UNIVERSIDAD CATÓLICA DE CUENCA
UNIDAD ACADÉMICA DE INGENIERÍA DE SISTEMAS,
ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA
CARRERA DE INGENIERÍA EN SISTEMAS
COMUNICACIÓN MOVIL: 4G LTE /LTE AVANZADO PARA BANDA
ANCHA MOVIL-
TRABAJO DE INVESTIGACIÓN PREVIA A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE INGENIERO EN SISTEMAS
TNLG. ANL. SERGIO ANDRÉS BERMEO NASPUD
Director: Ing. Segundo Isael Sañay Sañay
CUENCA - ECUADOR 2014
DECLARACIÓN
Yo, Sergio Andrés Bermeo Naspud, declaro bajo juramento que el trabajo aquí descrito es de mi autoría; que no ha sido previamente presentada para ningún grado o calificación profesional; y, que he consultado las referencias bibliográficas que se incluyen en este documento.
La Universidad Católica de Cuenca puede hacer uso de los derechos correspondientes a este trabajo, según lo establecido por la Ley de Propiedad Intelectual, por su Reglamento y la normatividad institucional vigente.
II
CERTIFICACIÓN
Certifico que el presente trabajo fue desarrollado por Sergio Andrés Bermeo Naspud, bajo mi supervisión.
Segundo Isael Sañay Sañay DIRECTOR
AGRADECIMIENTO
Primero y antes que nada, le doy gracias a Dios, por estar en cada paso que doy, por fortalecer mi corazón e iluminar mi mente y por haber puesto en el camino a aquellas personas que han sido un soporte y compañía durante todo el periodo de estudio.
Agradecer hoy y siempre a mi familia porque está claro que si no fuese por el esfuerzo realizado por ellos, mis estudios no hubiesen sido posibles. A mis padres por el apoyo y alegría que me brindan y por la fortaleza necesaria para seguir adelante. Gracias porque en su compañía las cosas malas se convierten en buenas, la tristeza se transforma en alegría y la soledad no existe.
Un agradecimiento a todos mis maestros, de manera especial a mi director de tesis Ing. Segundo Isael Sañay Sañay, por la colaboración, paciencia y apoyo brindado desde siempre, por escucharme, aconsejarme y por tener siempre tendida su mano amiga.
A mis compañeros por los momentos de alegría, por su ayuda y amistad desde el primer día en el que se inició este gran reto y por compartir las mismas experiencias, gracias por su apoyo y ánimo en cada etapa superada a lo largo de estos años de estudio.
En general quiero agradecer a todas y cada una de las personas que han vivido conmigo la realización de esta etapa de mi vida, con sus altos y bajos, personas que no necesito nombrar porque tanto ellas como yo sabemos que desde los más profundo del corazón les agradezco por todo su apoyo, colaboración, ánimo y sobre todo cariño y amistad.
IV
DEDICATORIA
A Dios.
Por haberme permitido llegar hasta este punto y darme salud para lograr mis objetivos, además de su infinita bondad y amor.
A mis padres.
Por apoyarme en todo momento, por sus consejos, sus valores, por la motivación constante, por su ejemplo de perseverancia y constancia que han permitido que sea una persona de bien, pero más que nada, por su amor.
A mi esposa.
Por su apoyo incondicional, por creer en mí y ser mi soporte en este camino lleno de obstáculos, porque a pesar de las caídas jamás sueltas mi mano y siempre tienes en tu vida un espacio para la mía.
A los maestros.
Por su gran apoyo y tiempo compartido durante los años de formación, por la motivación para que culmine mis estudios y por impulsar el desarrollo de mi formación profesional a través de la transmisión del conocimiento.
A la Universidad Católica de Cuenca en especial a la Unidad Académica de Ingeniería de Sistemas, Eléctrica y Electrónica, por permitirme ser parte de una generación de triunfadores y gente productiva para el país.
INDICE DE CONTENIDOS
DECLARACIÓN ... I CERTIFICACIÓN ... II AGRADECIMIENTO ... III DEDICATORIA ... IV INDICE DE CONTENIDOS ... V LISTA DE FIGURAS ... VII LISTA DE TABLAS ... VIII GLOSARIO ... IX RESUMEN ... XI ABSTRACT ... XII INTRODUCCIÓN ... XIII1. CAPITULO 1: COMUNICACIÓN MÓVIL ... 1
-1.1. COMUNICACIÓN MÓVIL. ... 1
-1.2. HISTORIAS DE LAS GENERACIONES DE LA TECNOLOGÍA MÓVIL. ... 2
-1.2.1. GENERACIÓN CERO. ... 2 -1.2.2. PRIMERA GENERACIÓN. ... 2 -1.2.3. SEGUNDA GENERACIÓN. ... 3 -1.2.4. TERCERA GENERACIÓN. ... 3 -1.3. ASPECTOS TECNICOS. ... 4 -1.3.1. RADIO BASE. ... 4 -1.3.2. CELDAS. ... 4 -1.3.3. CLÚSTER O GRUPO. ... 5 -1.3.4. REUTILIZACIÓN DE FRECUENCIAS. ... 5
-1.4. IMPORTACIA DEL STANDARD LTE. ... 6
-1.4.1. ESTANDARIZACIÓN DE LTE. ... 7
-1.4.2. CARÁCTERÍSTICAS RELEVANTES DE LTE. ... 8
-1.4.3. ARQUITECTURA DEL SISTEMA LTE. ... 11
-1.4.4. CANALES UTILIZADOS EN LTE. ... 17
-VI
2. CAPITULO 2: LTE EN EL MUNDO ... 21
-2.1. LTE EN EL MUNDO. ... 21 -2.1.1. DEMANDA EN EL MUNDO ... 22 -2.1.2. PENETRACIÓN. ... 23 -2.2. LTE EN LATINOAMÉRICA ... 23 -2.2.1. COLOMBIA. ... 25 -2.2.2. BRASIL. ... 26 -2.2.3. CHILE. ... 27 -2.2.4. ECUADOR. ... 28
-3. CAPITULO 3: PROPUESTA DE CNT APLICADA EN EL ECUADOR ... 32
-3.1. Propuesta de Migración hacia LTE. ... 32
-3.1.1. Nodo B de nueva generación. ... 33
-3.1.2. MIGRACIÓN DE HSPA+ HACIA LTE –A ... 33
-3.1.3. Propuesta de Topología General para Migración a 4G. ... 34
-3.2. POLITICAS DE LTE. ... 35
-3.2.1. Normativa para la implementación de Banda Ancha Móvil. ... 35
-3.2.2. Espectro Otorgado a la CNTEP para ofrecer 4G. ... 35
-3.3. TENDENCIAS DE LTE. ... 36
-3.3.1. Terminales Inteligentes... 37
-3.3.2. Cloud computing en ascenso. ... 37
-3.3.3. Mashups. ... 38
-3.3.4. Múltiples sesiones simultáneas iniciadas automáticamente. ... 38
-3.3.5. Nuevos servicios basados en SaaS. ... 38
-3.3.6. Usuarios y aplicaciones multimedia. ... 38
-4. CAPITULO 4: COSTOS DE ACCESO ... 39
-4.1. Costos de Acceso a la Tecnología 4G LTE... 39
-4.1.1. CONECEL S.A. (CLARO) ... 39
-4.1.2. OTECEL S.A. (Movistar) ... 40
-4.1.3. CNT. ... 40
CONCLUSIONES ... 42
RECOMENDACIONES ... 43
-LISTA DE FIGURAS
Fig 1 Celdas de telefonía móvil.. ... 4
Fig 2 Tipos de Grupos (Clúster) ... 5
Fig 3 Reúso de frecuencias ... 6
Fig 4 Evolución de las tecnologías celulares. ... 8
Fig 5 Ortogonalidad de las ondas portadoras. ... 9
Fig 6 Diferencia entre OFDMA y SCFDMA ... 10
Fig 7 Métodos FDD y TDD ... 11
Fig 8 Esquema general de la arquitectura del sistema LTE ... 12
Fig 9 Subcapas de la capa de enlace. ... 13
Fig 10 Modos de Acceso RadioCanal ... 19
Fig 11 Mapa de redes LTE ... 21
Fig 12 Porcentaje de penetración para agosto del 2014 ... 23
Fig 13 Coberturas de Banda Ancha Movil y Fija por población en América Latina ... 24
Fig 11 LTE en América Latina y el Caribe para agosto del 2014 ... 24
Fig 15 Zonas de Cobertura inicia de Colombia. ... 25
Fig 16 Estructura del Sector de las Telecomunicaciones en el Ecuador ... 29
-VIII
LISTA DE TABLAS
TABLA I BANDAS DE FRECUENCIAS PARA UMTS/HSPA ... 16
TABLA II BANDAS DE FRECUENCIAS PARA UMTS/HSPA ... 16
TABLA III # DE REDES Y SUSCRIPTORES EN LAS REGIONES DEL MUNDO ... 21
TABLA IV PRINCIPALES MERCADOS Y SUS EMPRESAS ... 22
-TABLA V. PORCENTAJES DE LOS SUSCRIPTORES EN PAÍSES DE LATINOAMÉRICA ... 25
TABLA VI. USUARIOS POR OPERADORA HASTA ENERO DEL 2014 ... 29
-TABLA VII COMPARATIVA DE CAPACIDAD Y COSTO ESTIMADO POR MEGABITE EN REDES 3G, HSPA Y LTE MODELADOS CON UN EJEMPLO DE 10000 ESTACIONES BASES. ... 37
TABLA VIII PLANES IDEALES DE CLARO ... 39
TABLA IX PLAN SMART DE MOVISTAR. ... 40
-GLOSARIO
Arquitectura: Término que se refiere a la estructura general de un procesador, sistema operativo, un ordenador o cualquier otro elemento.
