciar

en la Ilustración 4.3.

Ilustración 4.3 Mecanismos de la interfaz aérea para transmitir datos

El concepto de Difusión de Señalización de Control, permite que el eNodoB

envíe un aviso a todas las UE contenidas en la celda, indicando la presencia

del eNodoB junto con los requerimientos de operación de la red. Además

presenta la función de forzar una determinada UE a que no tenga una

conexión de control establecida con el eNodoB, inicie un acceso a la red

(función de aviso o paging). La información difundida, puede corresponder

tanto a información específica de la red de acceso (denominada información

37

del Access Stratum, AS) como de la red troncal (denominada información del

Non Access Stratum, NAS).

Otro mecanismo, es el envío de paquetes IP de los usuarios a través del

canal radio y aquí hay que ser enfático, la arquitectura de LTE soporta

exclusivamente paquetes IP, de esta manera no admite, paquetes X.25,

paquetes Frame Relay, tramas Ethernet, entre otras. Con ayuda de ciertos

protocolos, permiten la eficiencia y optimización del envío de tráfico IP a

través de la interfaz radio, los servicios portadores albergan funciones como

la compresión de cabeceras de los paquetes IP que permiten reducir el

número de bytes enviados por la interfaz radio, los headers IP

pertenecientes a un mismo tipo de tráfico contienen un gran número de

parámetros idénticos, tales como, direcciones origen y destino, por lo que no

resulta necesario enviar todos los bytes del header IP en cada uno de los

paquetes.

Por último la señalización de control dedicada entre el eNodoB y un equipo

de usuario, se inicia con una conexión de control, que es soportada

mediante el protocolo Radio Resource Control (RRC). Aquel protocolo,

permite se gestionan, además del establecimiento, modificación y liberación

de los servicios portadores radio entre el eNodoB y el equipo de usuario,

otros mecanismos claves para la gestión eficiente de los recursos radio.

Entre dichos mecanismos cabe citar el control y envío de medidas radio

desde los terminales hacía el eNodoB y el mecanismo de handover, que

permite que un equipo de usuario cambie de celda manteniendo activos

tanto la conexión de control como los posibles servicios portadores radio que

esté utilizando.

Es importante destacar el funcionamiento óptimo de la interfaz de radio, se

adquiere mediante el uso de ciertos protocolos que designan la calidad de

servicio hacia los usuarios. Dichos protocolos de la interfaz de radio serán

descritos en el capítulo 4.2 Protocolos en la red LTE.

4.1.1.1.2 Interfaz S1

Para poder a empezar a definir la interfaz S1, debemos comprender que

esta interfaz, se encuentra divida por el User Plane o Plano de Usuario y el

Control Plane o Plano Control, para ello, debemos prestar atención en la

Ilustración 4.4, toda la trasferencia de datos que ocurre entre el eNB y

Serving Gateway (S-GW), se le denomina Plano de Usuario, puesto que,

toda la información es transmitida por el usuario, a esta interfaz de le llama

S1-U. En cambio el Plano de Control, se le atribuye a la comunicación

existente con el eNB y el Mobility Management Entity (MME), asignándole

38

las funciones de control, como por ejemplo, la ejecución del handover,

establecimiento de las señales, paging, entre otras funciones, para esta

interfaz se denomina S1-C o S1-MME

Ilustración 4.4 Red de acceso E-UTRAN

Exponer sobre las cualidades que presenta la interfaz S1-U, solo se puede

mencionar que no realiza actividades de control o control de flujo, por lo

tanto, solo permite construir los servicios portadores de radio, enviando

tráfico IP. Esto ocurre porque se encuentra influenciado por la presencia del

protocolo UDP, ya que, este es un protocolo sencillo a nivel de capa de

transporte fundamentado en el modelo OSI.

Para la interfaz S1-C, el MME juega un papel muy importante, ya que,

permite realizar el control en la red troncal, teniendo la capacidad de

establecimiento, modificación y liberación de recursos de los servicios

portadores en la interfaz radio y en la interfaz S1. Por ello, el eNB y la UE no

puede iniciar por su cuenta el establecimiento de un servicio portador radio.

39

Ilustración 4.5 Control de establecimiento de los servicios portadores

También destaca la cualidad de establecer las reglas de handover entre los

eNodoB. Para poder entender dicha cualidad debemos ponernos en el caso

de que la red E-UTRAN decida que una UE debe cambiar de eNodoB en el

transcurso de una conexión, y no existe una interfaz X2 (revisar en el

capítulo 4.1.1.1.3 Interfaz X2) entre los dos eNodoB involucrados, la interfaz

S1-MME se encarga de generar el handover. De esta forma, a través de la

interfaz S1-MME, la entidad MME puede establecer un nuevo contexto en el

eNodoB destino asociado al UE que va a realizar el cambio con toda la

información relativa a la configuración de los servicios portadores que tiene

establecidos el usuario así como las claves de seguridad.

Por último el Paging, que en palabras sencillas es un procedimiento de

aviso, que utiliza la MME para establecer la localización de los equipos de

usuario en la red. La gestión de localización permite conocer con cierta

resolución en qué eNodoB o conjunto de eNodoB (denominados áreas de

seguimiento o Tracking areas) puede ser localizado un usuario que se

encuentre en modo idle, es decir, que no tenga establecida una conexión de

control RRC con ningún eNodoB. Por ello, cuan do el MME quiere forzar que

un usuario en modo Idle pase a modo activo, a través de la interfaz S1-MME

se ordena la ejecución del mecanismo de aviso en todos los posibles

eNodoB en los que espera encontrar al terminal. El tema del handover se

tomará a cabalidad en el capítulo 4.3.1, puesto que, compone una alta

complejidad.

40

4.1.1.1.3 Interfaz X2

La Interfaz X2, corresponde al Plano de Usuario, entregando la transmisión

de datos, entre las partes del usuario y el eNodoB, muy similar a los

servicios de la Interfaz S1, pero con la particularidad, de entregar los datos

no orientados a la conexión (Best Effort) ni la presencia de mecanismos de

control de errores y de control de flujo. La transferencia de los datos de

usuario entre el eNodoB se realiza únicamente durante los procedimientos

de handover en los que los paquetes de usuario almacenados en el eNodoB

antiguo se transfieren al eNodoB nuevo. De esta forma, el cambio de

eNodoB asociado a un procedimiento de handover puede resultar más

transparente al usuario ya que se reduce la posible pérdida de paquetes

durante el proceso.

Nótese que, sobre todo en servicios de datos, el eNodoB antiguo podría

tener acumulados en su buffer de transmisión paquetes IP del usuario en el

momento del cambio. Dichos paquetes, cuando el usuario deja de estar

accesible a través del eNodoB antiguo, podrían simplemente descartarse,

generando retardo y una posible reducción en la tasa de transferencia del

servicio asociado, ya que. la recuperación de dicha información recaería en

la operación de las capas superiores (protocolo TCP en la capa de

transporte). En cambio, si la propia red es capaz de transferir los paquetes

IP del eNodoB antiguo al eNodoB nuevo, el impacto en el servicio puede

reducirse notablemente. Respecto al plano de control, entre las funciones y

procedimientos soportados en la interfaz X2 destacan:

• Soporte del mecanismo de handover entre eNodoB. En concreto, a través

del plano de control se realiza la transferencia del contexto de un usuario del

eNB antiguo al nuevo y se controla el mecanismo de transferencia de

paquetes IP en el plano de usuario de X2. El contexto de usuario contiene

información relativa a los servicios portadores radio que tiene establecidos el

usuario, claves de seguridad así como los datos sobre las capacidades del

terminal.

• Indicación del estado de carga del eNodoB. A través de dicha interfaz,

eNodoB que tengan celdas vecinas pueden transferirse información para

llevar a cabo funciones de gestión de recursos radio como la coordinación de

interferencias entre celdas que operen en el mismo canal.

41

4.1.2 Arquitectura de la red troncal EPC

La red troncal EPC, es un gran núcleo, que tiene como objetivo proporcionar

el soporte y la utilización de los servicios IP, entregando la conectividad

mediante una arquitectura de red optimizada, capaz de interactuar de la

mejor manera con la red de acceso E-UTRAN, junto con la ayuda de otras

interfaces, logrando realizar funciones de control del servicio de

conectividad, tal como, la calidad de servicio y de los métodos de tarificación

hacia el cliente. Como también es la encargada de mantener el acceso a las

otras redes de acceso como GERAN y UTRAN (redes de accesos de 2G y

3G respectivamente).

En cuanto a los componentes que integra la red troncal EPC, está formada

por tres elementos de red, que son:

Mobility Management Entity (MME).

Serving Gateway (S-GW).

Packet Data Network Gateway (P-GW).

Cada uno de estos tres elementos de red, se acoplan directamente con el

Home Subscriber Server (HSS), que es una base de datos de la 3GPP. Tal

como en la arquitectura E-UTRAN, EPC, también posee interfaces que

permiten interconectar y entregar servicios dentro de toda la red de telefonía

móvil.

Ilustración 4.6 Arquitectura EPC

42

4.2 Protocolos en la red LTE

Dentro del mundo de las telecomunicaciones, muchos sistemas de

transmisión se encuentran definidos por un stack o una suite de protocolos,

como por ejemplo TCP/IP. La tecnología de la interfaz aérea de LTE,

también se encuentra definida por una pila de protocolos, sobre

determinadas capas, de las cuales, las podemos diferenciarlas en el Control

Plane o Plano de Control y por el User Plane o Plano de Usuario.

4.2.1 Stacks del protocolo en el plano de usuario de LTE

Protocolo entre la UE y la P-GW en E-UTRAN

Aquí podemos observar una gran cantidad de protocolos, que permiten el

funcionamiento óptimo de la red LTE. El GPRS Tunneling Protocol for the

user plane o GTP-U, corresponde a un protocolo de túneles de datos de

usuario entre eNodoB y el S-GW, así como también entre la S-GW y la P-

GW en la red troncal. Además el protocolo GTP, permite encapsular todos

los paquetes IP del usuario final.

Los controles de la MME del plano de usuario establecimiento del túnel,

permite establecer los servicios de portadoras del plano usuario entre

eNodoB y S-GW. El protocolo UDP/IP, son los protocolos de red troncal

utilizados para encaminar los datos del usuario, junto con el control de

señalización.

Cabe mencionar que el LTE-UU, corresponde al conjunto de los protocolos

de la E-UTRAN, que interactúan entre la UE y eNodoB y dichos se

especifican en el TS 36.300.

Esquema 4.1 Protocolo entre la UE y la P-GW en E-UTRAN

http://2.bp.blogspot.com/_iWzbeYpqU5Y/SwZdqHT_cFI/AAAAAAAAAxU/yQghPocE_YQ/s1600/UE - P GW user plane with E-UTRAN.PNG

43

Protocolos entre el eNodoB y S-GW

Esquema 4.2 Stacks de protocolos entre el eNodoB y la S-GW

Protocolos entre la UE y la PDN-GW en el plano de usuario, con

acceso 2G por la interfaz S-4

Esquema 4.3 Stacks de protocolos con acceso 2G por la interfaz S-4

http://4.bp.blogspot.com/_iWzbeYpqU5Y/SwZeIcTCkmI/AAAAAAAAAxY/NIaBPy6Fh5Y/s1600/eNodeB - S GW.PNG

http://2.bp.blogspot.com/_iWzbeYpqU5Y/SwZePa5a_QI/AAAAAAAAAxc/afzFHwrZ_pk/s1600/UE - PDN GW user plane with 2G access.PNG

http://4.bp.blogspot.com/_iWzbeYpqU5Y/SwZeIcTCkmI/AAAAAAAAAxY/NIaBPy6Fh5Y/s1600/eNodeB - S GW.PNG

http://2.bp.blogspot.com/_iWzbeYpqU5Y/SwZePa5a_QI/AAAAAAAAAxc/afzFHwrZ_pk/s1600/UE - PDN GW user plane with 2G access.PNG

44


acceso 3G por la interfaz S-12



acceso 3G por la interface S-4


4.2.2 Stacks del protocolo en el plano de control de LTE

Protocolos entre el eNodoB y MME

Dentro de los protocolos del plano de control entre el eNodoB y la MME, se

encuentra el S1 Application Protocol (S1-AP), que es protocolo de capa de

aplicación entre el eNodoB y el MME. También se encuentra el protocolo

SCTP, que permite garantizar la entrega de mensajes de señalización entre

MME y eNodoB (S1), aquel protocolo se estableció en el RFC 2960.

http://4.bp.blogspot.com/_iWzbeYpqU5Y/SwZeav77L0I/AAAAAAAAAxg/SgSlMxQ2gdY/s1600/UE - PDN GW user plane with 3G access via the S12 interface.PNG

http://1.bp.blogspot.com/_iWzbeYpqU5Y/SwZervLjEqI/AAAAAAAAAxk/28gifwF_sRY/s1600/UE - PDN GW user plane with 3G access via the S4 interface.PNG

http://4.bp.blogspot.com/_iWzbeYpqU5Y/SwZeav77L0I/AAAAAAAAAxg/SgSlMxQ2gdY/s1600/UE - PDN GW user plane with 3G access via the S12 interface.PNG

http://1.bp.blogspot.com/_iWzbeYpqU5Y/SwZervLjEqI/AAAAAAAAAxk/28gifwF_sRY/s1600/UE - PDN GW user plane with 3G access via the S4 interface.PNG

45

Esquema 4.6 Stack de protocolos entre el eNodoB y MME

Protocolos entre la UE y MME

El protocolo NAS, es compatible con la funcionalidad de gestión de la

movilidad y el plano del usuario portador de la activación, desactivación y

modificación. También es responsable de cifrado y protección de la

integridad de los NAS de señalización.

Esquema 4.7 Stacks de protocolos entre la UE y MME

http://3.bp.blogspot.com/_iWzbeYpqU5Y/SxdMQtb9WtI/AAAAAAAAA1E/puhGHCkk5ms/s1600/eNB-MME.PNG

http://2.bp.blogspot.com/_iWzbeYpqU5Y/SxdMpZPdY-I/AAAAAAAAA1I/W6pJpeEaYCc/s1600/Control Plane UE-MME.PNG

http://3.bp.blogspot.com/_iWzbeYpqU5Y/SxdMQtb9WtI/AAAAAAAAA1E/puhGHCkk5ms/s1600/eNB-MME.PNG

http://2.bp.blogspot.com/_iWzbeYpqU5Y/SxdMpZPdY-I/AAAAAAAAA1I/W6pJpeEaYCc/s1600/Control Plane UE-MME.PNG

46

Protocolos entre SGSN y la MME

El GPRS Tunneling Protocol for the control plane (GTP-C), el funcionamiento

es similar al GTP-U, pero la diferencia, es la señalización de los mensajes

entre SGSN y el MME (S3).

Esquema 4.8 Stack de protocolos entre la UE y MME

Protocolos entre SGSN y S-GW

Esquema 4.9 Stacks de protocolos entre SGSN y S-GW

http://4.bp.blogspot.com/_iWzbeYpqU5Y/SxdNNM3VIjI/AAAAAAAAA1M/xXXenO9To-Q/s1600/Control Plane for S3 Interface.PNG

http://4.bp.blogspot.com/_iWzbeYpqU5Y/SxdNV-EZ9EI/AAAAAAAAA1Q/RWI6eY-jWnY/s1600/Control Plane for S4 interface.PNG

http://4.bp.blogspot.com/_iWzbeYpqU5Y/SxdNNM3VIjI/AAAAAAAAA1M/xXXenO9To-Q/s1600/Control Plane for S3 Interface.PNG

http://4.bp.blogspot.com/_iWzbeYpqU5Y/SxdNV-EZ9EI/AAAAAAAAA1Q/RWI6eY-jWnY/s1600/Control Plane for S4 interface.PNG

47

Protocolos entre la S-GW y P-GW

Los protocolos que se comunican entre la S-GW y la P-GW, lo puede hacer

mediante las interfaces S-5 o S-8.

Esquema 4.10 Stacks de protocolos entre S-GW y P-GW

Protocolos entre la MME y MME

Esquema 4.11 Stacks de protocolos entre la MME y MME

http://3.bp.blogspot.com/_iWzbeYpqU5Y/SxdPMfypmCI/AAAAAAAAA1U/_JPiutPsx7k/s1600/Control Plane for S5 and S8 interfaces.PNG

http://1.bp.blogspot.com/_iWzbeYpqU5Y/SxdPg1nvIVI/AAAAAAAAA1Y/_aKDy5QPI6s/s1600/Control Plane for S10 interface.PNG

http://3.bp.blogspot.com/_iWzbeYpqU5Y/SxdPMfypmCI/AAAAAAAAA1U/_JPiutPsx7k/s1600/Control Plane for S5 and S8 interfaces.PNG

http://1.bp.blogspot.com/_iWzbeYpqU5Y/SxdPg1nvIVI/AAAAAAAAA1Y/_aKDy5QPI6s/s1600/Control Plane for S10 interface.PNG

48

Protocolos entre la MME y S-GW

Esquema 4.12 Stacks de protocolos la MME y S-GW

Protocolos entre MME y HSS

El protocolo Diámetro, permite la transferencia de datos de suscripción y

autenticación para la autorización del usuario para el acceso usuario al

sistema evolucionado entre MME y HSS (S6A). El protocolo Diámetro se

definió en el RFC 3588.

Esquema 4.13 Stacks de protocolos entre la MME y HSS

4.3 Movilidad en LTE

Para cualquier sistema telefónico móvil, entiéndase cualquier tecnología, la

movilidad corresponde a un factor clave, como requerimiento de la red,

específicamente en el QoS, entregando una alta complejidad en su

planificación. Como toda característica de LTE, esta también se encuentra

fundamentada por la 3GPP, en el cual, define un marco de apoyo a la

http://1.bp.blogspot.com/_iWzbeYpqU5Y/SxdPtsGTaOI/AAAAAAAAA1c/sgj2NwLHhGg/s1600/Control Plane for S11 interface.PNG

http://1.bp.blogspot.com/_iWzbeYpqU5Y/SxdPz686FtI/AAAAAAAAA1g/Zjp_9musyMk/s1600/Control Plane for S6a interface.PNG

http://1.bp.blogspot.com/_iWzbeYpqU5Y/SxdPtsGTaOI/AAAAAAAAA1c/sgj2NwLHhGg/s1600/Control Plane for S11 interface.PNG

http://1.bp.blogspot.com/_iWzbeYpqU5Y/SxdPz686FtI/AAAAAAAAA1g/Zjp_9musyMk/s1600/Control Plane for S6a interface.PNG

49

gestión de la movilidad incluyendo la gestión de entrega (handover) y la

localización.

Cuando nos referimos a la gestión de entrega, los usuarios se encuentran

conectados al sistema a través de una determinado eNodoB, irradiando una

zona específica (celda), pero muchas veces los usuarios no se encuentran

detenidos en una celda. De esta forma la red debe capaz de mantener todas

conexiones activas, aun cuando el dispositivo móvil se encuentre en

movimiento y deba cambiar de celda, sin perder el servicio al momento de

generar este cambio.

En cuanto a la localización, es un método de seguimiento que le permite a la

red encontrar una UE dentro de la zona de cobertura entregada por una

estación base. El mecanismo utilizado para entregar envío de avisos

(paging) a las UE de manera selectiva donde existan estaciones bases

capaces de manera probabilística encontrar a un usuario.

Esquema 4.14 Funcionamiento de la conectividad en LTE

Desde la perspectiva de la movilidad, la UE puede estar en uno de los tres

estados, LTE_ DETACHED, LTE_IDLE, y LTE_ACTIVE como se muestra en

Esquema 4.14. Estado LTE_DETACHED es normalmente un estado

transitorio en el que la UE está activada, pero está en el proceso de

búsqueda y registro de con la red. En el estado LTE_ACTIVE, la UE está

registrada en la red y tiene una conexión RRC con el eNodoB, así la red

conoce la celda a la que pertenece la UE y puede transmitir y/o recibir datos

desde el mismo equipo. El estado LTE_IDLE es un estado “stand-by” para la

UE, donde normalmente la UE no está transmitiendo o recibiendo datos.

Además en este estado, la ubicación de la UE sólo se conoce en el MME y

50

sólo en el nivel de detalle de un área de seguimiento (TA), que consiste en

eNBs múltiples. El MME conoce la asistencia técnica en la que la UE registró

por última vez y el paging es necesario localizar la UE a una celda.

4.3.1 Gestión de handover

En este capítulo hablar de manera general sobre el handover, no es

necesario, ya que, se realizó una revisión completa en el capítulo 1, la

función que cumple en el LTE es mantener la conexión de tráfico para el

movimiento de una UE, en presencia de la función de transferencia. Aquel

concepto de función de transferencia funciona cuando la UE se mueve

desde el área de cobertura de una celda a otra, se debe generar una nueva

conexión con la nueva celda, una vez que la conexión se ha establecida con

la nueva celda, la celda antigua es liberada. En general, la función de

transferencia se desglosa en tres etapas o fases principales, Fase de

Medición, Fase de Decisión y Fase de Ejecución, tal como se muestra en el

Esquema 4.15.

