Propuesta para implementar redes UMTS, utilizando enlaces de microonda

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(1)Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas Facultad de Ingeniería Eléctrica. Departamento de Telecomunicaciones y Electrónica. TRABAJO DE DIPLOMA “Propuesta para implementar redes UMTS, utilizando enlaces de microonda”.. Autor: Raiko Hernández Pérez.. Tutor: Ing. Frank Zurbano Quintana.. Santa Clara 2010 "Año 52 de la Revolución".

(2) Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas Facultad de Ingeniería Eléctrica. Departamento de Telecomunicaciones y Electrónica. TRABAJO DE DIPLOMA “Propuesta para implementar redes UMTS, utilizando enlaces de microonda”.. Autor: Raiko Hernández Pérez. [email protected]. Tutor: Ing. Frank Zurbano Quintana. Asistente Adjunto del Dpto. de Telecomunicaciones y Electrónica de la UCLV e Instructor Adjunto del Centro Nacional de Capacitación de ETCSA. Especialista de la filial de Servicios Móviles de ETECSA Gerencia Villa clara.. [email protected]. Santa Clara 2010 "Año 52 de la Revolución".

(3) 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) i. PENSAMIENTO. Conocimiento, puede tener cualquiera, pero el arte de pensar es el regalo más escaso de la naturaleza humana. Federico II, Emperador Prusiano.

(5) ii. DEDICATORIA. A mi madre, Maura Leticia Pérez Guevara, por haberme educado con tanto amor y cariño y por entregarme todo en la vida a cambio de un hombre de bien. A mi abuela, Oristela Guevara Rodríguez, por su gran cariño y apoyo, inculcándome siempre el amor por el estudio y la superación. A mi novia, María del Rosario Silverio Costa, por su cariño y por estar siempre presente..

(6) iii. AGRADECIMIENTOS. A mi madre, a mi abuela y a mi novia, porque sin el apoyo que me dieron todo hubiera sido más difícil. A mi tutor, Frank Zurbano Quintana, por su ayuda y asesoría en la realización de este trabajo. A todos mis profesores de la carrera..

(7) iv. TAREA TÉCNICA. 1.. Búsqueda bibliográfica y estudio de los principales sistemas de servicios móviles que conforman la Segunda y Tercera Generación.. 2.. Estudiar las propuestas de diferentes fabricantes, sobre el tema de los enlaces de microonda como vía para implementar el sistema UMTS.. 3. Proponer equipos de microonda que se puedan utilizar en la provincia de Villa Clara para implementar una red de transmisión de Tercera Generación.. Firma del Autor. Firma del Tutor.

(8) v. RESUMEN El presente trabajo se centra básicamente en proponer el despliegue de una red UMTS a partir de una infraestructura GSM/GPRS. Teniendo como objetivo principal, demostrar que la utilización de la microonda Ethernet es una de las mejores vías para implementar redes de Tercera Generación (3G). Esta propuesta de implementación se basa en las ventajas que esto le puede representar a los operadores, en el aspecto comercial, técnico y financiero. El problema radica en que una red de Segunda Generación (2G) no tiene la capacidad necesaria para brindar los servicios de banda ancha que son tan demandados hoy en día por los usuarios. Por lo tanto es necesario e inevitable evolucionar hacia redes de Tercera Generación (3G). En el trabajo se explican los nuevos procesos que se realizan en los sistemas de microonda, que lo convierten en la solución más utilizada en el mundo para las Redes de Acceso de Radio a la hora de migrar hacia tecnologías superiores. También se proponen los equipos que pudieran ser utilizados en la red Villa Clara de acuerdo a las necesidades de nuestro país..

(9) vi. TABLA DE CONTENIDOS PENSAMIENTO .....................................................................................................................i DEDICATORIA…………………………………………………………………………….ii AGRADECIMIENTOS ........................................................................................................ iii TAREA TÉCNICA ................................................................................................................iv RESUMEN ............................................................................................................................. v INTRODUCCIÓN .................................................................................................................. 1 Organización del informe ................................................................................................... 3 CAPÍTULO 1. PRINCIPALES ASPECTOS DE GSM Y UMTS ........................................ 4 1.1 1.1.1 1.1.1.1. Sistema GSM. ................................................................................................... 4 Arquitectura de una red GSM. .......................................................................... 4 Estructura de la red GSM de Cuba. ............................................................... 5. 1.1.2. Sistema de Conmutación de Red (NSS). .......................................................... 6. 1.1.3. Sistema de Estaciones Bases (BSS). ................................................................. 9. 1.1.4. Centro de Monitoreo de la Red. ...................................................................... 10. 1.2. Interfaz Aérea (Um). Canales de la red GSM. ................................................ 11. 1.2.1. Capacidad y reutilización de frecuencias. ....................................................... 11. 1.2.2. Método de Modulación. .................................................................................. 12. 1.3. Modificaciones en el sistema GSM. El sistema GPRS. .................................. 13. 1.3.1. Características de las Conmutaciones de Circuitos y de Paquetes. ................ 14. 1.3.2. Estructura de la red GPRS. ............................................................................. 14. 1.3.3. Procesamiento de los bloques de datos. .......................................................... 16. 1.4. El sistema UMTS. ........................................................................................... 17.

(10) vii 1.4.1. Requerimientos de un sistema 3G. ................................................................. 17. 1.4.2. Arquitectura general de la red UMTS. ............................................................ 18. 1.4.2.1. Red Central (CN). ....................................................................................... 19. 1.4.2.2. Red Terrestre UMTS de Acceso de Radio (UTRAN). ............................... 19. 1.4.2.3. Interfaz Iu. ................................................................................................... 20. 1.4.2.4. Interfaz Iur. .................................................................................................. 20. 1.4.2.5. Interfaz Iub. ................................................................................................. 20. 1.4.2.6. Interfaz Uu. ................................................................................................. 20. 1.4.3 1.4.3.1 1.5 1.5.1 1.5.1.1 1.5.2. Principales aspectos del sistema WCDMA. ................................................... 21 Proceso de extendido en WCDMA. ............................................................ 22 Acceso de Paquetes a Alta Velocidad (HSPA). .............................................. 23 Tecnología HSPA en el enlace de bajada (HSDPA). ..................................... 24 Modulación de Alto Nivel. .......................................................................... 24 Tecnología HSPA en el enlace de subida (HSUPA). ..................................... 25. CAPÍTULO 2. LA SOLUCIÓN DEL ENLACE POR MICROONDA .............................. 26 2.1. Surgimiento del problema. .............................................................................. 26. 2.1.1. El costo Operacional. ...................................................................................... 27. 2.1.2. Ethernet contra TDM. ..................................................................................... 29. 2.2. Definición de Microonda de Paquete.............................................................. 30. 2.3. Propuesta para la solución. ............................................................................. 31. 2.3.1 2.4 2.4.1 2.5. Modo Mezclado o Híbrido. ............................................................................. 32 Definición de Pseudo-cables. .......................................................................... 33 Desafíos de la tecnología. Sincronización. ..................................................... 34 Principales aspectos a considerar durante la evolución hacia la 3G. .............. 35.

(11) viii 2.6. Características de la microonda actual. ........................................................... 36. 2.6.1. Capacidad y Eficiencia espectral. ................................................................... 37. 2.6.2. Codificación y Modulación Adaptativas (ACM)............................................ 37. 2.6.3. Acoplamientos Polarizados duales del Co-Canal (CCDP). ............................ 39. 2.6.4. Optimización de los datos de Ethernet. .......................................................... 39. 2.6.4.1. Supresión de IFG y Preámbulos y Compresión de la cabecera MAC. ....... 40. 2.6.4.2. Ganancia por multiplexación estadística. .................................................... 40. 2.6.4.3. Optimización de los datos de Abis y Iub en el Pseudo-cable. .................... 41. 2.6.5. Agregación de enlaces. ................................................................................... 42. CAPÍTULO 3. EQUIPOS PARA SOLUCIONES POR MICROONDA ........................... 43 3.1 3.1.1 3.1.1.1 3.1.2. Fabricantes y Equipos. .................................................................................... 43 Aviat Networks. .............................................................................................. 44 Plataforma. .................................................................................................. 45 Alcatel-Lucent. ............................................................................................... 46. 3.1.2.1. Plataforma 9500 MPR. ................................................................................ 47. 3.1.2.2. Plataforma 9400 AWY. ............................................................................... 48. 3.1.2.3. Plataforma 9500 MXC. ............................................................................... 49. 3.1.3 3.1.3.1 3.2. Ericsson. .......................................................................................................... 50 Plataforma de MINI-LINK TN. .................................................................. 51 Propuesta de equipos para la red de Villa Clara. ............................................ 52. 3.2.1. Consideraciones de tráfico. ............................................................................. 52. 3.2.2. Protección de Radioenlaces. ........................................................................... 53. 3.2.2.1 3.2.3. Ventajas. ...................................................................................................... 55 Estructura para la red de Villa Clara. .............................................................. 55.

