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

Texto completo

(1)i. Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas Facultad de Ingeniería Eléctrica Departamento de Telecomunicaciones y Electrónica.. TRABAJO DE DIPLOMA Estudio del Uso de Redes Heterogéneas para expandir la cobertura y capacidad de las redes móviles. Autor: Yadier Olivera Alonso. E-mail: [email protected]. Tutor: Msc. Frank Zurbano Quintana. E-mail: [email protected]. Santa Clara 2016 "Año 58 de la Revolución".

(2) ii. Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas Facultad de Ingeniería Eléctrica Departamento de Telecomunicaciones y Electrónica. TRABAJO DE DIPLOMA Estudio del uso de Redes Heterogéneas para expandir la cobertura y capacidad de las redes móviles. Autor: Yadier Olivera Alonso E-mail: [email protected]. Tutor: Msc. Frank Zurbano Quintana. Asistente Adjunto del Dpto. de Telecomunicaciones y Electrónica de la UCLV e Instructor Adjunto del Centro Nacional de Capacitación de ETECSA. Especialista de la filial de Servicios Móviles de ETECSA, Gerencia Villa Clara. E-mail: [email protected]. Consultante: Msc. Irina Siles Siles. Santa Clara 2016 "Año 58 de la Revolución".

(3) iii. Hago constar que el presente trabajo de diploma fue realizado en la Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas como parte de la culminación de estudios de la especialidad de Ingeniería en Telecomunicaciones y Electrónica, autorizando a que el mismo sea utilizado por la Institución, para los fines que estime conveniente, tanto de forma parcial como total y que además no podrá ser presentado en eventos, ni publicados sin autorización de la Universidad.. Firma del Autor Los abajo firmantes certificamos que el presente trabajo ha sido realizado según acuerdo de la dirección de nuestro centro y el mismo cumple con los requisitos que debe tener un trabajo de esta envergadura referido a la temática señalada.. Firma del Autor. Firma del Jefe de Departamento donde se defiende el trabajo. Firma del Responsable de Información Científico-Técnica.

(4) iv. PENSAMIENTO. “No caminéis con la cabeza baja; es necesario levantar los ojos para ver el camino”. Lamennais.

(5) v. DEDICATORIA. A mis padres y a mi hermana por su amor incondicional y entrega total, por ser ellos mi razón de ser y el motivo de toda mi superación. A mis compañeros de aula A mis amigos A todos los que en todo momento me han dado el aliento para llegar hasta el final..

(6) vi. AGRADECIMIENTOS. A toda mi familia A todos mis profesores que han incidido directamente en mi formación profesional. A mi tutor Frank Zurbano que me ha apoyado incondicionalmente durante el proceso de la tesis, con consejos oportunos en cada momento. A Brayli por toda su ayuda directa e indirecta en la realización de la tesis. A la profesora Irina por haberme dedicado su tiempo y esfuerzo en la revisión de la tesis. A Ramoncito por haberme ayudado en el momento clave de la realización de la tesis. A mis compañeros de aula por haber sido siempre apoyo cunado fue necesario. Por todo los momentos buenos y malos que compartimos. A todo el que una forma u otra han contribuido a hacer más transitable el camino hasta aquí..

(7) vii. TAREA TÉCNICA 1. Revisión y clasificación de la bibliografía sobre temas relacionados con la Redes Heterogéneas para expandir la cobertura y capacidad de las redes móviles. 2. Estructuración de un documento de estudio que facilite la comprensión y búsqueda de información sobre el uso de las Redes Heterogéneas para expandir la cobertura y capacidad de las redes móviles. 3. Valoración de tecnologías avanzadas, dirigidos a potenciar el uso de redes heterogéneas para incrementar la cobertura y capacidad de las redes móviles. 4. Análisis de las posibles estrategias y soluciones a seguir para el despliegue de las redes heterogéneas. 5. Confección del informe final.. Firma del Autor. Firma del Tutor.

(8) viii. RESUMEN Con el fin de dar solución a la alta demanda de tráfico de datos móviles generada y brindar cobertura en interiores de hospitales y hoteles donde hoy es pobre y alta la densidad de abonados, se pretende la migración de los sistemas móviles hacia tecnologías avanzadas como las Redes Heterogéneas. Siendo esta, además la vía para poder ofertar servicios de gran consumo de ancho de banda y de alta calidad. El presente proyecto propone la confección de un documento de estudio altamente confiable y actualizado que respalde la capacitación de nuestros ingenieros y estudiantes para una futura operación con la tecnología de Redes Heterogéneas. Un aspecto importante a valorar es la expansión en la cobertura y capacidad de las redes móviles mediante el uso de redes heterogéneas. Para ello es clave destacar el papel de las pequeñas celdas en tal heterogeneidad, valorar el uso de tecnologías de acceso por radio altamente eficiente para estas redes como lo son LTE y LTE-A y hacer un análisis de las soluciones y estrategias que se pueden llevar a cabo para optimizar, simplificar y expandir la cobertura y capacidad de las redes móviles. Uno de los principales resultados obtenidos es que este documento marca el punto de partida para el despliegue de la tecnología. Finalmente, se logra la integración de los principales aspectos añadiendo los pasos a seguir para facilitar la comprensión y búsqueda de información..

(9) ix. TABLA DE CONTENIDOS PENSAMIENTO ...................................................................................................................iv DEDICATORIA ..................................................................................................................... v AGRADECIMIENTOS .........................................................................................................vi TAREA TÉCNICA .............................................................................................................. vii RESUMEN ......................................................................................................................... viii TABLA DE CONTENIDOS .................................................................................................ix INTRODUCCIÓN ................................................................................................................ 11 Organización del informe ................................................................................................. 15 CAPÍTULO 1.. FUNDAMENTOS TEÓRICOS QUE SUSTENTAN LAS REDES. HETEROGÉNEAS. .............................................................................................................. 16 1.1. Definición de Red Celular. .................................................................................... 16. 1.2. Desafíos de los servicios móviles .......................................................................... 18. 1.3. Redes Heterogéneas Móviles. ................................................................................ 19. 1.3.1. Características de las redes Heterogéneas. ..................................................... 20. 1.3.2. Definición de pequeñas celdas. ....................................................................... 24. 1.3.3. Arquitectura de red de pequeñas celdas. ......................................................... 27. 1.3.4. Coexistencia de estaciones macro y nodos de baja potencia. ......................... 28. 1.3.5. Escenarios de despliegue de pequeñas celas. .................................................. 29. 1.4. Conclusiones del capítulo. ..................................................................................... 31. CAPÍTULO 2.. TECNOLOGÍAS EN EL USO DE REDES HETEROGÉNEAS. .......... 32. 2.1. Diferencias entre UMTS y LTE. ............................................................................ 32. 2.2. Generalidades y características de los Sistemas LTE y LTE-Avanzado. .............. 34. 2.2.1. LTE ................................................................................................................. 34.

(10) x 2.2.2. Tipos de modulación usadas en LTE/LTE-A ............................................... 35. 2.2.3. LTE-Avanzado................................................................................................ 36. 2.3. Arquitectura de los sistemas LTE y LTE-A. .......................................................... 42. 2.4. Conclusiones del capítulo ...................................................................................... 46. CAPÍTULO 3.. ANÁLISIS DE POSIBLES SOLUCIONES Y ESTRATEGIAS PARA. EL DESPLIEGUE DE LAS REDES HETEROGÉNEAS. .................................................. 47 3.1. Desafíos en el backhaul para HetNets .................................................................... 47. 3.1.1. Implementacion de soluciones cableadas para backhaul en HetNets. ............ 49. 3.1.1.1. Conectividad por cobre ......................................................................................... 50. 3.1.1.2. Conectividad por fibra........................................................................................... 50. 3.1.2. Implementacion de soluciónes inalambrica para backhaul en HetNets. ......... 51. 3.2. Desafíos en la Coordinación para HetNets............................................................. 55. 3.3. Estrategias que se han de trazar para lograr el despliegue de HetNets para expandir. la cobertura y la capacidad de las redes móviles. ............................................................. 56 3.3.1. Casos de uso para el despliegue de C-RAN. .................................................. 58. 3.3.2. Virtualización.................................................................................................. 61. 3.4. Conclusiones del capítulo. ..................................................................................... 64. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ................................................................... 65 Conclusiones ..................................................................................................................... 65 Recomendaciones ............................................................................................................. 66 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ................................................................................. 67 GLOSARIO DE TÉRMINOS .............................................................................................. 70 ANEXOS .............................................................................................................................. 73 Anexo I. Arquitectura de la red móvil ........................................................................... 73.