Esquema 4.15 Fases de función de transferencia

En la Fase de medición cobra un papel fundamental, si lo miramos del punto

de vista de rendimiento, porque la intensidad de la señal del canal de radio

puede variar drásticamente debido a los fenómenos de “fading” y la perdida

de trayectoria, entre el entorno de la celda y la movilidad del usuario, a esto

se le llama, criterio de medición. Dentro de este mismo enfoque sobre el

rendimiento, puede ser una ejecución de un exceso de informes de

medición de la UE o la llegada de una señalización por la red lo que

aumenta.

51

La fase de decisión está sujeta a múltiples parámetros, tales como el ancho

de banda, delay, jitter, potencia de transmisión, el estado actual de la batería

del celular, y las preferencias del usuario (en que red le acomoda el

servicio). Durante la fase de ejecución de la entrega, conexiones deben ser

re-enviadas desde la red ya existente hacia la nueva red de manera sencilla

(sin excesos de protocolos). Esta fase también incluye la autenticación y

autorización y la transferencia de información del usuario.

4.3.1.1 Ejecución de handover

El mecanismo de handover especificado en LTE se controla desde la red (la

red decide el cambio de estación base) teniendo en cuenta medidas

enviadas desde los equipos de usuario (handover controlado por la red y

asistido por el terminal). Concretamente, la decisión de llevar a cabo un

cambio de eNodoB de un terminal en modo conectado, la toma el propio

eNodoB con el que el equipo de usuario mantiene una conexión RRC activa.

El control del mecanismo de handover, se establece en base a criterios y

algoritmos de decisión, atendiendo a que la función que controla las

decisiones de handover constituye una de las funciones clave para la gestión

eficiente de los recursos radio en E-UTRAN.

Una vez tomada la decisión sobre la necesidad de realizar un handover, la

propia red se encarga de reservar los recursos necesarios en el eNodoB

destino, para reducir el tiempo de interrupción (durante este tiempo de

preparación el terminal sigue conectado al eNodoB antiguo) así como el

número de intentos de handover fallidos. Una vez la red garantiza, que el

terminal puede ser traspasado al nuevo eNodoB, la red ordena al terminal

que ejecute el cambio. Este planteamiento se conoce popularmente como

“Make Before Break”, en contraposición a otro planteamiento denominado

“Break Before Make” donde el terminal realizaría el cambio de eNodoB sin

haberse efectuado ninguna reserva de recursos en el eNodoB de destino.

Durante la realización del proceso de handover, la propia red dispone de

mecanismos para transferir los paquetes del usuario pendientes de

transmisión en el viejo eNodoB hacia el eNodoB destino, mediante la

utilización de la interfaz X2. Este planteamiento permite reducir el número de

paquetes perdidos durante la ejecución de un handover.

52

4.3.1.2 Handover intra-LTE

El handover entre eNodoB conectados mediante una interfaz X2,

estableciendo un plano de usuario entre eNodoB para el envío de datos

durante el proceso de handover. Además, a través de X2, la señalización del

procedimiento así como la transferencia del contexto de datos asociado al

equipo terminal puede llevarse a cabo directamente entre el eNodoB, sin

pasar por el nodo MME de la red troncal.

También se puede dar el caso de un handover entre eNodoB que no

disponen de la interfaz X2. En este caso, no es posible el envío de paquetes

de usuario entre los eNodoB y la señalización de handover debe articularse

necesariamente a través de la entidad MME.

En el último caso de handover, es el handover entre eNodoB, soporten o no

soporten la interfaz X2, que requiera la reubicación de alguno de los nodos

de la troncal EPC. En este caso, el cambio de eNodoB podría conllevar el

cambio de la pasarela S-GW a través de la cual está establecido el plano de

usuario o bien del nodo MME que termina el plano de control con el equipo

de usuario. El caso más complejo sería el de un handover donde se

cambiaran ambos, S-GW y MME.

4.3.1.3 Handover con soporte de la interfaz X2

Este procedimiento es utilizado para transferir la conexión de un equipo de

usuario entre dos eNodoB que se encuentren conectados entre ellos

mediante una interfaz X2. El procedimiento se muestra en la Ilustración 4.7,

para el caso en que las entidades de la red troncal MME y S-GW no cambian

en el proceso. El punto de partida del procedimiento representado es el de

un terminal UE que mantiene una conexión RRC (el terminal se encuentra

en modo RRC_CONNECTED, y por extensión, en modo ECM-Connected)

con el eNodoB de origen y tiene activado uno o varios servicios portadores

EPS con la red LTE.

53

Ilustración 4.7 Procedimiento de handover basado en X2

4.3.1.4 Handover sin soporte de la interfaz X2

Este procedimiento de handover, denominado como handover basado en

S1, se utiliza en caso de que las estaciones bases de origen y destino no

estén conectadas mediante una interfaz X2. La Ilustración 4.8 muestra la

operativa de este procedimiento en el mismo escenario planteado para el

análisis del handover basado en X2. Para poder facilitar la comparación de

ambos procedimientos, los mensajes nuevos necesarios en el handover

basado en S1 se resaltan en color rojo en la Ilustración 4.8.

54

Ilustración 4.8 Procedimiento de handover no basado en X2

55

Capítulo V: Red de transporte

En este capítulo, se conocerá las características de una red backhaul o red

de transporte, la que tiene como objetivo, facilitar el transporte para una red

de acceso de radio móvil (RAN) y permitiendo conectar las estaciones bases

con sus correspondientes controladores. El término de controladores, se

utiliza en el contexto de la EPC (Evolved Packet Core), incluyendo MME y

S/P-GW. En esencia, una red típica construida para backhaul, se compone

de tres ejes: Core, Aggregation y Access, como se muestra en la Ilustración

5.1. Los límites del dominio son en su mayoría, definidas por la tecnología y

la topología utilizada en la red y los nodos de la radio desplegados.

La red de acceso proporciona la conectividad a la BS en los sitios, con una

determinada celda, basados en una topología de tipo árbol o cadena,

estructuradas con enlaces de radio, pero así también se emplean enlaces

fibra y pares de cobre.

A partir de la red de agregación (Aggregation), se utiliza muy a menudo la

topología de anillo y de malla, empleando la fibra óptica. La red de

agregación termina, normalmente, en el área de control. Los sitios de control

se conectan a los otros sitios del controlador, en cambio, la red del núcleo,

corresponde a la red principal, que es casi en todos los casos una red de

conmutación de paquetes IP/MPLS.

Ilustración 5.1 Red típica del backhaul

La red de backhaul, trabaja sólo en las redes de acceso y agregación. La

cual, la red de acceso puede estar compuesto en varios sub-dominios, como

lo muestra la Ilustración 5.1 (“First mile” y “Second mile”), a esto se debe, a

56

que el operador móvil puede considerar, múltiples tecnologías físicas, como

también, topologías alternativas. El “First mile”, se conecta con un dispositivo

de demarcación, que por lo general, se despliega un lugar de la celda, aquí

los datos se concentración. En el “Second mile”, el tráfico de la red de

acceso se suma a los de la red agregado, adaptando los datos a cualquier

cambio de tecnología y así proporciona el punto de entrega a una red de

metro/agregación. Otro dispositivo de demarcación existe en el borde

derecho de la red de agregación, en donde, la conexión de la red de retorno,

es acoplada directamente a un controlador del núcleo de red.

Los nodos que forman parte de una red de transporte son:

Puerta de enlace del sitio de la celda (CSG), normalmente se

despliega en un sitio de una celda.

Nodos de paquetes, que pertenecen a la red de acceso o de

agregación.

Gateway de agregación del sitio móvil (MASG), que actúa como

contraparte de la CSG.

El término de “Physical Connectivity” o Conectividad Física, se utiliza para

representar cualquier tipo de tecnología, empleada para conectar los nodos,

así en la parte superior de la capa física de la capa de red se pueden

encontrar estos tipos de nodos. El objetivo de la Conectividad Física, se

aplica para abarcar todas las posibles arquitecturas lógicas necesarias para

dirigir el tráfico y las aplicaciones de LTE.

La capa más alta se encuentra representada por el servicio, se aplica a las

interfaces de S1 y X2, el transporte de datos en las interfaces S1 y X2 se

basa en el envío de datagramas IP. Con esto permite cumplir el requisito

fundamental de una red de transporte o backhaul, dar apoyo a LTE, basados

en los siguientes puntos:

La red de retorno está basada de paquetes IP.

Proporciona el ancho de banda requerido.

Los nodos de red se caracterizan por el uso de interfaces de alta

capacidad y realizar la agregación de tráfico con su respectivo QoS.

Permite la Operación, Administración y Mantenimiento (OAM) de

extremo a extremo de la red.

Un menor en el TCO o Costo Total de Propiedad, que los sistemas

tradicionales de TDM o híbrida (TDM y Ethernet), exigían un mayor

costo.

57

5. Topología de un backhaul LTE

La topología de la red de transporte entre los eNodoB y la EPC puede ser

representadas por una estructura de red en forma de cadena, anillo, estrella,

malla o mixtas. De manera que, la configuración utilizada red, dependerá de

la capacidad de los nodos, elegidos por la operadora para mantener una

seguridad en la red ante cualquier catástrofe necesaria. Las estaciones base

pueden actuar como concentrador de tráfico, si trabajamos con la topología

de estrella, donde todo el tráfico, pasa por un solo nodo. Las infraestructuras

de interconexión utilizadas en la red de transporte pueden ser propias del

operador o arrendadas a otros operadores, como lo que ocurre con Entel

PCS que paga un arriendo a Entel Datos por el uso del backhaul de las

redes. Por otra parte la selección del medio de transmisión a usar el

backhaul depende de las necesidades del operador y su costo, pares de

cobre, fibra óptica y radioenlaces de microondas.

Ilustración 5.2 Tipos de topologías

5.1 Soluciones tecnológicas en la red de transporte.

Dependiendo de los proveedores de las tecnologías de transmisión física,

han permitido desplegar cada una de estas tecnologías por separado o de

forma combinada, permitiendo formar una red de backhaul bastante robusta.

58

Las tecnologías más usadas en la capa física del backhaul, corresponde que

se mencionan a continuación:

Enlace de microondas, punto a punto.

Enlace de microondas, punto a multipunto.

DSL.

GPON.

Red Ethernet o fibra punto a punto.

Red de anillo o malla, ya sea, Ethernet, NG-SDH o DWDM.

5.1.1 Tecnologías en el Backhaul de LTE

La evolución a un backhaul IP para redes móviles tiene dos posibles

soluciones tecnológicas, por medio de Ethernet (capa 2), a través de MPLS

(capa 2-3). Cada una de estas tecnologías deben lo sufrientemente capaz de

cumplir los requerimientos de la 3GPP en la red de transporte. Pero 3GPP,

no especifica la tecnología, por lo tanto, cae en el criterio del operador. Las

más utilizadas dentro de LTE, son las que se nombrarán a continuación.

5.1.1.1 Ethernet

Establecer una solución en capa dos del modelo OSI es rentable, sin

embargo carece de fiabilidad, escalabilidad y manejabilidad. Esta red troncal

de transporte basada en Ethernet reemplaza la tecnología de aprendizaje de

direcciones MAC por un sistema centralizado de administración de red

(NMS) para gestionar la ruta de transmisión. Esta solución combina la

estructura simple y de bajo costo de Ethernet junto con la administración

centralizada y las capacidades de configuración de los actuales sistemas

SDH. No obstante, cabe destacar que esta solución carece del soporte de

las distintas empresas de la industria ya que como principal desventaja no

presenta calidad de servicio para los distintos servicios que una red de

nueva tecnología soporta.

59

Ilustración 5.3 Carrier Ethernet

5.1.1.2 IP/MPLS

La tecnología MPLS o también conocida como, Multiprotocol Label

Switching, es un mecanismo de transmisión que transporta los datos de un

nodo de red a otro con la ayuda de las etiquetas. MPLS hace que sea fácil

en crear "vínculos virtuales" entre los nodos distantes. Se pueden

encapsular los paquetes de protocolos de red diferentes. MPLS se ubica

entre la capa 3 de Red y capa 2 de Enlace de Datos del modelo OSI.

MPLS ofrece una arquitectura de red orientada a conexión, la cual utiliza

túneles estáticos llamados LSP (Label Switch Path) para establecer una

conexión fija. Luego de define la trayectoria del paquete y se agrega una

etiqueta a la entrada de la red MPLS, el cual posee la trayectoria que seguirá

el paquete. Cada router de la red MPLS tiene conocimiento de la ruta a

seguir de manera que podrá enrutarlo hacia el siguiente nodo. Por último el

router del borde de la red MPLS retira la etiqueta para que siga su

trayectoria final.

60

Ilustración 5.4 Principio de conmutación en la red IP/MPLS

MPLS soporta múltiples tecnologías (ATM, TDM, SDH). Así, también incluye

la tecnología “Pseudo Wire” (PW) que permite la compatibilidad con el

servicio tradicional de TDM y ATM. Incluso integra un NMS (Network

Management System) centralizado para poder provisionar, gestionar los

túneles y provee el servicio monitoreo similar a SDH.

MPLS es la solución que está creciendo como la tecnología principal de

transporte en un futuro cercano. Sin embargo tiene muchas extensiones que

poseen dificultades para ser implementado como OAM (Operation,

Administration, Management) a diferencia de SDH. Afortunadamente existe

una nueva característica llamada MPLS “Transport Profile” (MPLS-TP) que

se está desarrollando para evitar estos problemas.

5.1.1.3 MPLS-TP (MPLS Traffic Profile)

La principal característica de esta tecnología es de extender MPLS cuando

sea necesario agregándole herramientas de OAM. MPLS-TP puede ser

comparado con SDH en términos de fiabilidad y capacidad de

monitoreo. Esta estrictamente orientado a conexión y provee el transporte de

paquetes y servicios de TDM sobre redes ópticas. Asegura que el tráfico sea

transportado de manera fiable a través de un monitoreo “end to end” con el

mejor rendimiento. Además permite la ingeniería de tráfico y reserva de

recurso si es necesario.

Es una tecnología altamente escalable que tiene la habilidad de soportar

varios clientes con diferentes tráficos. Además puede trabajar sobre otras

tecnologías como Ethernet, SDH, ATM, entre otras, pudiendo soportar

multiservicios que permiten transportar cualquier tipo de tráfico de los

clientes.

61

Ilustración 5.5 Convergencia de la red de transporte

5.2 Escenarios del backhaul en LTE

Este capítulo se mencionará dos escenarios, en las cuales, se han

implementado una serie de tecnologías más comunes que ofrecen los

proveedores en la red. Cada uno de estos análisis de la arquitectura

orientada desde L2 hasta L3, junto con los respectivos protocolos

encapsulados en la red.

En cada uno de los dos escenarios que se han definido, se mostrara el uso

de la tecnología Ethernet (estandarizada por IEEE 802.3), puesto que, se

espera que dicha tecnología de transporte sea la dominante en el futuro. El

uso de las interfaces de Ethernet ha sido también asumido por todas las

estaciones base y por todos los tipos de controlador.

Otra tecnología a destacar es MPLS-TP y IP/MPLS, ambas tienen su propia

aplicación en los escenarios se presentan a continuación, con su propia

62

especificaciones. El uso de MPLS en el backhaul, se basa en que permite

una la combinación de distintos protocolos. Los que IP/MPLS puede ser

utilizado para la implementación de protocolos en L2 y L3 VPN. Para MPLS-

TP tiene su aplicación, para los servicios de transporte punto a punto, en el

caso de L2 VPN (VPWS), que se puede extender también a la red de

agregación.

5.2.1 Escenario con Carrier Ethernet

El primer escenario se caracteriza por tener Ethernet, en la capa de servicio,

la cual, transporta el tráfico de las interfaces S1 y X2, en la parte superior de

cualquier red de transporte utilizado, ya sea en el acceso y agregación. El

escenario 1 se representa en la siguiente Ilustración 5.6

La dirección del tráfico se basa en una VLAN, se establecen las conexiones

de la Ethernet virtual entre eNodoB y MME o S/P-GW. La capa de servicios

puede basarse en cualquiera de los modelos MEF (E-Line, E-LAN, E-Tree),

según corresponda.

Para la operadora, puede optar a favor de una menor latencia (manteniendo

el punto de conexión cerca del eNodoB) o un mayor control del tráfico (lo

que mueve el punto de conexión X2 cerca de la EPC).

Ilustración 5.6 Escenario de ethernet

5.2.1.1 Aplicabilidad

Este escenario no se encuentra implementada la tecnología IP/MPLS para la

redundancia y protección. Es más la confiabilidad de Carrier Ethernet, es

proporcionada por los mecanismos de protección en la transmisión de la

capa física, por ejemplo, microondas 1+1 hot-standby, las líneas arrendadas

63

en los LAG, entre otras. De extremo a extremo OAM se encuentra en el nivel

Ethernet (802.1AG, 802.3AH, Y.1731 son ejemplos de herramientas

disponibles).

5.2.1.2 Stack de protocolos

Algunos stacks de protocolos que soportan esta arquitectura lógica se

muestra en la Ilustración 5.1. Como se mencionó anteriormente, la atención

se centra en Ethernet como capa de transporte, pero no se debe confundir el

concepto de capa de transporte del modelo OSI, son muy distintos, común

en la parte superior de cualquier tecnología de transmisión, pero otras

soluciones también pueden ser consideradas, como por ejemplo SDH.

El primer ejemplo es un escenario, como base el protocolo IEEE 802.1AD.

La VLAN de servicio (S-VLAN) se utiliza para llevar a VLANs de cliente (C-

VLAN) en el dominio Ethernet. Uno o más C-VLAN que se pueden usar, por

el eNodoB o VLANs por los diferentes flujos. El plano de control de Ethernet

está representado, por protocolos como G.8031 (Ethernet Protección de

línea), G.8032 (Protección Ethernet Ring) o los algoritmos del Spanning Tree

Protocol.

Ilustración 5.7 Stack de protocolos con IEEE 802.1AD

En el segundo ejemplo de Carrier Ethernet, se muestra en la Ilustración 5.8,

en ella se utiliza una red de transporte de tipo SDH, empleada en la red de

acceso y agregación, a esto también se le conoce como Modelo de Ethernet

sobre SDH.

64

Ilustración 5.8 Stack de protocolos que soportan SDH

5.2.2 Escenario 2 Acceso con MPLS más VPN en L2/L3

Este escenario se centra principalmente en la capacidad de transporte de

MPLS, que también se utiliza en la red de acceso. Específicamente MPLS o

MPLS-TP es considera para la construcción de enlaces punto-a-punto en el

dominio de acceso como una forma de solución para el ingreso de la VPN en

el dominio de agregación.

Ilustración 5.9 Escenario con MPLS, en una VPN L2/L3

65

5.2.2.1 Aplicabilidad

Aquí se utiliza el transporte de MPLS/MPLS-TP, incluso en el dominio de

acceso. Al transportar el tráfico relevante a través de la red de acceso hasta

el primer nodo de agregación, donde el tráfico entra en L2 o L3 VPN. De

extremo a extremo el OAM se puede activar a través de mecanismos

estándar como VCCV ping, trace-route o BFD.

5.2.2.2 Stack de protocolos

Tal como en el escenario anterior, se presentan aquí dos ejemplos de los

protocolos asociados en una determinada red de backhaul. El primer

ejemplo se basa en una VPN L2 en el dominio de agregación (H-VPLS).

Ilustración 5.10 Stack de protocolos en la VPN L2

Los ejemplos en segundo lugar solamente diferencian por tener un VPN L3

en la agregación.

66

Ilustración 5.11 Stack de protocolos en la VPN L3

67

Capítulo VI: Requerimientos técnicos de LTE y de la red de

transporte (backhaul)

6. Performance en LTE

En este capítulo analizaremos los requerimientos de una red LTE, definidas

en el Release 8, aquellos requerimientos permiten que la red funcione

satisfactoriamente en función a la calidad de servicio. Por ello la 3GPP

definió cada una de estas variables, como por ejemplo latencia, handover,

throughput (rendimiento), entre otras. Cada una estas características al ser

mencionadas no cobran mucho sentido por sí solas, no obstante, si a estas

variables las comparamos con otra tecnología de acceso, establecer

simulaciones de la red o mostrar escenarios en donde LTE haya sido

desplegado.

Las simulaciones de los sistemas móviles, corresponde a una herramienta

muy poderosa e importante a la hora de evaluar el rendimiento de la red, el

despliegue de una red en la vida real, está siempre sujeta a mediciones y

evaluación en el campo de un sistema ya implementado y sus valores tales,

representan un válido ejemplo de rendimiento para una configuración de

sistema determinado. Sin embargo, al realizar prueba de campo, la calidad

se ve opacada, puesto que, las modificaciones de la red alteran el servicio,

muy parecido a la telefonía fija, en la cual los técnicos interrumpen el

servicios a los abonados para realizar las pruebas, así si un usuario desea

utilizar el servicio se encontrará con la sorpresa de que no podrá realizar una

llamada como tampoco recibir una. La utilización de simuladores cobra

mucho más sentido para evitar la interrupción del servicio, sin afectando al

usuario y obtener resultados cuantificables por parte de la operadora, dentro

de las ventajas del uso de simuladores son:

Permite la evaluación de los conceptos de un sistema que no se han

implementado o están todavía en desarrollo, como por ejemplo LTE-

Advanced10.

Existe un control total del medio, incluidos los parámetros de

propagación, el tráfico y la trazabilidad completa de todos los

parámetros que afectan el resultado.