(12) ix CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ................................................................... 61 Conclusiones ..................................................................................................................... 61 Recomendaciones ............................................................................................................. 62 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ................................................................................. 63 GLOSARIO DE TÉRMINOS .............................................................................................. 68 ANEXOS ............................................................................................................................. 74.

(13) INTRODUCCIÓN. 1. INTRODUCCIÓN En la actualidad la telefonía celular se ha convertido en uno de los servicios de mayor demanda en el mercado de las telecomunicaciones. Esto se debe en gran medida a la posibilidad que tienen hoy los usuarios de poder contratar servicios de multimedia tales como, acceso a páginas web, transmisión de datos, videoconferencias, oficinas virtuales, juegos en línea, etc. Lo que trae consigo la necesidad de implementar soluciones tecnológicas capaces de satisfacer las necesidades tanto de velocidad como de calidad. Esa constante necesidad de desarrollar nuevas tecnologías para ofrecer nuevos servicios y aumentar la calidad de los ya existentes, es lo que lleva a los operadores de los sistemas de telefonía celular a evolucionar y modernizar sus redes. El sistema GSM (Global System for Mobile Communication) perteneciente a la Segunda Generación de redes móviles, tuvo la ventaja de haberse diseñado desde cero sin importar si era o no compatible con los sistemas celulares analógicos existentes hasta ese momento. En 1991 se comienzan a comercializar los servicios de GSM teniendo gran éxito en el mundo entero, incluso en la actualidad existen una gran cantidad de países que utilizan este sistema (Inverso & del Campo, 2009). GSM se diseñó en un principio para las transmisiones de voz pero luego el servicio SMS (Short Message Service) que se ofrecía tuvo una gran demanda y con esto toma fuerza la idea de ofrecer otros servicios de transmisión de datos a través de los móviles (Ericsson, 1999a). Ya en la era de Internet la razón de transmisión de datos que permite GSM (9.6 Kbps en un inicio luego se lograron velocidades de 38.4 Kbps) está muy por debajo de lo que se necesita para poder ofrecer a los usuarios un servicio de Internet a través de los móviles. En respuesta a esta situación surge el GPRS (General Packet Radio Service) y con el la denominada generación 2.5G. Con la técnica GPRS se introduce la conmutación de paquetes y se logra aumentar la razón de transmisión de datos (171.2 Kbps en teoría), pero todavía no se tenían las razones de transmisión necesarias para que los usuarios pudieran acceder a todos los servicios de Internet (Ericsson, 1999a)..

(14) INTRODUCCIÓN. 2. Con la Tercera Generación surge el sistema UMTS (Universal Mobile Telecommunications System) con el que se logra alcanzar altas razones de transmisiones de datos (2 Mbps) y anchos de bandas superiores. UMTS permite el acceso completo a Internet y la posibilidad de ofrecer servicios de alta calidad. Además, una de las ventajas que tiene UMTS como tecnología de 3G es que el proceso de migración a partir de las redes GSM resulta natural y evolutivo, esto representa para el operador la posibilidad de implementar las nuevas funcionalidades y realizar las modificaciones necesarias a la infraestructura de forma paulatina y planificada (Telefónica, 2006). Estas ventajas de UMTS les dan la posibilidad a los proveedores de telefonía móvil de evolucionar hacia la 3G para satisfacer las demandas de los usuarios y conquistar el mercado. Las compañías que desean dar ese paso, pero que no cuentan con un gran capital se ven en la necesidad de buscar alternativas que le permitan implementar este sistema a un costo mínimo. Entre las soluciones que ofrecen los fabricantes de equipos se destaca el empleo de los enlaces de microonda como una vía para la implementación de UMTS debido a lo fácil y económico que resulta implementar una red de microonda y a las ventajas que esta ofrece en cuanto a montaje, movilidad, cobertura, facilidad para el crecimiento de la red y ahorro de recursos. La tecnología existente en Cuba pertenece a la generación 2.5G. Con este tipo de tecnología no se pueden ofrecer servicios de multimedia al creciente número de usuarios que existe hoy en día en nuestro país. La necesidad de encontrar una solución que permita implementar UMTS partiendo de una infraestructura basada en TDM y manteniendo los servicios GSM existentes, es lo que da origen a la situación problémica de este trabajo. Para dar solución a este problema surge como objetivo general: Demostrar que la tecnología actual de microonda constituye una excelente solución para implementar redes de Tercera Generación. De este objetivo se derivan los objetivos específicos siguientes: 1.. Realizar un estudio teórico de las redes de Segunda y Tercera Generación..

(15) INTRODUCCIÓN. 3. 2.. Realizar un estudio de las soluciones por microonda que ofrecen los principales fabricantes del mundo y realizar una selección de los equipos con mayor calidad.. 3.. Demostrar mediante la propuesta de una red que la microonda es una excelente opción para alcanzar la Tercera Generación en Villa Clara.. Organización del informe Este trabajo está estructurado en tres capítulos. El primer capítulo tiene un carácter introductorio y en el se describen de forma general los principales aspectos de los sistemas GSM/GPRS y UMTS. En el segundo capítulo se explican las técnicas actuales que se les han incorporado a los equipos de microonda, que los convierten en la principal opción de las compañías celulares. En este capítulo también se describe la solución que se propone en el trabajo para implementar el sistema UMTS. En el tercer capítulo se da una relación de los principales fabricantes de equipos de microonda, explicando fundamentalmente las características de los equipos que ellos proponen. Además se sugiere mediante una propuesta para la red de Villa Clara, cual seria el mejor equipo a utilizar a la hora de migrar hacia redes de 3G..

(16) CAPÍTULO 1. PRINCIPALES ASPECTOS DE GSM Y UMTS. 4. CAPÍTULO 1. PRINCIPALES ASPECTOS DE GSM Y UMTS En este capítulo se explicarán los principales aspectos de los sistemas GSM y UMTS, para posibilitar una mayor comprensión de los mismos y a su vez demostrar la necesidad de evolucionar hacia la 3G y aprovechar las ventajas que esto trae consigo. Estos dos sistemas, cada uno en su época han servido para mejorar la calidad de los servicios que se les brindan a los usuarios de telefonía móvil. Con el sistema GSM se logra tener una verdadera red de telefonía móvil universal, en donde sus usuarios podían comunicarse desde cualquier parte del mundo con un mismo equipo y la calidad de la llamada era bastante buena. Con la implementación del sistema UMTS y el aumento de lo servicios de banda ancha como el acceso a Internet, la telefonía celular se convierte en uno de los servicios de telecomunicaciones de mayor demanda a nivel mundial. 1.1. Sistema GSM.. El sistema GSM fue diseñado como una plataforma independiente en donde no se especificaban los requisitos de hardware, pero si las funciones de red y sus interfaces en detalle. Esta flexibilidad en el hardware, les permitía a los operadores comprar equipos de diferentes proveedores y los diseñadores podían ser creativos en cuanto a la forma en que proporcionaban la funcionalidad de los mismos (Ericsson, 1999a).. 1.1.1 Arquitectura de una red GSM.. Una red GSM se divide en dos sistemas como se muestra en la figura 1.1 y cada sistema se compone por un número de unidades funcionales, las cuales son componentes individuales de la red móvil (Ericsson, 1999a). Estos dos sistemas se denominan:  NSS (Network Switching Subsystem).  BSS (Base Station Subsystem)..