(11) CAPÍTULO I. FUNDAMENTOS TEÓRICOS QUE SUSTENTAN LAS REDES HETEROGÉNEAS.. 11. INTRODUCCIÓN En la actualidad el número de conexiones inalámbricas ya supera a la población mundial y por eso se depende más que nunca de los cada vez más inteligentes y diversos dispositivos inalámbricos (teléfonos inteligentes, tabletas, computadoras portátiles) como parte de la vida diaria. Estos juegan un rol protagónico no solo como un medio para la comunicación, sino también brinda diversas formas de entretenimiento en línea. Constituyen una plataforma fiable y fácil para realizar compras o transacciones bancarias y es actualmente uno de los medios informativos y educativos más importantes. Por ello, los usuarios esperan que el servicio que reciban en sus dispositivos sea robusto y de alta calidad, sin importar en que momento y en qué lugar se haga uso de los servicios móviles. Tradicionalmente, el despliegue de la red celular ha sido diseñado principalmente para brindar cobertura exterior y a su vez servicios de voz. En los últimos 10 años ha habido un crecimiento del tráfico de datos móviles de manera exponencial, muy por encima de un constante crecimiento del tráfico de voz, debido a la extendida adopción de dispositivos móviles inteligentes y la explosiva expansión del ancho de banda. Esto ha permitido grandes revoluciones en la tecnología de múltiple acceso, así como un aumento en la densidad celular y la reutilización del espectro.(Hu & Qian, 2014) Varios estudios de mercado coinciden en la rápida proliferación de datos de banda ancha móvil. Según(Cisco, 2016), el tráfico mundial de datos móviles se incrementará cerca de 8 veces en el período 2015-2020. Por otra parte (ERICSSON, 2015) predice un crecimiento del tráfico móvil de 7 veces del 2014 al 2020. Debido a esta creciente demanda de datos móviles se puede decir que ha ocurrido una migración del tradicional modelo centralizado de voz hacia un modelo centralizado de datos. La anterior aseveración ha provocado que sean cada vez más los usuarios que se conecten en interiores de casas, oficinas, centros comerciales, aeropuertos, estadios y otros entornos. Consecuentemente, en la actualidad cerca del 70% del tráfico de datos móviles es generado en interiores de dichos lugares, siendo una problemática muy importante para los operadores móviles dar solución a la cobertura en estas áreas, donde existen múltiples entornos interiores con diferentes propiedades electromagnéticas que impiden propagar la.

(12) CAPÍTULO I. FUNDAMENTOS TEÓRICOS QUE SUSTENTAN LAS REDES HETEROGÉNEAS.. 12. señal(Prensa, 2015). En interiores típicos como los antes mencionados la densidad de abonados es alta como se ha dicho, pero es muy baja la calidad del servicio (QoS, Quality of Service) que se puede brindar usando redes homogéneas. Para sostener un tráfico de tal crecimiento, mejorar la experiencia del usuario y la cobertura de la red, se requieren continuas innovaciones en las tecnologías de comunicación inalámbrica de datos. En este proceso de innovación tecnológica, el 3GPP (3rd Generation Partnership Project) desempeña un papel de liderazgo. Iniciada en 1998, la familia de tecnologías 3GPP ha evolucionado desde el Sistema Global para Comunicaciones Moviles (GSM,Global System for Mobile Communications)-GPRS/EDGE, al Sistema Universal de Telecomunicaciones Móviles de (UMTS, Universal Mobile Telecommunications System)HSPA/HSPA+, a LTE (Long Term Evolution) y LTE-Avanzado (Long Term Evolution Advanced) (Sauter, 2014). HSPA / HSPA+ ha sido ampliamente desplegado en los últimos años proporcionando razones teóricas de datos de hasta 168 Mbps para el enlace descendente (DL) y 22 Mbps para el enlace ascendente (UL). HSPA / HSPA+ además permite diversas aplicaciones de datos y mejores experiencias al usuario que fomentan aún más el rápido avance de la información y la comunicación. Con el objetivo de proporcionar altas velocidades de datos, una mejor experiencia de usuario y para cumplir con los requerimientos de Telecomunicaciones Móviles Internacionales-Avanzadas (IMT-A) publicados por la Unión Internacional de Radio-Telecomunicaciones (UIT-R), la 3GPP introdujo el sistema LTE y su evolución ha LTE-Avanzado. Por parte de los operadores móviles también se ha hecho necesario introducir estrategias y arquitecturas basadas en las tecnologías móviles existentes que respondan a estas demandas y exigencias de los subscriptores. Las Redes Heterogéneas (HetNets, Heterogeneous Networks) han sido fundamentales para este cambio; en ellas las redes móviles han comenzado a evolucionar gradualmente. Este movimiento ha estado conducido por la combinación de disímiles fuerzas de mercado, limitaciones de capacidad en la infraestructura existente y nuevas tecnologías que permiten a los operadores desplegar y manejar densas redes de múltiples capas. Las redes heterogéneas representan la coexistencia de celdas macro con pequeñas celdas (Small Cells) como complemento fundamental de la red para una tecnología dada. Estas incluyen redes en las que múltiples arquitecturas, múltiples capas y múltiples Tecnologías de Radio Acceso (RAT, Radio.

(13) CAPÍTULO I. FUNDAMENTOS TEÓRICOS QUE SUSTENTAN LAS REDES HETEROGÉNEAS.. 13. Access Technology) tienen que coexistir y apoyarse unas a las otras y en las que instrumentos cada vez más sofisticados son usados para manejar interferencias, diferentes niveles de tráfico y servicios avanzados(Paolini & Rayal, 2013). Cuba, por su parte, no está ajena a tal crecimiento de tráfico móvil ni tampoco a la evolución de su sistema móvil hacia nuevas generaciones (3G y LTE/ LTE-A). Las redes móviles cubanas son en su mayoría del tipo GSM con una mejora en la tecnología de transmisión mediante la tecnología EDGE (Enhanced Data Rates for GSM Evolution). El modo de transmisión de los paquetes de datos a través de este sistema es mediante Servicio General de Paquetes por Radio (GPRS, General Packet Radio Service), el acceso se realiza mediante redes de Jerarquía digital plesiócrona (PDH ,Plesiochronous Digital Hierarchy) y de Jerarquia digital síncrona (SDH, Synchronous Digital Hierarchy) y el transporte mediante redes ópticas territoriales y nacionales SDH. También se encuentran desplegados en el territorio nacional varios nodos 3G que operan en la banda de 900MHz conjuntamente con GSM, pero disponible en estos momentos solo para el roaming internacional. Esto forma parte del inicio de la evolución del sistema móvil cubano hacia nuevas generaciones. La realidad de hoy exige un alto desarrollo en el sector turístico de Cuba justificada por su importancia en nuestra economía. Una migración del sistema móvil actual hacia otras generaciones y el uso de tecnologías avanzadas como las redes heterogéneas, dotarían de una infraestructura móvil capaz de ofrecer novedosos servicios de alto consumo de ancho de banda, mayor capacidad y cobertura lo que se traduce en una mejor experiencia para los clientes y cuantiosos beneficios económicos para la empresa. En la observación sistemática a las diferentes tecnologías de acceso móvil existente, mediante el uso de controles y seguimientos estadísticos en puntos de alto tráfico en Villa Clara, se demostró que existen dificultades que afectan la calidad y el servicio que se les brinda a los usuarios, expresado en:  La cobertura es pobre en interiores (por ejemplo, en hospitales y hoteles) y es muy alta la densidad de abonados.  El diseño de la tecnología existente se centra en la homogeneidad de la red, lo que limita la capacidad, la cobertura y la posibilidad de atender un número mayor de usuarios..