Bluetooth: Sistema de comunicación inalámbrica que permite la interconexión de diferentes dispositivos electrónicos (PC’s, teléfonos fijos o móviles, agendas electrónicas, auriculares, etc.); es un estándar creado por importantes empresas del sector de la informática y de las telecomunicaciones.
CSMA: Carrier Sense Multiple Access. Acceso Múltiple por Detección de Portadora. Protocolo de Red para compartir un canal. Antes de transmitir la estación emisora comprueba si el canal está libre.
Firewall: Se trata de cualquier programa que protege a una red de otra red. El firewall da acceso a una máquina en una red local a Internet pero Internet no ve más allá del firewall. Un firewall es una utilidad o herramienta de seguridad que impide que ciertos comandos o paquetes de datos "anormales" penetren en el sistema.
GSM: Global System Mobile comunications. Sistema Global de Comunicaciones Móviles. Sistema digital de telecomunicaciones principalmente usado para telefonía móvil. Existe compatibilidad entre redes, por tanto un teléfono GSM puede funcionar teóricamente en todo el mundo. En EE.UU. está situado en la banda de los 1900MHZ y es llamado DCS-1900. IETF: Internet Engineering Task Force. Grupo de Tareas de Ingeniería de Internet. Asociación de técnicos que organizan las tareas de ingeniería principalmente de telecomunicaciones en Internet. Por ejemplo: mejorar protocolos o declarar obsoletos otros. Interfaz: Punto en el que se establece una conexión entre dos elementos, que les permite trabajar juntos. En el campo de la informática se distinguen diversos tipos de interfaces que actúan a varios niveles, desde las que permiten a las personas comunicarse con los programas, hasta las imprescindibles interfaces hardware.
Internet: Nombre de la mayor red informática del mundo. Red de telecomunicaciones nacida en 1969 en los EE.UU. a la cual están conectadas centenares de millones de personas, organismos y empresas en todo el mundo, mayoritariamente en los países más desarrollados, y cuyo rápido desarrollo está teniendo importantes efectos sociales, económicos y culturales, convirtiéndose de esta manera en uno de los medios más influyentes de la llamada Sociedad de la Información y en la Autopista de la Información por excelencia. Fue conocida como ARPANET hasta 1974.
LAN: Local Area Network. Red de Área Local. Red de ordenadores de reducidas dimensiones. Por ejemplo una red distribuida en una planta de un edificio.
X
QoS: Quality of Service - (Calidad de Servicio). Nivel de prestaciones de una red, basado en parámetros tales como velocidad de transmisión, nivel de retardo, rendimiento, horario, ratio de pérdida de paquetes.
Redes: son líneas conexas que permiten intercambiar información, por ejemplo los computadores, los teléfonos, video conferencias, etc. Es toda clase de tecnología moderna que sirve para transferir información de un lugar a otro.
SIM: Single Identification Module. Módulo Simple de Identificación. Normalmente se refiere a una tarjeta que identifica y a través de ella da servicio a un usuario, su uso más común es en los teléfonos GSM.
SMS: Short Message Service. Servicio de Mensajes Cortos. Servicio de mensajería electrónica de texto entre teléfonos GSM. Gracias a esta capacidad se puede enviar también e-mail desde un teléfono GSM y recibir mensajes desde Internet.
Telecomunicaciones: Se refiere a comunicación a distancia, es decir la capacidad de comunicarse con alguien aunque se encuentre a kilómetros de distancia.
TTD: Telefónica Transmisión de Datos. División de Telefónica para la transmisión de datos. WAP: son los nuevos avances tecnológicos, que permiten la conexión con internet a través de los celulares.
World Wide Web: es el conjunto de todas las páginas web existentes en el mundo y que se conectan entre sí atravesó del Internet, y que es posible acceder por medio de un computador u otro elemento que tenga acceso a la red.
RESUMEN
Por medio del presente trabajo, se aborda la tecnología 4G, en el ámbito de las redes móviles definidas en entornos de movilidad IP. Es preciso considerar que uno de los principales beneficios del uso de la red 4G es la simplificación de la red móvil, haciéndola menos dependiente de la tecnología de acceso radio y por ende permitiendo el uso de una red troncal común a las diferentes tecnologías radio existentes.
Se procura abordar los requisitos que debe cumplir la red de acceso móvil de cuarta generación, en cuanto a los servicios de red y usuario proporcionados, además se considera la definición de una arquitectura de red de acceso basada en IPv6 móvil, denominada Mobile-IP RAN, que incluye la definición de los elementos de red que la componen, así como sus interfaces y protocolos, que permite ofrecer los servicios de acceso a la red, movilidad de usuario, transferencia de datos, sincronización y localización de usuarios.
XII
ABSTRACT
The following thesis considers 4G technology in the field of mobile networks defined in IP mobility environments. One of the main benefits of the 4G network is the simplification of the mobile network, making it less dependent on radio access technology and thereby allowing the use of a core common network to different, existing radio technologies.
The article seeks to address the requirements that the fourth generation mobile access network should comply with regard to provided network services and users. Further, It considers a definition of access network architecture based on the mobile IPv6, called the Mobile-IP Ran, which includes the definition of the network elements of which it is composed as well as its interfaces and protocols that offer network access services, user mobility, data transfer, synchronization, and user location.
INTRODUCCIÓN
La evolución de la tecnología móvil se ha desarrollado a pasos acelerados, de tal forma que en la actualidad surge la propuesta de 4G cuyas nuevas características, en cuanto a arquitectura de red, son capaces de desplegar servicios basados en IP, mejorando la banda ancha móvil para los usuarios.
La proyección de 3G a 4G pretende integrar los sistemas actuales, con el fin de ofrecer un servicio estable desde cualquier punto en el planeta con el mismo terminal móvil, inclusive aumentando de forma considerable la velocidad y ofreciendo más servicios y facilidades. Las ventajas que 3G ha otorgado se demuestran en el aumento considerable en la velocidad de transferencia de datos, mejorando las deficiencias de 2G, inclusive los equipos y las arquitecturas de red fueron renovados a tal punto que fuesen compatibles con las nuevas capacidades.
El sistema 4G está orientado a ofrecer servicios de video de alta calidad, cuya tasa de transferencia de datos aproximada es de 100Mbps en una estación móvil y 1Gbps en una estación fija.
Las condiciones de 4G están enfocadas a satisfacer la demanda de miles de usuarios, en tanto hoy en día éstos han superado a los de telefonía fija. Los usuarios han logrado convertir a la comunicación móvil en la principal forma de intercambio de información, inclusive aumentando el número de personas que acceden a esta forma de comunicación.
En la actualidad un celular es un elemento indispensable para las personas no solo por su capacidad de llamada y mensaje, si no por el acceso a internet, capacidad para escuchar música, reproducir video, interconectarse con una red domótica, tomar fotografías, entre otros servicios.