Los experimentos que se realizan, están bien controlados para poder

comparar las impresiones similares del sistema o de partes de las

impresiones que se puede hacer bajo condiciones repetibles.

10

Apunta a convertirse en el sucesor de LTE

68

Cualquier simulación realizada en base a su “performance” o rendimiento, se

debe considerar el contexto real del rendimiento de la red y esta depende de

muchos parámetros que son difíciles de controlar, tales como:

El entorno móvil, incluyendo las condiciones del canal, que se

extiende al tipo de desorden, las velocidades de móviles, el uso de

interior/exterior, y las brechas de la cobertura.

Los usuarios relacionados con el comportamiento, tales como, la

actividad de voz, la distribución del tráfico, y el servicio de distribución.

Regulación del sistema de calidad de servicio y la calidad de la red.

Los aspectos de implementación, como los tipos de sitios, la altura de

la antena y sus clases, y el plan de reutilización de frecuencias.

Los parámetros adicionales que no se suele seguir el patrón, como

señalización de la capacidad y el rendimiento y la calidad de la

medición.

No existe una medida única y estándar de funcionamiento para un sistema

de telecomunicaciones determinado, a raíz de esto, la calidad de servicio y

la calidad de experiencia, entre los usuarios y las operadoras, difieren

demasiado al momento de definir el buen desempeño del servicio. Por

ejemplo, si observamos, el punto de vista de los usuarios, ellos desean

experimentar el nivel más alto posible de calidad. En cambio, los operadores

desean obtener los máximos ingresos, tal es el caso, de tener una gran

cantidad de usuarios inmersos en un sistema de telecomunicación

determinado.

Ahora el dilema, ante este problema es ¿Cómo puedo considerar un

funcionamiento óptimo de la red, en contraste a la visión del usuario y

operador? La respuesta se conjuga con la evolución de 3G a 4G, más

específico, HSPA+ y LTE, las cuales tienen el potencial de hacer ambas

cosas, si lo comparación con versiones anteriores de WCDMA, la evolución

se hace necesaria para obtener mejores velocidades en la transmisión de

datos, sumado con un menor retardo, en palabras más sencilla, LTE busca

mejorar tanto el servicio de experiencia (el punto de vista del usuario final) y

la capacidad del sistema (punto de vista del operador). En este contexto,

también es fundamental tener en cuenta que el rendimiento del sistema y la

capacidad será función de su diseño. Esta característica de diseño puede

ser por ejemplo, MIMO u otras técnicas de antena avanzadas que se

introducen en los sistemas 3G y fue evolucionado.

69

6.1 Performance en perspectiva del usuario y operador

6.1.1 Performance en perspectiva del usuario

Para el usuario, en el momento de acceder cualquier servicio de Internet, ya

sea, ver una página web o ver un video online, esto se logra con la

conmutación de paquetes de datos, aquí los usuarios, describen la calidad

del servicio en función al retardo que se experimenta desde el instante de

iniciar la descarga hasta que la página web o el video online se muestre en

la pantalla del usuario. Lo que sí es importante, mencionar que los recursos

asignados a los usuarios no son de carácter discreto, como ocurre en la

telefonía fija, donde la operadora le asigna un recurso fijo en el instante en

que los usuarios establezcan la ruta de comunicación. En cambio, las

operadoras de la telefonía móvil los recursos de la red que le asignan a los

usuarios son dinámicos, ya que, los recursos de la red no están reservados

para cada usuario, así el retardo aumenta con el tamaño de la información a

descargar.

Ilustración 6.1 Definición de la taza de datos requeridos en el Performance de LTE

Si existe único usuario acoplado en la red LTE, será capaz de experimentar

excelentes condiciones de radio, pudiendo disfrutar de la velocidad peak de

70

la interfaz de radio, como la Ilustración 6.1. Pero de que exista solo un

usuario conectado a la red es una condición utópica, ya que, normalmente

los recursos de radio se comparten con otros usuarios. Debemos agregar

que si las condiciones de radio no son las más óptimas o existe la

interferencia de otros usuarios, la tasa de datos de interfaz de radio, será

mucho menor que la tasa máxima de la velocidad de datos. Además,

algunos paquetes de datos se pueden perder, en cuyo caso, los datos que

faltan deben ser retransmitidos, reduciendo aún más la tasa de datos desde

los protocolos de las capas superiores, sumado a esto, la tasa efectiva de

datos disminuye aún más la distancia de la celda aumentada, debido a las

pobres condiciones de radio en los bordes de la celda.

El protocolo TCP, es un protocolo correspondiente a la capa cuatro del

modelo OSI, en el área del Networking, es muy usado junto con el protocolo

IP, porque le entrega la confiabilidad que no es capaz de entregar IP. Sin

embargo, TCP es un protocolo demasiado complejo y esto hace que la red

sea muy sensible en cuanto al retardo que produce el algoritmo de inicio de

comunicación o también conocido como el hand-shack de tres vías. Aquel

algoritmo de inicio de la comunicación, tiene como finalidad, de garantizar

que la transmisión de la tasa de paquetes del emisor, la cual, no exceda la

capacidad de los nodos de la red ni las interfaces. Por último la latencia de

red, es una medida del tiempo que define, cuánto tarda un paquete en viajar

desde un usuario al servidor de la aplicación y viceversa, dentro del

protocolo TCP tiene un impacto directo en el rendimiento, debido al control

de flujo que realiza este. Por lo tanto, un objetivo importante en el diseño, en

LTE, es reducir la latencia de la red. Otro criterio relacionado con la calidad,

pero este está más enfocado para el usuario final o receptor y este se refiere

al tiempo de preparación para iniciar, por ejemplo, una sesión de web-

browsing.

6.1.2 Performance en perspectiva del operador

Como vimos anteriormente, los recursos de radio deben ser compartidos

cuando varios usuarios se conectan de la red, lo que provocan como

resultado, que todos los datos que desean enviar los usuarios estos se

quedan en cola antes de que se puedan transmitir, obviamente, esto limita la

tasa de datos para cada usuario. Para poder evitar esto, las operadoras se

encargan del “scheduling” de los recursos de radio, permitiendo así, mejorar

el rendimiento del sistema o el número total de bits por segundo transmitidos

a través de la interfaz de radio. Una medida común de rendimiento del

sistema es "la eficiencia del espectro", que es el rendimiento del sistema por

MHz de espectro en cada sector del sistema.

71

Una medida importante del rendimiento de los operadores es el número de

usuarios activos que se pueden conectar simultáneamente, dado que los

recursos del sistema son limitados, entregando un equilibrio entre el número

de usuarios activos y la calidad percibida del servicio en términos de

rendimiento por parte del usuario.

6.2 Calidad de servicio (QoS)

El termino de calidad de servicio o quality of service (QoS), es muy utilizado

en telecomunicaciones, que permite describir la experiencia de un usuario o

de una aplicación recibida dentro de la red. A modo general, la calidad de

servicio consiste en una amplia gama de tecnologías, arquitectura y

protocolos, en el caso de LTE, podemos encontrar, MIMO, arquitectura de la

interfaz aérea, protocolo RRC, entre otras características, por esta razón, los

operadores de las redes móviles ocupan cada una de estas características

para lograr QoS óptimo de extremo a extremo dentro de la red.

En cuanto a LTE, este debe entregar un mayor rendimiento, baja latencia,

tecnología FDD y TDD en una misma plataforma, permitiendo entregar una

mejor calidad y una mejor experiencia para los usuarios, lo que a priori,

entrega una mejor capacidad de ofrecer servicios sofisticados y aplicaciones,

tales como, VoIP, streaming de alta definición de vídeo, gaming con una baja

latencia, transferencias de archivos peer-to-peer. Ahora bien, para poder

lograr que LTE entregue todos los beneficios mencionados anteriormente, se

requiere una red de backhaul eficiente que debe ser compatible con los

grandes anchos de banda que requieren los servicios, logrando así,

garantizar la calidad, pero la tecnología del backhaul debe ser compatible

con cualquier servicio desde cualquier extremo de la red, manteniendo un

menor costo.

Dentro de una red, por lo general lleva muchos servicios y solicitudes de

servicio de muchos usuarios al mismo tiempo y cada uno de estos servicios

tiene sus propios requisitos, pero los recursos dentro de la red son limitados,

por consiguiente, saturaría la red afectando la transmisión de datos. Ante

este problema LTE introduce un concepto de calidad de servicio

relativamente simple, que consta de clases de tráfico y algunos de los

atributos de QoS para definir las características de tráfico. La diferenciación

de calidad de servicio se convierte muy útil para la eficiencia de la red

durante una alta carga de datos cuando existen muchos servicios, y cada

uno de estos servicios contiene distintos retardos. Como también la interfaz

aérea posee conocimiento sobre el retardo de los distintos servicios que

utiliza el usuario, por consiguiente, será capaz de priorizar los servicios y en

consecuencia mejorar la eficiencia de la utilización de la red.

72

6.2.1 Mecanismos de QoS en LTE

Para poder entregar una calidad de servicio de extremo a extremo, se

requiere una serie de mecanismos, tanto en el plano de control, como en el

plano de usuario. Los mecanismos del plano de control, son necesarios para

permitir a los usuarios y a la misma red, de negociar y ponerse de acuerdo

sobre las especificaciones necesarias del QoS, para poder identificar a los

usuarios y las aplicaciones, a qué tipo de calidad de servicio tiene como

derecho, lo que, permite dejar a la red lo más adecuada, en relación a la

asignación de recursos a cada uno de los servicio. En cambio, los

mecanismos del plano usuario, están obligados a cumplir el acuerdo sobre

las necesidades de calidad de servicio mediante el control de la cantidad de

recursos de la red, en que cada usuario de la aplicación puede consumir.

Dentro de estos mecanismos podemos diferenciar tres tipos de control de

calidad de servicio

Control de QoS a nivel de portadora.

Control de QoS en el nivel de servicio de flujo de datos.

Control de QoS en el plano de control y de usuario.

6.2.1.1 Control de QoS a nivel de portadora

El comportamiento esperable en términos de prestaciones del QoS en un

servicio portador EPS depende del tipo de servicio final que se curse a

través de dicho servicio portador. Por ejemplo, la implementación de un

servicio P2P, el comportamiento del QoS que tendrá dicho servicio, será

muy distinto en caso de trabajar con un servicio de VoIP o un servicio de

navegación HTTP, tanto en la cantidad de recursos de transmisión y la

constante de asignación dinámica de los mismos, también será

completamente diferente en ambos casos. Sumado a esto, los parámetros

de QoS exigibles al servicio portador pueden también fijarse en función del

tipo de usuario. De este modo, los envíos de cada servicio, tendrán un

tratamiento especial para que una misma portadora reciba el reenvió de

paquetes, de acuerdo a una política de planificación, la política de gestión de

colas, la tasa de formación de la política, y la configuración de la capa de

enlace. Para poder proporcionar el reenvío de diferentes paquetes, este

requiere un tratamiento de portadoras por separado, lo que en LTE es

compatible con dos tipos de portadoras:

Garantiza la tasa de bit (GBR), se encuentra dedicado a los recursos

de la red, relacionando con un valor GBR con el portador asignado de

73

manera permanente cuando el portador llega hacer establecido o

modificado.

No garantiza la tasa de bits (non-GBR), se utiliza una portadora por

defecto, que también se utiliza para establecer la conectividad IP.

Cualquier portadora adicional se conoce como “portadora dedicada” y

puede ser GBR o non-GBR.

El operador tiene la facultad de poder controlar los envíos de paquetes que

se asignan al portador dedicado, así como el nivel de calidad de servicio del

portador dedicado a través de políticas que se aprovisionan en la red, la

Función de Recursos de Tarificación y Política o en inglés, Policy and

Charging Resource Funtion (PCRF). El PCRF define los flujos de paquetes

específicos para ser enviadas en un portador dedicado y por lo general, se

les definen con una IP de cinco tuplas11, aquel valor utilizado en la tupla de

cinco, se origina en la señalización de capa de aplicación, por ejemplo,

Session Initiation Protocol (SIP) en el caso de un subsistema de multimedia

IP.

Cada portador de EPS (GBR y no GBR) está asociado con un nivel de

portadora con parámetros de calidad de servicio:

Identificador de clase de QoS: QCI es un escalar que se utiliza como

una referencia a los parámetros de acceso a un nodo específico, que

controlan a nivel del portador en relación al tratamiento de reenvío de

paquetes, por ejemplo, la programación del tamaño, límites de

admisión, gestión de archivos en colados y la configuración del

protocolo a nivel de capa de enlace. Cada una de estas variables se

encuentran configuradas por la operadora de la red en el eNodoB.

Prioridad de asignación y retención (ARP), el objetivo principal de

ARP es comprobar si una portadora puede establecer o modificar una

petición, pudiendo ser aceptada o debe ser rechazada, según la

disponibilidad de los recursos en la red. Además, el ARP puede ser

utilizado por el eNodoB para decidir que portadora va a caer en las

limitaciones de recursos excepcionales, por ejemplo el handover.

Tasa de bits máxima (MBR), la tasa máxima de tráfico sufrido por la

portadora no podrá exceder y sólo es válida para las portadoras de

GBR.

Tasa de Bit Garantizado (GBR), es la tasa mínima de tráfico

reservado y esta es sólo válida para las portadoras de tipo GBR.

11

Una tupla, en matemáticas, es una secuencia ordenada de objetos, esto es, una lista con un número limitado de objetos (una secuencia infinita se denomina en matemática como una familia). Fuente wikipedia

74

Agregado MBR (AMBR), es la cantidad total de la tasa de bits de un

grupo de portadoras non-GBR. El AMBR puede ayudar al operador a

distinguir entre sus abonados mediante la asignación de los valores

más altos de AMBR a sus clientes de mayor prioridad en comparación

con los de menor prioridad. En el 3GPP Release 8, el MBR debe ser

igual a GBR, pero para las futuras versiones de 3GPP un MBR puede

ser mayor que un GBR.

6.2.1.1.1 Parámetros de QoS

LTE especifica una serie de valores de QCI, que se encuentran

estandarizados y dichos valores están preconfigurados para todos los

elementos de la red, asegurado la implementación de los múltiples

proveedores, como también, el establecimiento de la función roaming. El

mapeo de los valores estandarizados del QCI, se muestra en la Tabla 6.1 y

estas corresponden a las características del estándar o Release 8,

relacionadas con los valores del QCI.

Dentro de esta tabla, presenta una serie de características, como por

ejemplo la función Tipo de recursos, esta característica se refiere a que si los

recursos dedicados de red, se encuentra relacionada con un servicio de una

portadora a nivel de Bit Rate Guaranteed (GBR) o Non Bit Rate Guaranteed

(Non-GBR), cuyo valor son asignados de manera permanente, tal es el caso

de la función de control de admisión en una estación base de radio. GBR

agregados SDF, por lo tanto, son generalmente autorizados "a la demanda",

que requiere una política dinámica y el control de carga. En cambio, en los

servicios non-GBR, el QCI debe estar preparado para experimentar caídas,

que se encuentran relacionadas con la congestión de paquetes, el 98% de

los paquetes que no han sido retirados debido a la congestión no se debe

experimentar un retraso superior a la PDB de la QCI. Esto puede ser, por

ejemplo, que se producen durante los peaks de carga de tráfico o cuando la

UE se convierte en una cobertura limitada.

75

Tabla 6.1 Estandarizadas características de QCI

QCI Tipo de recursos

Prioridad Perdida de paquetes

estimado (ms)

Tasa de paquetes perdidos

Ejemplos de servicios

1 GBR 2 100 10-2 Voz en tiempo real

2 GBR 4 15 10-3 Video en tiempo real (live streaming)

3 GBR 3 50 10-3 Juegos en tiempo real (gaming)

4 GBR 5 300 10-6 Video no en tiempo real (buffering)

5 Non-GBR 1 100 10-6 Señalización IMS

6 Non-GBR 6 300 10-6 Video con buffering, en aplicaciones TCP

7 Non-GBR 7 100 10-3 Voz, video, juegos interactivos



6.2.1.1.2 Iniciación de la red en base al QoS

El concepto de iniciación de la red con control de QoS, la red se inicia con él

envió de una señal para establecer una portadora dedicada con una calidad

de servicio específica, hacia la UE y la RAN. Esto es provocado por la

función de aplicación (AF) o una función de Inspección de Paquetes

Profunda (DPI), sin embargo, se usa el método de iniciación del terminal,

donde el terminal envía una señal para establecer una portadora dedicada

con una calidad de servicio determinada dentro de la red, la cual, es activada

con un comando de la RAN.

76

Ilustración 6.2 Procedimiento de activación de la portadora dedicada

Cuando se trabaja con el método de iniciación de la red por el control de

QoS, se reduce al mínimo, la participación de la calidad de servicio y la

política de control de los terminales, ya que, dentro de las recomendaciones

de la 3GPP en LTE, indica la activación de la portadora dedicada, como

también una portadora de activación por defecto.

Dentro de la Ilustración 6.2, el PCRF envía una política de control y carga

(PCC), que es un mensaje que indica la calidad de servicio necesaria para la

portadora de la P-GW. A su vez, el P-GW utiliza esta política de QoS para

asignar los parámetros del QoS a nivel de la portadora, enviando una

solicitud de “Create Dedicated Bearer Request”. A nivel del enlace

ascendente se envía el UL TFT, que es utilizado por la UE a la S-GW, luego

la S-GW recibe la solicitud de “Create Dedicated Bearer Request”, junto con

la portadora de QoS, el UL TFT y la identificación de la portadora-S1, para

luego enviarlo a la MME, como lo muestra Ilustración 6.2, en la flecha

número 3.

77

El MME construye un conjunto de configuraciones sobre la administración de

sesiones, tomando la información de la UL TFT y la identidad de la portadora

EPS, para dar paso a la solicitud “Bearer Setup Request”, que se lo envía al

eNodoB (Ilustración 6.2, en la flecha número 4). La solicitud “Bearer Setup

Request”, también proporciona la calidad de servicio de la portadora hacia el

eNodoB, a su vez el eNodoB utiliza esta solicitud para poder controlar las

llamadas entrantes, como también, garantiza la calidad de servicio, en base,

a una correcto “scheduling” de los paquetes IP del usuario.

En el plano del eNodoB, la portadora EPS del QoS, la portadora del radio, la

solicitud de conexión del RRC Mensaje de reconfiguración (incluyendo la

calidad de servicio de radio al portador, la gestión de sesiones solicitud, y la

identidad de EPS de radio al portador) a la UE para establecer la portadora

de radio (flecha 5 en la Ilustración 6.2). La conexión RRC, envía un mensaje

de reconfiguración, la cual contiene toda la configuración de parámetros para

la interfaz de radio, principalmente de la configuración de la capa 2 (el

PDCP, RLC, y los parámetros de MAC), como también, contienen los

parámetros necesarios para que la UE permita inicializar la dichos stacks de

protocolos. Las flechas 10 y 6, son los mensajes de respuesta

correspondientes para confirmar que las portadoras han sido correctamente

establecidas.

6.2.1.2 Control de QoS en el nivel de servicio de flujo de datos.

Los retos que tiene LTE en cuanto al QoS, como todos los servicios,

incluyendo voz, se ejecutan en la red IP. Así las diferentes necesidades de

los usuarios, difieren significativamente en la medida en que exige una

calidad de servicio, variando en gran medida de un servicio de otro. Por ello,

los diferentes Acuerdos de Nivel de Servicio (SLA) y los modos de carga,

puede responder a las necesidades individuales del usuario, lo que hace

QoS un elemento necesario para cada capa de carga.

Cada cambio de calidad de servicio, exige que la carga y el sistema de

facturación seleccionen el correspondiente modo de carga, que garantizan

una carga puntual, dinámica y precisa. Los operadores están deseosos de

adquirir la capacidad de percibir los diferentes servicios.

En la parte superior de la capa de sesión del modelo OSI, LTE puede hacer

uso de una amplia política de gestión arquitectura que ofrece a los

operadores un control más preciso sobre los usuarios y los servicios. La

arquitectura está integrada, a través de interfaces estándar, a la carga en

línea y fuera de línea sistemas y por lo tanto ofrece oportunidades de

monetización. Esto se hace por la introducción de la política y la carga de

78

Control (PCC) por el 3GPP, que consiste principalmente de la política y la

función de carga de Observancia (PCEF), el portador de unión y

presentación de informes de eventos de función (BBERF), la Política y el

Reglamento función de carga (PCRF), la función de aplicación (AF), el

sistema de cobro online, el fuera de línea Sistema de carga, y el repositorio

de Suscripción perfil. La arquitectura de la política se muestra en la

Ilustración 6.3. En un nivel básico, el PCEF interactúa con el PCRF para

proporcionar una clase de servicio para el abonado.

Ilustración 6.3 Arquitectura lógica de la PCC

La AF es un elemento que ofrecen las aplicaciones que requieren una

política dinámica y/o control por sobre el comportamiento del usuario. La AF

se comunicará con el PCRF a través de Rx, en un punto de referencia para

la transferencia de información de la sesión dinámica, requerida para las

decisiones PCRF, así como a recibir información específica y notificaciones

acerca de eventos a nivel de portador.