(17) CAPÍTULO 1. PRINCIPALES ASPECTOS DE GSM Y UMTS. 5. Figura 1.1. Componentes de una red GSM. Como se muestra en la figura 1.1, una red GSM también cuenta con interfaces que se encargan de garantizar el correcto funcionamiento de la red. Estas interfaces se definen de la siguiente forma: Interfaz A: Se encarga de proporcionar información, señalización y tráfico, entre el MSC y el BSS. Interfaz Abis: Es la responsable de transmitir información de tráfico y de señalización entre el BSC y las BTS de la red. Interfaz Um: Es la interfaz de aire, se encarga de recibir y transmitir la información de tráfico y de señalización entre las BTS y las estaciones móviles. Esto lo hace empleando la técnica de TDMA (Time Division Multiple Access). 1.1.1.1 Estructura de la red GSM de Cuba. La estructura de la red GSM en Cuba se basa en el esquema mostrado en la figura 1.1. Existen países que cuentan con una red bastante amplia y tiene la necesidad de dividir la red en varios NSS. En el caso de Cuba existe un solo NSS ubicado en la Habana al cual se conectan los BSS de la red, que existe uno en Santa Clara para toda la región Central. La investigación de este trabajo se va a centrar en el BSC de Villa Clara que se encarga de garantizar la conexión de los abonados con las estaciones bases y a su vez que estas se conecten con los centros de control, es decir es la encargada de la red RAN (Radio Access Network) y del Backhaul de la red..

(18) CAPÍTULO 1. PRINCIPALES ASPECTOS DE GSM Y UMTS. 6. Backhaul es un término en inglés que se utiliza para referirse a la red (equipos, interfaces, tecnologías y protocolos) que se encarga de garantizar la interconexión y las comunicaciones entre los sitios celulares y las estaciones de control sin incluir a estos en la definición. Mientras que la RAN se encarga de lo mismo, pero su definición abarca los equipamientos correspondientes a los sitios celulares y las estaciones de control (KATEKOM, 2005). Esta definición se muestra en la figura 1.2.. Figura 1.2. Definición de Backhaul y de RAN.. A la hora de migrar hacia redes de tecnología superior el mayor cambio que sufren las redes es en el Backhaul, ya que aquí es donde se tiene que garantizar un mayor ancho de banda en la red para poder transportar los datos y las informaciones de los usuarios. En el trabajo se va a utilizar el término Backhaul debido a que su definición es la que mejor se ajusta al tema que se va a tratar en el mismo. En los siguientes sub-epígrafes se explican las características y funciones de los elementos que conforman la red GSM.. 1.1.2 Sistema de Conmutación de Red (NSS).. El sistema NSS se encarga del procesamiento y conmutación de las llamadas en la red GSM, además contiene las bases de datos de los abonados para poder encargarse de las funciones relacionadas con cada usuario. El sistema NSS se compone de los siguientes subsistemas (Ericsson, 1999a):.

(19) CAPÍTULO 1. PRINCIPALES ASPECTOS DE GSM Y UMTS. 7.  Centro de Conmutación de Servicios Móviles (MSC). El MSC es el nodo primario de una red GSM. Este nodo es el encargado de controlar las llamadas desde y hacia las MSs (Mobile Station). Las principales funciones de un MSC son las siguientes:  Conmutación y encaminamiento de las llamadas: Es el encargado de la activación de todas las llamadas. Interactúa con otros nodos para que una llamada sea establecida con éxito.  Tarificación: Se encarga de almacenar la información de una llamada para luego enviarla al centro de facturación de llamadas.  Suministro de los servicios: El MSC se encarga de proporcionar y controlar los servicios suplementarios como el SMS.  Control de las BSCs conectadas: Como el BSS actúa como la interfaz entre el MSC y los MSs, el MSC tiene la función de controlar el nodo primario del BSS, el BSC. Cada MSC puede controlar varios BSCs en dependencia del volumen de tráfico en un área particular del MSC.  Registro de Localización del Visitador (VLR). El VLR es el encargado del almacenamiento temporal de la información de los MSs que se encuentren dentro de un área de servicio particular del MSC. Existe un VLR por cada MSC. Esto posibilita que un MSC no tenga que entrar en contacto con el HLR (que puede estar situado en otro país) cada vez que un suscriptor utiliza un servicio o cambie su posición dentro del área de servicio. Cuando un MS se mueve dentro de una nueva área de servicio ocurre lo siguiente: 1. El VLR de la nueva área de servicio comprueba su base de datos para determinar si tiene registros de ese MS. 2. Cuando el VLR no encuentra ningún registro del MS le solicita al HLR una copia de la suscripción del MS..

(20) CAPÍTULO 1. PRINCIPALES ASPECTOS DE GSM Y UMTS. 8. 3. El HLR le envía la información al nuevo VLR y actualiza la información sobre la localización del suscriptor. El HLR le informa al viejo VLR que ya puede eliminar la información del MS. 4. El VLR almacena la información de la suscripción del MS incluyendo su localización.  Registro de localización permanente (HLR). El HLR es una base de datos centralizada de la red GSM que almacena y maneja todas las suscripciones móviles que pertenecen a un operador específico. Actúa como un registro permanente de la información de suscripción de una persona hasta que esta suscripción sea cancelada. La información almacenada incluye:  Identidad del suscriptor.  Servicios suplementarios del suscriptor.  Información de la localización del suscriptor (es decir área de servicio del MSC).  Información de la autentificación del suscriptor. En una red GSM puede existir más de un HLR a los cuales pueden acceder los MSC y los VLR.  Registro de identificación de equipo (EIR). El EIR es una base de datos que contiene la información de identidad de cada equipo móvil y no del abonado, lo cual ayuda al bloqueo de llamadas no autorizadas o provenientes de estaciones móviles defectuosas.  Centro de Autentificación (AUC). El AUC está asociado al HLR al cual solicita información relativa al abonado a autentificar. El proceso de autentificación se efectúa cada vez que un abonado intenta acceder al sistema por primera vez, procesando la autentificación de las tarjetas SIM (Subscriber Identity Module). Además se utiliza en el cifrado de voz, datos y señalización sobre la interfaz de radio.  Compuerta MSC (GMSC)..

(21) CAPÍTULO 1. PRINCIPALES ASPECTOS DE GSM Y UMTS. 9. Es un MSC encargado de servir como interfaz entre la red móvil y otras redes externas. Cualquier MSC en la red puede actuar como GMSC con el software de integración apropiado. 1.1.3 Sistema de Estaciones Bases (BSS). El BSS es el nodo encargado de realizar todas las funciones relacionadas con los enlaces de radio. El BSS suministra el canal entre los MSs y el MSC comunicándose con los MSs mediante la interfaz aérea (Um) y con el MSC mediante canales PCM a 2 Mbps. El BSS está compuesto por los siguientes elementos (Ericsson, 1999a):  Estación Base de transmisión y recepción (BTS). La BTS actúa como la interfaz entre el MS y la red proporcionando la cobertura de radio necesaria en la celda. El BTS está compuesto por sistemas. de radiación,. trasmisores/receptores y equipos de señalización que le permiten realizar varias funciones de control que reducen el tráfico entre las BTS y el BSC.  Controlador de Estaciones Base (BSC). El BSC es el nodo central de un BSS y el encargado de coordinar las acciones de los TRCs y las BTSs. La tarea más importante del BSC es la de garantizar el mejor aprovechamiento posible de los recursos de radio de la red. Las principales funciones de los BSCs son:  Administración de la red de transmisión y recepción.  Administración de los BTSs y del TRC. . Operación y mantenimiento interno del BSC..  Manejo de las conexiones con los MSs.. Durante la llamada el BSC realiza las siguientes funciones:  Control de potencia dinámico en el móvil y la BTS: El BSC calcula la potencia de salida adecuada del MS y la BTS basándose en mediciones recibidas del enlace de subida (uplink) y del enlace de bajada (downlink). Estas son enviadas al BTS y al móvil cada 480ms para mantener una buena calidad en la conexión y ahorrar potencia..

(22) CAPÍTULO 1. PRINCIPALES ASPECTOS DE GSM Y UMTS. 10.  Localización: La función de localización evalúa continuamente la conexión de radio con el MS y de ser necesario gestiona el handover hacia una nueva celda. Esta gestión incluye una lista de posibles celdas con las cuales se pudiera realizar el handover. Esta decisión también se basa en los resultados de las mediciones del MS y la BTS.  Handover: Es el término empleado para definir la operación que se realiza al pasar la conexión de un usuario en movimiento de una celda a otra con el objetivo de que no se pierda la conexión de la llamada. Si la celda pertenece a otra BSC, el MSC se involucra en el handover, en este proceso el MSC es controlado por el BSC debido a que el MSC no tiene la información en tiempo real sobre la conexión..  Controlador de Transcodificación (TRC).. La principal función del TRC consiste en realizar la adaptación de la razón de transmisión. El TRC se encarga de multiplexar los canales de tráfico de la red provenientes de varios BSCs sobre un canal PCM de 64Kbit/s para su transmisión hacia el MSC con el objetivo de reducir el costo de transmisión en la red. El TRC también se encarga de realizar esta operación en sentido contrario, es decir convierte la información que viene del MSC a razón de 64Kbit/s a una de 16 Kbit/s para la transmisión al BSC. Estos 16 Kbit/s contienen 13 Kbit/s de tráfico y 3 Kbit/s de información de señalización. Esta es una función muy importante ya que al reducir la razón de transmisión a 16 Kbit/s, se utiliza solamente la cuarta parte de los enlaces de transmisión y del equipamiento. Es importante señalar que el TRC puede encontrarse combinado con el BSC o como un nodo independiente. 1.1.4 Centro de Monitoreo de la Red. El centro de monitoreo de la red es una parte muy importante de la red GSM ya que se encarga de la supervisión de todas las unidades de la red. Este se compone de dos elementos (Rabanos, 1999):  Centro de Operación y Mantenimiento (OMC)..

