MÁSTER UNIVERSITARIO EN INGENIERÍA DE TELECOMUNICACIÓN

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(1)MÁSTER UNIVERSITARIO EN INGENIERÍA DE TELECOMUNICACIÓN. TRABAJO DE FIN DE MÁSTER Planificación y Optimización de Redes Móviles con Herramientas de Software Libre Curso 2012-2013 AUTOR: DIEGO RODOLFO VILLACRÉS CAICHO DIRECTORES: Prof. BALTASAR BEFERULL LOZANO Dr. CARMEN BOTELLA MASCARELL.

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(3) Agradecimientos A la Virgen Dolorosa, por haberme cuidado y protegido. A mi esposa Gaby, el mejor regalo que Dios me pudo dar. A mis padres, Gladys y Rodrigo, por darme cada día su incondicional apoyo. A mis hermanos, Paulina y Jorge, por los ánimos que me dan siempre. A Carmen y Baltasar por brindarme su total confianza, ayuda, consejos y orientación..

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(5) CONTENIDO SECCIÓN I. REDES DE COMUNICACIONES MÓVILES. ..... 1 CAPÍTULO 1. 1.1. 1.2. 1.3.. INTRODUCCIÓN ........................................................................... 3. Motivación ................................................................................................................... 3 Contribución ................................................................................................................ 3 Organización del Trabajo ............................................................................................. 4. CAPÍTULO 2.. EVOLUCIÓN DE LOS SISTEMAS DE COMUNICACIONES MÓVILES ANTES DE 3G. ............................................................. 5. 2.1. 2.1.2. 2.1.3. 2.2. 2.2.1. 2.2.2.. Sistemas de Comunicaciones Móviles de Primera Generación ................................... 5 Telefonía Móvil Nórdica (Nordic Mobile Telephony - NMT) .................................... 5 Sistema Telefónico Móvil Avanzado (Advanced Mobile Phone System - AMPS) .... 5 Sistemas de Comunicaciones Móviles de Segunda Generación. ................................. 5 Red Mejorada Digital Integrada (Integrated Digital Enhanced Network - iDEN) ...... 6 Red de Acceso Múltiple por División de Código (Code Division Multiple Access CDMA) ........................................................................................................................ 6 2.2.3. Sistema Global para las Comunicaciones Móviles (Global System for Mobile Communication - GSM) .............................................................................................. 6 2.2.3.1. Estación Móvil (Mobile Station - MS) ........................................................................ 7 2.2.3.2. Subsistema de Estación Base (Base Station Subsystem - BSS) ................................... 7 2.2.3.3. Subsistema de Conmutación de Red (Network Switching Subsystem - NSS) ............ 7 2.2.3.4. Subsistema de Soporte y Operación (Operation and Support Subsystem - OSS) ........ 7 2.2.4. Servicio General de Radio por Paquetes (General Radio Packet Service - GPRS) ..... 7 2.2.5. Tasas de Datos Mejoradas para la evolución de GSM (Enhanced Data Rates for GSM Evolution – EDGE) ............................................................................................ 8. CAPÍTULO 3.. REDES MÓVILES DE TERCERA GENERACIÓN .................... 11. 3.1. Arquitectura del Sistema UMTS ................................................................................ 12 3.1.1. Equipo de Usuario (User Equipment - UE) ............................................................... 13 3.1.2. Red de Acceso de Radio (Radio Access Network - RAN) ........................................ 13 3.1.2.1. Estaciones Base 3G o NodosB ................................................................................... 13 3.1.2.2. Controlador de la Red de Radio (Radio Network Controller - RNC) ........................ 13 3.1.3. Core Network (CN).................................................................................................... 13 3.1.3.1. Home Location Register (HLR) ................................................................................. 14 3.1.3.2. Mobile Services Switching Center (MSC)................................................................. 14 3.1.3.3. Visitor Location Register (VLR) ............................................................................... 14 3.1.3.4. Gateway Mobile Services Switching Center (GMSC)............................................... 14 3.1.3.5. Centro de Autenticación (Authentication Center - AUC) .......................................... 14 3.1.3.6. Equipment Identity Register (EIR) ............................................................................ 14 3.1.3.7. Serving GPRS Support Node (SGSN) ....................................................................... 14 3.1.3.8. Gateway GPRS Support Node (GGSN)..................................................................... 15 3.2. Sistema de Administración de Red (Network Management System - NMS) .............. 15 3.3. Handover en UMTS ................................................................................................... 15 3.3.1. Hard Handover ........................................................................................................... 15 3.3.2. Soft Handover ............................................................................................................ 15 3.3.3. Softer Handover ......................................................................................................... 15 ii.