El PCRF incluye las funciones de control de decisiones políticas. Se

implementa la detección de servicios basada en el flujo, control de acceso, la

autorización del QoS y basadas en el flujo de carga en el PCEF. Los

controles PCRF en la AF de servicios de información, es coherente con la

política predefinida de un operador y con la información del suscripción de

un usuario derivados del repositorio de perfil de suscripción (SPR) (la SPR

contiene todos los abonados y suscripciones relacionadas con la información

necesaria para la suscripción basada en políticas). El PCRF debe generar

las reglas de acuerdo a una determinada información, para luego enviarlos a

la PCEF. El PCRF también debe ofrecer calidad de servicio para la

autorización de servicios de información del AF.

79

El PCEF permite las funciones de la política de ejecución y se encuentra en

PDN-GW. La PCEF controla el tráfico del plano de usuario y QoS, detecta y

mide los flujos de datos de los servicios, como también interactúa con el

sistema de cobro online (OCS), que es un sistema de gestión de crédito para

el servicio de pre-pago y el método de carga de informes del uso de los

recursos del sistema de carga fuera de línea (SCFO). Ejecuta la calidad de

servicio y el control de acceso para el servicio de datos de acuerdo a los

flujos del PCC que se encuentran relacionados con el servicio de los datos

del flujo a la PCRF.

El BBERF realiza un procesamiento similar a la PCEF, pero este, no realiza

el procesamiento de la carga. Además realiza cualquier procesamiento

necesario para colaborar con el acceso al Sistema Específico de Gestión de

Calidad de Servicio. El BBERF controla la calidad de servicio que se

proporciona a un conjunto combinado de datos de flujos de los servicios,

asegurando que los recursos pueden ser utilizados por un conjunto

autorizado de los datos.

6.2.1.2.1 La política y la Regla de Control de Carga

La Política del Control de Carga (PCC), comprenden la información que se

requiere para poder detectar el plano del usuario de la política de control y la

carga apropiada para un flujo de servicios de datos. Los paquetes

detectados mediante la aplicación del servicio de datos de plantilla de flujo

de una regla de PCC se designaron un flujo de datos de servicio.

Dos tipos de normas existen en el PCC, reglas dinámicas y reglas

predefinidas. Las reglas dinámicas del PCC son suministrados por el PCRF

a través del punto de referencia, mientras que las reglas predefinidas del

PCC están directamente provisionados en el PCEF y sólo hace referencia al

PCRF. El uso de reglas predefinidas PCC para control de calidad de servicio

es posible si la BBF permanece al PCEF durante una sesión de IP-CAN.

Además, las reglas predefinidas del PCC se puede utilizar en una situación

de no itinerancia, pudiendo garantizar las correspondientes reglas

predefinidas del QoS, que se configuran en la BBF.

6.2.1.3 Control de QoS en el plano de control y de usuario.

La política y la función de carga de recursos en la red, determinan la forma

en que cada flujo de paquetes de cada usuario debe ser manejado en

función en los parámetros del QoS, junto con el tratamiento de aquel flujo de

paquetes. El PCC define las reglas de la puerta de enlace, que es utilizado

como un originador para poder establecer una nueva portadora o modificar

80

una portadora ya existente, lo cual, permite manejar un flujo de paquetes

específicos o para modificar el manejo de un flujo de paquetes.

El QoS en el Plano usuario, las funciones relacionadas con la calidad de

servicio, las lleva a cabo por la configuración de los nodos de la red a través

de una señalización, junto con una operación y mantenimiento (O&M) del

sistema, la cual fue debidamente especificada por la 3GPP. Estas funciones

se clasifican en, operaciones a nivel de paquetes de flujo, nivel de portadora

y nivel de DSCP, como muestra la Ilustración 6.4.

Ilustración 6.4 Arquitectura del servicio con portadora en EPS

6.3 Performance de LTE definido por 3GPP

Los objetivos sobre el performance o rendimiento del sistema LTE fueron

definidos por el 3GPP en 2005 y documentado en el 3GPP TR25.913, junto

con los objetivos de capacidad, complejidad, implementación y la

arquitectura. Para poder cuantificar el rendimiento de LTE, se establecieron

las siguientes medidas:

Rendimiento del usuario promedio, se refiere al promedio de todos los

usuarios en la red. Medido en MHz

Rendimiento del usuario en el borde de la celda (Cell-Edge),

corresponde al quinto percentil en la distribución de los usuarios (95%

de los usuarios presentan un mejor rendimiento). Medido en MHz

La eficiencia del espectro, se refiere al rendimiento del sistema por

sectores en bps/s/Hz

Cobertura, es el rendimiento en celdas de mayor tamaño.

81

Como lo hemos mencionado anteriormente el objetivo de las operadoras es,

tener la mejor calidad de servicio pero a bajo costo, de esta manera, las

soluciones tecnológicas descritas por LTE no debe ser una base para los

requisitos de rendimiento, porque toda nueva tecnología implica un costo de

implementación, como también, LTE no busca generar un cambio radical

dentro de las redes, al contrario, busca la interoperabilidad dentro de las

redes. Así LTE, define el número de antenas destinadas en la transmisión y

recepción, basados en la configuración entre la BS y la UE, y estas deben

ser acordadas como requisitos básicos para cumplir los objetivos de

rendimiento. La justificación de aquel enunciado se basa en que, al

aumentar en el número de antenas también puede ser visto como una

limitación para la solución elegida por el aumento de la complejidad, pero en

teoría es posible obtener grandes ganancias reales, al momento de asumir

un número irreal de antenas. De modo que las configuraciones del enlace

descendente y ascendente se eligen en LTE con los siguientes objetivos:

Un enlace descendente LTE con un máximo de 2 antenas Tx en el

Nodo B y dos antenas Rx en la UE.

Un LTE enlace ascendente con un máximo de una sola antena Tx en

la UE y 2 antenas Rx en el Nodo B.

Lo cual el desempeño se evalúa en el enlace ascendente y descendente por

separado, para luego, establecer los objetivos en relación al rendimiento

como referencia de un Release anterior, en el caso de LTE, se compara

generalmente con HSDPA o HSPA+, tomando el baseline de uno de ellos.

Para este caso tomaremos como referencia el baseline del Release 6

(HSDPA), en dicho Release, el enlace descendente, está compuesto de una

sola antena Tx en el NodoB. En cambio en el enlace ascendente con una

sola antena Tx en la UE y 2 antenas Rx en el NodoB.

Así los objetivos definidos por LTE en cuanto al performance, se muestran

en la Tabla 6.2. Ya que se espera que tanto rendimiento para el usuario

promedio y la eficiencia del espectro se beneficiarán del aumento de 1 a 2

antenas Tx en el enlace descendente, que es el objetivo de aumentar el

rendimiento del usuario celular de última generación que sería el desafío en

el enlace descendente.

82

Tabla 6.2 Baseline del performance de LTE en el TR25.913

Medición de rendimiento

DL con el baseline Rel-6

UL con el baseline Rel-6

Rendimiento promedio del usuario

3-4x 2-3x

Rendimiento del usuario en el borde de

la celda 2-3x 2-3x

Eficiencia del espectro 3-4x 2-3x

Cobertura

Cumple con los objetivos por

encima los 5 Km del rango máximo

de celda.

Cumple con los objetivos por

encima los 5 Km del rango máximo

de celda.

6.3.1 Tasa de bit máximo en capa 1

LTE proporciona una alta velocidad de transmisión de datos, mediante el uso

de un gran ancho de banda (BW) máximo de 20 MHz, utilizando la

modulación 64QAM y las antenas múltiples entradas y salidas, denominado

MIMO. La modulación de cuadratura por desplazamiento de fase lleva 2 bits

por símbolo, 16QAM y 64QAM bits 4 bits 6. Junto con la configuración 2×2

MIMO, duplica la tasa de bits máxima de hasta 12 bits por símbolo. Por lo

tanto, la codificación QPSK 1/2, corresponde a la tasa de 1 bps/Hz, mientras

que 64QAM sin ningún tipo de codificación y con 2×2 MIMO lleva 12 bps/Hz.

Ahora bien, el ancho de banda está incluido en el cálculo, tomando el

número correspondiente de bloques de recursos para cada opción de ancho

de banda: 6 de 1.4MHz y 15 de ancho de banda de 3 MHz. El número de

bloques de recursos para los anchos de banda de 5, 10, 15 y 20 MHz son

25, 50, 75 y 100, respectivamente.

Las tasas máximas alcanzables de bits se muestran en la Tabla 6.3,

teniendo la mayor tasa de datos teórica es de aproximadamente 172 Mbps,

referida en el enlace descendente (DL). Si la opción 4×4 MIMO se aplica, la

tasa máxima teórica de datos aumenta a 325 Mbps, cada una de las escalas

de la tasa de bit, trabaja en función del ancho de banda. La tasa máxima de

bit es de 42.5Mbps, corresponde a un BW de 5 MHz, además con 8.8Mbps

de 1.4 MHz, ambas características presentan una configuración 2×2 MIMO.

83

Tabla 6.3 Tasa de velocidad máxima en DL (Mbps)

Bloques de recursos 1.4

MHz 3.0

MHz 5.0

MHz 10

MHz 15

MHz 20

MHz

Modulación y

codificación

Bits/Símbolo Configuración

MIMO 6 15 25 50 75 100

QPSK 1/2 1.0 Single stream 0.8 2.2 3.7 7.4 11.2 14.9

16QAM 1/2 2.0 Single stream 1.5 4.4 7.4 14.9 22.4 29.9




64QAM 3/4 9.0 2×2 MIMO 6.6 18.9 31.9 64.3 96.7 129.1

64QAM 1/1 12.0 2×2 MIMO 8.8 25.3 42.5 85.7 128.9 172.1

64QAM 1/1 24.0 4×4 MIM0 16.6 47.7 80.3 161.9 243.5 325.1

En el enlace de subida, la tasa máxima de datos, se muestran en la Tabla

6.4, en la que, tiene 86 Mbps con 64QAM y hasta 57 Mbps con 16 QAM con

20 MHz. Las tasas máximas de bits son más bajas en el enlace ascendente

que en el enlace descendente desde un solo usuario con MIMO, ahora bien,

la 3GPP en el Release 8, no especifica MIMO en el UL. Un solo usuario con

MIMO en el enlace ascendente se requieren dos amplificadores de potencia

en el terminal. Lo interesante que tiene MIMO en el enlace ascendente,

permite aumentar la capacidad de la celda, pero no aumenta las tasas

máximas de datos de un solo usuario. El nivel de celda de MIMO en enlace

ascendente, se llama Virtual MIMO (V-MIMO), donde la transmisión de dos

terminales, cada una sola antena, es organizada de manera que, el

rendimiento del nivel de la celda máxima, se puede duplicar.

Tabla 6.4 Tasa de velocidad máxima en UL (Mbps)


MHz 3.0

MHz 5.0

MHz 10

MHz 15

MHz 20

MHz

Modulación y codificación

Bits/Símbolo Configuración

MIMO 6 15 25 50 75 100

QPSK 1/2 1.0 Single stream 0.9 2.2 3.6 7.2 10.8 14.4






84

El tamaño de los bloques de transporte se ha definido como, la transmisión

no codificada posible y esta depende de los recursos actuales disponibles en

la UE, eNodoB, como también de la modulación utilizada. La máxima tasa de

bits alcanzable, se logra tomando en cuenta el tamaño de los bloques de

transporte como se muestra en Tabla 6.5, para el enlace descendente, en

cambio, Tabla 6.6, es para el enlace ascendente, junto con diferentes

esquemas de modulación.

Si analizamos las dos tablas mencionadas anteriormente, la tasa máxima de

bits con una configuración 2×2 MIMO en el DL, la velocidad sube a 150

Mbps y la velocidad en el UL corresponde a 75Mbps. Los cálculos suponen

que la subida 16QAM utiliza un tamaño de los bloques transporte, con índice

de 21, para el enlace ascendente QPSK utiliza un tamaño de los bloques

transporte índice de 10, para 16 QAM en el enlace descendente utiliza un

tamaño de los bloques transporte índice de 15 y por último, en QPSK para el

enlace descendente utiliza un tamaño de los bloques transporte índice 9. El

objetivo inicial de LTE, era establecer velocidades de datos máximos de 100

Mbps en el DL y 50 Mbps en el UL, que se cumplen claramente con el 3GPP

Release 8 de la capa física.

Tabla 6.5 Tasa de velocidad máxima en DL considerando el tamaño de los bloques de transporte


MHz 3.0

MHz 5.0

MHz 10

MHz 15

MHz 20

MHz


Configuración MIMO

6 15 25 50 75 100

QPSK Single stream 0.9 2.3 4.0 8.0 11.8 15.8

16QAM Single stream 1.8 4.6 7.7 15.3 22.9 30.6


64QAM 2×2 MIMO 8.8 22.2 36.7 73.7 110.1 149.8

Tabla 6.6 Tasa de velocidad máxima en UL considerando el tamaño de los bloques de transporte


MHz 3.0

MHz 5.0

MHz 10

MHz 15

MHz 20

MHz


Configuración MIMO

6 15 25 50 75 100

QPSK Single stream 1.0 2.7 4.4 8.8 13.0 17.6



85

6.3.2 Categorías de las UE

En Release 8 de la 3GPP, se definieron cinco categorías para los teléfonos

móviles, con diferentes de velocidad de transmisión, referidas en bits. La

categoría 1 es la más baja capacidad para transmitir velocidades máximas

de 10 Mbps de bajada y 5 Mbps de subida, mientras que la categoría 5,

corresponde a velocidades de trasmisión sumamente alta, del orden de los

300 Mbps en bajada y 75 Mbps de subida. En teoría, la capacidad de

velocidad de transmisión, se define como el tamaño máximo del bloque de

transporte que una UE, puede procesar en 1ms.

Por norma, todas las categorías deben ser compatibles con todas las

opciones del ancho de banda, que va de 1.4MHz a 20 MHz, junto con una

modulación 64QAM en la bajada y 1-4 en las ramas de transmisión en

eNodoB. La diversidad de la antena de recepción es un requisito de

desempeño (performance), de esta forma el soporte que entrega MIMO en la

transmisión, depende mucho de la categoría. Dentro de la categoría 1 puede

dar soporte para cualquier tipo MIMO, mientras que las categorías 2, 3 y 4

dan soporte en MIMO de tipo 2×2 y la categoría 5 entrega soporte en MIMO

de 4×4. La modulación de enlace ascendente es de hasta 16 QAM en las

categorías 1, 2, 3 y 4, mientras que 64QAM en la categoría 5.

Todas las categorías de los terminales móviles se muestran resumidas en la

Tabla 6.7. Actualmente se han añadido nuevas categorías de terminales que

se encuentran definidas en las últimas versiones del 3GPP, pero esas

corresponden a LTE-Advance. La fase inicial de implementación de LTE se

espera que tenga dos categorías de terminales, 3 y 4 disponibles

descendente proporcionar velocidades de hasta 150 Mbps y el apoyo de 2×2

MIMO.

86

Tabla 6.7 Categorías de las UE

Categoría

1 Categoría

2 Categoría

3 Categoría

4 Categoría

5

Tasa máxima de bits en DL

10 Mbps 50 Mbps 100 Mbps 150 Mbps 300 Mbps

Tasa máxima de bits en UL

5 Mbps 25 Mbps 50 Mbps 50 Mbps 75 Mbps

Máximo de bits

recibidos con TTI12

10296 51024 102048 149776 299552

Máximo de bits

enviados con TTI

5160 25456 51024 51024 75376

Ancho de banda

20 MHz 20 MHZ 20 MHz 20 MHz 20 MHz

Modulación en DL

64QAM 64QAM 64QAM 64QAM 64QAM

Modulación en UL

16QAM 16QAM 16QAM 16QAM 64QAM

Diversidad en el

receptor Si Si Si Si Si

Diversidad en el

eNodoB 1-4 tx 1-4 tx 1-4 tx 1-4 tx 1-4 tx

MIMO en DL

Opcional 2×2 2×2 2×2 4×4

6.3.3 Performance a nivel de enlace

6.3.3.1 Performance en el enlace descendente

Las tasas máximas de datos, que hemos mencionado anteriormente, se

encuentran disponibles sólo en las condiciones ideales dentro del canal. La

velocidad de transmisión de datos en la práctica, se ve limitada por la

cantidad de interferencia y ruido dentro de la red. La tasa máxima de datos

teórica con la transmisión de una sola antena en el canal de estática puede

12

Transmission Time Interval

87

ser creada usando la fórmula de Shannon. La fórmula entrega la velocidad

de datos (bit rates) en función de dos parámetros, ancho de banda (BW) y la

relación señal a ruido en el receptor (SNR).

Ecuación 6.1 Capacidad de Shannon

[ ] [ ]

La ecuación anterior, no se puede aplicar en la práctica, ya que, debido a

varios problemas de implementación, por ejemplo, no contiene elementos

para poder modelar los fenómenos de perdidas, que están presentes en todo

sistema de transmisión, ya sea, alámbrico (Fibra óptica) o inalámbrico (LTE).

Así la ecuación de capacidad de Shannon, es modificada, agregando dos

variables más, BWeff, que corresponde a la eficiencia del ancho de banda en

LTE y SNReff, indicando la eficiencia de SNR en LTE.

Ecuación 6.2 Capacidad de Shannon en LTE

[ ] [ ]

La eficiencia de ancho de banda de LTE, puede está sujeta a deterioro como

se muestra en la Tabla 6.8. Debido a las exigencias de la Razón de Fuga del

Canal Adyacente (ACLR) y la aplicación práctica del filtro, la ocupación del

ancho de banda se reduce a 0,9. El prefijo cíclico es de aproximadamente el

7% y los gastos indirectos de la estimación de un canal piloto de asistencia

es de aproximadamente 6% para la transmisión de una sola antena. Para la

transmisión de antena dual, la sobrecarga es aproximadamente el doble al

11%. Este problema también afecta a la SNR_eff, el total de enlace a nivel

de eficiencia del ancho de banda es, por lo tanto, aproximadamente el 83%.

Tabla 6.8 Eficiencia en el ancho de banda de LTE en el DL utilizando 10 MHz

Deterioro Bweff en el enlace

Bweff en el sistema

Eficiencia en el BW

0.90 0.90

Prefijo Cíclico 0.93 0.93

Sobrecarga del piloto

- 0.94

Dedicado y común

- 0.715

Total 0.83 0.57

88

6.3.3.2 Performance en el enlace ascendente

6.3.3.2.1 Impacto de ancho de banda de transmisión

La cobertura de enlace ascendente se puede optimizar mediante la

selección de ancho de banda de LTE. La adaptación del ancho de banda

permite que la potencia de la UE emita un ancho de banda óptimo, lo que

amplía la cobertura en comparación con tener un ancho de banda de

transmisión fija. Un mayor número de los parámetros del canal deben ser

estimados para las transmisiones de banda ancha, lo que reduce la exactitud

de la estimación del canal debido al ruido. El ancho de banda de transmisión

optimizada en LTE, permite la estimación de los canales más precisos para

las velocidades de transmisión más bajos en comparación con

WCDMA/HSUPA.

En el Gráfico 6.1, se muestra el rendimiento en función de la SNR con la

asignación de un ancho de banda diferente. La asignación de un ancho de

banda más pequeño, 360 kHz, optimiza la cobertura de las tasas de bits

inferior a 100 kbps. La asignación de ancho de banda moderado, 1,08 MHz,

ofrece una mejor cobertura de las tasas de bits de 100 kbps a 360 kbps. La

estación de base asume una figura de ruido de 2 dB y sin margen de

interferencia está incluido.

89

Gráfico 6.1 Sensibilidad del eNodoB en LTE en función de la potencia recibida con distintos anchos de banda entre 360 kHz, 1.08MHz y 4.5MHz

6.3.3.2.2 Impacto del terminal móvil en movimiento

Dentro de las especificaciones de 3GPP de LTE, uno de los rendimientos

más importantes para las operadoras, es la velocidad de acceso cuando la

UE se encuentra en movimiento, ya que, no es lo mismo descargar

contenidos de la web, estando fijo, que en movimiento como en un auto o en

el metro. En el Gráfico 6.2 muestra la curva de adaptación de enlace

ascendente en LTE para las velocidades de la UE en 3, 50, 120 y 250 km/h.

El impacto que tiene la UE cuando está en movimiento a velocidades bajas,

el rendimiento de la transmisión de datos es imperceptible, mientras que a

mayores velocidades, como por ejemplo, a 250 km/h, se muestra el

rendimiento en la transmisión de datos decrece a un 30% en comparación

con la UE as 3 km/h.

En cambio, los valores de SNR requerido para la eficiencia en los diferentes

enlaces a una velocidad variable se aprecian en el Gráfico 6.3. El

rendimiento de LTE enlace ascendente se ve afectado, si se utilizan las

modulaciones, 16QAM y 64QAM, el impacto de la velocidad de la UE

alcanza afectar hasta 3 dB para la eficiencia de 2 bps/Hz/celda. En general,

90

enlace ascendente LTE, es robusto frente a cambios en la frecuencia

Doppler.