(14) CAPÍTULO I. FUNDAMENTOS TEÓRICOS QUE SUSTENTAN LAS REDES HETEROGÉNEAS.. 14. Las dificultades antes expresadas demuestran que los problemas que enfrenta la red móvil actual, pueden ser solucionados con el uso de Redes Heterogéneas. La práctica demuestra que para adquirir los recursos tecnológicos es necesario atender los problemas socioeconómicos que implican tales inversiones. Esto requiere de un largo camino necesario para responder al complejo problema en la red móvil actual. La exigencia de enfrentar una labor tecnológica de tales dimensiones, trae consigo la necesidad de capacitar al personal y este a su vez a los usuarios con toda intencionalidad en el uso de las nuevas tecnologías. Con motivo de sentar las bases para un posterior desarrollo de las redes móviles hay que partir de la preparación y capacitación del personal para el tratamiento de las Redes Heterogéneas. Investigar las características generales de dichas redes y en partículas las destinadas para expandir la cobertura y capacidad de las redes móviles, darán una medida de la forma en que se opera la red. La bibliografía con que se cuenta en la actualidad se considera muy extensa y dispersa. Se hace necesaria la existencia de un documento altamente confiable y actualizado que sea capaz de integrar los aspectos esenciales y particulares de las Redes Heterogéneas. El mismo ha de respaldar la capacitación de los ingenieros y todo aquel interesado en el tema, y brindar su aporte al desarrollo del aprendizaje de los futuros ingenieros en Telecomunicaciones de la facultad, si se añadiera como parte del Plan de Estudio a asignaturas como Comunicaciones Móviles. Los resultados de esta investigación constituyen referentes teóricos valiosos que posibilitan la valoración del uso de las redes heterogéneas para expandir la cobertura y capacidad de las redes móviles. La situación revelada conduce a formular el siguiente problema científico: ¿Cómo fomentar el uso de redes heterogéneas para expandir la cobertura y capacidad de las redes móviles? Como solución al problema planteado es necesario desarrollar un documento confiable que integre los aspectos esenciales para el despliegue de Redes Heterogéneas para expandir la cobertura y capacidad de las redes móviles. Para responder al objetivo general se plantearon los siguientes Objetivos específicos..

(15) CAPÍTULO I. FUNDAMENTOS TEÓRICOS QUE SUSTENTAN LAS REDES HETEROGÉNEAS.. 15. 1. Analizar en la bibliografía consultada el marco teórico y metodológico que sustenta el uso de redes heterogéneas para expandir la cobertura y la capacidad de las redes móviles. 2. Estructurar un documento que facilite la comprensión y búsqueda de información sobre el uso de las Redes Heterogéneas para expandir la cobertura y la capacidad de las redes móviles. 3. Valorar un sistema de tecnologías, dirigidos a potenciar el uso de redes heterogéneas para expandir la cobertura y la capacidad de las redes móviles. 4. Analizar las posibles soluciones y estrategias para el despliegue de las redes heterogéneas. Con las insuficiencias del sistema móvil actual, la introducción de Redes Heterogéneas en los puntos de mayor tráfico traería aparejado un impacto positivo tanto para los usuarios como para la propia empresa de telecomunicaciones que lleve a cargo su despliegue, ya que aumentaría la eficiencia y eficacia de los servicios, permitiéndole además ofrecer otros que antes eran imposibles de brindar por las limitaciones de la red existente.. Organización del informe El informe de la investigación se estructura en introducción, tres capítulos, referencias bibliográficas y anexos. En el primer capítulo se exponen los fundamentos teóricos que sustentan las redes heterogéneas, además se definirá el concepto de red heterogénea así como sus características esenciales, que la convierten en una solución para expandir la cobertura y la capacidad de las redes móviles. En el segundo se caracterizan las tecnologías LTE y LTE-A, quienes son tecnologías claves que han sido desarrollas para las redes heterogéneas debido a sus superioridades con anteriores tecnologías de radio acceso y características en arquitectura y funcionamiento. Por último, en el tercer capítulo se hace un análisis de las posibles soluciones a los problemas que trae desplegar redes heterogéneas y se analizan algunas estrategias encaminadas a simplificar la complejidad de las redes heterogéneas..

(16) CAPÍTULO I. FUNDAMENTOS TEÓRICOS QUE SUSTENTAN LAS REDES HETEROGÉNEAS.. 16. CAPÍTULO 1. FUNDAMENTOS TEÓRICOS QUE SUSTENTAN LAS REDES HETEROGÉNEAS.. En este capítulo se establecen los fundamentos teóricos que sustentan la formación de una Red Heterogénea Móvil, incluyendo como parte crucial de la red el uso de nodos de baja potencia como complemento a la red macro celular. Se definirá el concepto de red heterogénea, así como sus características esenciales, que la convierten en una solución para expandir la cobertura y la capacidad de las redes móviles.. 1.1. Definición de Red Celular.. Una red celular móvil es una red de radio inalámbrica que es en su mayoría de naturaleza celular, donde la cobertura se divide en una serie de áreas de cobertura geográfica llamada celdas o células. En cada sitio de la celda hay una estación base (BS), que puede soportar una o más celdas, en dependencia de los equipos, de su fabricante y de la configuración que le sea asignada, esto se puede ver en la Figura 1.1. A la estación base se le conoce como BS (Base Station) o Transceptor Estación Base (BTS, Base Transceiver Station ) pero según sea la tecnología de radio de acceso usada, se le conoce también con diferentes nombres: NodoB (NB) en las redes 3G y Nodo B evolucionado (eNB) en las redes LTE. El conjunto BS, el controlador de estación base (BSC) y los canales de radiocomunicación es comúnmente llamado Red de Acceso por Radio (RAN, Radio Access Network). Las estaciones base proveen la radiocomunicación para los equipos terminales o equipos de los usuarios (UE) dentro de la celda, con el fin de permitir a los usuarios conectarse con otros y con el operador e incluso si los usuarios se están moviendo dentro de la celda durante la transmisión. Cada usuario usa como tecnología de radio acceso 2G, 3G y/o LTE para comunicarse con la estación base por un par de canales de radio, un canal para el enlace descendente (la transmisión desde la celda hasta el usuario) y otro canal para el enlace ascendente (la transmisión desde el usuario hasta la celda). Por otra parte el controlador de estación base o BSC administra varias estaciones bases a la vez y conecta sitios celulares a otras entidades en el núcleo de red (CN, Core Network) del operador. Entre algunas de las.

(17) CAPÍTULO I. FUNDAMENTOS TEÓRICOS QUE SUSTENTAN LAS REDES HETEROGÉNEAS.. 17. funciones centrales del núcleo de red están el procesamiento de las llamadas, manejo del tráfico y transferencia de llamadas cuando un usuario se mueve entre celdas(Qutqut, 2014).. Figura 1.1. Esquema de una red celular básica. La cobertura de las celdas teóricamente es de forma hexagonal, pero en la práctica pueden tener formas irregulares. El rango de cobertura depende de un número de factores tales como la altura de la estación base y la potencia de transmisión. Cada tipo de celda difiere de las otras por el área de cobertura. Las macroceldas, por ejemplo, son las que ofrecen mayor cobertura, en un rango de 1 a 30 km y se usan en zonas rurales, urbanas o autopistas, como se observa la Tabla 1.1, las demás categorías de celdas entran dentro de las llamadas pequeñas celdas debido al rango de cobertura y potencia de transmisión limitado. Tabla 1.1 Características de las estaciones base macrocelulares.. Macroceldas. Potencia de salida. Radio de la celda. No de usuarios. Localización. 10W-50W. 8km-30km. +2000. Exteriores. Como parte del enfoque que se le puede dar a una red celular está el de red homogénea, definida comúnmente por dos aspectos: tecnología de radio acceso que utiliza y potencia de transmisión de la estación base. La primera se refiere a aquella arquitectura de red que solo hace uso de una única tecnología de radio acceso (2G, 3G, 4G) específica, independiente de la potencia de transmisión. La segunda se enfoca a aquella arquitectura de red que usa una.