(6) 3.4. 3.4.1. 3.4.2. 3.4.3. 3.4.4. 3.5. 3.5.1. 3.5.2. 3.6. 3.6.1.. Interfaces y Señalización en las Redes 3G................................................................. 16 Interfaz de Acceso Radio WCDMA o Uu ................................................................. 16 Interfaz Iub ................................................................................................................. 16 Interfaz Iur ................................................................................................................. 16 Interfaz Iu ................................................................................................................... 16 WCDMA - Interfaz de Acceso Radio en UMTS ....................................................... 16 Códigos de Canalización............................................................................................ 17 Códigos de Scrambling .............................................................................................. 18 Acceso de Paquetes de Alta Velocidad (High Speed Packet Access – HSPA) .......... 18 Acceso de Paquetes de Descarga de Alta Velocidad (High Speed Downlink Packet Access - HSDPA) ...................................................................................................... 18 3.6.2. Acceso de Paquetes de Subida de Alta Velocidad (High Speed Uplink Packet HSUPA) ..................................................................................................................... 19 3.6.3. Acceso de Paquetes de Alta Velocidad Evolucionada (Evolved High-Speed Packet Access - HSPA+) ....................................................................................................... 19. CAPÍTULO 4.. REDES MÓVILES DE CUARTA GENERACIÓN ..................... 21. 4.1. 4.1.1. 4.1.2. 4.1.3. 4.1.4. 4.1.5.. Arquitectura LTE ....................................................................................................... 22 Equipo de Usuario (User Equipment - UE) ............................................................... 23 E-UTRAN NodoB o eNodoB .................................................................................... 23 Entidad de Administración de Movilidad (Mobility Management Entity - MME) ... 23 Serving Gateway (SGW) ........................................................................................... 23 Gateway de la Red de Paquete de Datos (Packet Data Network Gateway - PDNGW) ........................................................................................................................... 24 4.1.6. Política y Función de Carga de Recursos (Policy and Charging Resource Function PCRF) ........................................................................................................................ 24 4.1.7. Servidor de Subscripción Local (Home Subscription Server - HSS)......................... 24. SECCIÓN II. OPTIMIZACIÓN Y PLANIFICACIÓN............... 27 CAPÍTULO 5.. OPTIMIZACIÓN Y PLANIFICACIÓN DE LA RED DE RADIO. .......................................................................................... 29. 5.1. Proceso de Planificación de la Red de Radio ............................................................. 29 5.1.1. Requerimientos de Red .............................................................................................. 30 5.1.2. Pre-Planificación ........................................................................................................ 30 5.1.3. Site Survey y Selección del Sitio ............................................................................... 30 5.1.4. Análsis C/I (Carrier to Interference) – Plan de frecuencias. ...................................... 30 5.1.5. Planificación de Parámetros ....................................................................................... 30 5.1.6. Plan de Red de Radio ................................................................................................. 30 5.2. Indicadores de Rendimiento de Enlace de Radio WCDMA ...................................... 31 5.2.1. Block Error Rate (BLER) .......................................................................................... 31 5.2.2. Bit Error Rate (BER) ................................................................................................. 31 5.2.3. Relación Energía de Bit a Densidad Espectral de Ruido Eb/No ................................ 31 5.2.4. Relación Energía Chip a Densidad Espectral de Potencia Ec/Io ............................... 32 5.2.5. Control de Potencia Headroom .................................................................................. 32 5.2.6. Tasa de Borrado de Tramas (Frame Erasure Rate - FER) ......................................... 32 5.2.7. Potencia Radiada Isotrópica Efectiva (Effective Isotropic Radiated Power – EIRP) 32 5.3. ARQUITECTURA DEL PROTOCOLO DE INTERFAZ DE RADIO .................... 32 5.3.1. L1: Capa Física .......................................................................................................... 33 5.3.2. L2: Capa de Enlace .................................................................................................... 33 5.3.2.1. Control de Acceso al Medio (Medium Access Control - MAC) ............................... 33 iii.