En la actualidad la comunicación móvil, considerada como cualquier enlace en la radiocomunicación entre dos terminales, en los cuales uno de ellos está en movimiento o parado en un punto geográfico distinto, ha sido capaz de revolucionar las formas de interrelación de la sociedad a tal punto que existen grupos abiertos y cerrados de usuarios adeptos a redes o temáticas móviles que despiertan gran interés.
En este entorno cambiante, acompañado de la revolución tecnológica, las empresas responsables del desarrollo en las comunicaciones móviles, evolucionan sus características constantemente, ofreciendo a los usuarios nuevos y mejores servicios aparentemente indispensables en cada estilo de vida, es por ello que conocer e identificar las características de 4G es fundamental para los profesionales que se desarrollan en áreas relacionadas a ello, de tal forma que el estudio presente se realiza en los siguientes capítulos:
Capítulo 1: contiene los antecedentes de la comunicación móvil, rescatando datos a través del tiempo respecto a la evolución de la tecnología.
Capítulo 2: se desarrolla lo referente a la cuarta generación, y su trascendencia a través del mundo y sus principales países de desarrollo.
XIV
Capítulo 3: abarca lo referente a la propuesta de 4G en el Ecuador para la que las operadoras que se encuentren en el país migren a esta tecnología.
Capítulo 4: se trata de los costos de acceso a esta tecnología en la única operadora que da servicio en el país en contra de las operadoras que aún no migran a esta tecnología.
1.
CAPITULO 1: COMUNICACIÓN MÓVIL
1.1. COMUNICACIÓN MÓVIL.
Del latín mobĭlis, la noción de móvil permite el desarrollo de varios conceptos vinculados. En términos generales un móvil es aquello que tiene movilidad o que no está fijo o quieto.
En la física, un móvil es un cuerpo que se halla en movimiento. Esto permite que se puedan analizar las fuerzas que actúan sobre él y su trayectoria.
“Un teléfono móvil, también conocido como celular, es aquel que carece de cables y que se puede trasladar sin que se registren inconvenientes en la comunicación. El funcionamiento de este tipo de teléfono está dado por ondas de radios que le permiten acceder a las antenas que conforman la red de la telefonía móvil” (Martínez, 2007).
En este ámbito hay que subrayar que actualmente el sector de los teléfonos móviles está creciendo y experimentando un amplio conjunto de avances, en tanto a través de ellos es posible entretenerse con diversos juegos, informarse de las noticias de actualidad, actualizar las redes sociales e incluso gestionar la domótica del hogar.
En términos generales, consiste en el uso de la tecnología sin cable que permite comunicarse sin importar el lugar en el que se encuentre la persona. De acuerdo a (Martínez 2007), los objetivos principales de los sistemas móviles son:
“Capacidad para un gran número de suscriptores.
Uso eficiente del espectro electromagnético por la utilización repetida de frecuencias. Compatibilidad a nivel nacional e internacional, para que los usuarios móviles puedan
utilizar sus mismos equipos en otros países o áreas.
Prestación de servicios como teléfono portátil, teléfono vehicular, transmisión de datos, entre otros.
Adaptación a la densidad de tráfico; dado que la densidad de tráfico es diferente en cada punto de la zona de cobertura.
Calidad del servicio comparable a servicio telefónico tradicional y accesible al público en general.
Los sistemas celulares se localizaron en un principio en los 450 MHz y posteriormente se les asignó la banda de 800 y 900 MHz, independientemente si es digital o analógico. La motivación principal para la elección se basó en la facilidad de acceso a la tecnología
en la banda VHF1.
Baja interferencia al ruido eléctrico. Habilidad de penetrar edificios.
- 2 -
Interferencias causadas por cambios ionosféricos y por temperatura.
Sigue una ley inversa a la frecuencia, teniendo mejor desempeño a frecuencias más altas.
Los tamaños de las antenas se reducen considerablemente y es posible hacerlas de menos de 30 cm de longitud”.
Sin embargo existen algunas desventajas en el uso de esa banda de frecuencias sobre todo en zonas rurales, donde la atenuación varía con el clima y las pérdidas por propagación se incrementan con el polvo y con la vegetación espesa.
“Las obstrucciones tales como las montañas y edificios provocan áreas de reflexión haciendo que la señal se reciba con atenuaciones fuertes” (Martinez , 2007)
1.2. HISTORIAS DE LAS GENERACIONES DE LA TECNOLOGÍA
MÓVIL.
1.2.1. GENERACIÓN CERO.
Se conoce como 0G la primera era de la tecnología de telefonía, esta era marcó un gran cambio desde los años 40 hasta finales de los 80. Estos teléfonos móviles solían instalarse en autos o camiones, de tal forma que el transmisor (Transmisor-Receptor) era colocado en la parte trasera del vehículo y unido al resto del equipo (el dial y el tubo) cerca del asiento del conductor. Esta tecnología, conocida como ARP2, fue lanzada en 1971 y se la considera como la precursora de los celulares de hoy en día, aunque el Roaming3 no se popularizó debido al alto costo.
1.2.2. PRIMERA GENERACIÓN.
“En 1971 se propuso el concepto de celular como un avanzado sistema de comunicación móvil. Esta idea proponía el remplazo de las estaciones bases, ubicadas en el centro de la ciudad por múltiples copias de tales estaciones de menor potencia que estaban distribuidas a lo largo del área de cobertura” (Wolfgang, 2010).
El concepto de celular añade una dimensión especial al modelo “trunking”, usado anteriormente en la telefonía móvil. Estas células son ligadas a través de un centro de conmutación central y función de control; es así como la vieja red se emplea a gran escala. Esta generación es conocida como 1G. NMT4 y fue la primera red analógica automatizada, del estándar abierto y compatible con roaming. En su lanzamiento inicial se utilizó el equipamiento desarrollado por Ericsson.
Se trata de un estándar de comunicaciones móviles analógicas y existen dos versiones, conocidas como NMT-450 y NMT-900, que difieren principalmente en la banda de frecuencia que utilizan (450 MHz y 900 MHz respectivamente).
2 Auto Radio Puhelin (Teléfono de Radio para Carro.
3 Capacidad de cambiar de un área de cobertura a otra sin interrupción de servicio o pérdida de comunicación. 4 Nordic Mobile Telephone (Telefonía Móvil Nórdica.)
Al igual que otros estándares de 1G, utiliza la técnica FDMA5 para el envío y recepción de señales. NMT permitía el intercambio de mensajes entre usuarios, mediante la utilización del canal de señalización del sistema denominado DMS6.
1.2.3. SEGUNDA GENERACIÓN.
La segunda generación fue desarrollada en 1991 por el grupo GSM7. Se caracteriza porque lleva a cabo las llamadas digitalmente, esto garantiza una mejor recepción y creación de las mismas. Las transferencias de llamadas en las frecuencias van desde 900Mhz y 1800Mhz. CDMA8 se introduce a más bajo costo.
Además se comenzó a transmitir los datos de los teléfonos alcanzando una velocidad de 9,6Kbps en la tecnología GPRS9, que pasó a ser conocida como 2.5G. Luego se introduce la tecnología EDGE10 o el 2.75G, producto de la búsqueda de la mejora en la transmisión de datos GPRS a una velocidad que permite 180Kbps. Hizo posible la televisión móvil, reproductores de música y de video.
1.2.4. TERCERA GENERACIÓN.
El propósito de la tercera generación consiste en superar las limitaciones técnicas de las tecnologías precedentes, esta es tipificada por la convergencia de la voz y datos con acceso inalámbrico a internet, aplicaciones multimedia y altas transmisiones de datos.
La tecnología 3G ofrece acceso a internet, servicios de banda ancha, roaming internacional e interoperabilidad. Pero fundamentalmente, estos sistemas facilitan el desarrollo de entornos multimedia para la transmisión de video e imágenes en tiempo real, fomentando la aparición de nuevas aplicaciones y servicios tales como video conferencias, monitoreo de video o comercio electrónico. El estándar 3G más importante se llama UMTS11 y básicamente cambia la tecnología TDMA12 por WCDMA13. En esta tecnología, existen dos modos de operación (Campos, 2012):
Duplexación por división de tiempo (TDD): En este método bidireccional, las transmisiones del enlace ascendente y del descendente son transportadas en la misma banda de frecuencia usando intervalos de tiempo (slots de trama) de forma síncrona. Así las ranuras de tiempo en un canal físico se asignan por los flujos de datos de transmisión y de recepción.