(18) CAPÍTULO I. FUNDAMENTOS TEÓRICOS QUE SUSTENTAN LAS REDES HETEROGÉNEAS.. 18. potencia de transmisión uniforme para todos sus nodos, independientemente de la tecnología de acceso que se utiliza. 1.2. Desafíos de los servicios móviles. En los últimos años el crecimiento en el ingreso de los servicios móviles se ha desplazado de los tradicionales servicios de voz por conmutación de circuitos y mensajes cortos (SMS) hacia los servicios de datos. Este cambio agrega una presión significativa para la rentabilidad de las redes de los operadores móviles, por tres razones principales(Hu & Qian, 2013): 1. Los datos móviles producen ingresos inferiores que los tradicionales servicios de voz y sms. 2. Las altamente rentable aplicaciones móviles se están enfrentando a la dura competencia de nuevas y superiores aplicaciones. 3. Como el tráfico de datos móviles estalla, se necesita una extensa inversión de capital para satisfacer la nueva demanda de capacidad. Con respecto a la creciente demanda de datos móviles cabe destacar algunas de las predicciones que da CISCO en su estudio Visual Networking Index 2015-2020. •. La velocidad de conexión de la red móvil (2,0 Mbps en el 2015) se incrementará en 3 veces para el 2020, es decir alcanzará cerca de los 6,5Mbps para el 2020, y en el 2017 sobrepasará los 3Mbps.. •. Para el 2020 la 4G representara solo el 40,5% de las conexiones, pero el 72% del tráfico total, es decir, una conexión 4G generará 10 veces más tráfico que una que no sea 4G.. •. El 75% del tráfico de datos móviles del mundo serán de video para el 2020. En el 2015 representó el 55% del tráfico total.. •. En el 2016 más de la mitad de todo el tráfico desde los dispositivos móviles conectados (casi 14 exabytes) serán descargados a la red fija por medio de dispositivos wi-fi y pequeñas celdas cada mes.. Para mantenerse competitivos a fin de que puedan continuar invirtiendo en capacidad y nuevos servicios, los operadores móviles han desarrollado nuevas tecnologías de red. HetNets se considera una de las tecnologías más importantes que no solo entregan un alto.

(19) CAPÍTULO I. FUNDAMENTOS TEÓRICOS QUE SUSTENTAN LAS REDES HETEROGÉNEAS.. 19. incremento en la capacidad del sistema, sino también permiten nuevas generaciones de servicios para remplazar la renta de los servicios tradicionales pero decrecientes. y. centrados en la voz.(Hu & Qian, 2013) 1.3. Redes Heterogéneas Móviles.. Algunas personas definen las redes heterogéneas como solo la superposición de estaciones base macro celulares y nodos de baja potencia o pequeñas celdas con la misma interfaz aérea(Hu & Qian, 2013) .Otros consideran la unión de redes celulares con redes Wi-Fi como un caso de uso principal y hay quienes consideran la inclusión de nuevas topologías de red y conectividad como parte de la visión de redes heterogéneas, tales como puntos de acceso, repetidores, conexiones de dispositivos a dispositivos y otros (Iyer & Zeto, 2012). A pesar de estas diversas definiciones y conceptos, ya en los últimos años con la investigación e implementación de redes heterogéneas se han logrado importantísimos avances, en particular en el ámbito de la descarga de datos a través de pequeñas celdas o nodos de baja potencia. Si se considera el despliegue de redes heterogéneas en la práctica, se puede definir como un despliegue mixto entre estaciones bases macro celulares y como complemento nodos de baja potencia, así como el uso de un conjunto de tecnologías esenciales que ofrecen gran capacidad, calidad y eficiencia a los sistemas móviles(Acharya, Gao, & Gaur, 2014). De forma general en este contexto, las redes heterogéneas, como se observa en la Figura 1.2, se refieren a la optimización unida de diferentes capas celulares y tecnologías, pues implementa pequeñas celdas bajo la cobertura de macroceldas para ampliar la capacidad y la cobertura en ciertas áreas de alta demanda. Las Redes heterogéneas representan una evolución estratégica de la red de acceso móvil, transformándose a su vez en una red de múltiple acceso cuando diferentes estándares de radio son usados en el mismo equipo del usuario (por ejemplo, LTE con Wi-Fi), y puede referirse además a una estructura celular jerárquica cuando múltiples clases de celdas con un mismo estándar de radio es usado (por ejemplo macroceldas con picoceldas..

(20) CAPÍTULO I. FUNDAMENTOS TEÓRICOS QUE SUSTENTAN LAS REDES HETEROGÉNEAS.. 20. Figura 1.2. Esquema sencillo de una red heterogénea típica. Fuente: (Liu & Shen, 2014) 1.3.1 Características de las redes Heterogéneas. Una red heterogénea representa una importante evolución del modelo actual de redes móviles, pues el gran número de dispositivos y la proximidad entre ellos crean nuevos desafíos para gestionar movilidad, gestionar interferencia y desplegar el backhaul1. Por otro lado, debido al despliegue de pequeñas celdas como complemento de las redes macrocelulares se requieren por parte de estas estaciones base, mayor inteligencia y mayores capacidades de auto-organización que deben ser además optimizadas por la red.. ______________________________________ 1. El backhaul es la parte de la red móvil que comprende los enlaces entre las estaciones base y el núcleo de la red sin incluir los equipos terminales..

(21) CAPÍTULO I. FUNDAMENTOS TEÓRICOS QUE SUSTENTAN LAS REDES HETEROGÉNEAS.. 21. Estas redes como un todo ofrecen potentes ventajas en la práctica, que a la vez representan significativos ahorros económicos, las más importantes son(“About 3GPP Home,” 2016):  Reutilización del espectro mediante el uso de pequeñas celdas.  Mejor cobertura y capacidad en las áreas urbanas y en interiores.  Rápido seguimiento de los nuevos servicios mientras crecen los ingresos de los servicios existentes.  Grandes ahorros en gastos de capital (CAPEX) y gastos de operación (OPEX) debido a la reducción de equipamientos, energía, mantenimiento y costos en el backhaul. Los elementos más importantes en el costo total de propiedad (TCO) para los operadores de redes móviles, son los CAPEX para la construcción de la red y OPEX para el funcionamiento de la red. Para una red celular típica (solamente basados en macro celdas), el CAPEX por lo general incluye el costo de la red de radio acceso (la estación base y los controladores de la red de radio acceso), el núcleo de red móvil, la infraestructura del backhaul y los sitios de adquisición, construcción, ingeniería e integración. La red de radio acceso representa cerca del 60% del CAPEX, seguido por el núcleo de red alrededor del 15%, el backhaul aproximadamente el 5% y los sitios de sitios de adquisición, construcción, ingeniería e integración en un 10-20%. Por supuesto, existen algunas variaciones de un despliegue a otro, por ejemplo el costo de la red de radio acceso puede reducirse cuando un operador puede actualizar su equipamiento de estación base existente para soportar una nueva tecnología de interfaz aérea, o puede el operador evitarse el costo de adquisición de un sitio si pude superponer una nueva red en sus torres celulares existentes.(Hu & Qian, 2013) El OPEX está principalmente asociado con el funcionamiento y administración de la red, incluyendo gastos de alquiler del sitio, la transmisión del backhaul, potencia energética para la alimentación del sistema y la operación y mantenimiento de la red. Las HetNets juegan un rol fundamental en la reducción de la brecha que existe entre costos y capacidad, propiciando importantes ahorros económicos durante todo del ciclo de vida desde su implementación(Qutqut, 2014). Entre ellos:.

(22) CAPÍTULO I. FUNDAMENTOS TEÓRICOS QUE SUSTENTAN LAS REDES HETEROGÉNEAS.. 22.  Reduce los costes de equipamiento, donde las macro celdas cuestan $30 000.00 como promedio en dependencia de su configuración, el costo de las pequeñas celdas oscila como promedio entre $5 000.00 a $10 000.00.  Menores costo de los sitios de adquisición, aunque son más los que tendrán que ser analizados y negociados.  Reduce los gastos de operación y de energía, se estima que las capacidades de las estaciones base macro celulares inherentes a las redes auto-organizadas (SON) pueden reducir el costo de la mano de obra hasta un 30%.  Integración de la red celular con Wi-Fi. Se estima que la implementación de celdas metropolitanas con tecnología 3G y LTE pueden reducir el costo a la mitad en comparación con macro celdas con tecnologías equivalentes, mientras que la integración con Wi-Fi reduce otro 75%. La expansión de capacidad de HetNets a partir de la arquitectura tradicional de las redes móviles tiene como nodo principal la estación base macro celular. A partir de esta estación se puede hacer un incremento de su capacidad mediante la utilización de un espectro de frecuencias superior, mayor número de antenas y una mejora del procesamiento dentro de los nodos constituyentes, así como entre ellos. De este modo se incrementa la capacidad sin tener que añadir nuevos sitios. Pero esto no es suficiente para ciertos escenarios como son (Zurbano, 2016):  Puntos de acceso en exteriores de grandes demandas tales como plazas y calles comerciales, con una densa red macro celular ya definida y que son áreas donde la interferencia es alta.  Puntos de acceso aislados de alto tráfico localizados en interiores (centros de negocios y hoteles) donde es difícil llegar mediante una estación macro en exterior.  Puntos de acceso de alto tráfico en interiores, como centros comerciales, aeropuertos y estaciones del metro, donde las demandas de movilidad y la interferencia son altas.  Puntos de acceso localizados en interiores o espacios con poca cobertura tales como oficinas pequeñas y restaurantes que exigen despliegues y gastos de estructura de las redes celulares convencionales..