(23) CAPÍTULO 1. PRINCIPALES ASPECTOS DE GSM Y UMTS. 11.  Centro de administración de la RED (NMC). El OMC es un centro de monitoreo computarizado que esta conectado a otros componentes de la red como los MSCs y BSCs. El OMC es el encargado de la información sobre el estado de la red y puede monitorear y controlar una variedad de parámetros del sistema.. En una red GSM se necesita un solo NMC y a este se le subordinan varios OMCs, la ventaja de esta forma jerárquica de control de red es que la NMC se utiliza para controlar la red de manera general, mientras que cada. OMC se puede concentrar en el control. específico de una región, o localidad en particular, de esta forma se puede administrar la red de forma mas óptima. 1.2. Interfaz Aérea (Um). Canales de la red GSM.. En las redes GSM un canal es una frecuencia o set de frecuencias que se utilizan para la transmisión y la recepción de información. En GSM se utilizan los canales full dúplex. Estos canales tienen dos frecuencias una para el uplink que está en el sentido del MS a la red y otra para el downlink que es en el sentido de la red al MS como se muestra en la figura 1.3 (Ericsson, 1999a).. Figura 1.3. El enlace de bajada y de subida en un canal de radio (Ericsson, 1999a).. 1.2.1 Capacidad y reutilización de frecuencias. El número de frecuencias en una celda es lo que determina la capacidad de la misma. Cada compañía con licencia para operar una red móvil tiene asignado un número limitado de frecuencias. Estas son distribuidas a todo lo largo de las celdas en la red. Dependiendo de la carga de tráfico y la disponibilidad de frecuencias, una celda puede tener una o más frecuencias asignadas a ella..

(24) CAPÍTULO 1. PRINCIPALES ASPECTOS DE GSM Y UMTS. 12. Es importante tener en cuenta que cuando se asignen las frecuencias la interferencia sea evitada. Esta interferencia puede deberse a una variedad de factores. Un factor común es el uso de frecuencias similares cercanas unas de otras. Mientras más alta sea la interferencia, menor será la calidad de las llamadas. Para cubrir un país entero, las frecuencias deben ser reutilizadas muchas veces en posiciones geográficas diferentes para lograr proveer a una red de suficiente capacidad. Las mismas frecuencias no pueden ser reutilizadas en celdas vecinas ya que pueden interferirse entre si, por eso los patrones de frecuencias a ser usados se determinan durante la planificación de la red. Un ejemplo de esto se muestra en la figura 1.4 (Ericsson, 1999a):. Figura 1.4. Reutilización de frecuencias (Ericsson, 1999a).. Estos patrones de aprovechamiento de la frecuencia aseguran, que cualquiera de las frecuencias que sean reutilizadas se encuentren separadas a una distancia suficiente, además esto asegura que haya poca interferencia entre ellas. El término “distancia de reutilización de frecuencia” se usa para describir la distancia entre dos frecuencias idénticas en un patrón de aprovechamiento. Mientras menor sea la distancia de reutilización de frecuencia, mayor será la capacidad disponible en la red. 1.2.2. Método de Modulación.. En GSM, el ancho de banda de la portadora es 200 KHz. Por regla general, utilizando técnicas simples de modulación, se puede transmitir 1 bit/s con un 1 Hz. Usando este método, sólo se podría. transmitir 200 Kbit/s con 200 KHz de ancho de banda. Sin. embargo, técnicas de modulación más desarrolladas están disponibles con las cuales se pueden transmitir más bits/s con 1Hz. La técnica de modulación usada en GSM se denomina GMSK (Gaussian Minimum Shift Keying) GMSK posibilita la transmisión de 270 Kbit/s dentro de un canal del 200 KHz..

(25) CAPÍTULO 1. PRINCIPALES ASPECTOS DE GSM Y UMTS. 13. La capacidad del canal en GSM no se compara favorablemente con otras normas digitales para redes móviles, en las que se pueden acomodar más bits/s dentro de un canal. En este sentido la capacidad de otras normas móviles es más alta. Sin embargo, GSM tiene mayor tolerancia a la interferencia. Esto a su vez posibilita la reutilización más apretada de las frecuencias, lo cual conduce a una ganancia global en la capacidad por encima del desempeño de otros sistemas (Furuskna, 1999)..  Método de Acceso: Acceso múltiple por división del tiempo (TDMA). La mayoría de los sistemas celulares digitales usan la técnica de TDMA para transmitir y recibir señales de voz. Con TDMA, una portadora se usa para transmitir un número de llamadas, cada llamada usa la portadora mediante períodos de tiempo asignados a cada una. Estos períodos de tiempo son a los que se denominan ranuras de tiempo. A cada MS en una llamada se le asigna una ranura de tiempo en la frecuencia del enlace de bajada y una en la frecuencia del enlace de subida. La información enviada durante una ranura de tiempo se llama ráfaga. En GSM, una trama TDMA consta de 8 ranuras de tiempo por lo tanto hay 8 canales físicos por cada frecuencia de portadora en GSM. Esto quiere decir que una portadora de radio de GSM puede transmitir 8 llamadas como se muestra en la figura 1.5 (Ericsson, 1999a).. Figura 1.5. Transmisión de llamadas en TDMA (Ericsson, 1999a).. 1.3. Modificaciones en el sistema GSM. El sistema GPRS.. El sistema GPRS se diseñó con el objetivo de mejorar la calidad de los servicios de GSM ya que introducía la conmutación de paquetes como técnica para la transmisión de datos. El.

(26) CAPÍTULO 1. PRINCIPALES ASPECTOS DE GSM Y UMTS. 14. sistema GPRS es considerado una extensión de la red GSM que ofrece un servicio adicional a los usuarios que deseen tener acceso a Internet o a redes LAN utilizando un MS como dispositivo para conectarse. 1.3.1 Características de las Conmutaciones de Circuitos y de Paquetes. Mientras que el sistema GSM utiliza la conmutación de circuitos en la interfaz aérea para la telefonía, el sistema GPRS utiliza la conmutación de paquete, ambos según el estándar GSM. En el sistema GSM para la comunicación mediante la conmutación de circuito (Circuit Switching (CS)) la red le asigna un canal de radio a un MS para la transmisión de datos. Aunque el volumen de datos a transmitir sea pequeño el canal de radio se mantiene ocupado durante la conexión y el usuario debe pagar por el tiempo completo que esta dure. Esto provoca que los recursos de radio no se utilicen de forma eficiente desperdiciándose el ancho de banda disponible. El sistema GPRS al igual que otros sistemas que utilizan la conmutación de paquetes (Packet Switch (PS)), se caracteriza por el hecho de que un canal de radio se comparte entre varios MSs. Cuando un MS genera un paquete de datos, la red lo envía a su destino en el primer canal de radio disponible. Cuando se transfiere un mensaje con grandes cantidades de datos, se divide el mensaje en varios paquetes. Una vez que los paquetes alcancen su destino, se vuelven a montar para formar el mensaje original. Todos los paquetes recibidos se almacenan en datos almacenadores intermediarios. Los paquetes de datos de los MSs pueden utilizar varios canales de radio para varios paquetes durante la transmisión. Todo esto provoca un uso eficiente de los escasos recursos de radio y por lo tanto un aumento de la capacidad y de la calidad de los servicios de la red (Ericsson, 1999b). 1.3.2 Estructura de la red GPRS. Como se mencionó anteriormente el sistema GPRS es un extensión de de la red GSM y por lo tanto los componentes de la red GSM se mantiene igual. El sistema GPRS lo que hace es agregar a la red dos nuevos nodos como se muestra en la figura 1.6. Estos nodos son los encargados de realizar la conmutación de paquetes y se denominan (Ericsson, 1999b):.