Gráfico 6.2 Rendimiento del eNodoB en LTE, en función de la SNR con la UE en movimiento a diferentes velocidades

Gráfico 6.3 Valores requeridos para SNR, para diferentes eficiencias espectrales con la UE en movimiento

91

6.3.3.3 Administración del enlaces

Los cálculos que se realizan para poder tener una noción de cómo

administrar los enlaces, se debe tomar en cuenta una serie de variables que

interactúan con el sistema inalámbrico de LTE, tales como, la máxima

atenuación permitida en la señal, perdida de trayectoria (path loss) entre la

UE y la antena de estación base. La pérdida de trayectoria máxima, permite

estimar el rango máximo de celdas máximo en un modelo de propagación,

tal como fue diseñado en el modelo Okumura-Hata13, así el rango de celdas,

da el número de emplazamientos para las estaciones bases necesarias para

cubrir un área geográfica determinada. El cálculo del enlace también se

puede utilizar para comparar la cobertura relativa de los diferentes sistemas,

indicando qué tan bien se comporta el nuevo sistema de radio de LTE, en

contraste, con las otras tecnologías como GSM o HSDPA, implementadas

en la misma estación base.

La cobertura se puede mejorar mediante el uso de una frecuencia más baja,

ya que, una frecuencia baja se propaga mejor que una frecuencia más alta y

este beneficio sobre el uso de la menor frecuencia depende del entorno,

como también su uso. De manera que en la Tabla 6.9, muestra los

beneficios del uso de una menor frecuencia, pero este beneficio se pierde,

ya que, la ganancia de antena, tienden a reducirse cuando se usa una banda

de frecuencia más baja. Pero para poder mantener la ganancia de la antena

a una frecuencia más baja, una posible solución, es implementar una antena

físicamente más grande, pero muchas veces no siempre es factible en las

estaciones base, ni en los terminales móviles. Los mayores beneficios de las

bajas frecuencias se pueden obtener cuando la estación base se puede

utilizar grandes antenas de 2,5 m de largo, donde la antena externa se

puede utilizar en el terminal, a esto se le llama despliegue de corrección

inalámbrica en la zona rural.

13

Es un modelo de propagación de radio utilizado para predecir el comportamiento de las transmisiones de celulares en zonas urbanas, mando los factores de cuenta de la difracción, reflexión y dispersión causada por las estructuras de la ciudad. Lo que busca este modelo es, predecir la pérdida total del enlace de terrestre. Este modelo es solo aplicable para enlace celulares o MMOO

92

Tabla 6.9 Beneficio de 900 MHz frente a 2600MHz

Características Zona urbana

[dB] Zona rural [dB]

Corrección inalámbrica en la zona rural

Perdida de propagación

14 14 14

Ganancia de la antena en la BS

-3 0 0

Perdida del cable en la BS

1 3 3

Ganancia de la antena en la UE

-5 -5 0

Sensibilidad en la UE

-1 -1 -1

Total 6 11 16

6.3.3.3.1 Parámetros propuestos en el UL y DL a baja frecuencia

Los parámetros propuestos para LTE en el enlace ascendente, se presenta

en la Tabla 6.10. El enlace se calcula para uno en 64 kbps, junto con dos

antenas de estaciones base de diversidad de recepción. También se ponen

como referencia, los enlaces de GSM en voz (recordar que GSM no

transmite datos multimedia) y HSPA. Ahora bien, el enlace ascendente, se

ha definido en 64 kbps, si se extrapola en la realidad, no satisficiera lo

suficientemente a la alta demanda de datos, pero como estamos trabajando

en una zona rural los requerimientos son otro. El enlace de LTE se puede

implementar mediante redes ya existentes, como GSM y HSPA. LTE no

proporciona ningún incremento importante en la cobertura

En el enlace descendente de LTE tiene muchas similitudes con HSPA, como

también la pérdida de trayectoria máxima es similar, en cambio, cuando

analizamos el enlace ascendente, podemos encontrar algunas diferencias,

tal es el caso, del pequeño margen de interferencia en LTE que no hay

ganancia de una macro diversidad en LTE, además no hay presencia del

fenómeno de desvanecimiento (fadding) en LTE.

93

Tabla 6.10 Datos del enlace ascendente

Enlace de subida Voz en GSM

HSPA LTE

Tasa de datos (kbps) 12,2 64 64

Perdida de trayectoria máxima 162,0 161,6 163,4

Terminal móvil como transmisor

Max potencia de tx [dBm] 33,0 23,0 23,0

Ganancia de antena de tx [dBi]

0,0 0,0 0,0

Perdida [dB] 3,0 0,0 0,0

PIRE [dBm] 30,0 23,0 23,0

Estación Base como receptor

Ruido en el BS [dB] - 2,0 2,0

Ruido térmico [dB] -119,7 -108,2 -118,4

Ruido del receptor [dBm] - -106,2 -116,4

SINIR [dB] - -17,3 -7,0

Sensibilidad del receptor [dB] - -123,4 -123,4

Interferencia [dB] -114,0 3,0 1,0

Perdida en el cable [dB] 0,0 0,0 0,0

Ganancia de antena de rx [dBi]

18,0 18,0 18,0

Desvanecimiento [dB] 0,0 1,8 0,0

Ganancia del soft handover [dB]

0,0 2,0 0,0

Tabla 6.11 Datos del enlace descendente

Enlace de bajada Voz en GSM

HSPA LTE

Tasa de datos (kbps) 12,2 1024 1024

Perdida de trayectoria maxima

161,5 163,6 163,5

Terminal móvil como transmisor

Max potencia de tx [dBm] 44,5 46,0 46,0

Ganancia de antena de tx [dBi]

18,0 18,0 18,0

Perdida [dB] 2,0 2,0 2,0

PIRE [dBm] 60,5 62,0 62,0

Estación Base como receptor

Ruido en el BS [dB] - 7,0 7,0

Ruido termico [dB] -119,7 -108,2 -104,5

Ruido del receptor [dBm] - -101,2 -97,5

SINIR [dB] - -5,2 -9,0

Sencibilidad del receptor -104 -106,4 -106,5

94

[dB]

Interferencia [dB] 0,0 4,0 4,0

Canal de contro [%] 0,0 20,0 20,0

Ganancia de antena de rx [dBi]

0,0 0,0 0,0

Perdida generada por la voz [dB]

3,0 0,0 0,0

6.3.3.3.2 Perdidas de trayectoria

Los valores de las pérdidas de trayectorias máximas se muestran en la

Ilustración 6.5. Los niveles de potencia de transmisión y las cifras de ruido

en las tecnologías de RF también son similares en las tecnologías GSM y

HSPA, y el rendimiento del enlace en bajas tasas de datos no es muy

diferente en LTE que en HSPA. LTE no proporciona ningún incremento

importante en la cobertura. Esto se debe a los niveles de potencia de

transmisión y las cifras de ruido de las RF también son similares en las

tecnologías GSM y HSPA, y el rendimiento del enlace en bajas tasas de

datos no es muy diferente en LTE que en HSPA.

Ilustración 6.5 Pérdidas de trayectoria en distintas tecnologías

95

6.3.3.3.3 Rango de la celda

Rangos de ejemplo de células se muestran en la Ilustración 6.6, dichos

rango de celdas se aprecian con variadas frecuencias que comprenden entre

los 900 MHz, 1800 MHz, 2100 MHz y 2600MHz. Los rangos de celdas se

calculan utilizando el modelo de propagación de Okumura-Hata con los

parámetros mostrados en la Tabla 10.12. El rango de celdas urbana varía de

0,6 km a 1,4 km y suburbanas de 1,5 km a 3,4 km. Tales rangos de celdas

también se encuentran normalmente en las redes GSM y UMTS. Los datos

enunciados en este tópico, corresponden claramente las zonas rurales con

un alto rango de celdas, 26 km para la cobertura de los móviles al aire libre e

incluso hasta 50 km para la instalación fija rural a 900 MHz.

Ilustración 6.6 Rango de celdas

6.3.4 Eficiencia espectral

Los operadores de telefonía móvil, les genera una gran expectación con el

despliegue de LTE, ya que, pueden beneficiarse de la eficiencia espectral

que ofrece LTE, la cual les permite tener una mayor cantidad de usuarios y

tasas de transmisión elevadas. Así en el Release 8 de LTE, específica que la

eficiencia espectral en el enlace descendente corresponde a 10 bits/s/Hz y

en el canal ascendente 5 bits/s/Hz.

Teóricamente el concepto de eficiencia espectral (E [bits/s/Hz]), permite a las

operadoras tener un sistema de referencia, sobre cómo se comporta un

determinada tecnología, para luego establecer comparaciones con respecto

a las otras tecnologías móviles.

96

6.3.5 Latencia

6.3.5.1 Latencia en el plano usuario

La latencia en el plano usuario, es muy relevante para el desempeño de

muchas aplicaciones dentro de la red LTE, puesto que, existen varias

aplicaciones que no requieren una velocidad de datos muy alta, pero

requieren una latencia muy baja, como lo son las aplicaciones de voz, juegos

en tiempo real y otras aplicaciones interactivas. La latencia puede ser

medida por el tiempo que tarda un paquete IP en viajar desde la UE a través

de la red hacia un servidor de internet y que de vuelta, también se le conoce

ping, como se aprecia en la Ilustración 6.7. Dentro del Reléase 8 de la

3GPP, la latencia del plano usuario, lo define con un valor menor o igual a 10

ms.

Ilustración 6.7 Tiempo de ida y vuelta, en la red

Para poder establecer el valor del retardo dentro del plano usuario, debe

tomar las variables que se muestran en la Tabla 6.12. Con el objetivo de

poder cumplir el valor deseado de la 3GPP en cuanto a la latencia, el

tamaño de una trama, entrega un tiempo de transmisión muy bajo del orden

de los 1 ms, puesto que, en promedio un paquete tiene que esperar un

tiempo de 0.5 ms para el inicio de la siguiente trama. Existen aplicaciones

que trabajan con TCP (capa cuatro de OSI), lo cual, las retransmisiones en

el mejor de los casos debe tomar un tiempo de 8 ms con una probabilidad

de retransmisión del 10%. Además, debemos suponer que existe retardo en

el procesamiento de la UE de 4 ms, un retardo de procesamiento del

eNodoB de 4 ms y un retardo en la red principal o del núcleo de 1 ms.

97

Tabla 6.12 Elementos de la latencia

Componentes del retardo Valor del retardo

Tiempo de la tx en el UL+DL 2 ms

Tiempo de almacenamiento (Buffering) 1.6 ms

Retransmisión 10% 4 ms

Retardo estimado en el eNodoB 4 ms

Red del núcleo (Core) 1 ms

Retardo total con los recursos 13,6 ms

La transmisión promedio incluyendo la retransmisión puede ser claramente

inferior a 15 ms. El tiempo de la latencia en la práctica, no solo puede ser

influenciado por las aplicaciones o los elementos mencionados

anteriormente, también dependen mucho de la trayectoria, tal es el caso, si

un servidor está muy lejos de la central de la red. A menudo, el tiempo de ida

de extremo a extremo viaje puede ser dominado por un retardo de “no radio”,

por ejemplo por la distancia y por los otros elementos en la Internet, que el

tiempo de propagación de 5000 kilómetros es de más de 20 ms.

6.3.5.2 Latencia en el plano de control

Latencia del plano de control tiene que ver con los estados de transición,

donde se puede apreciar un retardo en los cambios de estado, tal como, se

muestra en la Ilustración 6.8. El tiempo de transición entre el estado inactivo

(CELL_PCH) y el estado activo (CELL_DCH), la 3GPP definió, que la

latencia de debe llegar a menos, 50 ms. El otro tiempo de transición,

corresponde al estado fijo (Idle Mode) y al estado activo (CELL_DCH), en

donde el plano usuario es establecido, excluyendo el retardo del “paging” en

el DL y el retardo en la señalización NAS, asumiendo que el retardo debe ser

menor de 100 ms. Los elementos contribuyen a la latencia del plano de

control son:

Transmisión de retraso.

Las retransmisiones para la transferencia fiable.

eNodoB/UE y L1/L2/L3.

98

Ilustración 6.8 Estados de transición

La latencia total para el cambio en el estado de LTE_IDLE a LTE_ACTIVE,

se ven afectados por la reducción de número de mensajes intercambiados

entre la UE y NW antes que pueda ser iniciada de la transferencia de datos.

Existen dos posibles optimizaciones para LTE, incluyendo la idea de la

transferencia “Piggy Back” de los mensajes NAS, permitiendo reducir

significativamente la latencia en general; el segundo concepto de

optimización de la latencia, es la Portadora de Radio por Defecto. Teniendo

en cuenta esto, una posible secuencia resultante del flujo de mensajes

podría ser el siguiente (UE iniciar la transferencia de datos):

La UE transmite la solicitud de conexión RRC.

Los resultados de solicitud de conexión en el B eNode solicitando la

transferencia de la transferencia de contexto de la UE relacionados

con la A-GW.

El A-GW responde con la iniciación de los procedimientos de

seguridad y transferencia de contexto.

La UE envía el ACK L3 junto con el mensaje de seguridad completa

que se remitirá a la A-GW. Habrá un retraso finito procedentes de la

acción antes de que el programador de la UE es programada y es

capaz de transmitir o recibir datos.

El procedimiento de acceso aleatorio puede ser un importante contribuyente

a la demora de acceso. Para el estado de LTE_IDLE y LTE_ACTIVE, sólo

hay un procedimiento de acceso aleatorio que debe ser iniciado la

transferencia del mensaje de solicitud de conexión del RRC desde el

99

principio, con un retraso de 10 ms en teoria. La demora real será dictada por

la persistencia, el diseño del canal RACH y otros parámetros.

6.3.6 Capacidad en el plano de control

La capacidad de plano de control, se define como la capacidad máxima de

un sistema de comunicación o medio de transmisión, con el objetivo de

configurar y controlar los dispositivos de comunicación o servicios, que en

este caso son los teléfonos móviles. La capacidad del plano de control en

LTE debe ser capaz de dar soporte por lo menos 200 terminales móviles en

el estado activo cuando se opera en 5 MHz.

6.3.7 Flexibilidad del espectro

La flexibilidad del espectro es una de las principales características del

acceso de radio en LTE, haciendo muy interesante con respecto a otras

tecnologías 4G. El objetivo de la flexibilidad espectro, es permitir el

despliegue del acceso de radio de LTE con un espectro diverso con

diferentes características, tales como, la disposición dúplex, diferentes

bandas de frecuencia en la operación y disponibilidad del espectro de

acuerdo a diferentes tamaños de ancho de banda.

6.3.7.1 Flexibilidad en la disposición dúplex

Una parte importante de los requisitos de LTE en cuanto a los términos de la

flexibilidad del espectro, es la posibilidad de desplegar LTE basado en el

acceso de radio, tanto en los espectros pares e impares, es decir, LTE debe

soportar sistemas por división de frecuencia y por división de tiempo basado

en la disposición dúplex. A esto se llama tecnología FDD o Frequency

Division Duplex, lo que implica, que la bajada y subida de transmisión tendrá

lugar en diferentes bandas de frecuencia suficientemente separadas. La otra

tecnología corresponde a TDD o Time Division Duplex, (TDD), donde la

bajada y subida de transmisión tienen lugar en espacios diferentes, no existe

traslape en los espacios de tiempo. De esta manera, TDD opera en el

espectro impar y FDD trabaja en el espectro par.

100

Ilustración 6.9 Tecnología FDD y TDD

En la Ilustración 6.9, se muestra que una UE tendrá que detectar que tipo de

transmisión será, FDD o TDD. Así las UE que se encuentran censando la

red pudiendo encontrar los dos tipos de transmisión en la misma banda. Por

lo tanto, tendrán que detectar qué tipo de transmisión se está haciendo en

esa banda. Las diferentes asignaciones de frecuencias o bandas de LTE se

les asignan números. En la actualidad las bandas de LTE entre 1 y 22 son

para el espectro pares y las bandas de LTE entre 33 y 41 son para el

espectro impar.

6.3.7.1.1 Frequency Division Duplex

En Tabla 6.13, a simple vista se puede observar un gran número de

asignaciones del espectro radioeléctrico, de las cuales se han reservado

para FDD, para su aplicación en LTE. Las bandas de frecuencia FDD en

LTE se emparejan para permitir la transmisión simultánea en dos

frecuencias, por ejemplo, la banda 1, transmite dos frecuencias la del UL

(1920 MHz – 1980 MHz) y en DL (2110 MHz – 2170 MHz). Pero también, las

bandas poseen una separación, lo suficiente para que las señales

transmitidas no afecten indebidamente el funcionamiento del receptor. Si las

señales están muy cerca el receptor puede ser "bloqueado". La separación

debe ser suficiente para que el roll-off de la antena, pueda dar una

atenuación suficiente en la señal transmitida en la banda del receptor.

101

Tabla 6.13 Numero de banda de FDD en LTE

Numero de banda en LTE

Uplink (MHz) Downlink (MHz) Las regiones

principales donde se usa

1 1920 - 1980 2110 - 2170 Asia, Europa

2 1850 - 1910 1930 - 1990 América, Asia

3 1710 - 1785 1805 -1880 América, Asia,

Europa

4 1710 - 1755 2110 - 2155 América

5 824 - 849 869 - 894 América

6 830 - 840 875 - 885 Japón

7 2500 - 2570 2620 - 2690 Asia, Europa

8 880 - 915 925 - 960 Asia, Europa

9 1749.9 - 1784.9

1844.9 - 1879.9 Japón

10 1710 - 1770 2110 - 2170 América

11 1427.9 - 1452.9

1475.9 - 1500.9 Japón

12 698 - 716 728 - 746 EEUU

13 777 - 787 746 - 756 EEUU

14 788 - 798 758 - 768 EEUU

17 704 - 716 734 - 746 EEUU

18 815 - 830 860 - 875 Japón

19 830 - 845 875 - 890 Japón

20 832 - 862 791 - 821 Europa

21 1447.9 - 1462.9

1495.5 - 1510.9 Japón

22 3410 - 3500 3510 - 3600 No asignado

6.3.7.1.2 Time Division Duplex

El interés que tiene LTE sobre TDD, subyace en las varias atribuciones de

las frecuencias impares que se están preparando para la LTR con uso en

TDD. Las asignaciones de TDD en LTE son impares, porque el enlace

ascendente y descendente comparte la misma frecuencia, siendo el tiempo

multiplexado.

102

Tabla 6.14 Numero de banda de TDD en LTE

Numero de banda en LTE

Asignación (MHz) Las regiones principales

donde se usa

33 1900 - 1920 Asia (no incluyendo Japón),

Europa

34 2010 - 2025 Asia, Europa

35 1850 - 1910 América

36 1930 - 1990 América

37 1910 - 1930 No asignado

38 2570 - 2620 Europa

39 1880 - 1920 China

40 2300 - 2400 Asia, Europa

41 2496 - 2690 EEUU

6.3.7.1.3 Ventajas y desventajas de la transmisión en FDD y TDD

En principio, cualquier sistema de telecomunicaciones basado en la telefonía

celular, debe ser capaz de transmitir en ambas direcciones simultáneamente

(tal como se revisó en el capítulo de marco teórico). Esto permite que las

conversaciones puedan hacer que lo extremos de sean capaces de hablar y

escuchar al mismo tiempo. De modo que, uno tiene la facultad de poder

identificar los enlaces en los cuales se trabaja, ya sea, en el enlace

ascendente o descendente, así uno puede distinguir una gran variedad de

diferencias entre los dos enlaces que van desde la cantidad de datos

transmitidos en el formato de transmisión y la implementación de los

canales.

Para poder transmitir los datos en ambas direcciones, el equipo del usuario o

la estación base, deben trabajar en un esquema dúplex. Como lo vimos

anteriormente los esquemas dúplex corresponden a FDD (división de

frecuencia dúplex) y TDD (división de tiempo dúplex). Estas tecnologías,

presentan una serie de ventajas y desventajas tanto en FDD y TDD,

convirtiéndose en el centro de interés para las operadoras de telefonía

móviles al momento de trabajar con LTE. Cada una de estas ventajas y

desventajas se muestran a continuación en la tabla Tabla 6.15.

103

Tabla 6.15 Ventaja y desventaja de FDD y TDD en LTE

Parámetro LTE-FDD LTE-TDD

Espectro par

Requiere de un espectro emparejado con una

separación de frecuencia lo suficiente para poder

permitir la transmisión y recepción simultánea.

No requiere de espectro par, tanto en la transmisión y en la recepción, ya que, se producen en el mismo

canal.

Costo del hardware

Se requiere un Diplexor, este presenta un costo

mayor.

No existe un Diplexor para poder aislar el transmisor y

el receptor, lo que se reduce el costo de dicho

HW. Esto permite mitigar el costo de la UE debido a la

gran cantidad que se producen, este es un

aspecto clave.

Reciprocidad del canal

Diferentes características del canal en ambas direcciones, como

consecuencia del uso de distintas frecuencias.

Canal de propagación es la misma en ambas

direcciones, que permite transmitir y recibir.

Asimetría en el UL y DL

La capacidad del UL y DL, está determinada por la

asignación de frecuencias establecidas por las

autoridades reguladoras. Por ello no es posible

realizar cambios dinámicos para que coincida con la

capacidad.

Es posible cambiar dinámicamente el UL y el

DL en relación a la capacidad para satisfacer la

demanda.

banda de custodia/Periodo

de custodia

Banda de custodia son necesarias para

proporcionar un aislamiento suficiente entre enlace

ascendente y descendente. Dichas banda de custodia no influye en la capacidad.

Período de guardia, es necesario para garantizar

las transmisiones de enlace ascendente y descendente

no entren en conflicto. Período de protección será

de gran límite de capacidad. Mayor período de protección se requiere

normalmente si las distancias se han

incrementado para incluir mayores tiempos de

propagación.