(23) CAPÍTULO I. FUNDAMENTOS TEÓRICOS QUE SUSTENTAN LAS REDES HETEROGÉNEAS.. 23. Para satisfacer las demandas de tráfico, lograr altas capacidades de usuarios y mayor cobertura en estos puntos de alto tráfico, se siguen factores claves que determinan el estado final de la red heterogénea, esto incluye: mejorar la red macro celular existente (macro estaciones GSM), densificar dicha capa macro y agregar pequeñas celdas para complementar. las macro celdas, principalmente en interiores donde la cobertura es. pobre(Landstrom, Furuskar, & Kronestedt, 2011). Mejorar la capa macro celular existente trae beneficios adicionales, ya que no hay que hacer gastos significativos al no tener que buscar otros sitios para colocar nuevas radio bases. Esta propuesta consiste básicamente en mejorar la tecnología de radio acceso existente introduciendo nuevas tecnologías como LTE, siendo posible con ella mejores velocidades de transferencia y mayor capacidad en el sistema debido a mejoras en la eficiencia por la introducción de técnicas de modulaciones de orden superior, orden de sectorización superior, utilización de portadoras múltiples y utilización de soluciones con múltiples antenas y de radio con vista a reestructurar el espectro. También se pueden introducir mejoras adicionales si se consideran el uso de antenas avanzadas, incremento del orden de diversidad en el receptor y/o en el transmisor y técnicas avanzadas en la capacidad de procesamiento dentro de los nodos y entre ellos. Densificar la capa macro en una primera opción consistirá en dividir las celdas lo que implica una transición de un sitio con tres sectores a uno con seis y en una segunda opción agregar sitios macro celulares en puntos estratégicos. Agregar pequeñas celdas como complemento de la estación macro. Las pequeñas celdas brindan una alta capacidad por usuario en su área de cobertura con la potencialidad de incrementar el rendimiento en la red macro descargando tráfico generado por la demanda de los usuarios. La manera más eficiente para lograr mayor capacidad es combinando los tres enfoques anteriores: mejorar la capa macro, densificar la capa macro y agregar nodos de baja potencia como indica la Figura 1.3. De forma tal que con esta combinación, en dependencia de la red existente pueda soportar altos volúmenes de tráfico y muy altas razones de datos, así como las técnicas y viabilidad económica de cada enfoque, sacando el máximo.

(24) CAPÍTULO I. FUNDAMENTOS TEÓRICOS QUE SUSTENTAN LAS REDES HETEROGÉNEAS.. provecho de las estaciones macro y las pequeñas celdas. 24. como parte de una red. heterogénea.. Figura 1.3. Etapas esenciales para la evolución de las redes heterogéneas. Fuente: (Lamberti, 2013) 1.3.2 Definición de pequeñas celdas. Las pequeñas celdas o nodos de baja potencia son una solución reciente a la creciente demanda de datos móviles, estandarizada por la 3GPP. Estas juegan un papel fundamental dentro de las redes heterogéneas, pues vienen a complementar a las estaciones macrocelulares para ofrecer mayor cobertura y capacidad dentro de dicha red móvi(“About 3GPP Home,” 2016)l. De acuerdo a la 3GPP las pequeñas celdas se clasifican basándose en las pérdidas mínimas de acoplamiento entre la celda y el dispositivo del usuario, originando cuatro clases de celdas (metro, micro, pico y femto). Otras miradas identifican las pequeñas celdas como aquellas celdas que cumplen con las siguientes características:  Proveen la cobertura de un área más pequeña que la de una estación macrocelular.  Siguen siendo implementadas y administradas por los operadores móviles.  Aseguran un acceso abierto a todos los usuarios del mismo operador.  Se caracterizan por tener bajo costo de equipo e instalación en comparación con las macroceldas..

(25) CAPÍTULO I. FUNDAMENTOS TEÓRICOS QUE SUSTENTAN LAS REDES HETEROGÉNEAS.. 25.  Están orientadas para soportar servicios de datos, aunque también pueden soportar servicio de voz. Otras características más detalladas se pueden definir en función de los siguientes parámetros técnicos(Alliance, 2012):  Capacidad, definida en términos de capacidad pico y promedio.  Soporte de movilidad (soporta handover entre la estación macro y la pequeña celda o entre pequeñas celdas, soporta el trafico mediante las interfaces de radio X2 y S1/X2.  Requisitos de servicio en términos de calidad de servicio (latencia, jitter, pérdida de paquetes, disponibilidad) y requerimientos de sincronización en tiempo y frecuencia.  Requisitos de implementación.  Consumo de potencia (en relación con el backhaul).  Condiciones de operación (acceso público, despliegue del backhaul del operador).  Posible ubicación (interiores/exteriores, a pocos metros sobre el nivel de la calle o en la azotea). En general las pequeñas celdas son pequeñas estaciones base (SBS) con potencia y rango limitado, (es decir de baja potencia y de corto alcance). Normalmente están destinadas a ser usadas en interiores de parques, casas, centros comerciales, aeropuertos, oficinas gubernamentales, estadios y otros como un complemento más a las estaciones macrocelulares para permitir mayor capacidad de usuarios, mayor cobertura, altas velocidades de datos y por ende mejor calidad de servicio. Hay diferentes tamaños y versiones de pequeñas celdas, varían en dependencia del número de usuarios que pueden manejar, en su potencia y en su rango, y en casi todos los casos incluyen tecnologías esenciales de radio acceso como 3G,LTE y actualmente hasta con Wi-Fi integrada; poseen además fuente de alimentación interna y un backhaul de conexión a la red celular (Iyer & Zeto, 2012). En la Tabla 1.2 se muestran las clases de pequeñas celdas y sus características..

(26) CAPÍTULO I. FUNDAMENTOS TEÓRICOS QUE SUSTENTAN LAS REDES HETEROGÉNEAS.. 26. Tabla 1.2 Clases y Características de las pequeñas celdas. Clases de pequeñas. Potencia de. Radio de la. No de. celdas. salida. celda. usuarios. Femtoceldas. 1mW-250mW. 10m-100m. 1-30. Interiores. Picoceldas. 250mW-1W. 100m-200m. 30-100. Interiores. Micro/Metroceldas. 1W-10W. 200m-2km. 100-2000. Interiores/Exterio. Localización. res. Microceldas: Como muestra la Tabla 1.2, las macro celdas típicas soportan hasta 2000 usuarios con un radio de hasta 2Km, se considera el nodo de baja potencia de mayor alcance y capacidad de usuarios, por ello son usadas en pequeñas áreas exteriores donde la cobertura de la macro celda es insuficiente y en áreas donde la demanda de tráfico es muy alta es decir en entornos tales como avenidas, estadios, aeropuertos y en general en áreas metropolitanas. Estas cubren áreas limitadas, siendo también de gran utilidad en interiores donde son insuficientes las picoceldas tal como un centro comercial. Además en tanto en entornos exteriores como interiores utilizan control de potencia para limitar su área de cobertura. Picocelda: Las picoceldas tienen una funcionalidad similar a las femtoceldas, pero con mayor potencia, mayor alcance y mayor capacidad de usuarios. Se utilizan generalmente en las empresas y en zonas interiores públicas. Múltiples pico celdas son usadas para cubrir grandes empresas especialmente cuando su infraestructura se compone de varios pisos de gran altura, centros comerciales, estaciones de tren y aeropuertos. Femtocelda: Es una estación base de baja potencia que inicialmente estaban destinada para uso en el hogar, pero también se utilizan en las empresas, zonas rurales y áreas metropolitanas. También son conocidas como Home NodeB para 3G o HNodeB y Home.

