ARQUITECTURA DE RED EPS

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y

ELÉCTRICA

UNIDAD

PROFESIONAL “ADOLFO LÓPEZ MATEOS”

INGENIERÍA EN COMUNICACIONES Y ELECTRÓNICA

PROYECTO TERMINAL

“

ARQUITECTURA DE RED EPS

”

QUE PARA OBTENER EL TÌTULO DE:

INGENIERO EN COMUNICACIONES Y

ELECTRONICA

PRESENTAN:

PABLO CORDOVA AGUAYO

JONNY GARCÍA ÁVILA.

JUAN CARLOS JOSÉ PALACIOS.

ASESORES:

Ing. Víctor Flores García.

M. en C. Pedro Gustavo Magaña del Río

Agradecimientos

Son muchas las personas en mi vida a las que me gustaría agradecer, su apoyo, amistad, compañía en varias etapas de mi vida, algunas están aquí conmigo y otras más únicamente en mis recuerdos y en el corazón. Sin importar si algún día llegan a leer estas líneas, quiero agradecerles por todo y por formar parte de mi vida.

A ti Concepción, mi amada Madre

sabiduría, tus consejos y tus regaños no habría logrado conquistar esta meta, gracias de verdad por todas las veces que estuviste conmigo apoyándome, no dejándome caer, dándome ánimos en cada etapa que vivimos por muy difíciles que estas hayan sido, todas estas palabras no alcanzaran nunca para decirte que tan agradecido estoy contigo, gracias mama te quiero.

A Faustino mi querido Padre

compartir contigo, todas las veces que tuviste que sacrificar gustos y necesidades porque tú querías darme el estudio; todo ello ha rendido fruto, espero nunca decepcionarte y créeme que siempre hare que te sientas orgulloso de mi, discúlpame también si no llegue a escuchar tus consejos por mi inmadurez, ahora comprendo el porqué de las palabras que me decías, te quiero papa.

A mis abuelitas, Isabel y Alberta

sus bendiciones, por brindarme alojo en sus hogares, por nunca dejar que mi fe decayera, siempre serán parte importante de mi vida, las quiero.

A mi tío Juan

nuestra existencia junto con él, espero que tu vida siga estando llena de éxitos y que cada vez tengas más y mejores logros, sin ti la familia estaría desunida, gracias por ser un ejemplo a seguir tío para mí y para todos.

A todos mis primos

yo, si necesitan de mi ayuda siempre estaré para ustedes en las buenas y las malas, los quiero.

Para Edgar, mi primo,

llegamos a pelear demasiado nunca te entendí y tu nunca me entendiste, sin embargo hoy cambiaria todo lo que soy y todo lo que tengo por volverte a ver como antes eras, saludable, jovial, alegre. Mi condena eterna será nunca haber sido un buen primo para ti o cuando menos alguien con quien pudieras contar en esos momentos difíciles, te quiero y ya verás que esa enfermedad terminara siendo vencida por tu gran fortaleza. Este logro te lo dedico a ti.

A mi amado Instituto Politécnico Nacional

hogar, mi casa de estudios, mi fuente de sabiduría, en tus instalaciones aprendí a valorar la importancia de lo que es ser un buen ciudadano y un buen estudiante y espero poder retribuirte algún día algo de todo lo que me brindaste.

A mi amada ESIME Zacatenco

y tenacidad, la calidad de tu enseñanza la aprenderé a llevar más lejos para poder poner tu nombre en alto, gracias por ser mi alma mater.

A todos mis profesores

conocimientos no hubiera podido convertirme en ingeniero.

A todos los aquí mencionados, un

Huelum

Agradecimientos:

A ti madre

apoyado en todo momento, por tus consejos, por la motivación constante, por soportar mis errores y por inculcar en mí ese don de la responsabilidad. Te agradezco la confianza, el amor y cariño; pero sobretodo ¡Gracias por darme la vida!

A ti padre

Detrás de este logro están ustedes: Mis padres, si hay algo que sé hacer bien es por ustedes, doy gracias a los dos por enseñarme a dar mis primeros pasos y con ello guiarme por el camino correcto. ¡Los quiero mucho!

A mis compañeros:

Que han dado un toque muy especial a esta travesía. Con quienes viví logros y fracasos. El camino no fue fácil pero juntos siempre salimos adelante.

A mis profesores:

A todas las personas que hicieron posible este proyecto

familiares, amigos, compañeros y profesores del fascinante Instituto Politécnico Nacional. Gracias por formar parte de esta gran aventura, sepan que siempre estarán en mis recuerdos.

Al Instituto Politécnico Nacional

Y en especial a la Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica por haber creído en mí y darme la oportunidad de estudiar una carrera dentro de sus aulas, por ser mí casa durante todo este tiempo.

Gracias al Instituto Politécnico Nacional por permitirme ahora formar parte de él. Con orgullo llevo su lema muy presente.

“La técnica al servicio de la

patria”

Agradecimientos

Quiero agradecer a

mis padres Silvia y Germán

a mis hermanos, Ma. Del Carmen, Jesús y Alejandro

han dado su apoyo incondicional y a quienes debo este triunfo profesional, por todo su trabajo y dedicación y confianza para darme una formación académica y sobre todo humanista y espiritual con quienes he pasado y salido a delante de las diversas pruebas que pone la vida. De ellos es este triunfo y para ellos es todo mi agradecimiento.

También quiero agradecer

a todos mis amigos

quienes me han apoyado en los buenos y malos momentos.

Así mismo a mis amigos

Jonny García Ávila y

Pablo Córdova Aguayo

esta satisfacción de haber concluido uno de tantos proyectos de nuestras vidas.

Al Instituto Politécnico Nacional, y a la Escuela Superior de

Ingeniería Mecánica y Eléctrica (ESIME)

desarrollar los diversos conocimientos que se requirieron para este proyecto y para el uso cotidiano de nuestras vidas.

A todos mis profesores

con día.

͞

Arquitectura de Red

O B J E T I V O G E N E R A L

“

”

O B J E T I V O S P A R T I C U L A R E S

Conocer la evolución de las tecnologías de telefonía móvil. Presentar las características principales de la red EPS.

Dar a conocer la evolución de la interfaz de radio y cuales han sido los factores que han influenciado el surgimiento de esta tecnología.

Índice.

pág.

Introducción

Antecedentes

Capítulo 1.

Evolución de los Sistemas de Telefonía Móvil.

1.1 Primera Generación 1G 2

1.2 Segunda Generación 2G 3

1.2.1 Generación de Transición 2.5G 4

1.3 Tercera Generación 3G 5

1.4 Evolución a Largo Plazo (LTE) 7

1.5 Destino 4G 11

Capítulo 2.

Introducción al Sistema EPS.

2.1 Origen de UMTS 14

2.2 UTRAN 15

2.3 Evolución de UMTS 16

2.3.1 Factores evolutivos de UMTS 16 2.3.1.1 Migración hacia aplicaciones de datos. 16 2.3.1.2 Mejoramiento de interfaz de radio. 17 2.3.1.3 Apertura hacia otros tipos de acceso. 17

2.4 EPS. 19

2.5 Arquitectura de red EPS. 22

2.5.1 E-UTRAN. 22

2.6 Subsistema IMS. 24

2.7 Sistema HSS. 28

2.8 Terminales. 28

Capítulo 3.

Sistema EPC (Núcleo Evolucionado de

Paquetes).

3.1 Orígenes de EPC 31

3.1.2 Arquitectura 31 3.2 Entidad Gestora de Movilidad (MME) 33 3.3 Puerta de Enlace SAE (SAE-GW) 36 3.3.1 Puerta de Enlace de Servicio (S-GW) 36 3.3.2 Puerta de Enlace de Paquetes de Red (PDN-GW) 38 3.3.2.1 Puerta de Enlace GW proceso de selección 39 3.4 Plano de Usuario y Plano de Control 39 3.4.1 Plano de Usuario 39 3.4.1.1 Aspectos del Plano de Usuario 40 3.4.2 Plano de Control 41 3.4.2.1 Aspectos del Plano de Control 42

3.5 Entidades EPC 43

3.5.1 PCRF (Policy and Charging Rules Function) 43

3.6 Interfaces EPC 44

3.6.1 Interfaz P-GW – Redes Externas (SGi) 44

3.6.2 S-GW (S5-S8) 45

3.6.3 MME (S10) 46

3.6.4 MME (S6a) 46

Capítulo 4.