Duplexación por división de frecuencias. (FDD): Los enlaces de las transmisiones de subida (uplink) y de bajada (downlink) emplean dos bandas de frecuencia separadas. Un par de bandas de frecuencia con una separación especificada para cada enlace.
5 Frequency Division Multiple Access (Acceso Múltiple por División de Frecuencia) 6 Data and Messaging Service. (Sistema de Gestión de documentos)
7
Global System for Mobile communications. (Sistema Global para las Comunicaciones Móviles)
8 Code Division Multiple Access. (Multiplexación por división de código) 9
General Packet Radio Service (Servicio general de paquetes vía radio).
10 Enhanced Data Rates for GSM Evolution (Tasas de Datos Mejoradas para la evolución de GSM). 11 Universal Mobile Telecommunication System (Sistema Universal de Telecomunicaciones Móviles). 12 Time Division Multiple Access (Multiplexación por División de Tiempo).
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1.3. ASPECTOS TECNICOS.
1.3.1. RADIO BASE.
“Para las telecomunicaciones se utiliza ondas electromagnéticas de baja intensidad para poder comunicarse con una red de trasmisores y receptores radioeléctricos que se llaman Estaciones Base” (Vodafone, 2009) .
Entonces la conexión entre las diferentes Estaciones Bases que componen una red de Telefonía Móvil hace posible la comunicación entre cualquier lugar del mundo.
Una Estación Base es el primer eslabón en la conexión entre un teléfono móvil y otro teléfono, ya sea fijo o móvil ya que su principal función es la de proporcionar cobertura y capacidad.
1.3.2. CELDAS.
Según (Tisal , 2000), las celdas son las unidades básicas de cobertura que divide un sistema de telefonía móvil como se muestra en la fig.1. Cada una contiene un transmisor que puede estar ubicada en diferentes posiciones de la celda dependiendo del modelo de radiación que tengas instalado, además cada celda tiene varios canales de tráfico, tendrá uno o más canales de señalización o control para la gestión de los recursos radio y de los móviles conectados a ella.
1.3.2.1. TIPOS DE CELDAS:
Existen dos tipos de celdas y son;
Omni: La estación base está equipada con una antena omnidireccional que transmite con igual potencia a todas las direcciones.
Sectorizada: Esta constituida de 2 a 6 sectores y cada antena cubre 60 grados o más dependiendo de la cantidad de sectores. El ángulo depende de la cobertura que se requiera.
1.3.3. CLÚSTER O GRUPO.
(Tisal , 2000), enuncia “que un clúster lo forma un conjunto de celdas, entre todas, agrupan la totalidad de las frecuencias disponibles por la red celular. Si sumamos varios grupos de esa manera se alcanza la cobertura final del sistema celular, reutilizándose de esta manera las mismas frecuencias en todos los grupos. Por eso en la fig 2 se muestra los Clúster más utilizados que son: el 7/21 (21 grupos de frecuencia en 7 sitios), 5/14 (15 grupos de frecuencias en 5 sitios), 4/12 (12 grupos de frecuencias en 4 sitios)”
1.3.4. REUTILIZACIÓN DE FRECUENCIAS.
La reutilización de frecuencias hace referencia a que a una operadora se le asigna un grupo de frecuencias en una determinada banda. Este grupo de frecuencias debe repetirse las veces que sea necesario hasta cubrir el área que se desea dar le cobertura. Por esta razón el término re uso hace referencia a la distancia que existe entre dos idénticas frecuencias como se muestra en la fig.3, tomando en cuenta las frecuencias de la celda B están separadas tal que se reduce la interferencia entre ellas. De igual manera nos fijamos que también existen dos grupos de 7 celdas cada una y que tiene esta separación para que no exista la interferencia (Tisal , 2000)
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1.4. IMPORTACIA DEL STANDARD LTE.
La importancia de generar nuevos avances tecnológicos por tratar de mejorar los servicios ofertados a los clientes, hoy más exigentes, permiten crear nuevos estándares que superan los anteriores servicios con grandes ventajas. Así LTE logró ser elevado a 4G (Cuarta Generación), logrando el acceso ilimitado a la información sin importar el tamaño del archivo, logrando satisfacer las necesidades de los consumidores quienes desean, por ejemplo disfrutar de un video de alta definición, también se destaca el empleo de WiMax14 .
La tecnología 4G se soporta en el estándar 3GPP (tercera generación) que basa su sistema en IP15, es decir es un sistema de sistemas y una red de redes y superándose posteriormente en la convergencia entre redes de cable o Wireless, ordenadores, dispositivos eléctricos-electrónicos, TIC, entre otras, para proveer de velocidades de acceso entre 100Mbps en movimiento y 1Gbps en reposo, pero lo más importante es que mantenga el QoS16 de punto a punto (end-to-end), con una alta seguridad con la finalidad de masificar el número de servicios adicionales en cualquier lugar y procurando tener el menor costo posible.
En reciprocidad a las consecuencias del calentamiento global, las operadoras han realizado diversas investigaciones orientadas a la reducción de la utilización de energía, es decir la reutilización o incremento del número de servicios que se pueden desprender del uso de la energía eléctrica, de tal forma que desde octubre del año 2008 se introduce el estándar GHN 9960 de la UIT17, la cual buscó su penetración en el mercado a final del año 2010 y principios del 2011, dicho estándar pretendía la reutilización del sistema eléctrico y junto a PLT18 brindar otros servicios adicionales, que las operadoras celulares podrían utilizar con el fin de reducir el consumo desmedido de energía eléctrica (Rodriguez, 2010).
14
Worldwide Interoperability for Microwave Access (Interoperabilidad mundial para acceso por microondas).
15 Internet Protocol (protocolo de internet). 16 Quality of Service (Calidad de Servicio). 17 Unión Internacional de Telecomunicaicónes.
18 Poder Line Telecomunication (Línea de poder de telecomunicaciones).
El avance de las operadoras en las dos últimas décadas advierte con facilidad una búsqueda incansable de participar en el mercado por brindar nuevos servicios a los actualmente
ofertados, dando una visión mucho más atractiva a las tradicionales y brindando la posibilidad de comunicarse desde donde el cliente lo decida.
Entre las compañías que disputan sus investigaciones están LG, Samsung, Alcatel, Nortel y Motorola con un paso firme desde el tradicional ADSL19
hacia una red de banda ancha móvil. Long Term Evolution tiene como objetivo principal el mejorar los sistemas actuales de redes basadas en UMTS las mismas que son parte de 3G y LTE.
Los objetivos principales de LTE20 son la mejora del espectro, reducción de costos, mejora de los servicios e integración con estándares abiertos (PLT, Ghn entre otros), sumado a la necesidad de los clientes por probar aquellas potencialidades tecnológicas.
En términos generales 4G es un conjunto de tecnologías que se llaman 4G LTE y permiten la navegación móvil a velocidades muy superiores a las que permite la tecnología 3G, además logra el máximo rendimiento de procesamiento con la red inalámbrica más barata, entre sus características se destaca:
La red completa esta provista en IPv6 con redes conmutadas en paquetes.
Comparte y utiliza los recursos de la red de manera dinámica para soportar un mayor número de usuarios por celda.
Ofrece una tasa de transmisión estable de 100Mb a usuarios de movilidad alta y de 1Gb a usuarios en reposo.
1.4.1. ESTANDARIZACIÓN DE LTE.
LTE es la tecnología estandarizada por el 3GPP21 en cual define un nuevo acceso de radio de alta velocidad, LTE se encuentra especificado en el 3GPP Release 8. Esta tecnología se presenta como la evolución de la tecnología celular UMTS.
LTE es parte de un camino de tecnologías de alta velocidad y baja latencia como se muestra en la fig. 4 el paso de la evolución.
LTE en comparación a sus predecesores tiene mejoras en la interfaz aire, utiliza OFDMA22 basado en modulación y esquemas de acceso múltiple para el downlink, junto con SC-FDMA para el uplink, lo que permite tener mayor velocidad de transmisión. (UMTS Forum, 2008)
La eficiencia espectral es otro aspecto positivo de LTE debido a que utiliza modulación 64 QA; entre otros aspectos está el mecanismo de corrección de errores denominado FEC (Forward Error Correction) y técnicas complementarias de radio como MIMO.