(27) CAPÍTULO 1. PRINCIPALES ASPECTOS DE GSM Y UMTS. 15.  SGSN (Serving GPRS Support Node)  GGSN (Gateway GPRS Support Node). Figura 1.6. Componentes de la red GPRS..  Nodo de Soporte de Servicios GPRS (SGSN). El SGSN es un componente primario usado en la red GSM por el sistema GPRS. El SGSN es el encargado de transferir y encaminar los paquetes de datos entrantes y salientes de los MSs que se encuentren dentro de su área de servicio. Además de esta función el SGSN se encarga de:  Autentificación y registro de los móviles.  Actualización de la posición de los usuarios.  Conexión con los demás nodos de la red GSM.  Salida de los datos de facturación.  Nodo de Soporte de Entrada GPRS (GGSN). Al igual que el SGSN el GGSN es un nodo primario de la red GSM utilizado por el sistema GPRS y su principal función es la de proveer la interfaz hacia las redes externas IP. Por lo tanto GGSN es el encargado de la interconexión con los Proveedores de Servicios de Internet (ISP). Desde el punto de vista de las redes IP, el GGSN actúa como un router para las direcciones IP de los suscriptores que cuentan con el servicio de la red GPRS ya que oculta la infraestructura de la red GPRS al resto de las redes externas. Las principales funciones de GGSN son:.

(28) CAPÍTULO 1. PRINCIPALES ASPECTOS DE GSM Y UMTS. 16.  Mantener los datos de los usuarios: El nodo GGSN contiene información sobre cuál es el nodo SGSN al que está conectado el usuario para saber donde enviar los datos de Internet o intranet que este solicita.  Asignación de direcciones IP a los terminales GPRS de forma estática o dinámica.  Proporcionar los servicios básicos para el acceso a ISP.  Garantizar la privacidad y seguridad para la red de transporte y el terminal GPRS. 1.3.3 Procesamiento de los bloques de datos. Los paquetes de datos contenidos en las tramas LLC (Logical Link Control) provenientes del SGSN son cortados en pequeños bloques RLC/MAC (Radio Link Control / Medium Access Control) en el BSC como se muestra en la figura 1.7. Luego los bloques RLC/MAC son codificados en bloques de radio de 456 bits. Cada bloque de radio es enviado en cuatro ráfagas consecutivas en una ranura de tiempo (TS). Por ejemplo si a un MS se le asignan las ranuras de tiempo de la uno a la cuatro, se envía un bloque de radio en cuatro ráfagas en la ranura uno, luego un segundo bloque de radio en la ranura dos, y así consecutivamente. La transmisión de paquetes se denomina Flujo Temporal de Bloques (TBF) y en correspondencia con la conmutación de circuito seria la asignación de un uplink y de un downlink.. Figura 1.7. Procesamiento de los bloques de datos (Ericsson, 1999b).. Cada TBF es direccionado por un TFI (Flujo Temporal de Identidad) asignado por la red. Cuando se asigna un TBF, al MS se le informa la ranura de tiempo a usar y su dirección de TFI. A varios MSs se le pueden asignar recursos de una misma ranura de tiempo ya que la cabecera de cada bloque de tráfico en el enlace de bajada contiene un TFI que muestra a cual MS se dirige el bloque de radio. La cabecera de los bloques de tráfico en el enlace de.

(29) CAPÍTULO 1. PRINCIPALES ASPECTOS DE GSM Y UMTS. 17. bajada también contienen un USF (Uplink State Flag) que se utiliza para notificarle al MS cuales TBFs puede utilizar en el próximo enlace de subida para enviar un bloque de radio (Ericsson, 1999b). 1.4. El sistema UMTS.. El sistema UMTS fue desarrollado por el Proyecto de la Sociedad de Tercera Generación (3GPP) con el objetivo de satisfacer la alta demanda de servicios de multimedia, mediante el uso eficiente de los recursos de radio. Este sistema ha tenido tanto éxito, que se ha convertido en la plataforma principal de las comunicaciones móviles y su implementación constituye la principal tarea de las compañías de telefonía celular. Los beneficios primarios de UMTS incluyen alta eficiencia espectral y soporte para aplicaciones de datos que requieren un elevado ancho de banda. Los operadores pueden utilizar una red central común que brinde soporte a múltiples redes de acceso de radio, entre ellas GSM, GPRS y WCDMA. En redes con acceso disponible tanto a GSM como a WCDMA, la red puede conmutar usuarios entre estas redes. Esto resulta importante para administrar la capacidad ya que se puede seleccionar la red de acceso de radio más adecuada para el usuario, dependiendo de las preferencias del usuario y de la carga que tenga la red en ese momento (Ojanpera, 1998). 1.4.1 Requerimientos de un sistema 3G. Los principales requerimientos de un sistema de 3G son: (Nokia Networs, 2006) Alta velocidad en transmisión de datos, hasta 144 Kbit/s, velocidad de datos móviles (vehicular); hasta 384 Kbit/s, velocidad de datos portátil (peatonal) y hasta 2 Mbit/s, velocidad de datos fijos (terminal estático). Transmisión de datos simétrica y asimétrica. Servicios de conmutación de paquetes y conmutación de circuito. Calidad de voz comparable con la calidad ofrecida por los sistemas de telefonía fija. Mayor capacidad y mejor eficiencia del espectro con respecto a los sistemas actuales. Capacidad de proveer servicios simultáneos a usuarios finales y terminales..

(30) CAPÍTULO 1. PRINCIPALES ASPECTOS DE GSM Y UMTS. 18. Incorporación de sistemas de segunda generación y posibilidad de coexistencia e interconexión con servicios móviles por satélite. Los sistemas de tercera generación deberán proveer soporte para aplicaciones como: Voz en banda estrecha a servicios multimedia en tiempo real y banda ancha. Apoyo para datos a alta velocidad para navegar por la world wide web, entregar información como noticias, tráfico y finanzas por técnicas de empuje y acceso remoto inalámbrico a Internet e intranets. Servicios unificados de mensajes como correo electrónico multimedia. Aplicaciones de comercio electrónico móvil, que incluye operaciones bancarias y compras móviles. Aplicaciones audio/video en tiempo real como videoteléfono, videoconferencia interactiva, audio y música, aplicaciones multimedia especializadas como telemedicina y supervisión remota de seguridad. 1.4.2 Arquitectura general de la red UMTS. Una red UMTS utiliza la misma red central de GSM pero con una interfaz de radio completamente diferente. La red está compuesta por dos partes fundamentales como se muestra en la Figura 1.8 (Castro, 2001).. Figura 1.8. Arquitectura de la red UMTS.

(31) CAPÍTULO 1. PRINCIPALES ASPECTOS DE GSM Y UMTS. 19.  Red Central (CN).  Red Terrestre UMTS de Acceso de Radio (UTRAN). En UMTS se distinguen varias tecnologías: TDD-WCDMA, FDD-WCDMA, TD-SCDMA. Para este trabajo se adoptó como tecnología de 3G a desplegar, la FDD-WCDMA, por ser la más universalmente disponible y utilizada a nivel mundial, por tanto, a partir de aquí, el término UMTS se referirá a esta tecnología en particular. 1.4.2.1 Red Central (CN). La principal función de la Red Central es proporcionar la conmutación, el enrutamiento y el tránsito para el tráfico de los usuarios. También contiene las bases de datos y las funciones para la administración de la red. La arquitectura básica de una CN para UMTS está basada en la red GSM y GPRS. Pero todos los equipos son modificados mediante una actualización de software para las operaciones y los servicios de UMTS. La CN se divide en conmutación de circuitos y conmutación de paquetes. Los elementos que utilizan la conmutación de circuito son el MSC y el VLR. Los elementos con conmutación de paquetes son los SGSN y el GGSN. Algunos elementos como el EIR, HLR, VLR y AUC son compartidos por ambos dominios (Castro, 2001). 1.4.2.2 Red Terrestre UMTS de Acceso de Radio (UTRAN). La red UTRAN está compuesta por dos nodos principales:  Controlador de la Red de Radio (RNC). Este nodo es el equivalente al nodo BSC de la red GSM.  Nodo-B. Este nodo es el equivalente al nodo BTS de la red GSM. Los elementos funcionales definidos en UTRAN se comunican entre si por una serie de interfaces: Interfaz entre CN y RNS (Iu). Interfaz entre los RNC (Iur). Interfaz entre el RNC y Los Nodos-B (Iub)..