Sistema E-UTRAN (Evolved UMTS Radio

Access Network).

4.2 Arquitectura E-UTRAN 51

4.2.1 eNodoB 53

4.3 Interfaces E-UTRAN 53

4.3.1Interfaz S1 55

4.3.1.1 Plano de Usuario de la Interfaz S1 55 4.3.1.2 Interfaz del Plano de Control S1 55 4.3.2 Flexibilidad S1 56

4.3.3 Interfaz X2 58

4.3.3.1 Interfaz del Plano de Usuario X2 (X2-U) 58 4.3.3.2 Interfaz del Plano de Control (X2-C) 58

4.4 OFDMA 59

4.4.1 OFDMA como técnica de acceso múltiple para el enlace descendente 59 4.4.2 Adaptación de Enlace 62 4.4.3 Parámetros de OFDMA utilizados en LTE 64

4.5 SC-FDMA 65

4.5.1 SC-FDMA como técnica de acceso múltiple para el enlace ascendente 65 4.5.2 Configuración de Paquetes 69

4.6 MIMO 70

4.6.1 Capacidad de las estructuras MIMO 74 4.6.2 Una Visión Simple de MIMO 74

Capítulo 5.

Situación Actual en Latinoamérica.

5.1 EPS en la actualidad 77 5.1.1 Compatibilidad con otros sistemas 78

5.1.2 HSPA 78

5.1.3 HSDPA 78

5.1.4 HSPA + 79

5.3 Estado actual de LTE en México 81 5.3.1 Algunas pruebas de LTE con TELEFÓNICA MOVISTAR 82 5.3.2 Algunas pruebas de LTE con TELCEL 83 5.3.3 Pruebas de LTE con otras compañías 85 5.4 Inconvenientes para la implementación de LTE 85

5.5 Visión a Futuro 87

Conclusiones

Glosario

INTRODUCCIÓN.

A través del tiempo las comunicaciones han sido de gran importancia para la humanidad, es por eso que éstas emprenden un papel importante desde hace unos años hasta la actualidad, quedando así en un ámbito de gran importancia en cuestiones tecnológicas.

En un inicio las comunicaciones eran de carácter analógico, es decir que para poder comunicarse entre dos usuarios, existían terminales que tenían un tamaño voluminoso, y que únicamente se usaban para transmitir voz, esto se hacía de una forma alámbrica.

Poco después, con el paso de los años se fueron adecuando dichas terminales conforme a las necesidades de los usuarios, una de ellas era la movilidad que estos requerían para poder comunicarse, y así fueron mejorando día con día hasta que se llegó al uso de terminales que no necesitaban estar conectados de una forma física, creando así, dispositivos móviles (inalámbricos).

Estas terminales inalámbricas ofrecen la posibilidad de mejorar las características de las redes que están en uso, proporcionando solución a las limitaciones que las redes anteriores ofrecían.

ANTECEDENTES

Las comunicaciones móviles son entendidas como aquellas que liberan a los usuarios de no depender de una conexión física para poder comunicarse, esto ha permitido la evolución vertiginosa de las comunicaciones móviles al proporcionar una independencia de los medios físicos provocando una enorme avalancha de nuevos desarrollos enfocados a la movilidad.

Actualmente se puede afirmar que los dispositivos móviles ya forman parte de la vida cotidiana enmarcada en las conductas actualmente observadas en los usuarios; lo cual marca una clara tendencia que indica que en los años venideros será impensable concebir un mundo sin comunicaciones móviles.

C

APÍTULO 1

| Evolución de

CAPÍTULO 1.EVOLUCIÓN DE LOS SISTEMAS DE TELEFONÍA

MÓVIL.

1.0 Evolución de los Sistemas de Telefonía Móvil.

Las tecnologías inalámbricas han tenido un gran auge y desarrollo en las últimas décadas, específicamente, la tecnología de telefonía móvil desde sus inicios a finales de los años 70. A pesar que fue concebida para la voz únicamente, debido a las limitaciones tecnológicas de esa época, en la actualidad, esta misma es capaz de brindar otro tipo de servicios tales como datos, audio y video, pero con el paso del tiempo posiblemente se desarrollaran aplicaciones nuevas y mejoradas que requerirán un mayor consumo de ancho de banda.

La tecnología de telefonía móvil tuvo gran aceptación, por lo que a los pocos años de implementarse se empezó a saturar el servicio, creando la necesidad de desarrollar e implementar otras formas de acceso múltiple al canal que se usaba y así, transformar los sistemas analógicos a digitales para darles mayor capacidad a más usuarios. Para separar una etapa de la otra, a las tecnologías de telefonía móvil se les ha categorizado por generaciones. A continuación se describen cada una de ellas.

1.1 Primera Generación (1G).

La primera generación (1G) de la telefonía móvil hizo su aparición en 1979, se caracterizó por ser analógica y estrictamente para voz. En esta generación, se introdujo tecnología basada en redes con múltiples estaciones base, cercanas relativamente unas con otras, y un protocolo para el “handover” entre las celdas cuando el teléfono se movía de una celda a otra.

El Acceso Múltiple por División de Frecuencia(FDMA: Frequency Division Multiple Access), era muy rudimentario e ineficiente, debido a que a cada usuario se le asignaba una frecuencia única y esto ocasionaba que las llamadas se bloquearan muy fácilmente.

Al emplearse tecnología con características analógicas, los teléfonos eran muy grandes y la batería no era muy eficiente en el almacenamiento de la carga.

tecnología más predominante en Latinoamérica fue el Sistema Telefónico Móvil Avanzado (AMPS: Advanced Mobile Phone System).

1.2 Segunda Generación 2G.

El desarrollo de esta generación tiene como base la digitalización de las comunicaciones. Las comunicaciones digitales ofrecen una mejor calidad de voz que las analógicas, además, se aumenta el nivel de seguridad y se simplifica la fabricación del equipo terminal (con la reducción de costos que esto implica).

Los dos grandes despliegues de la segunda generación (2G) son los sistemas celulares que empleaban el Sistema Global para las Comunicaciones Móviles (GSM: Global System forMobile Communications) y el Acceso Múltiple por División de Código(CDMA: Code Division Multiple Access). Al igual que los sistemas analógicos de primera generación 1G, los sistemas 2G fueron principalmente diseñados para soportar la comunicación por voz.

En 1982, cuando aparecieron los primeros servicios de telefonía móvil comerciales, la Conferencia Europea de Administración de Correos y Telecomunicación (CEPT: Conférence Européenne des Postes et Télécommunications) tomó la iniciativa de poner en marcha un grupo de trabajo, el cual fue GSM.

GSMcomenzó como una norma europea para unificar sistemas móviles digitales y fue diseñado para sustituir a más de diez sistemas analógicos en uso y que en la mayoría de los casos eran incompatibles entre sí, la velocidad de operación de GSM es de 9.6 Kbps, utiliza la técnica de Acceso Múltiple por División de Tiempo (TDMA: Time Division Multiple Access), opera en la banda de frecuencias de 890 a 915 MHz teniendo un ancho de banda total de 25 MHz, esta subdividido en 125 canales de 200 KHz cada uno, asumiendo que no hay tiempo de guarda.

1.2.1 Generación de Transición 2.5G.

El sistema GSM cumplió con todos sus objetivos, pero al pasar el tiempo empezó a volverse obsoleto porque sólo ofrecía un servicio de voz o datos a baja velocidad y el mercado empezaba a requerir servicios multimedia que hacían necesario un aumento de la capacidad de transferencia de datos del sistema. Es en este momento cuando se empieza a gestar la idea de 3G, pero como la tecnología CDMA no estaba lo suficientemente madura en aquel momento, se optó por dar un paso intermedio a 2.5G en la cual se incluyen nuevos servicios como el Servicio de Correo Express(EMS: Express Mail Service) y el Servicio de Mensajería Multimedia(MMS: Multimedia Messaging Service). Los cuales se describen a continuación:

EMS permite instrucciones básicas del formato de texto, que pueden ser transmitidas como parte del mensaje.