104

Transmisión discontinua

Transmisión continua es necesaria.

Transmisión discontinua es necesaria para permitir las transmisiones tanto en el

enlace ascendente y descendente. Esto puede atenuar el rendimiento del

amplificador de potencia de RF en el transmisor.

Interferencia del cruce de la

ranura No es aplicable

Las estaciones base deben estar sincronizadas en los

tiempos de transmisión con respecto a la subida y

bajada. Si las estaciones de base vecinas, utilizan

diferentes asignaciones de enlace ascendente como

descendente y compartir el mismo canal, entonces

pueden producir interferencias entre las

celdas.

6.3.7.2 Flexibilidad en la banda de frecuencia

LTE está previsto para ser implementado en el caso de ser necesario,

cuando el espectro pueda estar disponible en los siguientes casos: mediante

la asignación de nuevo espectro para las comunicaciones móviles, tales

como la banda de 2,6 GHz, por la migración a LTE del espectro actualmente

utilizado para los demás servicios móviles por la comunicación, como la

segunda generación de sistemas GSM. Por consecuencia de esto, LTE

requiere que el acceso de radio deba ser capaz de operar en una amplia

gama de bandas de frecuencia, desde un mínimo de la banda de 450 MHz

hasta 2,6 GHz.

La posibilidad de trabajar con una tecnología de acceso radio en diferentes

bandas de frecuencia, en sí mismo, no es nada nuevo. Porque la triple

banda de los terminales GSM son comunes, capaces de funcionar en el 900,

1800 y las bandas de 1900 MHz. Desde la perspectiva de la funcionalidad de

acceso de radio, esto tiene un impacto limitado o nulo, la cual, las

especificaciones de LTE de la capa física no asumen ninguna banda

específica. Lo que puede diferir, en términos de especificaciones, entre las

diferentes bandas de frecuencia que son los requisitos de los sistemas de

RF, como el máximo permitido de potencia de transmisión. Una de las

105

razones de esto es que las restricciones externas son impuestas por los

organismos reguladores y pueden variar entre diferentes bandas de

frecuencia.

6.3.7.3 Flexibilidad en el ancho de banda

Dicha flexibilidad apunta a que la E-UTRAN debe ser capaz de utilizar un

ancho de banda variable tanto en UL y DL: 1,25 MHz, 1.6 MHz, 2.5 MHz, 5

MHz, 10 MHz, 15 MHz y 20 MHz, dando soporte para las bandas de

frecuencia, par e impar, dando la posibilidad no solo el soporte de la

flexibilidad en los recursos, sino que también incluyen la potencia de

transmisión, la modulación y trabajar con una sola banda o varias.

La cantidad del espectro que se encuentra disponible en LTE, pueden variar

significativamente entre diferentes bandas de frecuencia, como también en

función del operador de la red desea utilizarla. Por otra parte, la posibilidad

de operar en distintas asignaciones de diferentes espectros, da la posibilidad

de la migración gradual del espectro hacia otras tecnologías de acceso radio

de LTE, ejemplo Femtocell.

LTE permite el funcionamiento en una amplia gama de atribuciones de las

frecuencias, alcanzado por un ancho de banda de transmisión flexible que

forma parte de las especificaciones de LTE. Obviamente el tamaño del

ancho de banda se ve afectado la velocidad de transmisión como se mostró

en los tópicos anteriores.

6.3.8 Cobertura

Los requisitos de cobertura se centran en el rango de celdas (radio), que es

la máxima distancia de la ubicación de la celda a un terminal móvil. El

requisito fundamental de la cobertura es cumplir con el rendimiento del

usuario, así utilizando 5 Km de radio, se logra una mejor eficiencia del

espectro y el rendimiento de la movilidad.

Para las celdas con hasta 30 Km de radio en la celda, presentan una ligera

degradación del rendimiento, que para el usuario es tolerada y una

degradación importante de la eficiencia del espectro son aceptables en

relación con los requisitos, como también las necesidades de la movilidad se

deben cumplir. No obstante, con un radio de 100 km no debe ser excluida

por las especificaciones, pero no los requisitos de rendimiento.

El radio de la celda que se trabaja en LTE puede ser utilizada de manera

eficiente para proporcionar servicios de banda ancha inalámbrica en zonas

106

rurales, donde las tecnologías de acceso alámbricos les he imposibles llegar.

El radio de la celda puede ser lo bastante grande si la propagación es

favorable por tener una alta cantidad antenas montadas en las estaciones

base, junto con el uso de antenas externas en la UE a una baja frecuencia.

Ejemplo de esto, es la implementación de un sector con las mismas

características mencionadas anterior, estableciendo un rango de la celda

con 75 km, todo esto fue montado en Australia, en una zona rural (Ilustración

6.10).

Ilustración 6.10 Radio de la BS en la zona rural de Australia

La zona de pruebas en Australia, se trabajó con frecuencia de 2600MHz,

para la estación base se ha configurado con 2x60 W de potencia y

amplificadores en la antenas de 18 dBi. Las mediciones se realizaron

mediante el uso de diversas antenas externas en el terminal: 25 dBi antena

de alta ganancia de la Directiva, la Directiva de 15 dBi de la antena y antena

interna UE. Las tasas máximas de datos se muestran en la Ilustración 6.11.

Las antenas de Directiva establecía la tasa peak de 100 Mbps, mientras que

la antena interna permite UE velocidad de datos de 20Mbps. Los datos

correspondientes a las tasas del enlace ascendente en las mediciones han

sido 15 a 30 Mbps.

107

Ilustración 6.11 Rendimiento máximo en el DL diferentes antenas UE

6.3.9 Complejidad

Los requisitos de complejidad en LTE son en esencia, los requisitos que

implican el número de opciones que debe ser minimizado, sin funciones

obligatorias redundante. Esto también conduce a un número mínimo de

casos de prueba necesarios. Como también deben soportar la coexistencia

de otras de las tecnologías de acceso de las redes en 3GPP, tales como

GERAN y UTRAN.

La capacidad de soportar las tecnologías de acceso anteriores a LTE, es

muy importante que cumpla dicha cualidad, ya que, LTE no es capaz de

transportar voz, solo transporta datos. Por lo tanto si una UE de sea

transmitir voz debe utilizar la red GSM (2G). Actualmente se están

desarrollando soluciones ante este problema, una de ellas es VoLTE, su

fundamente es similar a transportar VoIP.

6.3.10 Retardo en el handover

El rápido proceso de traspaso es esencial cuando, el nivel de la señal de la

celda de origen se desvanece rápidamente, y al mismo tiempo la señal de la

celda de destino aumenta, los niveles de señal se muestran en el Gráfico

6.4. Para poder lograr esto, la UE debe ser capaz de recibir la orden de

traspaso del eNodoB de origen antes de que la relación señal-interferencia

sea muy baja, a esto se le llama punto crítico. La fiabilidad de entrega en

este escenario puede ser mejorado por la ventana adecuada y los

parámetros promedio, así como por reducir al mínimo el retardo de la red.

108

Gráfico 6.4 Tiempos de entrega del handover

6.3.11 Performance en la red Backhaul de LTE

En la Ilustración 6.12 Red backhaul genérica en la telefonía móvilIlustración

6.12, se muestra una red backhaul, aplicado en la telefonía móvil, la cual, la

interconexión entre los distintos nodos de la telefonía móvil se utilizan

enlaces de fibra óptica o de microondas para llevar los datos de las celdas

distantes hasta la red núcleo del operador. Para LTE se han detallado los

requisitos para la interfaz de radio, añadiendo los requerimientos de la red

principal, pero en el Release 8, no se especifica ninguna recomendación

para la red backhaul, siendo que el backhaul permite enlazar la E-UTRAN y

la EPC. De esta forma, los proveedores forman parte de la solución en la

que 3GPP no se hace parte, desarrollando e implementando tecnologías de

accesos, algunas de estas empresas proveedoras son: HUAWEI, NEC,

Alcatel, entre otras.

109

Ilustración 6.12 Red backhaul genérica en la telefonía móvil

Para que LTE entregue una tecnología de acceso de radio optimizada para

el tráfico basado en IP, las redes de backhaul deben cumplir con los tres

siguientes requisitos:

Mayor capacidad, la red backhaul debe transportar datos en un valor

de 100 Mbps e incluso más allá.

Latencias más bajas, como se mencionó anteriormente que el

requisito de latencia en el plano usuario es de 10 ms de extremo a

extremo entregando una solución compatible a la latencia

extremadamente baja.

Cumplir con el concepto “All-IP”, todas las aplicaciones trabajan de

manera intrínseca con el protocolo IP a lo largo de la red.

Por consiguiente, los parámetros necesarios para poder cuantificar el

rendimiento del backhaul, serán mencionadas a continuación.

6.3.11.1 Tipo de tráfico en función clase de servicio.

Cada servicio que entrega la red, se le puede asignar a una clase específica

de tráfico y priorizar el servicio, utilizando un señalizador denominado CoS

(Class of Service), que en español significa Clase de Servicio y no se debe

confundir con el QoS. La red de backhaul de LTE debe ser capaz de

reconocer los valores asignados del CoS en el tráfico de datos. También el

backhaul, debe garantizar que las pérdidas de paquetes sean bajas.

110

Los estándares de la tecnología móvil, definir las clases que pueden ser

utilizados en la diferenciación de tráfico, pero no ordenan cómo muchas de

estas clases son en realidad para ser utilizado. Este número dependerá de la

implementación de la red y el perfil de tráfico. En general, la diferenciación

entre los tipos de tráfico se hace por definir y priorizar los paquetes, como

"Alta", "Media" o "Baja" y dicha prioridad depende del tipo de tráfico.

Tabla 6.16 Clase de tráfico en base a la prioridad

Clase de tráfico Clase de servicio Aplicaciones

Background Baja (tráfico sin

tiempo real) email

Interactivo Bajo (tráfico sin

tiempo real) HTTP

Streaming Media (tráfico en

tiempo real) Streaming de video

Conversación Alta (tráfico en

tiempo real) Video conferencia

6.3.11.2 Recomendaciones del Throughput

La velocidad máxima de 150 Mbps de bajada (64QAM 2×2 MIMO) y 75Mbps

de subida (64QAM sola corriente) están disponibles para una configuración

de 20MHz. Las transmisiones peak, son alcanzables sólo en condiciones

ideales de la interfaz aérea, entre las estación base, sin interferencia de las

otras celdas. El Promedio de eficiencia de las celdas en el enlace

descendente del espectro se ha determinado un valor que fluctúa entre 1,5

- 1,7 bit/s/Hz en el despliegue de una celda macro (tres sectores) y 2,4 - 2,9

bit/s/Hz en las células de micro (un sector).

6.3.11.3 Variación del retardo (jitter)

Los requerimientos de la variación del retardo, se basan en los servicios del

usuario o Plano Usuario, que se caracteriza con un retardo de extremo a

extremo, aquí la variación del retardo (jitter), se aplica para los servicios

VoIP, navegación web, transferencia de archivos, gaming y envío de correo

electrónico, y así sucesivamente. Para el Plano de Control, se relaciona con

el retardo de los protocolos de la red de radio y el Plano de Sincronización

corresponde a la sincronización de los eNodoB principalmente.

Si nos vamos al detalle del Plano de Usuario, la latencia debe ser de 15 ms,

en cambio la variación del retardo (jitter) tiene que ser considerado en la

111

interfaz aérea de LTE, puesto que, las retransmisiones de TCP y la red de

transporte contribuyen a la fluctuación del retardo al usuario final.

Para las aplicaciones de tiempo real (VoIP, video streaming, gaming, entre

otras), el usuario final debe ser capaz de tolerar un jitter aproximado de entre

10 a 20 ms, utilizando un buffer correctamente dimensionado. Dicho

dimensionamiento de la red, como también los mecanismos de QoS han

permitido asegurar que el jitter de extremo a extremo, no se exceda en las

aplicaciones que trabajan en tiempo real. Se debe tomar en cuenta el jitter

de las interfaces S1-U y X2, ya que, si analizamos el DL que llega al eNodoB

de origen durante la transferencia, esta será remitida a la eNodoB de

destino, lo que en palabras más simples, tendrá que recorrer un camino

muchas más largo. Para la latencia X2, es significativamente menor que el

tiempo de interrupción en el enlace de radio (30 a 50 ms), y este no tendría

ningún beneficio, ya que, el eNodoB tiene que esperar dichos paquetes de

todos modos. Aun así, la mayoría de las aplicaciones del usuario deberá

tolerar un tiempo pequeño, un aumento en el retardo.

Para el Plano de Sincronización, el requerimiento del jitter, debe ser la

utilización del Precision Time Protocol (PTP), basado en IEEE1588-2008,

que se utiliza para la sincronización del eNodoB.

6.3.11.4 Retardo en la comunicación cliente y servidor

Cuando nos referimos al modelo cliente-servidor, debemos aterrizar este

concepto en LTE, de esta manera, el cliente corresponde a la UE, en cambio

el servidor, se refiere a cualquier aplicación almacenada en la red, por

ejemplo, los servicios web-browsing. Ahora el backhaul se asume que utiliza

hasta 20 ms en promedio, cuando la Policy and Charging Enforcement

Function (PCEF) se encuentra cerca del eNodoB, como se muestra en la

siguiente ilustración.

112

Ilustración 6.13 Características del modelo cliente servidor

6.3.11.5 Retardo en la comunicación Peer-to-Peer

Para la itinerancia internacional o roaming, el retardo puede ser de hasta

aproximadamente 50 ms. La demora en un switch L3 o router suele ser muy

pequeña, y las especificaciones de rendimiento a velocidad de cable coaxial,

por lo general es inferior a 0,1 ms en una red con poca carga. En cambio, en

una fibra óptica, entrega un valor de retardo sobre 1 ms por cada 200 km,

que esta relación, es utilizada para poder calcular el retardo introducido por

la fibra. Cada uno de estos valores de retardo de la comunicación Peer-to-

Peer está definido en la TS 23.303.

Ilustración 6.14 Comunicación Peer-to-Peer

113

6.3.11.6 TCP dentro del backhaul

6.3.11.6.1 Retransmisión

El diseño de la red tiene una fuerte influencia en las propiedades definidas

anteriormente. Además de las características de LTE, la tasa de pérdida de

paquetes en una red comercial depende en gran medida de la red en sí,

como también, de la red de radio, la red backbone y de la misma de Internet.

Muchas de las aplicaciones del usuario final, se encuentran basados en la

experiencia de la pérdida de paquetes, con la retransmisión y el retardo

asociado a TCP. Por otro lado, las aplicaciones UDP, de acuerdo a la

experiencia de la pérdida de paquetes, no presenta ningún efecto en relación

al retardo, puesto que es un protocolo sencillo que no realiza retransmisión,

por eso, UDP es muy utilizado en los servicio de streaming, por ejemplo la

radio-online. Los servicios de streaming pueden utilizar TCP y buffer de

memorias, para evitar la degradación de la calidad de la pérdida de

paquetes. Servicios de transmisión no está íntimamente unido a un cierto

tipo de protocolo y en el tráfico general de Internet hoy en día, TCP domina a

través de UDP, por ello en este capítulo conoceremos el rendimiento solo en

TCP.

En el peor de los casos a través de TCP, cada pérdida de paquetes reduce

temporalmente la tasa de enviar en un 50%. Después de esto, la tasa de

envío aumenta linealmente hasta la pérdida de paquetes se produzca la

velocidad máxima que alcanza TCP en los datos pendientes. Una excesiva

pérdida de datos, genera un rendimiento lento y requieren un procesamiento

adicional, lo que para el sistema LTE no se verían afectados, pero sí

afectaría al usuario final, logrando percibir que la conexión sea lenta.

6.3.11.6.2 Control de flujo y ventana deslizante

El TCP está diseñado para proporcionar un transporte confiable de los

paquetes de datos. Actualmente se utiliza TCP para el 80-90% de todo el

tráfico de paquetes en Internet, donde la fiabilidad de las aplicaciones es

importante, por ejemplo, la navegación web (HTTP), el correo electrónico

(SMTP) y transferencia de archivos (FTP). Debido al mecanismo de control

de flujo, una conexión TCP tiene una velocidad limitada por la relación entre

el tamaño de la ventana y por el RTT14.

Tomando en cuenta la especificación del RFC 793, en relación al tamaño de

la ventana en TCP, el tamaño mínimo corresponde a 64KB con 20 ms RTT,

14

RTT o Round-Trip delay Time, corresponde al tiempo que tarda un paquete enviado desde un host emisor en volver a este mismo emisor habiendo pasado por el host receptor de destino.

114

lo que limitaría el servicio de alcanzar velocidad de datos a 25 Mbps en un

solo puerto TCP en estado estacionario, debido al control del flujo de este

mismo, como se muestra en la Ilustración 6.15. Ante dicha falencia puede

ser mitigada con varias conexiones TCP de forma simultánea, que suelen

ser el caso para la navegación web. Otra medida es el uso de la ampliación

de la ventana de recepción a través la ventana TCP, que es usada

transferencia de archivos grandes, tales como, música, vídeo, software, la

cual se beneficiarán con dicha medida, si las altas tasas de servicios serían

ofrecidas por el operador.

Ilustración 6.15 Velocidad de transmisión versus el tiempo de ida y vuelta

Aparte del estado estacionario, la conexión TCP de inicio (comienzo lento) y

el comportamiento después de la pérdida de paquetes (para evitar la

congestión) también se ven afectadas por el RTT. Con los actuales

navegadores, los sitios web junto con un tamaño de página de media por

debajo de 1 MB, se puede suponer que la mayoría de tráfico web se

transfiere dentro de la fase de comienzo lento, por lo que se establece una

ventana deslizante. En cualquier caso, la red de transporte debe ser

diseñado para definir una latencia baja y una mayor velocidad de datos en

TCP en el estado estacionario para un inicio más rápido.

115

Capítulo VII: Simulaciones e implementaciones en LTE

7. Introducción

En este capítulo se pondrán casos del funcionamiento de LTE, ya sea, a

nivel de laboratorio utilizando simuladores o la implementación de la

arquitectura de LTE en la vida real, con el objetivo de poder entender mejor

las diferencias entre los valores teóricos definidos por la 3GPP y como en la

realidad estos varían.

7.1 Simulación con LTE-Simulator

El desarrollo de LTE Simulator o LTE-Sim, abarca varios aspectos de las

redes LTE, incluyendo tanto el acceso universal evolucionado Radio

Terrestre (E-UTRAN) y el Sistema de Paquetes Evolucionado (EPC). Aquel

simulador puede trabajar en la modelación de los entornos de una o varias

celdas, implementar sistemas en base al QoS, transmisión de datos en

múltiples usuarios acoplados en la red, la movilidad del usuario, los

procedimientos de entrega y las técnicas de reutilización de frecuencias.

7.1.1 Parámetros de simulación

Para esta simulación se tomaron los siguientes datos, que se muestra en la

Tabla 7.1, después de haber definido los parámetros, se comienza con la

simulación en el software. Cabe destacar que esta medición se está

realizando en el enlace descendente utilizando una transmisión de video con

242 kbps, en cambio, el servicio de VoIP (G.729) son con una transmisión de

datos sobre los 8,4 kbps).

Es importante tener en cuenta que en este software de simulación se trabaja

con tres algoritmos de planificación de paquetes, que tienen como objetivo,

cumplir el QoS en LTE, en base a un tráfico no real. Lograr una simulación

fiel de la realidad es muy difícil, puesto que en la red, existen muchas

variables que permiten determinar la perdida de paquetes, el jitter, el retardo,

entre otras, y muchas de estas variables son de carácter probabilístico. Los

tres algoritmos son:

Proportional Fairness (PF), corresponde a la programación del tráfico

en tiempo no real, que permite asignar los recursos de radio teniendo

en cuenta la experiencia de la calidad del canal y el rendimiento del

usuario. El objetivo de dicho algoritmo, consiste en maximizar el

rendimiento total de la red y garantizar la equidad entre los datos.

116

Maximum Largest Weighted Delay First (M-LWDF), M-LWDF es un

algoritmo diseñado para soportar múltiples usuarios en tiempo real de

datos en los sistemas CDMA/HDR. Permite adaptarse correctamente

con varios usuarios, a través de diferentes requisitos de QoS de cada

uno de los usuarios. Este algoritmo toma en cuenta las variaciones

de canal y los retardos, en el caso del servicio de video, tratando de

equilibrar los retardos de los paquetes y utilizar el conocimiento sobre

el estado del canal, para hacerlo más eficiente.

Exponential Proportional Fairness (EXP/PF), este algoritmo que ha

sido desarrollado para soportar aplicaciones multimedia en una

modulación adaptativa y codificación y multiplexación por división de

tiempo del sistema, esto significa que un usuario puede pertenecer a

un servicio en tiempo real o un servicio en tiempo no real. Este

algoritmo ha sido diseñado para aumentar la prioridad de las

transmisiones de datos en tiempo real con respecto a la en tiempo no

real.