(32) CAPÍTULO 1. PRINCIPALES ASPECTOS DE GSM Y UMTS. 20. Interfaz de radio (Uu). 1.4.2.3 Interfaz Iu. La interfaz Iu es el punto de conexión entre el Subsistema de Red de Radio (RNS) y la Red Central (CN). Esta interfaz se divide en tres componentes separadas, cada una destinada a un dominio concreto de la Red Central. La primera se denomina Iu-CS (Conmutación de Circuito), es la correspondiente al dominio de conmutación de circuito y es por donde se encaminan las conexiones en este modo. La segunda se denomina Iu-PS (Conmutación de Paquete) y como su nombre lo indica, se destina al dominio de conmutación de paquetes. Por último se define Iu- BC (Broadcast), se destina para la conexión con el dominio de difusión. En el caso de los dominios PS y CS, un RNC solo se podrá conectar a un punto de acceso de la Red Central. En el caso del BSC la conexión se permite con más de un punto de acceso (Muratore, 2001). 1.4.2.4 Interfaz Iur. La interfaz Iur es la que existe entre dos RNC pertenecientes a la red UTRAN. Esta interfaz no tiene analogía en los sistemas de Segunda Generación. Su implementación es opcional y de realizarse, permite liberar a la red central de las decisiones del handover entre celdas pertenecientes a RNC diferentes. En definitiva, sitúa la gestión de la movilidad de las conexiones de radio dentro de la red de acceso (Muratore, 2001). 1.4.2.5 Interfaz Iub. La interfaz Iub es la interfaz entre un RNC y un Nodo-B, donde este último controla a un grupo de celdas y al cual se le puede ordenar que establezca o libere los enlaces de radio en el área de cobertura del grupo de celdas (Castro, 2001). 1.4.2.6 Interfaz Uu. Es la interfaz entre el Nodo B y los equipos de usuarios. En lo referente a la red central el UMTS ofrece un enfoque evolutivo, que cuida de ser posible la construcción de dichas redes sobre las ya existentes de 2G, pero la situación en la interfaz de radio es opuesta. Esto.

(33) CAPÍTULO 1. PRINCIPALES ASPECTOS DE GSM Y UMTS. 21. ocurre así porque UMTS utiliza la tecnología WCDMA a diferencia de TDMA, empleada en la mayoría de los sistemas de 2G (Muratore, 2001). Las principales diferencias en la interfaz aérea entre WCDMA y GSM se muestran en la siguiente tabla (Vandendorpe, 2010): Tabla 1.1. Diferencias entre WCDMA y GSM. Aspectos. WCDMA. GSM. Longitud de la portadora. 5 MHz. 200 KHz. Factor de reutilización de 1. 1-18. frecuencias Control de la calidad. Diversidad de frecuencia. Los recursos de radio se. Planificación de la red. administran mediante. (Planificación de. software. frecuencias). 5 MHz de ancho de banda Saltando frecuencias posibilitan. diversidad. de. multitrayecto Paquetes de datos. Los paquetes se crean según Los paquetes se crean con la carga. GPRS según las ranuras de tiempo disponibles.. Diversidad transmitida en Soportada para mejorar la No apoyado por el estándar, el enlace descendente calidad del enlace pero puede ser aplicado descendente. 1.4.3 Principales aspectos del sistema WCDMA. A la red UTRAN también se le conoce con el nombre de Amplio Acceso Múltiple por División de Códigos (WCDMA) debido a que esta es la tecnología que hace posible el aumento del ancho de banda y que se obtengan altas razones de transmisión de datos en la red de acceso de radio de UMTS..

(34) CAPÍTULO 1. PRINCIPALES ASPECTOS DE GSM Y UMTS. 22. El sistema WCDMA es uno de los principales adelantos que se introducen con las redes UMTS. Con este sistema se logra maximizar la capacidad de las redes móviles ya que hace posible que los usuarios trabajen a una sola frecuencia. Por ejemplo, con la tecnología TDMA de la redes GSM es necesario dividir el ancho de banda asignado en varias portadoras de frecuencia para poder cubrir todo el área de servicio de la red, lo cual limita considerablemente la capacidad de la misma. Con el sistema WCDMA esto no es necesario ya que los usuarios trabajan a una misma frecuencia y por lo tanto se dispone de todo el ancho de banda en todos los sectores de la red. Esto se debe a que en WCDMA los usuarios se separan mediante códigos de extendido (spreading) (Nawrocki, 2006). Para la red UTRAN existen dos códigos de extendido en su interfaz aérea: los códigos ortogonales y los códigos de pseudo-ruido. Ambos son usados tanto en el enlace de subida como en el enlace de bajada. Los códigos ortogonales son aquellos que en un ambiente ideal no interfieren unos con otros. Para lograr esto los códigos deben estar sincronizados en el tiempo. Por otra parte los códigos de pseudo-ruido son códigos con muy buena auto correlación. La auto correlación mide la correlación entre la señal y la versión de la misma que ha sido retardada en el tiempo. Si la señal recuperada en el receptor es multiplicada por el código de pseudo-ruido que la generó, debe haber una buena auto correlación siempre que la señal sea correcta (Nawrocki, 2006). 1.4.3.1 Proceso de extendido en WCDMA. El proceso de extendido de UTRAN consiste en dos operaciones separadas: canalización y revoltura (scrambling). En el proceso de canalización se transforma cada símbolo de datos en un número mayor y se denominan chips, incrementándose el ancho de banda de la señal. Aunque esta operación no parezca adecuada debido al aumento del ancho de banda, si es muy útil porque la señal se hace más resistente contra la interferencia y puede sobrevivir en un ambiente ruidoso haciendo posible que el receptor siempre recupere la señal original. Los códigos de canalización son ortogonales. Los factores de extendido en WCDMA van de 4 a 512, en donde del 4 al 256 se utilizan en el enlace de subida y hasta el 512 para el enlace de bajada. Por ejemplo un factor de extendido de 4 significa que por cada dato de la señal, existen.

(35) CAPÍTULO 1. PRINCIPALES ASPECTOS DE GSM Y UMTS. 23. cuatro chips en el código de extendido. Estos códigos se utilizan en el enlace de bajada para separar los diferentes usuarios dentro de una celda y en el enlace de subida para separar los canales físicos de un usuario. Estos códigos no pueden ser usados por la estación base para separar diferentes usuarios en el enlace de subida ya que los móviles no se encuentran sincronizados en el tiempo y en consecuencia sus códigos no son ortogonales (Nokia Networs, 2006). El proceso de revoltura ocurre después de la canalización. Los códigos de revoltura son códigos de pseudo-ruido. Existen 224 códigos de revoltura en el enlace de subida así que no es necesario un manejo cuidadoso de ellos. Al móvil se le informa mediante un mensaje en el enlace de bajada cual código debe utilizar. Los códigos de revoltura en el enlace de bajada son divididos en 512 juegos, cada uno compuesto por un código primario y 15 secundarios. A cada celda se le asignan uno y solo un código de revoltura primario. El canal de control común primario es transmitido usando el código de revoltura primario. Los demás enlaces en el canal de bajada son transmitidos con el juego de códigos que pertenecen al código primario asignado a la celda en cuestión (Nokia Networs, 2006). 1.5. Acceso de Paquetes a Alta Velocidad (HSPA).. Uno de los aspectos más importantes en los sistemas móviles de tercera generación (3G) es el incremento del acceso de los paquetes de datos. Con WCDMA Recomendación 99 (R.99) de 3GPP se proporcionan razones de datos de 384 Kbit/s para el área de cobertura de la red. Sin embargo con esta razón de datos todavía no se lograba satisfacer la demanda de los usuarios, por lo que se requirió un incremento de los servicios de paquetes de datos y de la calidad de los mismos. Como respuesta a esto 3GPP crea HSPA en WCDMA R.5/R.6. Con HSPA se logra mejorar considerablemente la experiencia del usuario final ya que proporciona razones de datos de 14 Mbit/s en el enlace de bajada y 5.8 Mbit/s en el enlace de subida. Con esta notable mejoría se logró aumentar hasta cinco veces más la capacidad del enlace de bajada y hasta dos veces la del enlace de subida y por lo tanto se logró reducir el costo de producción por bits (Ericsson, 2007)..