Con EMS dos tipos de sonidos se pueden representar en los mensajes; los sonidos predefinidos y definidos por el usuario.

Con EMS varios tipos de animaciones pueden incluirse en los mensajes. Por su parte MMS:

Permite la inserción de imágenes, sonidos, videos y texto. Este tipo de mensajes se envía mediante el Servicio de General de Paquetes vía Radio(GPRS: General Packet Radio Service).

Además permite formatos de texto, fotos, dibujos, gráficos, animaciones, presentaciones similares a Power Point, muestras de audio y clips de video que se entrelazan en el mensaje.

MMS además puede servir como un cliente de correo electrónico virtual, dando a los usuarios eficiencia y acceso inmediato a gran contenido de mensajes fuera del hogar o lugar de trabajo.

GPRS es una evolución de la red GSM. No conlleva grandes inversiones y reutiliza parte de las infraestructuras actuales de GSM. Algunas ventajas que presenta GPRS sobre GSM son:

Velocidad de transferencia de hasta 144 Kbps.

Conexión permanente. Tiempo de establecimiento inferior al segundo. Cobra por información transmitida, no por tiempo de conexión. Algunos de estos ejemplos serían:

Envío de un e-mail de 5 líneas de texto con un documento anexado, consumiría 95 Kbps.

Acceder a un buscador, buscar un término y recibir una pantalla de respuesta podría ocupar 100 Kbytes aproximadamente.

Recibir una presentación, documento de Power Point con 20 diapositivas equivale a 1000 Kbytes.

Recibir una hoja de cálculo consumiría aproximadamente 250 Kbytes. Las ventajas y novedades de GPRS para el usuario fueron:

Acceder a la movilidad de Internet y correo electrónico. GPRS permite acceder a todas las facilidades de Internet usando la terminal GPRS como modem.

Acceso a bases de datos y aplicaciones corporativas de cualquier dispositivo móvil.

Acceso a servicios de información a través del Protocolo de Acceso Inalámbrico(WAP: Wireless Access Protocol).

En general, estas tecnologías de segunda generación ofrecían las siguientes características:

Mayor calidad de las transmisiones de voz. Mayor capacidad de usuarios.

Mayor confiabilidad de las conversaciones.

La posibilidad de transmitir mensajes alfanuméricos. Este servicio permite enviar y recibir mensajes cortos que puedan tener hasta 160 caracteres alfanuméricos desde un teléfono móvil.

Navegar por Internet mediante WAP.

1.3 Tercera Generación 3G.

2000(IMT-2000: International Mobile Telecommunications 2000) preparó el camino para la evolución a 3G. Un conjunto de requerimientos tales como una tasa máxima de datos de 2 Mbps y soporte para la movilidad vehicular fueron publicados bajo la iniciativa IMT-2000. 3G es la abreviación de tercera generación de transmisión de voz y datos a través de telefonía móvil.

Los servicios asociados con la tercera generación proporcionan la posibilidad de transferir tanto voz y datos (una llamada telefónica o una video llamada) y solo datos (como la descarga de programas, intercambio de email, y mensajería instantánea).

La ITU definió las demandas de redes 3G con el estándar IMT-2000. Una organización llamada Proyecto de Asociación para la Tercera Generación (3GPP: 3rd Generation Partnership Project) continúo ese trabajo mediante la definición de un sistema móvil que cumple con dicho estándar. Este sistema se llama Sistema Universal de Telecomunicaciones Móviles(UMTS: Universal Mobile Telecommunications System) basado en la tecnología de Acceso Múltiple por División de Código de Banda Ancha (WCDMA: Wideband Code Division Multiple Access).

A diferencia de GSM, UMTS se basa en servicios por capas. En la cima está la capa de servicios, que provee un despliegue de servicios rápido y una localización centralizada. En medio está la capa de control, que ayuda a mejorar procedimientos y permite que la capacidad de la red sea dinámica. En la parte baja está la capa de conectividad donde cualquier tecnología de transmisión puede usarse y el tráfico de voz podrá transmitirse mediante los protocolos ATM/AAL2o IP/RTP. Como se muestra en la Figura 1.1.

Ambos campos tanto GSM y CDMA formaron sus propios proyectos independientes 3G (3GPP y 3GPP2, respectivamente, para desarrollar las IMT 2000compatibles con las normas basadas en CDMA).

El estándar 3G en el 3GPP se conoce como WCDMA ya que utiliza un mayor ancho de banda el cual abarca las frecuencias que van de 1.255 MHz a 5 MHz, del ancho de banda utilizado en CDMA 2000 el cual pertenece a 3GPP2. El 3GPP2 también desarrolló una versión de 5 MHz soportando tres portadoras de 1.25 MHz denominadas CDMA2000-3x. Con el fin de diferenciarse del estándar CDMA2000-3x de 5 MHz, el sistema de 1.25 MHz con una sola portadora se conoce como CDMA2000-1x o simplemente 3G 1x.

3GPP2 introdujo por primera vez Paquete de Datos de Alta Velocidad (HRPD: High Rate Packet Data), sistema que utiliza diversas técnicas avanzadas de optimización para tráfico de datos, tales como larápida adaptación de enlace ySolicitud de Repetición Automática Hibrida (HARQ: Hybrid Automatic Repeat ReQuest). El sistema HRPD requería una separación de 1.25 MHz y no ofrece servicio de voz.

La primera versión de los estándares de 3G no cumplió con su objetivo el cual consistía en realizar transmisiones de datos a alta velocidad, debido a que los tipos de datos compatibles en la práctica eran mucho más bajos de lo que se exige en las normas. Se hizo un gran esfuerzo para mejorar los sistemas de 3G para el apoyo eficaz de los datos.

El 3GPP siguió un camino similar e introdujo Acceso de Paquetes de Alta Velocidad (HSPA: High Speed Packet Access)mejorando el sistema WCDMA. El estándar HSPA reutiliza muchas de las técnicas para optimización de datos que el sistema HRPD. Una diferencia relativa a HRPD, sin embargo es que tanto voz y datos pueden coexistir en 5 MHz en HSPA. El tráfico de voz y datos puede ser multiplexado en enlace descendente.

Los dos estándares 3G, HSPAy HRPDfinalmente pudieron cumplir con los objetivos de 3G y han sido utilizados ampliamente en los principales mercados de telefonía celular para facilitar el acceso de datos inalámbricos.

1.4 Evolución a Largo Plazo (LTE).

3GPP-LTE, es el último estándar en el árbol de la red de tecnología móvil que fueron generadas de las tecnologías de red anteriores GSM / EDGE y UMTS / HSPA. Se trata de un proyecto de la 3GPP, operando bajo un nombre de marca

Telecomunicaciones (ETSI: European Telecommunications Standards Institute)mientras que le versión 3GPP2 es llamada Banda Ancha Ultra Móvil (UMB: Ultra Mobile Broadband)como se muestra en la Figura 1.2.

La meta de LTEes promover una alta velocidad de datos, baja latencia y una tecnología de acceso por radio de paquetes optimizados para proporcionarun ancho de banda flexible.

A la par, la nueva arquitectura de red está diseñada con el propósito de soportar tráfico por conmutación de paquetes con movilidad de manera incondicional, calidad del servicio y una latencia mínima menor o igual a 10 ms.

El sistema soporta anchos de banda flexibles gracias a la técnica de Acceso Múltiple por División de Frecuencia Ortogonal (OFDMA: Ortogonal Frequency Division Multiple Access) yal Acceso Múltiple por División de Frecuencia de una Sola Portadora (SC-FDMA: Single Carrier-FDMA) que se explicaran en el capitulo 4. El acceso de enlace ascendente está basado SC-FDMA que promete una mayor cobertura de enlace ascendente debido alRelación Pico de Potencia Media (PAPR: Peak to Average Power Ratio) en relación con OFDMA.