La velocidad de transmisión para downlink y uplink son mayores a 100Mbps y 50Mbps respectivamente en un ancho de banda de 20Mhz, opera en modos FDD y TDD, también tiene
19 Asymmetric Digital Suscriber Line (Línea de Suscripción Digital Asimétrica). 20 Long Term Evolution (Evolución a Largo Plazo).
21 Third Generation Partnership Project (Proyecto Asociado a la Tercera Generación) 22 Orthogonal Frecuency-Division Multiplexing (Multiplexación )
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una latencia reducida de 10 mseg entre el equipo del usuario y la estación base. (Haohong , Lisimachos, Ajay , & Song, 2009)
1.4.2. CARÁCTERÍSTICAS RELEVANTES DE LTE.
Luego de una larga evolución tecnológica, llaga la tecnología 4G LTE que es una solución de banda ancha móvil que ofrece mucha flexibilidad en términos de despliegue y servicios potenciales, entre los parámetros más importantes dentro de esta tecnología tenemos:
1.4.2.1. OFDM Y OFDMA
La OFDM consiste en que a pesar de que sus espectros se cruzan, no causa ninguna interferencia por lo que se puede enviar múltiples señales simultáneamente en frecuencias distintas con el uso de una banda guarda para cada frecuencia portadora.
Como se muestra en la fig. 5 en la OFDM se crean sub-portadoras cuyas ondas se puedan superponer sin causar daño esto quiere decir que las frecuencias centrales son seleccionadas con una diferencia de espacio específica que hace que las ondas portadoras tengan valor de cero en las frecuencias centrales vecinas.
EL OFDMA es una elaboración de la OFDM utilizado por LTE y otros sistemas que incrementa la flexibilidad del acceso de los usuarios al sistema mediante la multiplexación de varios usuarios en las mismas sub-portadoras, utilizado para el enlace descendente con el objetivo de contrarrestar la interferencia de multitrayectoria en el canal de radio y proveer una mayor eficiencia espectral ya que no se necesitan bandas de guarda y así un “conjunto de usuarios puedan compartir el espectro de un cierto canal para aplicaciones de baja velocidad” (Holma & Toskala, 2009).
Fig 5 Ortogonalidad de las ondas portadoras. (Holma & Toskala, 2009)
1.4.2.2. SC-FDMA
El sistema LTE usa la técnica SC-FDMA que es una variante de OFDM con la diferencia que el consumo de energía y el uso de amplificadores menos costosos en el terminal, También LTE usa el esquema de modulación SC-FDMA para la comunicación del móvil a la estación base. Esta técnica combina los picos bajos que ofrecen los sistemas de portadora simple y la disminución de la interferencia por multitrayectoria que ofrece la OFDM.
En la fig. 6 se presenta la diferencia entre OFDMA y SC-FDMA utiliza cuatro sub-portadoras y dos periodos de transmisión. Las señales LTE reales están asignadas en unidades de 12 sub-portadoras adyacentes (180 KHz) llamadas bloques de recursos. Cada bloque dura 0.5ms y usualmente contiene 7 periodos de transmisión.
Según el método de modulación utilizado, los datos se convierten en una secuencia de símbolos a ser transmitidos.
Al lado izquierdo se pueden ver las N sub-portadoras de 15 KHz cada una. En este ejemplo son 4 sub-portadoras y por eso se toman 4 símbolos en paralelo. Después de que ha pasado un periodo de símbolo, se inserta un periodo de guarda y luego los siguientes 4 símbolos se transmiten en paralelo. Por facilidad, el periodo de guarda se muestra como un espacio, no obstante durante este periodo se transmite una copia del final del siguiente símbolo para evitar la interferencia intersimbólica.
Como se puede ver, a diferencia del OFDMA, el SC-FDMA23 transmite los símbolos de forma serial, ocupando un ancho de banda de N x 15 KHz, en donde N es el número de
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portadoras que se utilizarían en la OFDM. De forma visual se distingue claramente que el OFDMA utiliza múltiples portadoras y el SC-FDMA utiliza una sola. (IXIA, 2010)
Fig 6 Diferencia entre OFDMA y SC-FDMA (IXIA, 2010)
La transmisión paralela de varios símbolos es lo que crea los picos de potencia no deseados en el OFDMA. Al transmitir los mismos símbolos en forma serial, el ancho de banda ocupado por el SC-FDMA es el mismo que en el OFDMA pero los picos no varían de los símbolos originales.
1.4.2.3. FDD y TDD.
Las técnicas de duplexado identifican los enlaces ascendentes y descendentes en un sistema celular. Estas dos técnicas son distintas poro LTE soporta ambas técnicas.
En la Fig. 7 Se da una explicación al funcionamiento de las dos técnicas, donde en el FDD los enlaces ascendentes y descendentes están separados, por lo que transmiten datos simultáneamente operando en diferentes frecuencias, la transmisión es continua, en cambio en la técnica TDD ambos enlaces se encuentran en una misma frecuencia pero se transmiten por turno, lo que hace que la transmisión sea discontinua. (Between., 2011)
El FDD es más eficiente. Sin embargo, el TDD es preferido por la mayoría de implementaciones debido a su flexibilidad para escoger las tasas de transferencias de datos de los enlaces según convenga, capacidad de explotar la reciprocidad del canal, capacidad de implementación en una banda no dividida y el diseño del transceptor es menos complejo.
LTE está definido para soportar anchos de bandas de portadora flexibles desde 1.4 MHz a 20MHz en diferentes bandas del espectro y el despliegue se da tanto en FDD y en TDD. Esto
quiere decir que LTE se puede introducir en bandas nuevas o en bandas existentes haciendo que su despliegue implique todas las bandas de celulares.
Fig 7 Métodos FDD y TDD (Between., 2011)
1.4.2.4. SEGURIDAD.
En cuanto a la seguridad es uno de los aspectos con más relevancia dentro de las mejoras de LTE debido a la implementación de la UICC24, la tarjeta SIM25 y las claves de almacenamiento y de autenticación mutua, confidencialidad de la identidad del usuario, protección de la integridad de todos los mensajes de señalización entre el móvil y la Entidad de Gestión de Movilidad y cifrado o encriptado de datos que es opcional.
1.4.3. ARQUITECTURA DEL SISTEMA LTE.
1.4.3.1. ARQUITECTURA GENERAL DE LOS SISTEMAS CELULARES.
Se pueden identificar tres elementos principales que constituyen la arquitectura de un sistema de comunicaciones celular:
Equipo de usuario: Dispositivo que permite al usuario acceder a los servicios que nos ofrece la red. El dispositivo del usuario tendrá una tarjeta inteligente, que comúnmente denominamos tarjeta SIM, que contendrá la información necesaria para poder conectarse a la red y poder disfrutar de los servicios que nos ofrece nuestro proveedor de servicio. Se conectará a la red a través de la interfaz radio.
Red de acceso: es la parte del sistema que realiza la comunicación, transmisión radio, con los equipos de usuario para proporcionar la conectividad con la red troncal. Es la responsable de gestionar los recursos radio que estén disponibles para ofrecer los servicios portadores de una manera eficiente. La red de acceso está formada por estaciones base y dependiendo de la generación, por equipos controladores de estaciones base.
Red troncal: parte del sistema que se encarga del control de acceso a la red celular, por ejemplo la autenticación de los usuarios, gestión de la movilidad de los usuarios, gestión de la interconexión con otras redes, control y señalización asociada al servicio
24Universal Integrated Circuit Card, (Tarjeta Universal de Circuito Integrado) 25 Subscribe Identity Module (Módulo de Identificación de Abonado)
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de telefonía, etc. Los equipos que conforman esta red albergan funciones de conmutación de circuitos, routing, bases de datos, etc.
1.4.3.2. ARQUITECTURA DEL SISTEMA LTE.
En las especificaciones se denomina a la arquitectura del sistema LTE como EPS26. La idea es la misma que en las otras generaciones, dividir el sistema en los cuatro elementos: Un equipo de usuario, una nueva red de acceso que denominaremos E-UTRAN, una red troncal que denominaremos EPC y el dominio de servicios (Erik , Stefan, Johan , & Per, 2008).