Tabla 7.1 Parámetros de LTE en el simulador

Parámetro Valor

Duración de la simulación

150 s

Estructura de la trama

FDD

Radio de la celda 1 Km

Ancho de banda 10 MHz

Retardo máximo 0.1 s

Tasa de datos (videos)

242 kbps

Tasa de datos (VoIP)

8,4 kbps

7.1.2 Resultados de la simulación

7.1.2.1 Paquetes perdidos

En este experimento se medirá la pedida de paquetes en dos servicios muy

utilizados dentro del networking, un servicio de video. En el Gráfico 7.1, se

muestra la pérdida de paquetes en la transmisión de video, aquí la pérdida

de paquetes es directamente proporcional cuando se trabaja con el algoritmo

117

PF, dentro de la Gráfico 7.1, el PF se comporta muy bien con una cantidad

pequeña de 20 usuarios, acoplados en una celda. Para el algoritmo M-LWDF

muestra una pérdida de paquetes mucho más estable para el tráfico de

vídeo cuando hay menos de 32 usuarios. En cambio el algoritmo, EXP/PF

presenta un comportamiento óptimo y mejor que M-LWDF, donde la celda es

compatible con una pérdida de paquetes normal cuando hay menos de 38

usuarios.

Gráfico 7.1 Pérdida de paquetes en video

7.1.2.2 Retardo

El retardo experimentado por un video se muestra en el Gráfico 7.2, donde el

menor retardo se lleva a cabo por EXP/PF, M-LWDF presenta un retardo

estable, muy cercano a los resultados experimentados por EXP/PF, por

último, PF muestra un retraso estable cuando hay menos de 20 usuarios

acoplados dentro de la celda.

118

Gráfico 7.2 Retardo en la transmisión de video

7.1.2.3 Rendimiento

Aquí los algoritmos, M-LWDF y EXP/PF mostraron un mejor rendimiento que

el PF cuando la célula está cargada, esto es un comportamiento normal de

las transmisiones en tiempo real. Aunque M-LWDF muestra buen

rendimiento, EXP/PF expresa un mejor resultado.

119

Gráfico 7.3 Rendimiento experimentado en la transmisión de video

7.1.2.4 Eficiencia en la celda

El Gráfico 7.4 muestra la eficiencia espectral de la celda, obtenida para los

escenarios considerados LTE y se expresa como el rendimiento total

alcanzado por todos los usuarios, dividido por el ancho de banda disponible,

como fue mencionado en un capítulo anterior Como era de esperar, los

algoritmos, utilizados mostraron diferentes comportamientos dentro de la

celda. Cuando el número de usuarios en los aumentos de la célula, tratando

de garantizar el QoS de los usuarios de la celda.

120

Gráfico 7.4 Eficiencia espectral

7.2 Prueba de campo del performance en FDD

En esta prueba de campo, corresponde a un despliegue real, en el sentido

de que se utilizó el hardware necesario de LTE, como también la

implantación de las arquitecturas E-UTRAN y EPC. El desarrollo de esta

experiencia se logró con el aporte de Nokia Siemens, en conjunto con

Chalmers University of Technology. Aquí las pruebas se realizan en

múltiples sitios en un área determinada, además se consideraran los enlaces

ascendente y descendente.

7.2.1 Parámetros de la prueba de campo

La zonas de prueba se componen de dos áreas totalmente distintas, dichas

áreas se les denominó Cluster A y Cluster B, en la Ilustración 7.1, el Cluster

A corresponde a la zona delimitada con el color anaranjado y el Cluster B se

encuentra delimitado con el color negro.

Si nos vamos al detalle del Cluster A, la empresa proveedora Nokia

Siemens, desplegó seis eNodoB con tres sectores para iluminar (DX0350,

DX0309, DX4022, DX0115, DX4072 y DX0729) y un eNodoB (DX0389),

utilizando una banda de 2 GHz, en el UL y en el DL, operando con una

banda de 2 GHz. El sitio en donde se realizarán las mediciones, se

encuentra demarcado con el nombre DX0309_2.

121

Ilustración 7.1 Zonas de pruebas, modelada con la aplicación TEMS

Para el Cluster B, Nokia Siemens instala equipos que operan en la banda

700 MHz, en presencia de cuatros eNodoB (DX0043, DX4182, DX4133 y

DX4109), todos utilizan tres sectores para iluminar la zona. El sitio para

realizar las mediciones, es el DX4109, eligiendo uno de los tres sectores,

denominado DX4109_3). En total, hay doce sectores activamente irradiando

en este grupo.

Los parámetros a trabajar se muestran en la Tabla 7.2, lo bueno de este

experimento, se considera la arquitectura de red de transporte o el backhaul,

que permite el flujo de los datos en cada eNodoB, que son ruteados a través

de la tecnología MPLS (Multiprotocol Label Switching) de la red, mediante un

enlace de 100Mbps/GigE. Para la arquitectura EPC, se utiliza el laboratorio

de LTE 4G en Dallas, Texas, donde se emula la red central con los equipos

de Nokia Siemens.

Tabla 7.2 Parámetros de las pruebas de campo

Parámetro Valor

Potencia en la Tx referida en el DL

30 W

Máxima potencia de Tx en el UL

23 dBm

Ancho de banda 10 MHz

Categoría 2 de la UE

DL: 50 Mbps UL: 25 Mbps

122

Banda en DL (2 GHz)

2.110 - 2.155 GHz

Banda en UL (2 GHz)

1.710 - 1755 GHz

Banda en DL (700 MHz)

734 - 746 MHz

Banda en UL (700 MHz)

704 - 716 MHz

Estructura de la trama

FDD

Esquema de la antena en DL

2×2 MIMO, SIMO

Esquema de la antena en UL

SIMO

7.2.2 Resultados de la prueba de campo

7.2.2.1 Rendimiento para un usuario en el DL

El objetivo general de estas pruebas es medir el rendimiento de

procesamiento de bajada de un solo usuario en la utilización de adaptación

de 2×2 MIMO para una serie de pruebas de la UE, ya sea, estacionaria y en

movimiento, utilizando el protocolo TCP o UDP.

Los resultados de rendimiento para los casos se muestran en la Tabla 7.3,

definidos en THP, que es la abreviatura de Throughput (rendimiento),

referidos en L1 (Layer 1), así como la capa de transporte del modelo OSI

(TCP o UDP). Las ubicaciones de las pruebas estacionarias

correspondientes a la posición de cerca, mediana y lejana, que en la Tabla

7.3, las definen como, “near, mid, far”, en cambio la Tabla 7.3, las define con

las variables THP-001, THP-006, THP 009 y THP-014.

Tabla 7.3 Asignación de variables

Mbps

Posición: cerca Posición: media Posición: lejos Movilidad

Peak L1

Tput Prom L1

Tput Prom de aplic

de Tput Peak L1

Tput Prom L1

Tput Prom de aplic

de Tput Peak L1

Tput Prom L1

Tput Prom de aplic

de Tput Peak L1

Tput Prom L1

Tput Prom de aplic

de Tput

DL

T CP

No cargad

a

THP001 THP003 THP005 THP007

49.04 48.24 46.62 48.7 47.10 46.19 42.94 41.08 39.78 48.94 30.59 29.89

Cargada


48.99 48.18 46.56 37.00 35.00 31.80 19.94 17.55 16.93 48.99 26.71 26.58

UDP

No cargad

a


49.04 48.80 47.65 48.80 48.30 47.80 43.08 41.57 41.04 49.04 36.89 36.90

Cargada


49.04 48.50 47.80 27.88 25.43 24.91 18.64 13.65 13.35 49.04 27.40 26.69

DL

T CP

No cargad

a


18.89 18.83 18.23 18.89 18.53 17.93 4.30 3.70 3.60 18.99 12.88 17.93

Cargada


18.89 18.78 18.18 18.89 18.66 18.20 3.60 2.18 2.10 18.87 11.60 18.20

UDP

No cargad

a


18.89 18.86 18.39 18.89 18.55 18.30 5.10 4.07 4.00 18.99 12.10 11.88

Cargada


18.89 18.80 N-R 18.89 18.66 18.40 4.26 3.70 N-R 18.99 12.44 N-R

123

124

Ilustración 7.2 Localización de la UE (estacionaria y en movimiento)

La ruta de utilizada para las pruebas de la movilidad, corresponde a la

Ilustración 7.2, trayectoria trazada en color morado, para Tabla 7.3, hace

alusión a las variables THP 007, THP 008, THP 015 y THP 016. Como era

de esperar, la sobrecarga en la transmisión de datos, utilizando el protocolo

UDP es mínimo en comparación con TCP, puesto que, es un protocolo

mucho más complejo que UDP, recordando que TCP realiza control de flujo

y garantiza el envío de los segmentos. Así el rendimiento en las pruebas

realizadas en UDP (THP-002, THP-004, THP-006 y THP 008) es superior a

las pruebas realizadas a TCP (THP-001, THP 003, THP 005 y THP 007). Lo

interesante de esta prueba es que, la tasa máxima de los datos en L1

durante la ejecución de THP-001 y en THP-008, el resultado registra 49,04

Mbps muy cercano máximo teórico de 50 Mbps (que es impuesto por el uso

de la categoría 2, LTE UE).

En cuanto a la posición, se observa, que la carga tiene un impacto

significativo en el rendimiento del sistema cuando la UE se encuentra en la

posición del extremo, tiene menos impacto cuando se encuentra en la

posición media y un impacto menor en la posición cercana. Los resultados

muestran que el impacto de la introducción de la carga en la posición del

extremo es disminuir el rendimiento promedio de L1 en un 0,12% (THP-001

frente a 009 THP), una correspondiente disminución de 25,7% en la posición

media (THP-003 frente a THP-011) y una disminución de 57,2% en la

posición más lejana.

125

7.2.2.2 Rendimiento en el UL para un solo usuario

Las pruebas del rendimiento, se tomaron los datos en las posiciones de

cerca, medio y lejos. En la ubicación cerca (THP-017, THP-018, THP-025 y

THP 025), el rendimiento máximo L1 es 18,89 Mbps, lo que viene muy cerca

del máximo de 20.616 Mbps. Un resultado inesperado se encuentra en la

comparación directa de THP-019 y THP 027, donde se observa que el

rendimiento promedio de L1 para el caso sin carga es ligeramente inferior a

las mismas prestaciones medidas para el caso con carga (18,53 Mbps frente

a 18,66 Mbps). El rendimiento más bajo que parece deberse a las

variaciones de TCP, ya que, TCP está sujeto al control de flujo. En los casos

de la realización de la prueba en la ubicación de lejos (THP-021, THP-022,

THP-029 y THP 030), los rendimientos se registran a menos de 5 Mbps.

7.2.2.3 Rendimiento para múltiples UE

En la sección anterior, hemos informado sobre el desempeño de los casos

de prueba de un solo usuario el rendimiento, en donde un solo UE está en

pruebas en la celda. Sin embargo, nos centramos en varios escenarios de

múltiples usuarios, en el que cuatro UE están activos dentro de la celda. Los

casos de prueba relevantes son THP-033, THP 034, THP 037 y THP 038.

Los resultados se muestran en la Tabla 7.4.

Tabla 7.4 Rendimiento para varias UE

Estacionario En movimiento

Enlace Protocolo Carga Caso de prueba

Rendimiento promedio de la

celda

Caso de prueba

Rendimiento promedio de la

celda

DL

TCP Sin

carga THP 033

48.61 Mbps THP 035

No fue evaluado

TCP Con

carga THP 037

37.67 Mbps THP 039

44.99 Mbps

UDP Sin

carga THP 034

41.22 Mbps THP 036

39.30 Mbps

UDP Con

carga THP 038

29.64 Mbps THP 040

31.77 Mbps

UL

TCP Sin

carga THP 041

19.40 Mbps THP 043

17.91 Mbps

TCP Con

carga THP 045

17.68 Mbps THP 047

18.20 Mbps

UDP Sin

carga THP 042

19.43 Mbps THP 044

17.90 Mbps

UDP Con

carga THP 046

20.09 Mbps THP 048

18.29 Mbps

126

Para estas pruebas, UE1 se encuentra en la posición lejana al eNodoB, UE2

y UE4 se encuentran en la posición media y UE3 se encuentra en la posición

cercana. En todos estos casos de prueba, los cuatro a los usuarios

compartieron el ancho de banda de 10 MHz presente en LTE. Las

principales observaciones ocurrieron, al comparar los escenarios de TCP,

sin carga y con carga (THP-033 versus THP0-37), un reducción en la

transmisión del rendimiento promedio de la celda media, es debido a la

carga de un 19%, mientras que para los escenarios de UDP (THP-037

versus THP-038), la reducción en la transmisión del rendimiento promedio

de la celda media debido a la carga de un 28%.

7.2.2.4 Rendimiento del Handover en las bandas 2 GHz y 700 MHz

En esta última sección, se discuten los resultados de las pruebas de

rendimiento de procesamiento con entrega. Las pruebas se llevan a cabo

tanto sobre el 2 GHz y 700 MHz inferior dentro de la Categoría B. Los casos

de prueba relevantes son los siguientes: CC-021, CC-022, CC-0210, CC 022

y CC-052-. El objetivo de estas pruebas es la aplicación intra-e inter-eNodoB

entrega sobre la base de RRC (Radio Control de recursos) de mensajería al

tiempo que impone un impacto mínimo en la capa 1 y el rendimiento de la

capa de aplicación antes, durante y después de la entrega de terminación.

Además, la red debe ejecutar con éxito mensajes de plano de control,

mientras que la observación de un tiempo de interrupción que es inferior a

56 ms (un requisito sobre la base de las pruebas de laboratorio y la

especificación de producto).

En esta serie de pruebas, el éxito de la entrega se determina mediante la

comprobación de la secuencia de mensajes: Informe de Medición de la UE

envió indica un PCI (identificador de célula física) con una señal fuerte,

seguido de celda de origen enviar mensaje de conexión RRC

reconfiguración de Información de Control de Movilidad para el objetivo

celular y CRNTI (Radio celular identificador de red temporal) para el usuario.

Finalmente, esta secuencia debe ser seguida por un mensaje de

reconfiguración completa conexión RRC enviados desde la UE después de

que llegue a la célula diana.

El tiempo de interrupción se refiere al tiempo de interrupción del plano de

control durante la entrega. Se determina por el momento en que la UE recibe

el mensaje de conexión RRC reconfiguración en la celda de origen para el

momento en que envía el mensaje de conexión RRC reconfiguración

completa en la célula diana. En este punto, el portador de radio por defecto

se ha establecido y está disponible para la planificación del tráfico por la

celda central. A pesar de las pruebas de CC-022, señal del enlace

127

ascendente, presentó duraciones de tiempo en el que hubo un bajo

rendimiento, pero en general, los resultados son muy satisfactorios, con una

probabilidad de éxito del 100% en total de 397 intentos de entrega, para el

plano de control del handover, tuvo un promedio de tiempo de 21 ms es

mucho más rápido que el objetivo máximo, 56 ms.

Tabla 7.5 Rendimiento del handover

Banda Caso de prueba

Circuito Intentos de handover

Handover exitosos

Promedio de interrupción (ms)

2 GHz CC021 DL

1 28 28 21

2 30 30 21

3 29 29 22

2 GHz CC022 UL

1 31 31 Sin interrupción



700 MHz

CC210 DL

1 36 36 22

2 28 28 22

3 30 30 22

700 MHz

CC220 UL

1 34 34 21

2 28 28 21

3 34 34 21

700 MHz

CC052 DL 1 26 26 21

700 MHz

CC052 UL 1 26 26 21

7.3 Medición de LTE en aplicaciones de Gaming

Actualmente los servicios que entrega Internet, Gaming, presenta un gran

dolor de cabeza, para las operadoras, ya que los usuarios requieren una

latencia menor, para lograr una mejor QoE. Por ello, se emplearán tres

parámetros de medición de rendimiento, que han sido definidas para cumplir

los requisitos de rendimiento en los juegos en línea:

Retardo de extremo a extremo en la red.

Jitter.

Aplicación de la pérdida de paquetes.

Dada la amplia variedad de juegos disponibles, que pueden ser separados

en las siguientes cuatro categorías en las que han sido los resultados

correspondientes juegos tolerable descrito con el uso de los parámetros de

rendimiento por encima de propuestas:

128

7.3.1 First Person Shooter (FPS) y Racing

En esta clase de video juegos, requiere una respuesta rápida del usuario

para los otros jugadores que estén en línea. Además presenta un ambiente

muy dinámico, por la exigencia que requiere esta clase de juegos. Las

recomendaciones son:

Hasta 150 ms de extremo a extremo retraso puede ser aceptable.

El Jitter de 10 ms se puede esperar a ser críticos para FPS.

Hasta 5% de pérdida de paquetes es aceptable.

7.3.2 Estrategia en Tiempo Real (RTS) o Simulaciones

Aquí los juegos de esta clase requieren una respuesta ligeramente inferior,

más lenta el juego, un puñado de jugadores en un solo juego. Las


Se presentó un retardo entre 250 ms y 500 ms de extremo a extremo

que fue bastante aceptable.

Requisitos para la fluctuación no están definidos.

La pérdida de un 1% de paquetes con retraso 150ms puede ser

aceptable

7.3.3 Multijugador Masivo Online juegos de rol (MMORPG)

Son juegos muy persistentes a la necesidad de tener mayor velocidad,

puesto que, consume escenarios muy variables a lo largo del juego, como

también existen cientos de jugadores interactuando al mismo tiempo. Las


Envio de varios paquetes de cada ms, otorgando una latencia muy

menor a los 350 ms.

Según el contenido y el tiempo de juego, los rangos de los datos

requeridos tasa de entre 8 kbps-24kbps.

10% de pérdida de paquetes puede ser aceptable si la latencia es

baja.

7.3.4 Juegos en tiempo no real (NRTG)

Dentro de esta clasificación, los juegos no requieren de un gran rendimiento

como los anteriores, es más un retardo mayor no afectaría el QoE, un

ejemplo de estos juegos son, el ajedrez, backgammon, cartas, etcétera. La

recomendación es:

129

Cero pérdida de paquetes, lo cual, se puede lograr mediante métodos

de retransmisión.

Dentro de estas cuatro categorías de juego, los requisitos para el retardo,

jitter y la perdida de paquetes, son diferentes dependiendo de los juegos y

en las expectativas del jugador, pero el rango típico de los atributos de

requisito para los juegos en tiempo real se han observado lo siguiente:

Pérdida de paquetes del 0,1% al 5%.

Latencia (e2e) entre 75 ms y 250 ms.

Velocidad de datos entre los 5Kbps 60kbps.

Se desprende de los valores anteriores que la definición 3GPP es mucho

más estricta de lo necesario en relación a los términos de la pérdida de

paquetes en la mayoría de los casos. Sin embargo, en términos de latencia,

el requisitos en el retraso del RAB para un mejor desempeño son se

extendía desde los extremos de la red, con retardos mayores a 75 ms, lo

que dará una percepción de la caída en el rendimiento de los usuarios si el

juego requiere una respuesta más rápida. En el Gráfico 7.5, se muestra los

escenarios de todos los videos juegos mencionados anteriormente, en

función con la latencia. Para Mark Claypool y Kajal Claypool15, plantean que

el futuro de las redes en evolución (LTE), deben mejorar el comportamiento

de latencia, para lograr una experiencia de alta calidad en los juegos en

línea, por parte de los usuarios.

15

Fuente: “Latency and player actions in online games – M. Claypool and K. Claypool”.

130

Gráfico 7.5 Escenario de los distintos videos juegos

7.4 Entorno de prueba LTE en la Universidad de Chile

En el departamento de Ingeniería Eléctrica de la Universidad de Chile, en la

conferencia “Agenda de Transferencia Tecnológica LTE de ZTE”, se dieron a

conocer la importancia de la donación de un laboratorio de LTE por empresa

proveedora ZTE. Dentro de esta conferencia de enseño la arquitectura,

como el hardware a utilizar, mostrados en la Ilustración 7.3.

131

Ilustración 7.3 Esquema de la arquitectura montada

7.4.1 Entorno de prueba y parámetros

Los equipos se deben estructurar en el laboratorio para realizar las

mediciones, se deben armar como lo muestra en la Ilustración 7.4, pero por

un tema de tiempo las mediciones se hicieron enfocadas en la actividad “Lab

test” o prueba de laboratorio. Además es importante agregar que las

mediciones tuvieron un carácter demostrativo, para conocer las

generalidades de LTE. Los parámetros utilizados son los siguientes:

132

Ilustración 7.4 Montaje de los equipos

Tabla 7.6 Parámetro de configuración

Parámetro Valor

Banda de frecuencia

2.6 GHz

Ancho de banda

20 MHz

Configuración de antena

2×2 MIMO

Modulación en DL

64 QAM

Modulación en UL

64 QAM

En las pruebas realizadas se trabajó con él envió de un archivo por FTP,

aquí se observó una velocidad de transmisión de 25 Mbps en el DL 10 Mbps

10 en el UL, junto con una latencia de 15 ms.

133

Capítulo VIII: Hardware de LTE

En este capítulo está enfocado en la capa uno del modelo OSI, es decir a los

dispositivos físicos, en este nivel, se encarga de controlar las funciones

necesarias para poder transmitir el flujo de datos sobre un medio físico, que

en este caso son las antenas de microondas. Dentro de la capa física, se

definen los procedimientos y las funciones que los dispositivos físicos e

interfaces que deben cumplir el objetivo de transmitir la información.

Los encargados de distribuir el hardware necesario, son las empresas

proveedoras de LTE, como por ejemplo Ericsson, Nec, Huawei, ZTE, Allgon,

Motorola, Nokia-Siemens, SkyCross, Alcatel, entre otras. De esta forma nos

concentraremos en el proveedor Ericsson y SkyCross, puesto que, fue

mucho más fácil acceder a la información de los equipos que distribuyen

para las operadoras que trabajan con LTE.