Figura 1.2. Evolución de la Telefonía Móvil.

El sistema es compatible con velocidades máximas de bajada de datos de 326 Mbps con arreglos Múltiple Entrada Múltiple Salida 4x4 (MIMO: Multiple Input Multiple Output) dentro de los 20 MHz de ancho de banda. Desde la primera versión de LTE no se emplea el enlace ascendente MIMO, el enlace ascendente limita la tasa de datos máxima a 86 Mbps dentro de los 20 MHz del ancho de banda. Además de las mejoras en la velocidad máxima de datos, el sistema LTE ofrece desde dos hasta cuatro veces mayor eficiencia espectral por celda en relación con la versión 6del sistema HSPA. Se observan mejoras similares en el rendimiento de las celdas de última generación a través de dar mantenimiento a lugares del mismo sitio como para implementar HSPA.

En cuanto a la latencia, la interfaz de radio de red de LTE proporciona capacidades de menos de 10 ms de latencia para la transmisión de un paquete de la red al Equipo de Usuario(UE: User Equipment) como se muestra en la Figura 1.3.

ATRIBUTOS DE LTE

Codificación de Canal Turbo Código Movilidad 350 Km/h Ancho de Banda 1.25 – 20MHz

Duplexaje FDD, TDD, Half Duplex _FDD

MIMO

Enlace Descarga 2x2, 4x2, 4x4 Enlace Subida 2x2, 1x4

Enlace Descarga 173 Mbps en 2x2 _{326 Mbps en 4x4} Acceso Múltiple Enlace Descarga OFDMA

Enlace Subida SC-FDMA

Figura 1.3. Comparación de la latencia en la red LTE.

El estándar incluye:

Tasa de descarga que va de 326.4 Mbps para antenas 4x4, y 172.8 Mbps para antenas 2x2 (la utilización de 20 MHz de espectro) como se muestra en la Figura 1.4.

Tasas de 86.4 Mbps por cada 20 MHz de espectro con una sola antena. Todas las terminales serán capaces de procesar 20 MHz de ancho de

banda.

Al menos 200 usuarios activos en cada celda de 5 MHz. (En concreto, los datos de 200 clientes activos).

5 ms de latencia para los paquetes pequeños IP (Internet Protocol).

Un buen soporte para la movilidad. El rendimiento de datos dispone de un rango de velocidades de hasta 500 Km/h dependiendo de la banda de frecuencias.

El enlace de descarga y subida de LTE se puede comparar con otras tecnologías, observando claramente como LTE marca una gran diferencia con sus predecesoras.

Figura 1.4. Velocidad de los Enlaces de Subida y Descarga de los diferentes Estándares.

1.5 Destino 4G.

La generación 4, o 4G será la evolución tecnológica que ofrecerá al usuario de telefonía móvil un mayor ancho de banda que permitirá, entre muchas otras cosas, la recepción de video en Alta Definición.

Se espera que el rendimiento de los tres sistemas (MIMO, SC-FDMA y OFDMA) sea similar aunque con pequeñas diferencias. Entre otros, estos requisitos suponen una medida de datos de enlace descendente de las tasas de 100 Mbps en la red de área amplia, y hasta 1 Gbps para el acceso local y para escenarios con poca movilidad.

C

APÍTULO

2

|

Introducción

CAPÍTULO 2. INTRODUCCIÓN AL SISTEMA EPS.

2.1 Origen del UMTS.

El UMTS es un sistema móvil de tercera generación que fue diseñado para la entrega flexible de cualquier tipo de servicio, en donde cada nuevo servicio no requiere de una optimización particular de la red. UMTS es especificado por la organización 3GPP, que define la arquitectura y la operación del sistema. Este organismo fue formado en 1998 con el fin de producir especificaciones técnicas para UMTS.

Desde su fundación, 3GPP ha desarrollado especificaciones para UMTS y expandido su rol para administrar las especificaciones GSM, que eran originalmente producidas por ETSI.

La primera versión de UMTSfue el Release 99(también conocido como Release 3), el cual fue finalizado en el año 2000. Este especificaba un sistema de comunicación 3G basado en la red núcleo de GSM, pero con una nueva interfaz de radio que usaba WCDMA.

Según el 3GPP, la etapa 3 de UMTS, versión 8, ha llegado a su terminación oficial, indicando que esta especificación (Release 8) está terminada y en el futuro estará sujeta a correcciones menores. En la Tabla 2.1 se muestran las diferentes versiones de la UMTSsegún 3GPP.

Versión Fecha de Terminación Detalles característicos

99 Marzo del 2000 Interfaz de radio WCDMA 4 Marzo del 2001 BICN TD-SCMA

5 Junio del 2002 HSDPA Introducción a IMS 6 Marzo del 2005 HSUPA, MBMS, WLAN 7 Septiembre del 2007 HSPA+ Evoluciones IMS 8 Diciembre del 2008 EPS (E-UTRAN, EPC) 9 --- LTE Envolved MBMS _{IMT- Advanced (4G)}

2.2 UTRAN.

Revisando las primeras versiones del estándar UMTS, la arquitectura UTRAN (Universial Terrestrial Radio Access) mantenía las características y conceptos de sus predecesoras (Redes de acceso 2G/GSM).

La Red de Acceso Radio Terrestre UMTS(UTRAN: UMTS Terrestrial Radio Access Network) se compone de equipos de radio (conocidos como NodoB) encargados de la transmisión y recepción sobre la interfaz de radio y un nodo específico llamado Controlador de la Red Radio (RNC: Radio Network Controller) encargado de la configuración del NodoB y la asignación de recursos de radio.

Las interfaces “Iur” permiten llamadas UTRAN a nivel de RNC y diversidad macroscópica entre diferentes “NodoB” controlados por diferentes RNCs. Esta macro diversidad fue una consecuencia de las capas físicas UTRAN basadas en CDMA como un medio para reducir la interferencia y preservar la capacidad de la red. La interfaz “Iu” permite la interconexión entre la red núcleo y el RNC.

La Figura 2.1 ilustra la arquitectura UTRAN planteada inicialmente para la tecnología UMTS.

2.3 EVOLUCION DEL UMTS.

2.3.1 Factores evolutivos de UMTS.

Con el fin de asegurar la competitividad de la tecnología UMTS a nivel mundial, en 2004 se decidió estudiar la factibilidad de una evolución en la arquitectura del sistema y la red de acceso, con el objetivo de finalizar las especificaciones fundamentales a mediados del 2007.

2.3.1.1 Migración hacia aplicaciones de datos.

Debido al auge del Internet y aplicaciones que requieren intercambio de datos a altas velocidades, se hizo necesario desarrollar módulos adicionales que permitieran una integración entre las redes tradicionales de conmutación de circuitos con las de conmutación de paquetes. Este rediseño acarreó incrementos en los costos para la implementación y operación de dichas redes.

Con las redes UMTS Evolucionadas (E-UMTS: Evolved UMTS), toda la información se considera como paquetes de datos, permitiendo arquitecturas de redes simplificadas y convergentes. En la Figura 2.2 se resume la evolución de la arquitectura de la red núcleo.

Donde (CS) es la conmutación de circuitos, (PSTN) es la red telefónica pública conmutada, (PS) es la conmutación de paquetes, (IMS) es el Sistema Multimedia de Protocolo de Internet y (PC) es el Núcleo de Paquetes.

2.3.1.2 Mejoramiento de la interfaz de radio.

En los últimos años, el acceso fijo a Internet ha evolucionado, desde los 64 Kbps del modem telefónico, hasta 100 Mbps logrados con tecnologías de fibra óptica, permitiendo nuevos servicios. Como consecuencia, es deseable que los sistemas de comunicación inalámbrica también incrementen su capacidad y desempeño, tal que la Calidad de Servicio (QoS: Quality of Service) para los nuevos servicios se mantenga aceptable cuando los usuarios utilicen una interfaz de radio. Con la evolución de la interfaz de radio de UMTS se esperan velocidades de acceso de hasta 100 Mbps.