Fig 8 Esquema general de la arquitectura del sistema LTE (Harri & Antti , 2009)
Todos los componentes que engloban este sistema están diseñados para soportar todo tipo de servicios de telecomunicación mediante mecanismos de conmutación de paquetes, por lo que no es necesario disponer de un dispositivo que trabaje en modo circuito, ya que en el sistema LTE los servicios con restricciones de tiempo real se soportan también mediante conmutación de paquetes. En la Fig. 8 vemos un ejemplo de la distribución de la arquitectura del sistema LTE en la que se muestra los elementos de la red, así también como los nodos lógicos y conexiones básicas. Adicionalmente se puede apreciar la división de la arquitectura en cuatro dominios principales como lo indica (Erik , Stefan, Johan , & Per, 2008):
Equipo de Usuario. (UE)
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UTRAN evolucionada (E-UTRAN).
Núcleo de la red de paquetes evolucionada (EPC) Dominio de servicios.
Estos cuatro dominios representan la capa de conectividad del protocolo IP, por eso se lo conoce como el Sistema de paquetes evolucionado y su función principal es proveer conectividad basada en IP, tampoco su núcleo de la red de paquetes evolucionado posee un dominio de conmutación de paquetes y no existe una conectividad directa a la tradicional red de conmutación de circuitos.
En la Fig. 8 se indica la combinación de que representa los Gateways, el gateways de servicio y el gateways de red de paquetes de datos definidos para el manejo del User Plane en el núcleo.
1.4.3.3. INTERFACES USADAS EN LTE.
1.4.3.3.1. Interface LTE Uu.
Fig 9 Subcapas de la capa de enlace. (Agusti, Bernardo , Casadevall, Ferrus , Pérez- Romero, & Sallent, 2010)
Es conocida también como interface de aire o interface de radio, en esta interface se transmites paquetes IP de control, señalización e información entre el UE (Equipo de Usuario) y su respectivo eNodeB y mediante este medio se realiza el peging enviando información específica para el control de las redes de acceso y troncal.
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Esta interfaz como se indica en la Fig. 9 la utiliza una torre de protocolos para la transmisión de datos, la misma que está dividida en capa de enlace y una capa física tanto para el usuario como para el plano de control.
La capa de enlace dentro de la interface LTE Uu se encuentra dividida en varias capas como lo indica la Fig. 9 y son (Agusti, Bernardo , Casadevall, Ferrus , Pérez- Romero, & Sallent, 2010):
PDCP27
: Es la encargada de comprimir las cabeceras de los paquetes IP y de cifrar los mismos para mantener la integridad de la información.
RLC28
: Esta subcapa se encarga de corregir errores de las tramas mediante ARQ, además de ordenarlas y re ensamblarlas para entregar a la capa PDCP.
MAC29
: Las funciones de esta subcapa son las de multiplexar los diferentes paquetes que provienen de la capa RLC para enviarlas por la capa física a los diferentes usuarios mediante canales lógicos.
Capa Física: Es la encargada de gestionar el canal de transmisión, en esta capa se encuentran las características de modulación de la señal junto con la técnica MIMO30. 1.4.3.3.2. Interfaz S1-U
Se encuentra en el plano de usuario es sirve para comunicar a los eNodeBs con el S-GW y también como pasarela de conmutación durante el handover entre eNodeBs. Los protocolos de esta interfaz se encuentra dividido en dos capas: RNL31 y la TNL32.
En la capa RNL se encuentra el protocolo PDU de usuario y se encarga de gestionar los recursos de comunicación de la red de acceso y en cambio los protocolos usados en la capa TNL como lo dice (Agusti, Bernardo , Casadevall, Ferrus , Pérez- Romero, & Sallent, 2010) son:
“GTP: El protocolo GTP-U está basado en el tunelamiento GPRS. Se encarga de facilitar la movilidad dentro de las redes 3GPP. Este protocolo encapsula e incluye en la cabecera de cada paquete IP el identificador del túnel por el cual va a pasar, su longitud y el número de secuencia.
UDP/IP: Este protocolo envía los paquetes como datagramas sobre redes IP de manera directa. Trabaja sin conexión, por lo tanto no existe ningún tipo de control ni de detección de errores en los paquetes que llegan por la capa física”.
1.4.3.3.3. Interfaz S1-MME
Esta interfaz sirve para comunicar a los eNodeBs con la MME. Las funciones básicas que se establecen en esta interfaz son las de enviar mensajes de control al eNodeB, que posteriormente serán reenviados al usuario, y de transmitir las señales de gestión de
27Packet Data Convergence Protocol (Protocolo de convergencia de paquetes de Datos). 28
Radio Link Control (Control del Enlace Radio).
29Medium Access Control (Control de Acceso al Medio). 30 Medium Access Control (Control de Acceso al Medio) 31 Radio Network Layer (Capa de Red de Radio o acceso) 32Transport Network Layer (Capa de Transporte de Red)
localización de los usuarios en una celda, los paquetes de paging y los avisos de handover, es decir, todos estos servicios gestionados por la MME.
1.4.3.3.4. Interfaz X2
Esta interfaz sirve para transportar información entre eNodeBs adyacentes, que incluye la transferencia de paquetes de usuario y la información requerida para realizar un handover33. El protocolo X2-AP transporta datos utilizados para la gestión de movilidad, manejo de carga, informe de situaciones de error, configuración de actualizaciones y ahorro de energía para operar correctamente con otros eNodeBs.
1.4.3.3.5. Interfaz de Red Troncal EPC.
Dentro de esta interface tenemos los siguientes sub interfaces que son las siguientes:
Interfaz SGi: Esta interfaz sirve para conectar a las redes de datos externas (IMS o Internet) con la P-GW. Transporta datos tanto en protocolos IPv4 como en IPv6. La SGi es la interfaz equivalente a la interfaz Gi para las redes 2G/3G.
Interfaz S5-S8: Interconecta las entidades P-GW34
y S-GW35. La diferencia entre la interfaz S5 y S8 radica en que la primera sirve para comunicar a entidades dentro de una misma red, mientras que la S8 comunica a entidades de diferentes redes. Los protocolos de esta interfaz son: GTP/UDP/IP.
Interfaz S11: Es la encargada de la comunicación entre las entidades MME36
y S-GW. Mediante esta interfaz se transporta información de señalización dirigida hacia los usuarios. En el caso de handover, la MME controla la transferencia de paquetes de las S-GWs involucradas mediante esta interfaz. Los protocolos involucrados son: GTP/UDP/IP.
Interfaz S10: Esta interfaz relaciona a dos entidades MME. Se utiliza para transferir información de usuarios que realizan handovers entre MMEs. Contiene la información de seguridad de usuario, gestión de movilidad y servicios portadores. Los protocolos utilizados son: GTP/UDP/IP.
Interfaz S6a: Comunica al HSS con la entidad MME. Permite realizar funciones propias de gestión de usuarios que incluyen localización, autenticación, identificación, perfil de suscripción tanto de usuarios de la red como de otras redes. El protocolo que maneja esta interfaz es el Diameter, el cual es considerado como el protocolo de evolución del RADIUS que complementa las funciones establecidas para AAA37.
1.4.3.4. BANDAS DE FRECUENCIA PARA UMTS/HSPA Y LTE.
1.4.3.4.1. BANDAS UMTS/HSPA
El espectro para los sistemas 3G fue originalmente atribuido en la Conferencia Administrativa Mundial de Radiocomunicaciones y se buscó una asignación global tanto para
33 Es transferir el servicio de una estación base a otra conado la calidad del enlace es insuficiente en una de las estaciones. 34 Packet Data Network Gateway (Red de Paquetes de puerta de enlace)
35 Serving Gateway (Puertas de enlace de Servicio)
36
Mobility Management Entity (Entidad de Gestión de Mobilidad)
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los servicios terrestres como satelitales; así para los servicios terrestres se asignaron las deferentes frecuencias como se indica en la tabla I.
TABLA I
BANDAS DE FRECUENCIAS PARA UMTS/HSPA (Varios, 2005)
Banda de Operación Frecuecia para Uplink
(MHz)
Frecuencia para Downlink (MHz) I 1920 – 1980 2110 - 2170 II 1850 – 1910 1930 - 1990 III 1710 – 1785 1805 - 1880 IV 1710 – 1770 2110 - 2170 V 824 – 849 869 - 894 VI 830 – 840 874 - 885 1.4.3.4.2. BANDAS LTE.