(27) CAPÍTULO I. FUNDAMENTOS TEÓRICOS QUE SUSTENTAN LAS REDES HETEROGÉNEAS.. 27. eNodeB o HeNB para LTE, en ocasiones se utiliza ambas denominaciones indistintamente. Es la más pequeñas de todos los nodos de baja potencia que aquí quedan definidos. Las pequeñas celdas están definidas para cualquiera de las tecnologías móviles existentes (2G, 3G y 4G o LTE) pero su papel dentro de las redes heterogéneas en la actualidad se priorizan sobre 3G en interiores y LTE en entornos urbanos. Las pequeñas celdas son desplegadas donde dicte la demanda, se localizan más cerca a los usuarios finales que las estaciones macro y pueden proveer cobertura en lugares donde la cobertura de la macrocelda sea pobre, debido a la colocación de edificios, largas distancias e interferencias, esto es especialmente útil en el borde del área de cobertura. de la. macrocelda, donde el servicio es degradado .Las pequeñas celdas son menos susceptibles a la interferencia que las celdas macro por estar situadas a poca distancia del suelo y esto se traduce en más capacidad y con señales de alta calidad lo que da lugar a un mejor desempeño, ya que permite que el sistema utilice un esquema de transmisión con mayor eficiencia espectral, lo que se traduce en una transmisión con mayor número de bits en un mismo tiempo. Por este motivo, las áreas donde los usuarios pueden transmitir y recibir con altas razones de datos son más grandes que en la celda macro. Además, ofrecen ventajas en cuanto a latencia y la cobertura en los bordes de la celda siendo mejor que en la celda macro sobre todo en el enlace de subida y brinda una mejor penetración de la cobertura, lo que refuerza los servicios en aéreas urbanas congestionadas(Alliance, 2012). También representa una fuente de ingresos significativa al brindar una mejor cobertura en edificaciones si se tiene en cuenta que aproximadamente un 40% del tráfico móvil se origina en el hogar y de un 25%-30% en el trabajo. 1.3.3 Arquitectura de red de pequeñas celdas. Las estaciones de pequeñas celdas son similares a las estaciones base macro celulas, pero con propósitos y aplicaciones optimizadas (en cuanto a tamaño, potencia de salida, alcance e integración de funcionalidades adicionales) .Estas pequeñas estaciones base utilizan la misma interfaz lógica que las estaciones base macro celulares (S1 y X2 o Lub y Luh), como un eNodoB, HeNB (Home eNodeB) y NodoB, HNB, tal como se define en (3GPP. TS 36.300, 2014) y también representado en la Figura 1.5.

(28) CAPÍTULO I. FUNDAMENTOS TEÓRICOS QUE SUSTENTAN LAS REDES HETEROGÉNEAS.. 28. Figura 1.5 Arquitectura con pequeñas celdas. Fuente:(Alliance, 2012) En la figura 1.6 se muestran como ejemplos dos arquitecturas en las que se conectan a las estaciones macro celulares pequeñas celdas con diferentes tecnologías de radio acceso (LTE y UMTS). También se usa una puerta de enlace que ofrece conectividad al backhual de la red para un número de pequeñas celdas en un área determinada y sirve como concentrador para las interfaces lógicas.(Alliance, 2012) 1.3.4 Coexistencia de estaciones macro y nodos de baja potencia. Una de las cuestiones básicas con las redes heterogéneas es como determinar el espectro a usar en cada capa celular y para cada tecnología (HSPA y LTE).Para alcanzar el máximo de datos posibles, es necesario utilizar al menos tanto ancho de banda como el UE es capaz de manejar en cada capa. La capacidad del UE en términos de bandas de frecuencias influye en las posibilidades del espectro: si el problema es de capacidad (alto volumen de tráfico ) o si el espectro es escaso, entonces las frecuencias portadoras de la macro celda pueden ser reusadas. Sin embargo tal enfoque requiere de una buena planificación celular y esquemas de administración de los recursos de radio para el control de interferencias entre capas celulares. En particular la movilidad y la calidad del plano de control podrían ser afectadas(Landstrom et al., 2011).. Por definición un nodo de baja potencia tiene una potencia de transmisión significativamente más baja que la estación base macro celular que le rodea. La selección de la celda por parte del terminal se realiza por criterios de potencia de transmisión y por.

(29) CAPÍTULO I. FUNDAMENTOS TEÓRICOS QUE SUSTENTAN LAS REDES HETEROGÉNEAS.. 29. perdidas en el trayecto. Para el enlace UL, como la sensibilidad de las estaciones es similar pues la potencia de transmisión es la misma (la del terminal) son las pérdidas de trayecto las que determinan a cual estación el terminal debe conectarse. En el DL la potencia de la macro estación es mayor que la de la estación de pequeña celda, aquí la decisión de selección de la celda se hace por la que mayor Potencia Recibida de la Señal de Referencia (RSRP). Esta es una métrica que se refiere a la potencia recibida promedio de todos los elementos del recurso que portan la señal de referencia específica de la celda dentro del ancho de banda considerado. Estas ideas son mostradas en la Figura 1.6.. Figura 1.6 Selección sencilla de celdas en redes heterogéneas.Fuente:(Landstrom et al., 2011). Los fundamento hasta aquí expuestos necesitan de tecnologías ,que fucionadas hagan de las redes heterogéneas la solución ideal para incrementar la cobertura y capacidad de las redes móviles. 1.3.5 Escenarios de despliegue de pequeñas celas. Los aspectos claves para el despliegue de pequeñas celdas con tecnologias LTE y LTEA,son considerados. a partir de (“Overview of 3GPP Release 12 V0.2.0 (2015-09),”. 2015).Estos aspectos estan relacionados principalmente con los escenarios de densificacion de pequeñas celdas bajo la cobertura de la estacion macrocelular. Los escenarios de despliegue se consideran donde las pequeñas celdas puedan ser desplegadas bajo la cobertura de la estacion macro para proporcionar mayor cobertura y.

(30) CAPÍTULO I. FUNDAMENTOS TEÓRICOS QUE SUSTENTAN LAS REDES HETEROGÉNEAS.. 30. capacidad. La densificación de pequeñas celdas se considera como un potencial para descargar más trafico desde usuarios inteligentes,como se muestra en la Figura 1.7. Este tipo de escenarios requiere de nuevas y avanzadas técnicas de coordinacion de interferencia,tales como las que puede proporcioanr LTE y mejor LTE-A.. Figura 1.7 Esceneraio de despliegue de redes heterogéneas.Fuente:(Acharya et al., 2014).. Como una forma de resaltar los beneficios que trae el despliegue de pequeñas celdas, tales como mejora en eficiencia espectral, mejora en movildad, incremento en la cobertura y capacidad de la red movil, la Release 12 identifica los caminos a seguir para la evolucion de los distinos escenaros de pequeñas celdas. Escenario 1: Despliegue de pequeñas celdas en la misma frecunecia(F1) que la macrocelda,como se observa en la figura 1.8 .Este escenario cumple con las siguientes caracteristicas:cluster exterior de pequeñas celdas exterior de 4 a 10 pequeñas celdas por cluster coordinacion entre pequeñas celdas y macroceldas mediante la interfaz X2.. Figura 1.8 Esquema del escenario 1. Fuente:(Acharya et al., 2014)..

(31) CAPÍTULO I. FUNDAMENTOS TEÓRICOS QUE SUSTENTAN LAS REDES HETEROGÉNEAS.. 31. Escenario 2: Despliegue de pequeñas celdas con F1 y las macroceldas con F2 en interiores, como se observa en la figura 1.9. Aquí al igual que en el escenario 1 el clúster está formado con la misma cantidad de pequeñas celdas, puede utilizar cualquier tipo de solución para el backhaul.. Figura 1.9 Esquema del escenario 2. Fuente:(Acharya et al., 2014). Cada una de los escenarios de despliegue de las pequeñas celdas tratados hasta aquí es haciendo uso de tecnologías de radio acceso como LTE y LTE-A. Estas ofrecen varias técnicas para mitigar y controlar la interferencia que se producen al diversificar tales escenarios como parte de las redes heterogéneas.. 1.4. Conclusiones del capítulo.. Las redes heterogéneas y con ellas las pequeñas celdas como complemento a las estaciones macro han sido una atractiva solución para expandir la cobertura y la capacidad de las redes móviles. La diversificación de complejos entornos y convergencia de disimiles RAT hacen de esta red multicapa la solución idónea para aquellos puntos de alta demanda de servicios móviles, donde la cobertura y la capacidad se hace limitada. El despliegue e implementación de HetNets está en dependencia de las características del entorno y según este serán los escenarios a aplicar. Para este documento los escenarios y en general las HetNets se basarán en LTE y LTE-Avanzado como las tecnologías de acceso por radio más óptima para su despliegue, como se explicará en el capítulo 2..