La evolución de UTRAN (E-UTRAN: Evolved-UTRAN) se basa en un esquema de asignación de recursos de radio compartido que permite maximizar el uso de los recursos a través de la combinación de las portadoras de radio en un túnel con alta tasa de bit.

2.3.1.3 Apertura hacia otros tipos de acceso.

Desde principios del año 2000, las interfaces de radio de alta velocidad y/o desempeño han sido desarrolladas para su uso en Redes de Área Local Inalámbrica(WLAN: Wireless Local Area Network) incluyendo las familias WiFi y WiMAX. Estas tecnologías pueden proveer tasas de datos bastante cercanas a UTRAN y E-UTRAN y están enfocadas a la interfaz de radio sin intentar especificar niveles superiores (Arquitectura de red, interfaces, gestión de suscriptores, políticas de QoS, entre otras).

El sistema UMTS ha sido diseñado y optimizado de una manera más eficiente a través de los últimos años, esto es, a continuación se mencionan algunos aspectos importantes en la evolución de este sistema:

En 1985 se comenzó el estudio del sistema IMT-2000, el cual se caracterizaba por tener velocidades de transmisión de información en un rango de 2000 Kbps y que las frecuencias estarían en la banda de los 2000 MHz.

En 1987 y principios de 1990, se realizaron reuniones tres veces al año en Europa, Estados Unidos y Japón, en donde participaron diferentes proyectos de investigación de UMTS como lo es el RACE1 y RACE2 que fueron creados por laComisión de Comunidades Europeas (CEC: Commission of European Communities).

Entre 1991 y 1995 la CEC creo dos proyectos de investigación llamados Pruebas por División de Código (CODIT: Code Division Testbed) y Acceso Múltiple por División de Tiempo Asíncrono (ATDMA: Asynchronous Time Division Multiple Access), los cuales fueron apoyados por las compañías manufactureras de telecomunicaciones de Europa y los operadores de red. Ambos proyectos investigaron el acondicionamiento del WCDMA. Donde finalmente se convirtió en la base de implementación para la UMTSel cual sería realizado por el ETSI.

En febrero de 1992 la Conferencia Mundial de Radiocomunicaciones celebrada en España, dispuso que las frecuencias a utilizar por el sistema UMTSfuturo seria el ancho de banda que comprende de los 1885 MHz a los 2025 MHz y de 2110 MHz a 2200 MHz. En Diciembre de 1996, fue establecido el fórum de UMTS en Suiza.

En Enero de 1998 ETSI se reunió en París para proponer la combinación de WCDMA y TDMA para la especificación de la interfaz aérea de UMTS.

En Junio de 1998 se propuso para la interfaz Tierra-Aire las tecnologías: UTRAN, UMTS, WCDMA y EDGE. Las cuales fueron entregadas a laSección de Radioelectrónica de la ITU (ITU-R: International Telecommunications Union – Radioelectronic Section).

En marzo de 1999 la ITU aprobó las interfaces de radio para la tercera generación de los sistemas móviles.

El 31 de Enero de 2003, Ericsson condujo la primera demostración de el Protocolo de Internet Versión 6 (IPV6: Internet Protocol Versión 6)sobre una red UMTS.

El 16 de Diciembre de 2004 fue la fecha de congelamiento para la versión 6 del UMTS.

El 14 de febrero de 2005, Ericsson demostró la velocidad de transferencia de 9 Mbps con el Acceso de Paquetes de Descarga de Alta Velocidad (HSDPA: High Speed Downlink Packets Access) fase 2 sobre la red WCDMA.

En Agosto de 2007, Ericsson fue el primero en completar las llamadas en WCDMA para todas las bandas de frecuencias definidas por 3GPP.

En Marzo de 2008, el organismo “3G Américas” publicó recomendaciones para la transición a la IPV6 en América.

2.4 EPS.

Durante los últimos años las tecnologías de telefonía móvil han sufrido gran cantidad de cambios y para clasificar estos cambios se establecen series de generaciones, las cuales ya fueron mencionadas en el capítulo anterior.

La arquitectura EPS (Evolved Packet System) está formada por dos entidades principales EPC (Evolved Packet Core) y E-UTRAN (Evolved UMTS Radio Access Network) que hacen específicamente referencia a la red núcleo y a la interfaz de acceso de radio.

En la Figura 2.3 se muestra la magnitud del incremento de las velocidades existentes, EPS se basa en las especificaciones del estándar 3GPP-R8 finalizada en Diciembre de 2008.

EPS emerge como una respuesta de los operadores de telefonía celular que veían una necesidad clara de evolucionar lasredes existentes de telefonía móvil.

Figura 2.3 Incremento en la velocidad en las redes existentes.

El número de nodos lógicos de la red también disminuye a través del agrupamiento de funciones mediante la definición de nuevas entidades de red y la eliminación de bloques que cumplían funciones análogas en los dominios de conmutación de paquetes y circuitos respectivamente. La red EPS como se muestra en la Figura 2.4 se puede clasificar en 4 niveles:

Terminales EPS (computadoras, equipos de telefonía móvil, etc.). Sistema E-UTRAN.

Sistema EPC.

En lo que se refiere a la arquitectura, la red EPSestá diseñada con el objetivo de apoyar el tráfico de conmutación de paquetes con movilidad de manera incondicional, la calidad de servicios (QoS) y una latencia mínima. Un enfoque de conmutación de paquetes permite el apoyo de todos los servicios incluidos los de voz a través de las conexiones de paquetes.

El resultado es una arquitectura plana y simplificada, con solo dos tipos de nodos llamados Nodos evolucionados B (eNB) y la Puerta de Enlace en la Entidad Gestora de Movilidad (MME-GW: Mobility Management Entity - Gateway). Todas la interfaces de red están basadas en protocolo IP. Como se muestra en la Figura 2.5 los eNBs están interconectados por medio de una interfaz X2 y a la entidad MME-GW por medio de la interfaz S1.Dichas entidades e interfaces se detallaran en los capítulos 3 y 4.

Figura 2.5. Arquitectura de red EPS.

Figura 2.6. Sistemas E-UTRAN y EPC.

2.5 Arquitecturade Red EPS

La arquitectura de red E-UMTS incluye la red de acceso y la sección correspondiente a EPC. A su vez, se incluyen también otros bloques, tales como las interfaces de señalización.

2.5.1 E-UTRAN.

Figura 2.7. Arquitectura E-UTRAN

2.5.2 EPC.

La EPC se compone de varios bloques funcionales: El MME, la puerta de enlace de servicios, la Puerta de Enlace de Paquetes de Datos de Red (PDN-GW: Packet Data Network - Gateway) y la Política y Reglas para las Funciones de Carga(PCRF: Policy and Charging Rules Functions). Adicionalmente, la arquitectura de EPC funciona de manera diferente dependiendo del tipo de red con la que intercambie información. En la Figura 2.8 se ilustra la arquitectura EPC a bloques.

MME: Está conectado por medio de la interfaz “S6a” al Servidor de Origen del Suscriptor (HSS: Home Subscriber Server) el cual soporta la base de datos que contiene toda la información de suscripción del usuario.

S-GW:Es la Puerta de Enlace de Servicios (Serving Gateway) la cualrepresenta la terminación de la interfaz de paquetes de datos hacia E-UTRAN. Cuando los terminales se mueven a través de los “eNodoB” en E-UTRAN, la puerta de enlace de servicios funciona como un punto de referencia de movilidad local, tal que los paquetes sean enrutados a través de este punto para movilidades al interior de EUTRAN y otras tecnologías de 3GPP, como 2G/GSM y 3G/UMTS.

PDN-GW: Al igual que la puerta de enlace de servicios, PDN constituye el punto de terminación de la interfaz de paquetes de datos hacia PDNs externas. Soporta políticas de seguridad definidas por el operador en términos de asignación y uso de recursos, también filtrado de paquetes y algunas funciones de facturación.