La disponibilidad del espectro para LTE representará una barrera pues para alcanzar velocidades prometidas se requieren 20MHz por esta razón muchas operadoras no cuentan con el espectro necesario. “Aunque se está abriendo nuevo espectro en la banda 2.6MHz en Europa y 700 MHz en Estados Unidos y parte de Europa, esto no es suficiente para alcanzar las demandas de LTE” (Long Term Evolution , 2011).
En la tabla II se muestra las frecuencias usadas para LTE para FDD.
TABLA II
BANDAS DE FRECUENCIAS PARA UMTS/HSPA (Long Term Evolution , 2011)
Banda de Operación Frecuecia para Uplink
(MHz)
Frecuencia para Downlink (MHz) 1 1920-1980 2110-2170 2 1850-1910 1930-1990 3 1710-1785 1805-1880 4 1710-1755 2110-2155 5 824-849 869-894 6 830-840 875-885 7 2500-2570 2620-2690 8 880-915 925-960 9 1749.9-1784.9 1844.9-1879.9 10 1710-1771 2110-2170 11 1427.9-1452.9 1475.9-1500.9 12 698-716 728-746 13 777-787 746-756 14 788-798 758-768 15 Reservada 16 Reservada 17 704-716 734-746 18 815-830 860-875 19 830-835 875-890
20 832-862 791-821
21 1447.9-1462.9 1495.9-1510
TBD 790-8621 790-862
1.4.4. CANALES UTILIZADOS EN LTE.
Estos canales para LTE se agrupan en tres categorías y son: Canales Físicos.
Canales de Transporte. Canales lógicos.
1.4.4.1. Canales físicos.
Son canales de transmisión que transportan datos de usuario y control. Los canales físicos utilizados en downlink son:
Physical Broadcast Channel (PBCH): Es el canal que se utiliza para transmitir información de identificación y control a todos los usuarios que se encuentran en el área de cobertura.
Physical Control Format Indicator Channel (PCFICH): Es un canal que sirve para transferir información que describe el tipo de modulación del canal (Números de símbolos OFDM).
Physical Downlink Control Channel (PDCCH): Es utilizado para transferir de control a dispositivos móviles. La información que transmite es de control de acceso.
Physical HARQ Indicator Channel (PHICH): Es utilizado para informar el estado de Hybrid ARQ.
Physical Downlink Shared Channel (PDSCH): Es utilizado para transmisión de unicast y funciones de paging.
Physical Multicast Channel (PMCH): Es utilizado para enviar información a varios usuarios que se encuentran dentro del área de cobertura.
Los canales utilizados en uplink son:
Physical Uplink Control Channel (PUCCH): Es utilizado para enviar información de señalización de datos como: ARQ, ACK, NAK.
Physical Uplink Shared Channels (PUSCH): Cumple la misma función de PDSCH en el proceso de uplink esto quiere decir que es utilizado para transmisión de unicast y funciones de paging.
Physical Random Access Channel (PRACH): Es utilizado para coordinar y transportar peticiones de servicio de los dispositivos móviles.
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1.4.4.2. Canales de transporte:
Es el canal que define como y con qué características la información es transmitida por la interfaz de radio.
Los canales de transporte en downlink son:
Broadcast Channel (BCH): Transmite continuamente información del sistema, además examina y mide las intensidades de la señal controlando el acceso de los dispositivos móviles que funcionan en el área de cobertura.
Downlink Shared Channel (DL-SCH): Es el que transmite datos desde el sistema de la estación base a los dispositivos móviles. La estación base asigna los slots de tiempo y canales de radiofrecuencia para transmitir y recibir información de los usuarios.
Paging Channel (PCH): Es el encargado de enviar mensajes que alertan al dispositivo móvil de una llamada entrante, también la solicitud para establecer la comunicación de voz o solicitar servicios de mantenimiento como por ejemplo actualizaciones.
Multicast Channel (MCH): Es el canal utilizado para enviar información desde uno o varios dispositivos móviles permitiendo la transmisión simultánea en la misma frecuencia como por ejemplo un programa de TV.
Los canales de transporte en uplink son:
Uplink Shared Channel (UL-SCH): Es el principal canal de transporte que envía al sistema datos de control o de usuario en el enlace ascendente.
Random Access Channel (RACH): Es utilizado para requerimientos de acceso aleatorio.
1.4.4.3. Canales lógicos.
Son canales que proporcionan servicios de control de acceso al medio, agrupan a los canales de control y de tráfico.
Canales de Control.
Broadcast Control Channel (BCCH): Es usado para proporcionar datos del sistema a todos los terminales móviles conectados a un determinado e Node B. Paging Control Channel (PCCH): Este canal es utilizado para enviar mensajes a
dispositivos móviles para alertar de una llamada telefónica entrante o para solicitar una sesión de comunicación de datos.
Cammon Control Channel (CCCH): Sirve para establecer y mantener enlaces de comunicación entre los dispositivos móviles y las estaciones bases.
Multicast Control Channel (MCCH): Trasmite parámetros necesarios de identificación y acceso de los servicios de canales multicast.
Dedicated Control Channel (DCCH): Es utilizado para coordinar y controlar dispositivos móviles como por ejemplo control de energía, handover, etc.
Canales de tráfico.
Dedicated Traffic Channel (DTCH): Es utilizado para la transmisión de datos de usuario.
Multicast Traffic Channel (MTCH): Es usado para la transmisión multicast. 1.4.5. SISTEMAS MULTIANTENAS PARA LTE.
El principal esquema utilizado por LTE es MIMO, por lo que aprovecha la propagación multitrayectoria para aumentar la tasa de transmisión de datos, disminuir los errores y obtener un mejor alcance.
MIMO se estandarizó en el 3GPP Release 6, y se desarrolló aún más en el Release con multiplexado especial para HSPA+, en este tipo de multiantena tanto en el transmisor como en el receptor permite:
Un aumento sustancial de las tasa máximas de datos.
Eficiencia espectral significativamente mayor, especialmente en entornos de baja interferencia.
Mayor capacidad del sistema (número de usuarios).
Fig 10 Modos de Acceso Radio-Canal (Agilent Technologies., 2009)
Por eso las operadoras de redes inalámbricas ven la necesidad de emplear a MIMO debido a sus ventajas. Los sistemas inalámbricos que utilizan MIMO representan una forma económica de aumentar la capacidad, el rango y la velocidad de transmisión al usuario en una variedad de entornos, entre los cuales los más notables son los entornos cerrados y con baja interferencia de radio, como las celdas pequeñas y/ 0 aisladas.
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Single Input Single Output (SISO): Es la tecnología de antemas más simple, en esta configuración tanto el transmisor como el receptor tienen solo una antena; en ciertos entornos es vulnerable a los problemas causados por los efectos multitrayectoria.
Multiple Input Single Output (MISO): El transmisor consta de varias antenas para transmitir una de recepción.
Single Input Multiple Output (SIMO): En este caso el transmisor tiene una antena de transmisión y varias en el receptor.
Multiple Input Multiple Output (MIMO): Emplea varias antenas en el transmisor como en el receptor, relacionando la capacidad de transmisión con el número de antenas instaladas.
2.
CAPITULO 2: LTE EN EL MUNDO
2.1. LTE EN EL MUNDO.
LTE ha tenido el despliegue más exitoso entre todas las tecnologías de redes móviles ya que ha tenido el desarrollo más rápido en la historia.
La primera red LTE fue implementada en Oslo (Noruega) y Estocolmo (Suecia) por la operadora TeliaSonera en diciembre del 2009. Pero en la actualidad existen ya en el mundo más de 300 redes en 107 países como lo muestra la fig. 11 donde se muestran a los países con su respectivo número de redes de LTE.
Fig 11 Mapa de redes LTE (Ramón, 2014)
Las redes LTE van en aumento día con día por lo que las bandas de espectro de radio son utilizadas para LTE desde 700MHz a 2.6GHz, En la Tabla III indicamos el número de redes y suscriptores en las regiones del mundo LTE comerciales.
TABLA III
# DE REDES Y SUSCRIPTORES EN LAS REGIONES DEL MUNDO. (Ramón, 2014)
REGIÓN REDES LTE
COMERCIALES # CONECCIONES LTE MILLONES / PORCENTAJE Europa (Oriental y Occidental) 115 39.8 / 14% Asia y el Pacífico 54 103.6 / 37%
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EE.UU. y Canadá 49 125.8 / 45%
América Latina y el Caribe 40 3.6 / > 1%
África 23 1.9 / < 1%
Oriente Medio 19 2.9 / 1%
TOTAL 300 277.6 MILLONES
Como vemos en la tabla III Europa está en la cima en cuanto a las redes comerciales LTE más despegadas, pero EE.UU. y Canadá permanecen en la posición de liderazgo de las suscripciones en todo el mundo con un 45% lo que significa que la tecnología LTE va creciendo a pasos agigantados.