(36) CAPÍTULO 1. PRINCIPALES ASPECTOS DE GSM Y UMTS. 24. 1.5.1 Tecnología HSPA en el enlace de bajada (HSDPA). HSDPA (WCDMA 3GPP R.5) se basa en la transmisión compartida de canal, lo que significa que algunos códigos de canal y la potencia de transmisión en una celda se consideran como recursos comunes para ser compartidos dinámicamente entre los usuarios en tiempo y en los dominios del código. Esto trae consigo un uso más eficiente de los recursos disponibles en WCDMA. HSDPA le agrega un nuevo canal de transporte a WCDMA, HS-DSCH (High Speed Downlink Shared Channel), que proporciona un alto desempeño de las aplicaciones en el enlace de bajada. HSDPA utiliza los canales de datos de alta velocidad llamados HS-PDSCH (High Speed Physical Downlink Shared Channels) para transportar a HS-DSCH. Hasta 15 canales HS-PDSCH pueden operar en un radio canal de WCDMA. Cada uno utiliza un factor de extendido fijo igual a 16. A las transmisiones de los usuarios se le asignan uno o más de estos canales para un TTI (Transmission Time Interval) corto de 2 ms, que es mucho menor que el TTI de 10 a 20 ms utilizado en WCDMA R.99. Esto le permite a la red asignarle a los usuarios de forma instantánea los canales de mejores condiciones y los que verdaderamente necesite (Ericsson, 2007). 1.5.1.1 Modulación de Alto Nivel. WCDMA utiliza la modulación QPSK para la transmisión en el enlace de bajada. Además de QPSK, HSDPA puede utilizar si existen buenas condiciones en el canal de radio 16QAM para proporcionar razones de datos más altas. La ventaja de 16QAM es que transmite 4 bits de datos en cada símbolo de radio al contrario QPSK que solo transmite 2 bits por símbolo (Figura 1.9) logrando con esto un mayor aprovechamiento del ancho de banda (Ericsson, 2007).. Figura 1.9. Comparación entre QPSK y 16QAM (Ericsson, 2007)..

(37) CAPÍTULO 1. PRINCIPALES ASPECTOS DE GSM Y UMTS. 25. 1.5.2 Tecnología HSPA en el enlace de subida (HSUPA). Mientras que HSDPA optimiza el funcionamiento del enlace de bajada, HSUPA (WCDMA 3GPP R.6) mediante la utilización del canal E-DCH (Enhanced Dedicated Channel) optimiza el funcionamiento del enlace de subida. HSUPA da la posibilidad de incrementar en un 85% el rendimiento total de la celda en el enlace de subida y más de un 50% de ganancia en el procesamiento de los usuarios. A diferencia de HSDPA, el nuevo canal que introduce HSUPA no se comparte entre los usuarios, sino que se dedica a un solo usuario. Hasta cuatro códigos pueden ser utilizados para aumentar la razón de datos en el enlace de subida. Por ejemplo, si un usuario necesita enviar grandes volúmenes de datos como un clip de video se le asignan a este usuario más de un código garantizándose una buena calidad de servicio. HSUPA también cuenta con un TTI de 2ms que permite una respuesta más rápida a los cambios en las condiciones de radio propagación y a los errores (Johan Bergman, 2008)..

(38) CAPÍTULO 2. LA SOLUCIÓN DEL ENLACE POR MICROONDA. 26. CAPÍTULO 2. LA SOLUCIÓN DEL ENLACE POR MICROONDA Este capítulo está dedicado a explicar como es posible migrar hacia la 3G utilizando la tecnología de microonda, específicamente en el backhaul de la red, que es el objetivo central de este trabajo. En el mundo más del 50% de las redes utilizan enlaces por microonda debido a que constituyen la solución principal para los países que desean explotar nuevas redes móviles pero que no cuentan con la infraestructura de telecomunicaciones necesaria. Con el uso de la microonda, los operadores pueden ampliar y modernizar sus redes, además de prepararse para crecimientos futuros. Los sistemas de microonda proporcionan una enorme flexibilidad con respecto a otras soluciones, además de ser superiores en cuanto a confiabilidad y costo (Aviat Networks, 2010a). 2.1. Surgimiento del problema.. Una pequeña cantidad de E1s son suficientes para mantener las estaciones bases de 2G y 2.5G. En el caso de nuestro país con un E1 por enlace es suficiente para las estaciones bases. Con la capacidad de datos que se necesita para 3G no seria inteligente ni económico mantener las estaciones solamente con E1s. Para dar solución a esto se necesitan nuevas tecnologías y estrategias. El aumento de la capacidad en las redes de 3G se debe a la necesidad de proporcionar más inteligencia y más eficiencia a la red (Harris Stratex, 2009a). El despliegue de las redes UMTS proporciona una interfaz de radio más eficiente, lo que permite mayores velocidades de datos y más capacidad para la voz. Esta evolución requiere capacidades adicionales de transmisión especialmente en el backhaul de la red para que sea posible transportar el tráfico adicional que se genera en una red UMTS y con esto poder brindar múltiples servicios a los clientes. Por otro lado la tecnología del backhaul de GSM se basa en TDM que es una tecnología de conmutación de circuito, mientras que el despliegue de UMTS requiere una nueva red de backhaul basada en ATM según WCDMA.

(39) CAPÍTULO 2. LA SOLUCIÓN DEL ENLACE POR MICROONDA. 27. R.99 y para la implementación de HSPA se requiere una red Ethernet según WCDMA R.5/R.6. Como el objetivo del trabajo es la modernización de la red, lo lógico seria implementar WCDMA R.5/R.6 que permite contar con una red de mayor capacidad. Construir de forma separada el backhaul de las redes para UMTS y GSM no es una solución eficaz ni rentable y eliminar las redes GSM no tiene lógica, debido a que su infraestructura ya está montada y es una tecnología que funciona muy bien en las aplicaciones de voz. Por eso la solución más lógica y económica consiste en unir las dos tecnologías (GSM y UMTS) en un solo backhaul que permita aprovechar lo mejor de las dos. La tecnología de transporte a utilizar en este backhaul no puede ser cualquiera, los operadores necesitan implementar una tecnología que soporte el aumento de la capacidad que se necesita para satisfacer la demanda de los nuevos servicios de datos (Plewes, 2008). Se pudiera decir que es posible aumentar la capacidad agregando más líneas E1, o utilizando microonda PDH, tecnología SDH o ATM, pero estas soluciones serian demasiado costosas. Existe una relación bastante lineal entre el costo y el ancho de banda al emplear estas tecnologías, es decir al aumentar el ancho de banda, el costo también aumenta. La solución consiste en buscar la manera de desemparejar el ancho de banda del costo y para esto es necesario utilizar una tecnología de paquete que sea más escalable y económica (Plewes, 2008). La tecnología más rentable para entregar capacidad e inteligencia a la red es Ethernet, porque proporciona la flexibilidad, la capacidad y garantiza la calidad de los servicios necesarios para una solución completa en el backhaul. Ethernet trabaja en ráfaga a diferencia de ATM por ejemplo, que trabaja con longitudes de tramas fijas. Ethernet brinda la capacidad de escalar hacia arriba y hacia abajo según se necesite mientras que proporciona la calidad y el aseguramiento de los servicios. Mudarse a una infraestructura de Ethernet tiene la ventaja de poder contar con la capacidad de acomodar las necesidades masivas de escalamiento de la red móvil en desarrollo a un costo razonable (Plewes, 2008). 2.1.1. El costo Operacional.. Anteriormente el backhaul de las redes móviles en todo el mundo se basaba en TDM o.

(40) CAPÍTULO 2. LA SOLUCIÓN DEL ENLACE POR MICROONDA. 28. PDH. En la figura 2.1, lado izquierdo, se muestra la curva del costo asociada a la utilización de TDM en el backhaul en la era de los servicios de datos. Con el uso de una infraestructura de Ethernet se puede disminuir considerablemente la curva del costo como se muestra en la figura 2.1, lado derecho (Alcatel-Lucent, 2009a).. Figura 2.1. Modelos de tráfico, costo y ganancia para Backhaul TDM y Ethernet (Alcatel-Lucent, 2009a).. La curva del tráfico se debe a un número determinado de fuentes. Mientras que la penetración de los suscriptores con servicios de voz está saturada en muchos mercados, el uso de los servicios de voz sigue en aumento debido a la forma de vida de las nuevas generaciones móviles. Sin embargo, el verdadero incremento del tráfico está viniendo en los datos en todas sus formas. Las nuevas tecnologías como en el caso de HSPA, tienen el potencial para generar grandes cantidades de datos (14 Mbit/s en el enlace de subida y 5.8 Mbit/s en el enlace de bajada), en servicios basados en videos, juegos y páginas web. Las nuevas aplicaciones generan un volumen de datos muy alto, por lo que las oportunidades de obtener ganancias son numerosas además de que disminuye el costo por bit transportado (Alcatel-Lucent, 2009a). En el modelo del lado izquierdo de la figura 2.1, la capacidad de la red se incrementa para absorber el tráfico y mantener la disponibilidad de servicios (con el objetivo de atraer y mantener suscriptores), por lo que se hace difícil alcanzar beneficios. En el modelo de backhaul de Ethernet mostrado en el lado derecho de la figura 2.1, se necesita desplegar una menor capacidad debido al uso eficiente de la multiplexación estadística, especialmente en las ráfagas de datos (Alcatel-Lucent, 2009a)..