HSS: Representa la unión del Registro de Locación de Inicio(HLR: Home Location Register) y del Centro de Autenticacion (AuC: Authentication Center) los cuales fueron definidos desde las primeras versiones de 2G/GSM. La parte HLR del HSS se encarga de almacenar y actualizar una base de datos con la información de suscripción de todos los usuarios. A su vez, la parte AuC del HSS se encarga de generar la información de seguridad a partir de las claves de identidad del usuario.

PCRF: Este nodo es el encargado de gestionar y proveer en la puerta de enlace PDN las políticas de QoS y facturación que se le deben aplicar al tráfico de usuario. El PCRF no es un nodo lógico específico de la versión 8, sino que fue introducido en la versión 7del 3GPP.

2.6 Subsistema IMS.

a mediano y largo plazo los servicios equivalentes ofrecidos actualmente en modo circuito, perspectiva avalada por el hecho de que la nueva red de acceso E-UTRAN ya ha sido diseñada de forma que no proporciona acceso al dominio de circuitos.

El subsistema IMS tiene sus orígenes en el conjunto de especificaciones correspondientes a la Release 5 del sistema UMTS. Posteriormente, el ámbito de

aplicación del IMS se ha extendido a otras tecnologías de red, tanto móviles (EPS, redes 3GPP2, WiMAX Móvil, etc.), como fijas (ADSL, cable, etc.). El modelo de provisión de servicios en base al subsistema IMS se estructura en tres capas:

Transporte. Control. Aplicación.

Figura 2.9. Modelo de provisión de servicios en base al subsistema IMS.

El establecimiento y liberación de sesiones a través del IMS se basa en el protocolo de señalización SIP complementado con una serie de extensiones definidas por el 3GPP. Nótese que, tal como se ilustra en la Figura 2.9, una terminal conectado a través de, por ejemplo, EPS, utiliza SIP para su interacción con IMS. SIP es un protocolo que se concibió en un principio para controlar el establecimiento y liberación de sesiones multimedia (telefonía, videoconferencia, etc.) sobre redes IP entre dos o más participantes. Gracias a su flexibilidad, actualmente el ámbito de aplicación de SIP abarca una gama de aplicaciones mucho más extensa: mensajería instantánea y presencia, juegos distribuidos, control remoto de dispositivos, etc. Se trata pues de un protocolo en auge, ampliamente respaldado por organismos de normalización y por la industria, y en continua evolución.

En la Figura 2.10 se ilustra una arquitectura simplificada de los principales componentes funcionales que integran el subsistema IMS. El núcleo del subsistema IMS lo forman las entidades denominadas Funciones de Control para Sesión de Llamadas (CSCF: Call Session Control Function). Básicamente, se trata de servidores SIP que proporcionan las siguientes funciones:

El Serving CSCF (S-CSCF) actúa como el nodo central de la señalización en

El Proxy CSCF (P-CSCF) es un servidor SIP que actúa como la puerta de

entrada al subsistema IMS desde la red de conectividad IP: toda su señalización SIP de los terminales LTE/UMTS transcurre a través de este servidor. Entre otras funciones, el P-CSCF es el elemento que interacciona con las funciones de Control de Política y Carga(PCC: Policy and Charging Control) de la red de conectividad (a través de la entidad PCRF). Por tanto, a través del P-CSCF, el subsistema IMS puede controlar la operativa de la capa de transporte (servicios portadores EPS en el caso del sistema LTE).

El Interrogating CSCF (I-CSCF) es un servidor SIP que actúa como puerta de

entrada de la señalización SIP proveniente de redes externas. En este sentido, la dirección IP del servidor I-CSCF es la que está incluida en los servidores de nombres de las redes externas (servidores DNS de Internet) de forma que la resolución de nombres de dominio ([email protected]) conduce al envío de los mensajes SIP a la dirección IP del servidor I-CSCF quien, posteriormente, re-dirige los mensajes a los servidores S-CSCF correspondientes.

2.7 Sistema HSS (Home Server Suscriptor).

El HSS es la base de datos principal del sistema 3GPP que almacena la información de los usuarios de la red. La información contenida en el HSS abarca tanto información relativa a la subscripción del usuario (perfil de subscripción) como información necesaria para la propia operativa de la red. La base de datos HSS es consultada, y modificada, desde las diferentes entidades de red encargadas de proporcionar los servicios de conectividad o servicios finales (desde, MME de red troncal EPC, SGSN de la red GPRS, MSC del dominio de circuitos y también desde servidores de control del subsistema IMS).

La entidad HSS se estandarizó en 3GPP R5 en base a la integración de dos entidades definidas inicialmente en redes GSM y que se denominan HLR y AuC, a las que se añadieron funciones adicionales necesarias para soportar el acceso y la operación delsistema LTE. En la Release 8 correspondiente al sistema LTE, el HSS abarca:

El subconjunto de funciones de las entidades HLR/AuC necesarias para el funcionamiento del dominio de paquetes EPC, así como GPRS. El acceso a HSS desde la red EPC se realiza desde la entidad de red MME mediante la interfaz S6a que se detallará en el próximo capítulo.

El subconjunto de funciones de las entidades HLR/AuC necesarias para el funcionamiento del dominio de Conmutación de Circuitos(CS: Circuit Switched).

Funciones de soporte asociadas a las funciones de control del subsistema IMS como la gestión de información relativa a la subscripción de servicios IMS y el almacenamiento de perfiles de usuario asociados a servicios IMS.

2.8 Terminales.

Con el desarrollo avanzado de servicios y soporte para los paquetes de datos, los terminales móviles integran muchas características y funciones tales como: Captura y envío de fotos y vídeos, acceso a música almacenada, visualización de fotos, TV y videos, acceso a servicios Web y correo electrónico, juegos, etc.

capacidad de almacenamiento, corta duración de la batería y bajas calidades de audio y video propias de los dispositivos. Por esta razón, se separan las funciones de abastecimiento de servicio de las funciones de transmisión de datos propias dela terminal.

El estándar ha definido una arquitectura flexible, en este nuevo modelo, todas las funciones soportadas por la terminal, se dividen en dos elementos:

Terminal móvil “MT”. Terminal “TE”.

C

APÍTULO

3

|

Sistema EPC

(Núcleo Evolucionado

CAPÍTULO 3. SISTEMA EPC (NÚCLEO EVOLUCIONADO DE

PAQUETES).

3.1 Orígenes de EPC

A lo largo de los años, diferentes estándares han sido creados en la red mundial, los más comúnmente reconocidos son GSM, CDMA, WCDMA / HSPA. La red de tecnologías de acceso de radio GSM / WCDMA / HSPA y CDMA se han definido en organismos de normalización diferentes, y también existen diferentes redes centrales asociados a cada uno.

El Sistema de Arquitectura Evolucionado (SAE: System Architecture Evolution) es el nombre que asigna 3GPP, el cual es el punto de los trabajos de normalización que se encarga de la evolución de la red de núcleo de paquetes, más comúnmente conocido como EPC. Este elemento de trabajo está estrechamente relacionado con el elemento de trabajo EPS, que abarca la evolución de la red de radio.

EPCpermite el acceso a la interfaz de radio, la red central y las terminales que componen el sistema móvil en general. El diseño de la red troncal EPC ha sido concebido principalmente para proporcionar un servicio de conectividad IP (evolución del servicio GPRS) mediante una arquitectura de red optimizada que permite explotar las nuevas capacidades que ofrece la red de acceso E-UTRAN. Asimismo, otro factor clave considerado en el diseño de la arquitectura de la red troncal ha sido la posibilidad de acceder a sus servicios a través de otras redes de acceso tanto 3GPP (UTRAN) como fuera del ámbito del 3GPP (CDMA2000, WiMAX, 802.11).

3.1.2 Arquitectura de red EPC.

La arquitectura de red EPC se compone de unas pocas diferencias en las entidades de red, cada entidad de la red tiene un papel destacado en la arquitectura.Esta sección cubre las funciones de los diferentes nodos, el eNodoB, la Entidad Gestora de Movilidad MME, la Puerta de Enlace de Servicios S-GW y el PDN-GW. En la Figura 3.1 se muestra un enfoque más claro de la arquitectura de EPC, el núcleo del sistema EPC está formado por tres entidades de red:

Figura 3.1. Arquitectura básica de la red troncal EPC.