(7) 5.3.2.2. Control de Enlace de Radio (Radio Link Control - RLC) ......................................... 33 5.3.2.3. Control Broadcast y Multicast (BMC) ....................................................................... 33 5.3.2.4. Protocolo de Convergencia de Paquetes de Datos (Packet Data Convergence Protocol - PDCP) ...................................................................................................... 34 5.3.3. L3: Capa de Recursos de Radio (Radio Resource Control - RRC)............................ 34 5.4. Canales UMTS ........................................................................................................... 34 5.4.1. Canales Lógicos ......................................................................................................... 35 5.4.2. Canales de Transporte ................................................................................................ 36 5.4.3. Canales Físicos........................................................................................................... 36 5.5. Gestión de los Recursos de Radio .............................................................................. 37 5.5.1. Control de Potencia (Power Control – PC) ................................................................ 38 5.5.2. Control de Handover (Handover Control - HC) ........................................................ 38 5.5.3. Control de Congestión ............................................................................................... 39 5.5.4. Gestión de Recursos (Resource Manager - RM)........................................................ 39 5.6. Dimensionamiento de la Red de Radio ...................................................................... 39 5.6.1. Propagación de la Onda de Radio .............................................................................. 40 5.6.1.1. Modelo Okumura–Hata ............................................................................................. 41 5.6.1.2. Modelo Walfish–Ikegami .......................................................................................... 41 5.6.1.3. Rango de la Celda y Estimación del Área de Cobertura de la Celda ......................... 42 5.6.2. Herramientas de Dimensionamiento .......................................................................... 43 5.7. Optimización de la Red de Radio .............................................................................. 43 5.8. Principales KPIs ......................................................................................................... 44 5.8.1. Tasa de Caídas de Llamadas (Drop Call Rate - DCR) ............................................... 44 5.8.2. Tasa de establecimiento exitoso de llamada (Call Setup Success Rate - CSSR) ....... 44 5.8.3. Tasa de Éxitos de Handover (Handover Success Rate - HOSR) ............................... 44 5.8.4. Disponibilidad TCH y SDCCH.................................................................................. 44 5.8.5. Calidad TRX Quality ................................................................................................. 44 5.8.6. Caídas SDCCH .......................................................................................................... 45 5.9. Mejoras de Cobertura ................................................................................................. 45 5.9.1. Mejora de la Pérdida por Propagación (Path Loss) .................................................... 45 5.9.2. Celda Extendida ......................................................................................................... 45 5.9.3. Cobertura de interior (indoor) .................................................................................... 46 5.10. Mejoras de Capacidad ................................................................................................ 46 5.10.1. Técnicas de Asignación del Canal de Radio .............................................................. 46 5.10.2. Reintento Directo ....................................................................................................... 46 5.10.3. Compartición de Carga .............................................................................................. 46 5.10.4. Transmisión Discontinua ........................................................................................... 46 5.10.5. Saltos de Frecuencia .................................................................................................. 47 5.10.6. Control de Potencia de Uplink y Downlink ............................................................... 47 5.10.7. Extensión Física de la Red ......................................................................................... 47. SECCIÓN III. CAPÍTULO 6.. HERRAMIENTAS Y RESULTADOS. .......... 49 HERRAMIENTAS DE SOFTWARE LIBRE PARA PLANIFICACIÓN Y OPTIMIZACIÓN DE REDES MÓVILES. 51. 6.1. Herramientas no Escogidas ........................................................................................ 51 6.1.1. Xirio Online ............................................................................................................... 51 6.1.2. Implementación en Matlab de una herramienta de planificación de la red de radio estático para WCDMA (npsw)................................................................................... 52 6.1.3. Cellular Expert ........................................................................................................... 53 6.2. Herramientas Escogidas ............................................................................................. 53 6.2.1. Radio Mobile ............................................................................................................. 53 iv.