(41) CAPÍTULO 2. LA SOLUCIÓN DEL ENLACE POR MICROONDA. 29. La multiplexación estadística lo que hace es multiplexar un número de enlaces sobre un enlace común que tenga una capacidad más baja que la capacidad combinada de los enlaces individuales. Esto se realiza aprovechando el hecho de que los períodos de máxima demanda del tráfico no ocurren al mismo tiempo en todos los enlaces y que algunas ráfagas de datos solicitados por los usuarios corresponden a datos de otros usuarios lo cual contribuye a disminuir el ancho de banda que se necesita (Halabi, 2003). Todo esto subraya la necesidad de tener una estructura de costo estable en la red de transporte del backhaul, lo cual se puede obtener con el uso e implementación de una red Ethernet. 2.1.2. Ethernet contra TDM.. Es bueno mencionar algunas ventajas generales de la tecnología de transporte Ethernet basada en la conmutación de paquetes, sobre TDM que se basa en la conmutación de circuitos (Harris Stratex, 2009a)..  Costo: Ethernet entrega un ancho de banda más rentable que otras tecnologías permitiendo la reducción de los gastos operacionales y económicos.  Flexibilidad: Ethernet soporta velocidades desde 1 a 10 Gbit/s en pasos de 1 Mbit/s. En una red de backhaul esto significa que Ethernet puede proporcionar una solución extremo a extremo (end-to-end) desde el sitio celular hasta el centro de la red y con esto se elimina la necesidad de considerar conexiones PDH a una base costosa SDH. Ethernet también soporta fácilmente convergencias con otras redes IP.  Calidad de los servicios (QoS): Ethernet apoya la prioridad de tráfico basado en la QoS. Es decir, si ocurre congestión o deterioro de la calidad, los datos y servicios de alta prioridad como el caso de los servicios de voz se priorizan sobre los servicios de datos que no sean en tiempo real.  Agregación: Con la multiplexación estadística de dos o más flujos de tráfico, las variaciones en el tráfico agregado se disminuyen para consumir la menor cantidad de ancho de banda posible. Esto significa que más datos pueden ser enviados sobre una misma capacidad de enlace en comparación con TDM..

(42) CAPÍTULO 2. LA SOLUCIÓN DEL ENLACE POR MICROONDA. 30.  Escalabilidad: Ethernet se presta fácilmente para mantener muchas conexiones individuales para servicios locales, metropolitanos, nacionales e internacionales. Es decir, da la posibilidad de ofrecer servicios a clientes que requieran velocidades de datos extremadamente altas, pero también permite ofrecer servicios a los clientes que necesiten un ancho de banda más moderado. Esta capacidad de Ethernet permite que los operadores controlen de manera flexible el ancho de banda de sus redes, al ofrecer los servicios según la demanda real de los usuarios.. En resumen, Ethernet se considera la vía principal para expandir el Backhaul de las redes móviles debido a su confiabilidad y disponibilidad. 2.2. Definición de Microonda de Paquete.. En la industria no hay una definición estándar de qué es lo que constituye una Microonda de Paquete. Para proporcionar una respuesta, es conveniente estudiar que cosa no es una Microonda de Paquete (Aviat Networks, 2010b). Para apoyar la necesidad de transportar Ethernet, la microonda tradicional del tipo encontrado en el mercado antes de 2003, típicamente confiaba en los adaptadores externos que encapsulaban los paquetes de Ethernet dentro de tramas de TDM, que eran E1 o envases virtuales en el caso de SDH. Esta adaptación del servicio era ineficiente, porque involucraba un sobre encabezamiento adicional y por lo tanto disminución del ancho de banda del canal de RF (Aviat Networks, 2010b). En cambio, la Microonda de Paquete ha estado en el mercado en una forma u otra desde el 2003, donde los productos de la microonda llegaron a estar disponibles con interfaces de Ethernet integradas (es decir, 10/100/1000BaseT), lo cual permite que los paquetes de Ethernet sean mapeados directamente sobre la trama aérea de radio, sin ninguna encapsulación, lo cual constituye la definición fundamental de una Microonda de Paquete (Aviat Networks, 2010b). En todos los sistemas de microonda, la carga útil necesita ser preparada para el transporte sobre el aire, puesto que el modulador puede manejar solamente datos con longitudes.

(43) CAPÍTULO 2. LA SOLUCIÓN DEL ENLACE POR MICROONDA. 31. predefinidas. Tanto si el tráfico es TDM o paquetes de Ethernet, la carga útil es preparada dividiéndola en bloques, o tramas aéreas, a las cuales se les agregan los datos (Aviat Networks, 2010b). 2.3. Propuesta para la solución.. La solución que se propone en este trabajo está basada en los enlaces de microonda y específicamente en microonda de paquetes, que también se conoce como microonda Ethernet. Se selecciona este tipo de microonda debido a su flexibilidad y a lo fácil que resulta su implementación y montaje. La conmutación de Ethernet se realiza mediante tarjetas dentro de los nodos de microonda por lo que no es necesario el despliegue de nodos adicionales para su implementación. La solución, como se ha venido explicando en el capítulo, consiste en unir el tráfico proveniente de las redes de Segunda y Tercera Generación para transportarlo sobre una sola red de backhaul. Para realizar esta solución se deben instalar equipos de microonda en los sitios celulares, que permitan agregar y desagregar la información proveniente de las BTS y de los Nodos-B para que sea transportada sobre Ethernet hacia los RNC y los BSC como se muestra en la figura 2.2. Por supuesto que en los RNC y BSC también hay que instalar equipos que permitan realizar la agregación y desagregación de la información que se transmite y recibe.. Ethernet. Figura 2.2. Esquema de la solución propuesta..

(44) CAPÍTULO 2. LA SOLUCIÓN DEL ENLACE POR MICROONDA. 32. El transporte de TDM sobre Ethernet es posible debido al uso de las nuevas tecnologías de la emulación del circuito, tales como el pseudo-cable. La mayoría de los fabricantes incluyen esta tecnología en sus equipos por lo que no es necesario gastos adicionales. Los equipos de microonda que existen para implementar este tipo de solución permiten ofrecer servicios de enlace punto a punto y enlaces punto a multipunto, lo cual brinda gran comodidad a los operadores porque permite realizar el planeamiento de la cobertura de radio de manera más fácil, usando menos terminales de radio para cubrir la misma área. También posibilita la implementación de nodos de agregación, permitiendo que se comparta el tráfico en la red y que se utilice de manera más eficiente el ancho de banda disponible. 2.3.1 Modo Mezclado o Híbrido. Otra posible solución para el backhaul sería implementar el modo mezclado. Esta solución consiste en transportar lado a lado (de forma paralela) los datos de TDM y Ethernet nativo (Ethernet + TDM); es decir, se trata de la superposición de una red de TDM con Ethernet, donde Ethernet se utiliza para resolver la demanda cada vez mayor de datos. Ver figura 2.3. Figura 2.3. Modo Mezclado (Harris Stratex, 2009a).. Tal estrategia tiene merito desde el punto de vista de maximizar el uso de la infraestructura existente de TDM, mientras que se reduce al mínimo el riesgo asociado a la introducción de una nueva tecnología. El único problema radica en la relación costo/eficiencia. Esta solución debe representar un costo más bajo que la migración a todo Ethernet, lo cual no ocurre así, si se tiene en cuenta que cada día aumenta la demanda de servicios con la incorporación de nuevos clientes. No obstante la solución es muy buena y apoya la migración de forma eficiente a una red de todo Ethernet cuando sea necesario y sin costo.