Estas tres entidades, junto con la base de datos principal del sistema 3GPP denominada HSS constituyen los elementos básicos para elsuministro del servicio de conectividad IP entre los equipos de usuario conectados a través de E-UTRAN y redes externas a las que se conecta la red troncal EPC. Las funciones asociadas con el plano de usuario se concentran en las dos puertas de enlace (S-GW y P-GW) mientras que la entidad MME se encarga de las funciones y señalización del plano de control.

3.2 Entidad Gestora de Movilidad (MME).

La entidad MME constituye el elemento principal del plano de control de la red EPS para gestionar el acceso de las terminales a través de E-UTRAN. Toda terminal que se encuentre registrada en la red EPS y sea accesible a través de E-UTRAN, tiene una entidad MME asignada. MME gestiona aspectos de movilidad en los accesos de 3GPP como la selección de entrada, el seguimiento de la gestión de área de la lista, etc.

Constituye una entidad del plano de control, encargada únicamente de la señalización por lo que por ella no transitan los paquetes con tráfico de datos de los usuarios. Dispone de un elemento de red dedicado a la señalización y separado funcionalmente de las puertas de enlace.Aporta a los operadores la ventaja de poder hacer crecer la capacidad de señalización de forma independiente del tráfico de usuario. Gracias a la flexibilidad de la arquitectura es posible el empleo de un único nodo para implementar, permitiendo disponer de una red con un núcleo de paquetes común para múltiples tecnologías como GSM, UMTS/HSPA y EPS.

La elección de la entidad MME se realiza en el proceso de registro y depende de aspectos tales como la ubicación geográfica dela terminal en la red (cada MME sirve a un conjunto determinado de eNBs).

Dicha entidad mantiene un contexto de datos del usuario (identificadores del usuario, conexiones y servicios portadores EPS activos, claves de seguridad, datos de localización del usuario en la red, etc.) y articula todas las gestiones que se realicen en relación a dicho usuario (establecimiento de servicios portadores EPS, etc.). La entidad MME asignada a un usuario puede ir cambiando atendiendo a la movilidad de dicho usuario dentro de la zona de servicio de la red. Las principales funciones de la entidad MME son las siguientes:

Autenticación y autorización del acceso de los usuarios a través de E-UTRAN. A partir de los datos de usuario obtenidos desde el HSS, la entidad MME se encarga de llevar a cabo el control de acceso a la red mediante la identificación, autenticación y autorización de los usuarios que se conectan a través de E-UTRAN.

Señalización para el soporte de movilidad entre EPS y redes 3GPP. la entidad MME de la EPC y la entidad SGSN pueden intercambiar información relativa a los equipos de usuario conectados bien a través de E-UTRAN o de UTRAN para poder gestionar, por ejemplo, mecanismos de gestión de movilidad conjunta (la red troncal GPRS así como la red troncal EPC pueden intercambiar información relativa a las áreas de seguimiento). Dicha señalización se realiza a través de la interfaz S3 entre MME y SGSNs. También, a través de esta interfaz, se gestionan los procedimientos de reubicación del plano de usuario en las entidades de la red troncal (el plano de usuario de una terminal conectada inicialmente a UTRAN y que fluye a través de un determinado SGSN, se reubica hacia una pasarela S-GW cuando el terminal cambia de UTRAN a E-UTRAN). estrato

Terminación de los protocolos de señalización Capa de no Acceso (NAS: Non Access Stratum). Los protocolos NAS fluyen entre el equipo de usuario y la entidad MME que tenga asignada. A través de ellos se soportan los procedimientos relacionados con las funciones de control de acceso a la red EPS, la gestión de las conexiones a redes externas y el establecimiento de servicios portadores EPS, y la gestión de movilidad de los terminales que se encuentran en modo idle.

Con respecto a este último punto los protocolos NAS se llevan a cabo entre la UE y MME sobre el Protocolo de Control de Flujo de Transmisión (SCTP: Stream Control Transmission Protocol), que es una tecnología de transporte orientado a la conexión. El NAS consiste del Protocolo de Gestión de Movilidad EPS (EMM) y del Protocolo de Gestión de Sesión EPS (ESM).

EMM permite el control de la movilidad y seguridad y EPS es responsable de manejar el contexto de la portadora EPS y el control. Para permitir estas funciones, existen muchas interfaces que son definidas por MME.

MME conecta a los eNBs con la interfaz S1-MME y SGW con la interfaz S11 como se observa en la Figura 3.2. Los protocolos MME alojados en MME también especifican los procedimientos para el soporte de la movilidad entre EPS y otras redes de acceso 3GPP o que no sean 3GPP.

Por ejemplo, MME se comunica con el Nodo de Soporte de GPRS (SGSN) a través de la interfaz S3. Además parte del protocolo NAS esta autentificado y autorizado de UE; consecuentemente, MME retribuye la información desde HSS (subscriptor de servicios de hogar) a través de la interfaz S6a.

En breve los hosts MME tendrán los siguientes servicios: Realizar la entrega dentro de EPS.

Proveer movilidad en estado de reposo. Control de la portadora SAE.

La separación funcional entre el eNodoB y MME-GW se muestra en la Figura 3.2.

3.3 Puerta de Enlace SAE (SAE-GW)

Está formada por dos entidades lógicas del plano de usuario como se muestra en la Figura 3.3, el Serving Gateway y el PDN Gateway, sirviendo de interfaz entre la

red de acceso y las diferentes redes de paquetes. En la práctica y en función de los escenarios desplegados, ambas puertas de enlace se pueden implementar como un único elemento de red.

A través de la interfaz S5, la puerta de enlace SAE-GW puede dividirse en dos nodos separados, llamados SGW (Serving-Gateway) y PDN-GW (Public Data Network- Gateway).

Figura 3.3 Puerta de Enlace SAE

3.3.1 Puerta de Enlace de Servicio (S-GW)

S-GW termina la interfaz a través de E-UTRAN. Es el punto de enlace de la movilidad local para traspasos entre el eNodoB y también proporciona un enlace para la movilidad entre 3GPP.

S-GW es responsable de proveer encaminamiento y resguardo de los paquetes de datos del usuario con la interfaz S1-U. S-GW conecta a PDN-GW con la interfaz S5 y obtiene instrucciones de MME a través de la interfaz S11. Es responsable de las rutas de datos y se ocupa de la compresión del encabezado IP, encriptación de datos de los usuarios corrientes, la terminación de los paquetes del plano U, y el cambio del plano U para apoyar la movilidad de la UE.

En la red EPS, el plano de usuario entre S-GW y el equipo de usuario puede “desactivarse” cuando no haya tráfico para transmitir. Es decir, aunque las conexiones y servicios portadores de EPS permanezcan activos, una terminal puede encontrarse en estado inactivoy, por tanto, no estar conectado a ningún eNB. Así

pues, cuando se recibe tráfico de la red externa dirigido a un usuario en modo idle,

este tráfico llega hasta la entidad S-GW a cargo de ese usuario, que retiene temporalmente los paquetes IP e inicia (a través de la señalización pertinente con la entidad MME) el restablecimiento del plano de usuario hasta el equipo de usuario.

Las notificaciones proceden de MME para llevar a cabo la creación / eliminación o el cambio de plano de datos. Si hay datos de la UE en el modo inactivo, la notificación se va a MME mediante el interfaz S4, basándose en el protocolo GTP es la entidad involucrada con el tráfico de usuario en caso de movilidad entre EPS y otra tecnología 3GPP como se puede mostrar en la Figura 3.4.

3.3.2 Puerta de Enlace de Paquetes de Datos de Red (PDN-GW).

Esta entidad es la encargada de proporcionar conectividad entre la red EPS y las redes externas (denominadas como Packet Data Network, PDN, en las

especificaciones 3GPP). Es decir, a través de la entidad P-GW, un usuario conectado al sistema EPS resulta “visible” en la red externa. Por tanto, los paquetes IP generados por el usuario se incluyen en la red externa a través de esta puerta de enlace y, viceversa, todo el tráfico IP dirigido a una terminal EPS proveniente de la red externa va a ser encaminado hasta el P-GW.