También en cuanto a las tendencias que hablamos anteriormente por regiones, dentro de ellas tenemos países pioneros como son EEUU, Japón, España, México, Colombia por lo cual en la tabla IV indicamos a las principales empresas que dan el servicio de LTE en los países anteriormente indicados:
TABLA IV
PRINCIPALES MERCADOS Y SUS EMPRESAS (Asanza & Cisneros, 2014)
PAÍS EMPRESA EEUU AT&T Verizon Alvarion Sprint Nextel Japón NTT KDDI España Telefónica Ocean´s Network Sogecable Vodafone México Grupo Iusacell Telcel
Telefónica Móviles México Telmex Siemens Colombia TIGO COMCEL Telefónica Telecom 2.1.1. DEMANDA EN EL MUNDO
La demanda de la tecnología LTE en el mundo es mayor por su eficiencia ya que con su alto rendimiento y mayor ancho de banda hace que los usuarios ocupen nuevos aplicativos
dentro de estas redes como por ejemplo, Netflix, Skype, etc; ya que permite continuar operando incluso cuando la eficiencia de transmisión disminuye.
Existen buenas razones para el crecimiento acelerado de la demanda por banda ancha. El primer factor es el aumento considerable de tráfico de datos que se ha producido por la introducción de smartphones, tablets y otros dispositivos computacionales. Además la necesidad de banda ancha móvil también aumenta con la adopción del uso de la nube y nuevas aplicaciones.
2.1.2. PENETRACIÓN.
La penetración se usa para describir la cantidad de teléfonos móviles activos (porcentaje) dentro de una población específica. Para esto debemos saber la gran diferencia entre suscripciones y suscriptores, esto se debe a que varios suscriptores tienes varias suscripciones por lo que entendemos por ejemplo que si un usuario tiene un Smartphone y una Tablet tendrá dos suscripciones y el suscriptor es el usuario. (Ericsson, 2014)
En la Fig. 12 presentamos el porcentaje de penetración en diferentes zonas de mundo obtenidas en agosto del 2014 en la cual observamos que la penetración de suscriciones fácilmente supera el 100%, en el caso de varios países alrededor del mundo.
El porcentaje de penetración global es del 94%, pero aun así hay varias zonas que superan el 100% pero en otras ya que depende mucho de los avances tecnológicos de la zona
Fig 12 Porcentaje de penetración para agosto del 2014(Ericsson, 2014)
2.2. LTE EN LATINOAMÉRICA
LTE en Latinoamérica todavía se encuentra en desarrollo por retrasos en la adjudicación del espectro por parte del gobierno, pero crece con gran velocidad por las facilidades que da LTE a los usuarios para manejar aplicativos dentro de los Smartphone por el aumento de velocidad.
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Fig 13 LTE en América Latina y el Caribe para agosto del 2014(4gamericas, 2014)
La cobertura de los servicios de banda ancha móvil se incrementado en los últimos años, superando incluso a la banda ancha fija, el promedio de cobertura de banda ancha en Latinoamérica esta cerda del 80% alcanzando el 96% en Colombia, 92% en Argentina y 86% en Ecuador como países picos en lo más alto como lo demuestra la Fig. 13.
Fig 14 Coberturas de Banda Ancha Móvil y Fija por población en América Latina (Fernandez Díaz, 2011)
LTE en Latinoamérica creció hasta el segundo quimestre del año 2014 a 235 millones de suscriptores a lo que representa un tercio del total de las conexiones móviles de la región y ha ganado 44 redes comerciales en 18 países.
En la tabla V se indica los porcentajes de suscriptores a LTE por países según la región de Latino América.
TABLA V.
PORCENTAJES DE LOS SUSCRIPTORES EN PAÍSES DE LATINOAMÉRICA (4gamericas, 2014)
PAIS PORCENTAJE
BRASIL 68%
MÉXICO 11%
COLOMBIA Y CHILE 4%
BOLIVIA Y PERTO RICO 3%
PERÚ Y VENEZUELA 2%
2.2.1. COLOMBIA.
2.2.1.1. Historia
Colombia empieza a dar servicios de telefonía móvil en el año 1994, donde inicialmente operaron 6 empresas las cuales fueron repartidas en tres zonas dentro del país como lo indica la fig. 15.
Fig 15 Zonas de Cobertura inicia de Colombia (Ramirez, 2012)
A cada zona le pertenecían dos empresas adjudicadas, pero en el año 2000 la empresa estadounidense BELLSOUTH ahora conocida como MOVISTAR adquiere dos empresas en Colombia CELUMOVIL y COCELCO oficialmente ingresando su marca para el año 2001 convirtiéndose en la primera empresa en brindar cobertura nacional (Ramirez, 2012).
Continuando en el año 2003 la Empresa de Telecomunicaciones de Bogotá bridó por primera vez en Colombia telefonía fija e internet junto con las Empresas Públicas de Medellín, quienes al fusionarse crean la empresa Colombiana Móvil (OLA) pero esta empresa para evitar la quiebra en noviembre del 2007 venden el 51% de sus acciones a la empresa de Luxemburgo Millicon Internacional Cellular transformándose en Colombia Móvil TIGO.
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En el 2006, Empresas Públicas de Medellín, encargada de brindar servicios a esta ciudad separa sus funciones en tres grupos de negocios: energía, agua, telecomunicaciones, nombrando a este último como EPM Telecomunicaciones, más conocido como UNE. La primera operadora virtual móvil de Latinoamérica con voz y datos ingresa en el año 2010.
2.2.1.2. Operadoras Móviles.
En los últimos tiempos, Colombia cuenta con 5 operadoras de telefonía móvil de las cuales todas ellas ofrecen la tecnología 4G LTE como esta en la fig. 11 estas empresas son.
AVANTEL: la cual posee una frecuencia de 2100 AWS. CLARO: tiene un espectro de 2500/2690 MHz.
MOVISTAR: con una banda de 1700/2100 MHz.
Las empresas TIGO y UNE ocupan las frecuencias de 1700/2700 MHz y 2500/2690MHz.
Para las empresas que necesitan el espectro para LTE deben dar un pago periódico por el uso de espectro, a más del valor que deberían cancelar por la licencia de las bandas ofertadas.
Como lo enuncia el (MINISTERIO DE TECNOLOGIAS , 2012) “Se deberá pagar una contraprestación periódica trimestral del 2.4815% sobre los ingresos brutos, por los derechos de uso del espectro en las bandas subastadas. Es contraprestación será pagada por los asignatarios, desde el momento que hagan uso efectivo del espectro radioeléctrico asignado, con excepción de los concesionario de servicios de telecomunicaciones que no se encuentren bajo el régimen de la ley 1341 de 2009, quienes deberán pagar el monto de esta contraprestación a partir del vencimiento de sus concesiones.
2.2.2. BRASIL.
2.2.2.1. Historia.
Brasil en 1972 contaba con más de 900 empresas de telecomunicaciones, pero la mayoría fueron absorbidos por TELEBRAS, la cual es una empresa estatal compuesta por 27 operadores y una de larga distancia, después de 25 años de monopolio terminó, y en 1997 el gobierno aprobó la Ley General de Telecomunicaciones donde constaba la creación de la Agencia Reguladora Independiente ANATEL quien privatizo TELEBRAS y en 1998 esta empresa se dividió en doce empresas las conocidas como “Baby Bras”. Entre estos inversionistas privados fueron Telefónica de España y EMBRATEL, de estas doce ocho fueron de telefonía móvil, tres de telefonía fija y una de larga distancia.
A pesar de que Brasil es una área dinámica, para 2010 se concentraron en cuatro empresas que controlaron el sector móvil (VIVO, CLARO, TIM, Oi). En el año 2007 llega la tecnología 3G quien fue subastada por Oi, quien con esta llegada pudo entrar a Sao Paulo; Por otro la en 2011 la empresa SKY-DIRECTV se convirtió en la primera en Latinoamérica en proveer el servicio de internet de banda ancha bajo la modalidad TDD LTE.