8.1 Hardware en E-UTRAN

Como se ha mencionado en capitos anteriores el eNodoB corresponde a la

estación base, comprende desde las antenas utilizadas suelen situarse en lo

más alto de la torre, de edificios o colinas para dar una mejor cobertura y son

tipo dipolo. Normalmente, está compuesta por un mástil al cual están unidas

tres grupos de una o varias antenas equidistantes hasta el gabinete, quien

este contiene los equipos necesarios para realizar los procesos complejos

como por ejemplo, la modulación o también indicar las tarjetas que entregan

la capacidad de cuantas UE máximas puede soportar, en la Ilustración 8.1

se muestra de manera gráfica una estación base.

134

Ilustración 8.1 Estación base de cualquier sitio de LTE

Muchas veces los equipos que se muestra en la Ilustración 8.2 se pueden

encontrar en un conteiner o en la intemperie. Estos gabinetes se conoces

como RBS o Estaciones Bases de Radio, corresponde a la unidad central

(Main Unit), una arquitectura sólida, compuesta de una unidad refrigerante,

baterías de respaldo y destacan dos unidades muy importantes, la unidad de

radio y la unidad digital. Además la unidad central, permite entregar los

servicios de OSS, que permite monitorear los sitios de manera remota.

Ilustración 8.2 RBS Ericsson 6102

Tanto la unidad de radio y la unidad digital, se encuentran ubicadas dentro

en el radio shelf, que es un rack en donde aloja dichas unidades.

135

Ilustración 8.3 Radio Shelf en el RBS

La unidad digital tiene la función de control de procesamiento de las señales,

como también controla el reloj, permite la sincronización con RU y el

transporte de las señales hacia los otros dispositivos. Este dispositivo se

encarga de entregar las velocidades de transferencias que requiere LTE,

173 en DL, 56 en UP y establece las configuraciones MIMO, en este caso

2x2, junto con el soporte de 50 usuarios conectados en la red. Los valores

mencionados anteriormente los que entrega el equipo Digital Unit for LTE

(DUL).

Ilustración 8.4 Unidad digital

136

La unidad de radio, tiene dos funciones importantes, amplificación y filtrado

de la potencia de RF y la segunda función, permite realizar los procesos de

modulación y demodulación. Esta unidad trabaja en conjunto con la DU, para

contralar los procesos de RF dentro de la BS.

Ilustración 8.5 Esquema de modulación y demodulación de la Unidad de Radio

En la Ilustración 8.6, se muestran las posibles situaciones de conexión de

cables ópticos entre la unidad central acoplada con la RRU a través del

módulo SFP (Small Form-factor Pluggable). Así los cables de fibra óptica

están disponibles en longitudes estándar a partir de unos pocos metros

hasta varios cientos de metros. Para distancias más largas entre la unidad

principal y RRU, una red existente de transmisión óptica de fibra se puede

utilizar para aumentar la longitud total del cable óptico. Antiguamente en 2G

se utilizaban coaxiales, pero estos presentaban perdidas, lo que se le instaló

un amplificador denominado TMA, pero tanto en 3G y 4G, se reemplazó por

fibra óptica.

137

Ilustración 8.6 Conexiones de cables ópticos

Después sale otra conexión óptica entre la RRU y el RETU (Remote

Electrical Tilt Unit), el RETU es un dispositivo encargado de dar la inclinación

pero no de carácter mecánico sino eléctrico encargado de elegir el ángulo de

potencia para iluminar cierta zona. Luego el RETU se conecta directamente

con la antena. Existen casos en que la conexión entre el RRU y el RETU, se

utiliza coaxial, si bien, el coaxial genera pérdidas mayores que la fibra, pero

esto se compensa con la distancia entre dichos dispositivos, ya que a una

distancia menor no se justifica el uso de fibra, como se muestra en la

La instalación de la antena, debe cumplir requerimientos, que permitan

desenvolverse óptimamente dentro de la interfaz aérea, como también debe

cumplir los requisitos de una antena inteligente o MIMO. La operadora

Norteamérica Verizon16, catalogó a la empresa SkyCross, como la

proveedora de antenas capaz de cumplir los requerimientos de una antena

MIMO17

16

Es considerada como la operadora móvil en transmitir la primera señal de LTE a nivel mundial. 17

“SkyCross Announces 4G LTE MIMO Antenna Solution Design Win” Fuente: http://news.vzw.com/news/2011/01/pr2011-01-04n.html

138

Ilustración 8.7 Antena SkyCross instalada en Estados Unidos

Otro dispositivo dentro de la interfaz área de LTE, es la UE o conocida como

terminal de usuario, mencionado en el capítulo de la arquitectura de LTE.

Para la mayoría de las personas hace alusión a la UE como el teléfono

celular, pero la UE es mucho más que el teléfono, en una visión general

correspondería a cualquier equipo capaz de soportar o gestionar servicios de

LTE.

Haciendo referencia nuevamente a Verizon, dentro de los equipos terminales

de LTE que ofrecen, se encuentran, Smathphones (celulares), Tablet,

Notebook o Netbooks, Mobil Hotspot y Modem USB.

139

Ilustración 8.8 Tablet con soporte a LTE

Ilustración 8.9 Smathphone con soporte a LTE

140

Ilustración 8.10 Mobile Hotspot de Verizon LTE

Ilustración 8.11 Modem USB

8.2 Hardware en el EPC

El Evolved Packet Core es una arquitectura de la red principal basada en IP,

con el objetivo de dar apoyo a la próxima generación de banda ancha móvil

LTE. Las principales fuerzas impulsoras del Evolved Packet Core, son los

requisitos de los nuevos servicios multimedia, en conjunto con la migración

de tráfico de voz en el dominio de conmutación de paquetes es también una

consideración importante. La nueva arquitectura también permite a una red

central común, para la convergencia reduciendo significativamente el costo

141

de propiedad para los operadores con las ofertas de banda ancha, tanto fija

como móvil, aportando un mayor rendimiento y reducción de los retrasos.

Para conocer el hardware de la EPC, tomamos los catálogos del proveedor

Ericsson, que se encuentran relacionados con dicha arquitectura.

Ilustración 8.12 Nodos de la puerta de enlace

Ilustración 8.13 Nodos de control

142

Ilustración 8.14 Evolve Packet Core

8.3 Hardware en el backhaul

En este capítulo se mencionará algunos de los hardwares más utilizados en

las redes de transporte en LTE, que son MPLS-TP y Carrier Ethernet.

Obviamente existen otras tecnologías que cumplen la función de transporte,

pero la industria se ha concentrado esencialmente en estos dos sistemas.

Para poder abordar este tema, nos enfocaremos en dos proveedores de

dichas tecnologías de transporte, que son UTStarcom y Extreme Networks

(MPLS-TP y Carrier Ethernet, respectivamente).

UTStarcom, propone a los equipos TN700, de los cuales, proporciona un

soporte completo para la red del backhaul en LTE con VPLS basada L2 y

VPWS. Como se muestra en la Ilustración 8.15, la red de transporte se

143

conforma con los equipos TN703 para el borde de la red MPLS, en cambio,

los equipos TN705 y TN725, se despliegan en la red de agregación, para

entregar la función de distribución de datos. Esta red permite la conectividad

en la interface S1 (eNodoB a AGW) y la interface X2 (eNodoB a eNodoB).

Para proporcionar una alta disponibilidad, los switches de agregación

pueden ser distribuidos en una topología de malla, entregando fiabilidad,

rentabilidad y un bajo mantenimiento.

Ilustración 8.15 Red MPLS-TP implementadas con los equipos TN700

Estos equipos dan soporte para múltiples protocolos de transporte hacia

todas las distintas clases de estaciones base o también se pueden conectar

con otros equipos generadores de tráfico de más de 10GPOS (paquetes

sobre redes SDH/SONET) o enlaces Ethernet.

Para Extreme Networks, ofrece como solución al backhaul, Carrier Ethernet

que proporciona la flexibilidad que necesitan los operadores móviles para

satisfacer la creciente demanda de servicios IP y Ethernet dentro del

presupuesto y ofrece un amplio espacio para el crecimiento de la red, sin

reinversiones importantes.

La sencillez del transporte de Ethernet permite un ahorro sustancial tanto en

gastos de capital y los gastos operativos. El ahorro de los gastos capitales

se acumula al requerir menos equipo que el tráfico global de más servicios,

así como un modelo operativo simplificado. Se proporciona un cambio de

control del circuito reactivo a proactivo en la gestión de servicios.

Dentro de los equipos de Carrier Ethernet se encuentra el Switch de

Transporte Ethernet “BlackDiamond 8800”, que está diseñado para un alto

144

rendimiento y despliegue en la red de acceso hacia la red de agregación, de

las cuales, requieren hasta 10 GbE o 1.200 puertos Gigabit (cobre o fibra) en

un bastidor de dos metros. Dentro de las características más importantes

son:

Uso del protocolo IEEE 802.1ag, para la gestión de un servicio

proactivo, y soporte de hardware para la calidad de servicio de

multidifusión.

Sistema operativo ExtremeXOS.

Certificado MEF y aceptado por la USDA RUS.

Ilustración 8.16 Switch de Transporte Ethernet “BlackDiamond 8800”

145

Capítulo IX: Panorama de LTE en Chile

El despliegue de LTE en Chile no es un tema trivial, ya que Chile se convirtió

en el primer país de América Latina para probar dicha tecnología de 4G18,

que anteriormente sólo había sido probado en los principales países del

mundo en el avance tecnológico: Suecia, Noruega, Japón y los EE.UU. Así

La primera actividad de LTE se inició en 2009 en Chile, donde Entel realizó

ensayos con Ericsson y Movistar con Nokia Siemens, en cuanto a Claro, los

equipos de proveedores que utilizó nunca los mencionó. Las tres operadoras

se encontraban muy interesadas por LTE y se han llevado a cabo ensayos y

pruebas funcionales. En el caso de Entel, en ese mismo año, realizaron

pruebas en un conteiner, instalado por las personas que trabajan en

Ericsson Chile, que además gestionaron la red móvil y este conteiner fue

instalado en el patio de la Facultad de Ciencias Físicas y Matemáticas de la

Universidad de Chile.

Ilustración 9.1 Conteiner de LTE perteneciente a Ericsson

Dentro de los equipos que se instaló en el conteiner, contaba con una unidad

UE de tipo USB, como también se instalaron dos antenas, dentro de los

ensayos que se hicieron, realizaron una descarga de streaming de video, la

cual, alcanzó una velocidad de entre 40 y 50 Mbps en el Downlink, en

cambio en el Uplink se alcanzó a una velocidad de 6 Mbps, si bien es cierto,

las velocidad del DL es bastante baja si lo comparamos con lo que pide

18

Fuente extraída en: LTEPortal. “Chile First In Latin America With High-Speed Internet Breakthrough”. Enero de 2010

146

3GPP en LTE, la explicación a esto se debe a que las instalaciones de los

equipos presenta una baja capacidad, pero si lo comparamos con las

velocidades que entregan los operadores ADSL, es muy razonable lo que

mostro LTE. Mientras tanto para Movistar, en Julio de 2009, en el seminario

de Conecta 2009, Movistar demostró los equipos para LTE, pero no fue

enfático en mencionar sobre la llegada real de LTE a los usuarios, si no,

estuvo más preocupado sobre la licitación del espectro, puesto que, las

trabas legales de la concesión podrían retrasar el lanzamiento de LTE de

forma masiva.

Ilustración 9.2 Modem 4G de Ericsson Chile

El problema del espectro no solo afecta a Movistar, sino que a todas las

operadoras de red, ya que, las bandas para poder trabajar son arrendadas

por parte de la Subtel, quien define la concesión del espectro, recordando

que el espectro es un recurso limitado. De esta manera la Subtel ha

dictaminado que los operadores existentes, podrían participar en las

próximas subastas de 700MHz y 2.6GHz en julio de 2011, pero si algún

operador supera el límite de 60MHz sería obligado a devolver parte del

espectro para el Estado. Entel PCS ya cuenta con 60MHz en la combinación

de 800 MHz y 1,9 GHz, mientras que Movistar y Claro tienen 55MHz cada

uno. SUBTEL por su parte, se encarga de la subasta de la banda 2600Mhz

para hacer una parte 140MHz (70MHz para carga y descarga de 70MHz)

disponibles para los servicios de 4G, lo que significa que hasta cuatro

operadores podrían adquirir espectro LTE (35MHz cada uno). Entel está

buscando para lanzar LTE en la banda de 700 MHz, sin embargo, si

SUBTEL permitirá a los operadores existentes para obtener espectro

147

adicional en la parte superior de la que ya tienen 60MHz sigue siendo

incierto.

El Subsecretario de Telecomunicaciones Jorge Atton, definió que en

Diciembre 2010, se iniciará el proceso de licitación de la banda de espectro

de 2.6Ghz. Esta banda estará destinada para ofrecer servicios móviles de

banda ancha de próxima generación, que en este caso se tratará de LTE

(Long Term Evolution). Esta licitación durará cerca de 5 meses, por lo que,

se espera que en Junio del 2011, adamas coincidirá con la introducción de la

portabilidad numérica, facilitando la llegada de un cuarto operador de

telefonía móvil (VTR-Nextel). Con esto Jorge Atton, estima que para el año

2014 se estaría implementando la tecnología en el país, permitiendo que

LTE, para ese año la banda ancha alcance al 70 por ciento de los hogares.

En la actualidad, de acuerdo con cifras de la Subsecretaría de

Telecomunicaciones el 10,2% de la población tiene acceso a Internet de

banda ancha.

Por el lado de las universidades, hasta ahora la Universidad de Chile, ha

sido la universidad que está estudiando a fondo sobre LTE, la cual Facultad

de Ciencias Físicas y Matemáticas, en conjunto con la Corporación China

dedicada al desarrollo de tecnologías en el sector de las telecomunicaciones

de ZTE, inauguraron este laboratorio de LTE (Ilustración 9.3), en las

dependencias el Departamento de Ingeniería Eléctrica, de dicha casa de

estudio. El laboratorio fue inaugurado el 31 de marzo del 2011.

Ilustración 9.3 Inauguración del laboratorio de LTE

La importancia de este laboratorio, permitirá a los investigadores, profesores

y estudiantes de pregrado y postgrado, capacitarse y ejecutar trabajos y

ensayos en tecnologías de telecomunicaciones de última generación a nivel

mundial. Como también, profesionales de las empresas de

148

telecomunicaciones podrán incorporarse y participar en jornadas de

entrenamiento y pruebas prácticas.

Ilustración 9.4 Evolve Packet Core instalado en el laboratorio

Dentro las investigaciones que se están haciendo en el Departamento de

Ingeniería Eléctrica, se encuentra la implementación de VoLTE en la red, la

transmisión de datos en LTE de manera intercontinental entre la Universidad

de Chile con el Instituto Fraunhofer de Alemania. Cada una de estas

investigaciones fue mencionada por el PhD. Alfonso Ehijo (en cargado del

Centro de Transferencia Tecnológica e Innovación de la Universidad de

Chile), en la conferencia “Agenda de Transferencia Tecnológica LTE de

ZTE”.

149

Capítulo X: Conclusiones

La tecnología LTE, se encuentra estandarizada por la organización 3GPP en

el Release 8, que se encuentra disponible para cualquier persona que desea

interiorizarse en las normativas que propone, muy similar a que son los RFC

(Request For Comments) o las estandarizaciones de la IEEE.

LTE busca romper el paradigma de las operadoras móviles, no quieren ser

etiquetadas como un servicio exclusivo para entregar y recibir llamadas de

forma dinámica. Quieren utilizar esa ventaja de la movilidad de servicios

telefónicos, pero para transmitir datos, en otras palabras entregar servicios

de Internet móvil, si bien es cierto, las tecnologías anteriores a LTE también

realizaban este servició, pero las requerimientos y una arquitectura por

eficiente para transportar IP, lo que, no le permitían competir directamente

con una ISP un red mucho más sólida en transmisión usando coaxial o fibra.

Pero LTE demostró que si podía competir con cualquier ISP y así lo

demostró el departamento de ingeniería eléctrica de la Universidad de Chile,

junto con la empresa proveedora Ericcson-Chile, quienes lograron transmitir

un streaming de video con una tasa de transferencia de 50 Mbps, que es

una velocidad mucho mayor de lo que entrega una ISP en Chile, si se

compara con los planes actuales de Internet fija de nuestro país.

Para la operadoras de servicios móviles se convierte en un gran desafío,

puesto que, tienen que realizar un doble trabajo, en conocer cada una de los

puntos que exige 3GPP en los requerimientos técnicos, tanto en las

interfaces propias de LTE (interfaces aérea, X2 y S1) y en la red de

transporte, cada una de las variables que definen el requerimiento técnico

tienen un repercusión muy fuerte dentro del usuario final, ya que, este que

determina que servicio de transmisión de datos se adecua mejor a las

necesidades que exige. Esto tiene un impacto muy directo con el QoE del

cliente, por lo tanto, las políticas del QoS son definidas y diferenciadas por la

operadora

Otro trabajo que tienen que realizar las operadoras, es conocer cada una de

las tecnologías que ofrecen para poder cumplir los requerimientos del

backhaul, los proveedores poseen una gran cantidad de tecnologías, como

GPON, DWDM, Ethernet, Enlaces de microondas, MPLS, entre muchas.

Para que se elijan la tecnología de transporte correcta los operadores de

poner en equilibrio los costos de implementación y mantención, junto con los

requerimientos que pide 3GPP. Actualmente existen dos posibles

tecnologías que permita cumplir los objetivos que buscan los operadores,

estas son Carrier Ethernet y MPLS. Cada una de estos métodos de

150

transporte permite adaptarse mejor a las topologías ya existentes en las

redes de las operadoras o simplemente sale mucho mejor arrendar a algún

proveedor, dependiendo del criterio que desean trabajar. En el Release 8, no

expresa la topología adecuada para su uso, por lo tanto, las operadoras

seleccionan la topología correcta, a través de los estudios de tráficos dentro

de la red y cuan confiable debe ser la red (agregando redundancia en la red,

en anillo en una red óptica o una red enmallada).

LTE es una tecnología bastante flexible en cuanto a la velocidad de

transmisión, puesto que, puede transmitir datos en distintas velocidades,

teniendo una velocidad de 300 Mbps y la menor de Mbps. Cada una de

estas tasas de transferencias se encuentra clasificada en cinco categorías

como se muestra el 0

Categorías de las UE. Para el operador es muy importante que exista dicha

flexibilidad, ya que, la velocidad de transmisión depende mucho de la zona

geográfica y el tráfico de dicha área, por ejemplo en el capítulo 6.3.3.3.3, se

puso el caso de una zona rural en Australia, trabajar con una tasa de

transferencia de 300 Mbps no se justifica por el alto costo de

implementación, referidos en los equipos, tales como, antenas,

amplificadores de radio, unidades de radio, etcétera. Además si lo

analizamos desde el punto de vista del tráfico, en una zona rural existen muy

pocos usuarios acoplados en una celda, por lo tanto, los fenómenos de

latencia o jitter, son imperceptibles a velocidades bajas como la categoría 1,

así no afectan el QoE del usuario final.

En el capítulo de Implementación, se implementó un sistema real de LTE

cuya red de transporte fue un sistema MPLS entregado por el proveedor

Nokia-Siemens, si comparamos con cada uno de los requerimientos de LTE

de 3GPP con la Implantación realizada por la University of Chalmers. Los

datos entregados en la medición fueron muy satisfactorio no existió un gran

diferencia entre los datos teóricos con los prácticos.

Uno de los requerimientos más difíciles de controlar los efectos que se

producen por trabajar con TCP, a pesar que, TCP es un protocolo confiable

que permite garantizar la entrega de datos al receptor mediante un acuerdo

previo. El control de flujo, se torna crítico, ya que, el control de flujo permite

regular el tamaño de la ventana, permitiendo definir la cantidad de

segmentos que se intercambiaran, así el emisor no puede enviar más datos

y ese tiempo de espera genera un retardo dentro de la red, sumando a que

el time out, del emisor expira, este volverá a retransmitir los segmentos,

utilizando más el ancho de banda de la red.

151

Con la irrupción de LTE al mercado de las redes inalámbricas móviles, se

permitió no solo comercializar smathphones, si no, que también se integró la

comercialización de módems USB de Banda Ancha Movil, que permite a un

usuario acceder a Internet en cualquier espacio físico, siempre cuando, una

antena esté iluminando esa área. En cambió el Mobile Hotspot, permite

entregar una conexión a Internet móvil a múltiples usuarios, ideal para un

servicio enfocado al hogar.

La red de LTE no es capaz de transportar voz, puesto que, la arquitectura es

100% IP, una forma de transporta la voz es establecer una adyacencia en el

red con una tecnología anterior, es decir, dejar el tráfico de Internet para LTE

y el tráfico de voz, con GSM. Actualmente se está trabajando en el desarrollo

de encapsular la voz, para transportar la voz en LTE de la mejor manera

como lo es VoLTE, lo que para Chile, se convierte en un nicho posible de

investigación.

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Tesis: Requerimientos De Parámetros Para Transporte De Redes LTE

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