P-GW termina la interfaz de la SGi, hacia el PDN. Es el nodo clave para la aplicación de políticas y la carga de recopilación de datos

Al igual que el S-GW, la puerta de entrada PDN es el punto de terminación de la interfaz de paquetes de datos. Como punto de enlace para las sesiones a las redes de datos externas de paquetes, así como el filtrado y apoyo evolucionado de carga. El PDN-GW también realiza varias funciones IP como la asignación de direcciones, aplicación de políticas de filtrado de paquetes y enrutamiento. Cuando se recibe un paquete IP de Internet, PDN-GW realiza la clasificación de paquetes basada en ciertos parámetros predefinidos y lo envía al portador EPS correspondiente.

Por su parte el PDN-GWse considera el punto de entrada/salida del tráfico hacia/desde el usuario, proporcionando conectividad hacia el resto de redes externas y destacando las siguientes tareas:

A través del interfaz S7 se realiza la transferencia de las políticas de calidad de servicio y costo de operación que se aplican al tráfico de usuario entre el PCRF y el PDN GW.

Facilita la movilidad transparente y la continuidad en las sesiones de usuario cuando éste se desplaza entre redes de acceso tecnológicamente heterogéneas, es decir desde una red alineada con el 3GPP (GSM, UMTS, HSPA) a otras redes no alineadas con el 3GPP (WiMAX o WiFi), o viceversa.

Entre las principales características de PDN-GW destacan las siguientes:

Enrutamiento de paquetes entre el EPC y PDN. En este contexto, PDN es un término muy genérico que abarca cualquier tipo de red IP, así como el dominio de IMS.

La asignación de direcciones IP para terminales se realiza cuando el portador inicial se establece durante el proceso de conexión de red.

3.3.2.1Puerta de Enlace GW proceso de selección.

La función de selección de PDN-GW facilitará la conectividad PDN para el acceso 3GPP.

La función utiliza la información del suscriptor proporcionada por el HSS y posiblemente criterios adicionales. Para cada uno de lossuscriptores PDN, el HSS ofrece:

Una dirección IP de PDN-GW y una APN(Access Point Name).

Una APN y una indicación de este APN si la asignación de una PDN-GW de la visita PLMN (Public Land Mobile Network) se permite o si PDN-GW de la PLMN de origen se asigna.

Servicio de Función de Selección GW.

El servicio de función de selección selecciona un servicio GW disponible para servir a UE.La selección se basa en la topología de red.Otros criterios para la selección de la porción GW incluyen balanceo de carga entre la porción GW.

3.4 Plano de Usuario y Plano de Control.

3.4.1 Plano de Usuario.

El plano de usuario no solo incluye los datos de usuario, tales como paquetes de voz o contenido Web, sino que también incluye la señalización asociada a los servicios de aplicación tales como: SIP o RTCP (RT Control Protocol). Aunque estos

protocolos se consideran información de control por las capas de aplicación, esta señalización de alto nivel se transmite a través del plano de usuario.

esta soportada por IP. Los paquetes de nivel de aplicación son enrutados a través de las puertas de enlaces del “Packet Core” antes de alcanzar su destino.

Figura 3.5 Plano de Usuario desde el equipo terminal a Servicios deAplicación

3.4.1.1 Aspectos del Plano de Usuario.

Los TFT contienen filtros de paquetes de información que permiten a la UE y PGW identificar paquetes pertenecientes al flujo de paquetes agregado IP. Además es posible definir otro tipo de filtros de paquetes basados en otros parámetros relacionados con el flujo de paquetes IP. Estos filtros de información pueden contener los siguientes atributos:

Dirección IP remota y mascara de subred.

Número de Protocolo (IPv4) / Siguiente cabecera (IPv6). Rango de Puerto local.

Rango de Puerto remoto. Etiqueta de Flujo (IPv6).

La palabra “remoto” se refiere a la entidad en el PDN externo con lo que la UE se está comunicando, al mismo tiempo “local” se refiere a la propia UE. La dirección UE IP no está contenida en TFT ya que se entiende la UE esta solamente asignada a una dirección IP simple, o posiblemente a una dirección IP de cada versión IP, por conexión PDN.

La política de Carga y Control (PCC) puede ser usada como servicio establecido que permite ser utilizado en el establecimiento de servicios para garantizar que el derecho de QoS y TFT se proporciona.

Cuando una portadora EPS está establecida, un contexto de portadora es creado en todos los nodos EPS que necesitan manejar el plano de usuario e identificar cada portadora. Para E-UTRAN y GTP basados en las interfaces S5/S8 entre la Puerta de Enlace de Servicios y PDN-GW, la UE, eNodoB, MME. La puerta de enlace de servicio y PDN-GW todos tendrán contexto portador. Los detalles exactos del contexto al portador difieren un poco entre los nodos desde los parámetros de una misma portadora, no son relevantes en todos los nodos.

Entre los nodos de la red central de EPC, el tráfico de plano de usuario que pertenece a un portador es transportado mediante una cabecera de encapsulación (cabecera de túnel) que identifica el portador. El protocolo de encapsulación es GTP-U. Cuando E-UTRAN utiliza GTP-U es usado en S1-U y puede ser usado en S5/S8. GTP-U contiene un campo que permite que el nodo receptor pueda identificar al portador al que pertenece el paquete.

3.4.2 Plano de Control.

La Figura 3.6 muestra la pila de protocolos del plano de control. Esta pila finaliza a nivel de MME, debido a que los protocolos de alto nivel terminan allí.

Figura 3.6 Planos de Control desde la terminal hasta MME.

3.4.2.1 Aspectos del Plano de Control.

Hay muchos procedimientos disponibles en EPS para controlar a las portadoras. Estos procedimientos son usados para activar, modificar y desactivar portadoras así como asignar parámetros de Calidad de Servicio, filtros de paquetes, etc. para la portadora, sin embargo si la portadora por defecto esta desactivada la conexión PDN estará cerrada.

EPS ha adoptado un modelo centrado en la red de control de calidad de servicio, lo que significa que es básicamente solo el PDN-GW el que puede activar, desactivar y modificar un portador EPS y decidir los flujos de paquetes que se transportan por portador. Cabe señalar que este enfoque centrado en la red es diferente de la pre-EPS GPRS

la especificación de un nuevo procedimiento llamado “solicitud de red secundaria por el contexto PDP activación de procedimientos”.

En este procedimiento es GGSN (Gateway GPRS Support Node) quien toma la

iniciativa para crear una “portadora dedicada” conocida como contexto PDP secundario en el núcleo de red 2G/3G, así como asignar filtros de paquetes.

En la tendencia hacia un enfoque centrado en la red se ha dado un paso más con EPS, ya que ahora es solo el PDN-GW el que puede activar un nuevo portador y decidir que flujos de paquetes se transportan por el portador.

Se debe notar que cuando la portadora EPS está establecida o modificada, el estado en el acceso de radio puede ser modificado para proveer una apropiada capa de transporte para cada portadora activa EPS.

3.5 Entidades de EPC.

3.5.1 PCRF (Policy and Charging Rules Function).

Englobando los conceptos definidos de MME, S-GW y PDN-GW vistos también en la Figura 3.1, el control de servicios se realiza a través de la Política y Regla de Función de Carga (PCRF). Este es un gran cambio respecto a los anteriores sistemas móviles, donde el servicio de control se realizaba principalmente a través de la autenticación de la UE por la red. De manera dinámica PCRF controla y gestiona todas las sesiones de datos y proporciona las interfaces apropiadas para los sistemas de cobro y facturación, así como permitir los nuevos modelos de negocio.

La mejora más importante prevista en la Release7 del 3GPP en cuanto a la política y la carga es la definición de una nueva arquitectura de convergencia para permitir la optimización de las interacciones entre la política y las funciones de las Reglas. La evolución Release 7 implica un nuevo nodo de la red, la Política y Función de carga (PCRF), que es una concatenación de la Función de Decisión de Políticas (PDF) y la función de Reglas de Carga (CRF).