(32) CAPÍTULO 2.TECNOLOGÍAS EN EL USO DE REDES HETEROGÉNEAS.. 32. CAPÍTULO 2. TECNOLOGÍAS EN EL USO DE REDES HETEROGÉNEAS.. Considerando lo novedoso que representa este tema para el desarrollo de los sistemas móviles en Cuba, y la preparación del personal capacitado para la implementación de la tecnología, se aborda en este capítulo las generalidades de LTE y LTE-A, los parámetros técnicos y los rasgos característicos que hacen de estas tecnologías de radio acceso la ideal para redes heterogéneas. Esto no quiere decir que las definiciones sobre redes heterogéneas y pequeñas celdas son exclusivas de la tecnología LTE ya que en principio son aplicables también a la tecnologías anteriores incluyendo GSM; pero las velocidades que se requieren para dar solución a las demandas de trafico actúales requiere de velocidades de datos aplicable a partir de HSPA en 3G. Por otro lado, los rasgos distintivos de las tecnologías LTE y LTE-A son los más atractivos en las tecnologías que este trabajo describe. 2.1. Diferencias entre UMTS y LTE.. Las conexiones inalámbricas y los dispositivos móviles no solo son cada vez más inteligentes en sus capacidades de computo, sino también están evolucionando desde conectividad de red de más baja generación (2G) hasta conectividad de red de más alta generación (3G y 4G o LTE). Cuando las capacidades de los dispositivos se combinan con mayor velocidades, mayor ancho de banda y redes más inteligentes, conduce a la amplia adopción de aplicaciones avanzadas que contribuyen al aumento del tráfico de datos móviles. Para ello los operadores móviles de todo el mundo han optado por un despliegue total de redes 4G o LTE ayudando además a satisfacer la creciente demanda de los usuarios finales por más ancho de banda, mayor seguridad y más rápida conectividad en movimiento, como parte fundamental dentro de una red heterogénea.(Cisco, 2016) La red de acceso radio o RAN presenta algunas diferencias sustanciales. En UMTS la arquitectura de radio acceso o UTRAN básicamente está compuesta por las Estaciones Base o NodosB, conectadas mediante el interfaz lub al RNC. Por su parte el RNC se conecta al núcleo de red mediante los interfaces lu-cs e lu-ps a los dominios de circuitos y.

(33) CAPÍTULO 2.TECNOLOGÍAS EN EL USO DE REDES HETEROGÉNEAS.. 33. paquetes respectivamente y a otros RNC mediante la interfaz lur. En LTE la arquitectura de radio acceso es definida como EUTRAN, cuya arquitectura se describe en las especificaciones técnicas(3GPP. TS 36.300, 2014) y donde la diferencia más significativa con UTRAN es la eliminación de los RNCs. al incorporar. nodos B evolucionados. (eNodoB) a los que se les integran las funcionalidades que estos realizaban hasta hora. Los eNBs se conectan a través de la interfaz S1 al Núcleo de Paquetes Evolucionados (EPC, Evolved Packet Core) mientras que mediante la interfaz X2 se interconectan con otros eNBs adyacentes para permitir handover inter-celdas. Desde el punto de vista del Núcleo de Red, las redes existentes antes del desarrollo de LTE son híbridas al disponer de los dominios de Conmutación de Circuitos y de Conmutación de Paquetes. Una de las novedades que presenta LTE consiste en que la convergencia de los servicios de voz y de datos proporciona el transporte de todo tipo de tráfico mediante una arquitectura basada en IP, lo que supone la eliminación del dominio de Conmutación de Circuitos e incorpora el concepto de ¨red plana¨. Estas diferencias quedan recogidas en la Figura 2.3 donde se muestran la arquitectura tanto de UMTS como de LTE, de forma separada. La figura que muestra las arquitecturas de LTE y UMTS integradas en una sola, se adjunta al Anexo I como Figura I.1.. Figura 2.1 Arquitectura separadas de LTE y UMTS.Fuente:(“About 3GPP Home,” 2016) Es importante notar en la Figura 2.1 que la red LTE está más optimizada debido a la reducción del número de elementos empleados en dicha red. Además, mientras en UMTS.

(34) CAPÍTULO 2.TECNOLOGÍAS EN EL USO DE REDES HETEROGÉNEAS.. 34. solamente se habla de paquetes IP en la interfaz Gn (entre el SGSN y el GGSN), en LTE la red IP se extiende desde el eNodoB hasta el EPC, de ahí que se pueda hablar de LTE como un entorno ¨All IP¨. 2.2. Generalidades y características de los Sistemas LTE y LTE-Avanzado.. 2.2.1. LTE. LTE se especifica en el Release 8 que fue publicado en diciembre del 2008. Desde entonces la 3GPP continuamente evoluciona la especificación LTE con la publicación de nuevos Release. Gran parte de los estándares LTE se desarrollan sobre UMTS/HSPA. Los requerimientos para los sistemas LTE Rel-8 incluyen mejorar la cobertura y capacidad, mejorar la experiencia de los usuarios a través de mayores velocidades de datos y latencia reducida, reducir los costos de despliegue y operación y dar una perfecta integración con los sistemas existentes. Los requerimientos completos de LTE están definidos en (3GPP. TS 36.913, 2012)entre ellos destacan : •. Flexibilidad en la elección del espectro de frecuencias empleado (1.25MHz, 2.5MHz, 5MHz, 10MHz, 15MHz y 20MHz), permitiendo al operador la posibilidad de diseñar una red acorde con los recursos espectrales disponibles.. •. Velocidad pico de 100Mbps en el DL y 50Mbps en el UL, para un espectro de 20MHz.. •. Eficiencia espectral de 3 a 4 veces superior que la alcanzada en la Release 6 para el DL y de 2 a 3 veces mejor para el UL.. •. Reducción de latencia en la red de radio acceso a 10ms.. •. Cobertura o tamaño de celda entre 5 y 100 Km, con una ligera degradación a partir de los 30 Km, es decir los requisitos de velocidad pico, movilidad y eficiencia espectral no pueden cumplirse estrictamente después de 30Km.. •. Compatibilidad de interconexión con sistemas heterogéneos como las redes 3GPP existente y entornos no especificados por el 3GPP (no-3GPP) como pueden ser WLAN y WIMAX.. •. Garantía de calidad de servicio de extremo a extremo..

(35) CAPÍTULO 2.TECNOLOGÍAS EN EL USO DE REDES HETEROGÉNEAS.. •. 35. Habilidad de gestionar móviles con alta movilidad y es compatible con sistemas tanto por división de frecuencia dúplex (FDD) como división del tiempo dúplex (TDD).. En general, LTE ha sido diseñado para mejorar la calidad de la experiencia de los usuarios finales relativo a los sistemas celulares. El número de usuarios soportados por LTE es mayor y el rango de aplicación proporcionada es más amplio. Todo esto se hace posible por la optimización y diseño extensivo de todas las capas del sistema celular. 2.2.2. Tipos de modulación usadas en LTE/LTE-A. A diferencia de tecnologías móviles anteriores LTE y para LTE-A combinan esquemas de modulación, usando Acceso Múltiple por División de Frecuencias Ortogonales (OFDMA, Orthogonal Frequency-Division Multiple Access) para el DL y Acceso Múltiple por División de Frecuencias con Portadora Única (SC-FDMA, Single Carrier Frequency Divison Multiple Access ) para el UL. En OFDMA, las frecuencias se dividen en subportadoras de frecuencias paralelas, cada subportadora es capaz de llevar un símbolo modulado. Diferentes subportadoras se agrupan para formar un subcanal que sirve como la unidad básica de transmisión de datos como se muestra en la Figura 2.2. Las razones principales por lo que OFDMA fue seleccionado como la técnica de modulación básica para LTE y para LTE-A son la alta eficiencia espectral, baja complejidad de implementación y la capacidad para soportar características avanzadas tales como planificación ( scheduling) de frecuencias selectivas ,transmisión con múltiples entradas y múltiples salidas (MIMO, multiple-input multiple-output ) y coordinación de interferencias(Ghosh & Ratasuk, 2011). La característica principal de SC-FDMA es que transmite cada símbolo de datos usando el ancho de banda completo que le es asignado, a diferencia de OFDMA donde cada símbolo de datos es transmitido usando varias subportadoras, como muestra la Figura 2.2. SCFDMA se seleccionó para el UL debido a que esta tiene ventajas similares a OFDMA tales como ortogonalidad entre usuarios, scheduling en el dominio de la frecuencia y robustez con respecto a la operación en trayectos múltiples. Además SC-FDMA tiene un bajo requerimiento de back-off , que se traduce en la reducción de potencia de transmisión media para asegurar que la máxima potencia se quede dentro de la región lineal del amplificador.

(36) CAPÍTULO 2.TECNOLOGÍAS EN EL USO DE REDES HETEROGÉNEAS.. 36. de potencia, en comparación con OFDMA. Como resultado la potencia promedio de transmisión puede ser mucho mayor usando SC-FDMA de lo que puede esperarse con OFDMA. Esto aumenta la cobertura en el UL y proporciona altas razones de datos a los usuarios principalmente en el borde de la celda(Ghosh & Ratasuk, 2011).. Figura 2.2 Estructura. de. modulación para el DL (OFDMA) y el UL (SC-. FDMA).Fuente:(“About 3GPP Home,” 2016) 2.2.3. LTE-Avanzado. Luego del lanzamiento de LTE-Release 8, la 3GPP siguió trabajando en nuevos requerimientos para definir una especificación con más capacidades mejoradas y con el fin de cumplir con los requerimientos establecidos para las IMT-A, definida por la ITU-R. De esta nueva especificación surge LTE-Avanzado descrita finalmente en la Release 10 lanzada en marzo del 2011. LTE-Avanzado o también LTE Rel-10 es una mejora continua sobre LTE, manteniendo la compatibilidad estricta con versiones anteriores. Los requerimientos completos de LTE-Avanzado están en descritos en (3GPP. TS 36.913, 2012). En general LTE-A es compatible con una variedad de escenarios de cobertura. Provee una cobertura coherente desde macroceldas a interiores, se enfoca en resolver entornos de baja velocidad de transmisión con la transmisión de altas velocidades de datos, incluye reducciones de costos significativos en consumo de potencia y costos tecnológicos, entrega alta eficiencia espectral y baja latencia. Algunos de estos requerimientos son:  Razón de datos pico: Soporta razones de datos pico para el DL de 1Gbps y para el UL de 500Mbps, sobre un ancho de banda de 20 MHz para ambos enlaces..

(37) CAPÍTULO 2.TECNOLOGÍAS EN EL USO DE REDES HETEROGÉNEAS.. 37.  Eficiencia espectral: La eficiencia espectral pico es de 30bps/Hz para el enlace descendente (asumiendo una configuración de antenas de 8x8 MIMO), y para el enlace ascendente presenta una eficiencia espectral de 15bps/Hz (asumiendo una configuración de antenas de 4x4 MIMO). Por lo tanto un espectro con un ancho de banda de 40Mhz puede tener un rendimiento de 1,2Gbps para el enlace descendente y de 600Mbps para el enlace ascendente.  Movilidad: La movilidad es similar a LTE Rel-8, puede soportar una movilidad de hasta 350Km/h o hasta 500Km/h en dependencia de la banda de frecuencias.  Espectro: En consonancia con los requerimientos de la IMT-A, LTE-A agrega nuevas bandas de frecuencias adicionales a las ya existentes en LTE Rel-8. Más específicamente. trabaja en las bandas de: 450-470MHz,698-862MHz, 790-. 862MHz, 2.3-2.4GHz y 4.4-4.99GHz .  Costo: El costo de la infraestructura y los dispositivos es relativamente bajo. El backhaul puede ser alámbrico e inalámbrico, pudiendo usar una interfaz de aire basada en LTE puede además soportar las características de Redes Autoorganizadas (SON, Self Organizing Networks) para reducir la cantidad de pruebas de control en la red, lo que conlleva a obtener mayores ahorros en costos. Además LTE-A más allá de brindar una mejor experiencia para los usuarios, apoya el despliegue e implementación de redes heterogéneas, donde nodos de baja potencia tales como microceldas, picoceldas y femtoceldas están bajo disposición de las estaciones macrocelulares de alta potencia. Con el propósito de mejorar LTE Rel-8 y cumplir con los requerimientos de IMT-A; LTEA ha adoptado una serie de tecnologías avanzadas que cumplen con los distintos aspectos establecidos. Estos avances se pueden resumir de la siguiente manera(Holma & Toskala, 2012):  Agregación de portadoras.  Mejoras en la tecnología de antenas MIMO.  Mejora la cobertura y capacidad de la red móvil.  Uso de backhaul inalámbrico.  Soporte de home eNodoB para pequeñas celdas..

(38) CAPÍTULO 2.TECNOLOGÍAS EN EL USO DE REDES HETEROGÉNEAS.. 38.  Implementación de SON.  Soporte tanto redes homogéneas como redes heterogéneas.  Introduce mejoras en la coordinación de Interferencias interceldas, con mayores avances en CoMP . Con la agregación de portadoras, más de una componente portadora (CC) puede ser asignada a un usuario específico, con el fin de aumentar el ancho de banda en el UL y en el DL. Puede ser asignado para un usuario de 1 a 5 portadoras, por lo que el ancho de banda puede ser hasta 100MHz, teniendo en cuenta que cada portadora usa un ancho de banda escalable de hasta 20MHz, proporcionando además mayor flexibilidad en el espectro. La asignación de portadoras puede ser asimétrica, es decir, hacer diferentes asignaciones en el DL que para el UL, las asignaciones de portadoras para el UL nunca será mayor que para el DL además las portadoras agregadas no tienen que ser del mismo tamaño, esto se muestra en la Figura 2.3. Estas pueden clasificarse en contiguas, entre bandas no contiguas e inter banda no contigua, todas en el dominio de la frecuencia. Solo pueden ser agregadas estos tres tipos de portadoras en dependencia de la localización de la banda de frecuencia en el espectro(Zhang & Zhou, 2013).. Figura 2.3 Esquema de agregación de portadoras según la 3GPP.Fuente:(“About 3GPP Home,” 2016) En comunicaciones inalámbricas, la existencia del desvanecimiento multitrayecto causado por los diferentes entornos de transmisión afecta el rendimiento de todas las comunicaciones inalámbricas. Para eficazmente resolver este problema los terminales móviles deberían tener arreglos de antenas, sin embargo esto en muchos casos sería.

(39) CAPÍTULO 2.TECNOLOGÍAS EN EL USO DE REDES HETEROGÉNEAS.. impracticable, debido al. 39. tamaño físico de las antenas, el costo de fabricación y la. complejidad del hardware de los dispositivos móviles. Para ello se ha propuesto usar técnicas de diversidad de espacio basada en la comunicación colaborativa. La colaboración multipunto (CoMP, Coordinated Multi Point Operation) permite la transmisión y recepción desde múltiples puntos de distribución de una manera coordinada. La razón principal de introducir CoMP es para mejorar el rendimiento de la red fundamentalmente en el borde de la celda. Basado en como la coordinación entre celdas comparten y trasmiten los datos a los usuarios, la tecnología CoMP se divide en dos categorías. La primera de ellas se nombra Procesamiento Unido, que a su vez se divide en Transmisión unida y Selección Dinámica de la celda. La otra categoría se nombra Planificación Coordinada(CS)/Modificación del patrón (Beamforming) Coordinado (CB). En la transmisión unida, múltiples eNB envían datos simultáneamente a un solo UE utilizando la misma frecuencia; por su parte en la Selección dinámica de celda, un eNB está dinámicamente seleccionado para enviar datos a un UE. Por otra parte en CS y CB los datos están disponibles en más de un punto de distribución y se transmiten solamente desde un único punto de distribución en el momento, en este tipo de técnica, los puntos de distribución están conectados entre sí con el fin de intercambiar información(Zhang & Zhou, 2013). Una de las técnicas cruciales para el desarrollo de la cuarta generación de sistemas móviles ha sido los arreglos de antenas, entre ellas está el uso de múltiples entradas y múltiples salidas (MIMO, Multiple Input Multiple Output). MIMO se utiliza para incrementar la razón de bit con la transmisión y recepción de múltiples y diferentes flujos de datos a través de múltiples antenas. MIMO proporciona diferentes flujos de datos con la misma frecuencia y en el mismo tiempo, estos flujos son separados con diferentes señales de referencia(Zhang & Zhou, 2013). Después del procesamiento espacio-tiempo, el flujo de símbolos a ser transmitidos es asignado hacia la antena transmisora y transmitido hacia el receptor a través del canal inalámbrico. El nodo receptor detecta este flujo de datos de subcanales espaciales por su correspondiente procesamiento MIMO. Esta tecnología de múltiples antenas incrementa exponencialmente la capacidad del canal en comparación con un sistema de una sola antena debido a la diversidad de espacio que ofrece, siendo además una de las tecnologías más.