(8) 6.2.1.1. Instalación de Radio Mobile ...................................................................................... 54 6.2.1.2. Obtención de Datos de Elevación y Creación de Mapas ........................................... 55 6.2.1.3. Posicionamiento de los elementos de Red ................................................................. 58 6.2.1.4. Propiedades de las Redes ........................................................................................... 60 6.2.1.5. Enlaces y Cobertura ................................................................................................... 66 6.2.1.6. Guardar el Proyecto ................................................................................................... 71 6.2.1.7. Montar en Google Earth............................................................................................. 71 6.2.2. Agileto ....................................................................................................................... 72 6.2.2.1. Instalación 73 6.2.2.2. Actualización ............................................................................................................. 75 6.2.2.3. Base de Datos de Agileto ........................................................................................... 75 6.2.2.4. Simulación de una red ................................................................................................ 78 6.2.2.5. Otros módulos de Agileto .......................................................................................... 88. CAPÍTULO 7. 7.1. 7.1.1. 7.1.2. 7.1.3. 7.2. 7.2.1. 7.2.2.. Simulación y Solución de Casos Reales ........................................ 91. Estudio de Celdas Vecinas ......................................................................................... 93 Vecinas Intra-Frequency ............................................................................................ 95 Vecinas Inter-Frequency .......................................................................................... 100 Vecinas Inter-System o Inter-RAT .......................................................................... 101 Asignación de PSC a las celdas 3G ......................................................................... 103 Análisis de PSC a nivel de Celda ............................................................................. 104 Análisis de PSC a nivel de toda la Red 3G .............................................................. 106. SECCIÓN IV. CONCLUSIONES Y LÍNEAS FUTURAS.......... 109 CAPÍTULO 8. 8.1. 8.2.. Conclusiones y Líneas Futuras .................................................... 111. CONCLUSIONES ................................................................................................... 111 LÍNEAS FUTURAS ................................................................................................ 112. v.

(9) Figuras Figura 3-1: Características importantes de cada Release UMTS.............................................. 11 Figura 3-2: Elementos de una Red 3G. ..................................................................................... 12 Figura 3-3: Portadora WCDMA ............................................................................................... 17 Figura 3-4: Spreading y Despreading. ...................................................................................... 17 Figura 4-1: Evolución de los sistemas de comunicaciones móviles. ........................................ 21 Figura 4-2: Realeases de las especificaciones del 3GPP para LTE. ......................................... 21 Figura 4-3: Arquitectura de la Red LTE. .................................................................................. 22 Figura 4-4: Definición Técnica de EPS, EPC, E-UTRAN, SAE y LTE................................... 22 Figura 5-1: Proceso de Planificación de la Red de Radio ......................................................... 29 Figura 5-2: Eb/No y Ec/Io. ....................................................................................................... 32 Figura 5-3: Arquitectura del Protocolo de la Interfaz de Radio................................................ 33 Figura 5-4: Canales en UTRAN. .............................................................................................. 34 Figura 5-5: Canales UMTS / WCDMA. ................................................................................... 35 Figura 5-6: Parámetros en el Modelo Walfish-Ikegami. .......................................................... 41 Figura 6-1: Página de inicio de Radio Mobile .......................................................................... 54 Figura 6-2: Opciones de Internet de Radio Mobile .................................................................. 55 Figura 6-3: Propiedades de Mapa de Radio Mobile ................................................................. 56 Figura 6-4: Área de elevaciones para la ciudad de Valencia .................................................... 56 Figura 6-5: Combinar imágenes ............................................................................................... 57 Figura 6-6: Combinación de Datos de Elevación y Fotos de Google Maps ............................. 57 Figura 6-7: Punto de mayor altitud ........................................................................................... 58 Figura 6-8: Propiedades de los elementos de Red .................................................................... 59 Figura 6-9: Ubicación de los elementos de Red ....................................................................... 59 Figura 6-10: Propiedades de las redes - Parámetros ................................................................. 60 Figura 6-11: Propiedades de las Redes - Topología ................................................................. 61 Figura 6-12: Propiedades de las redes - Miembros................................................................... 61 Figura 6-13: Propiedades de las redes – Sistemas (Estación Base 1) ....................................... 62 Figura 6-14: Propiedades de las redes – Sistemas (Móviles) ................................................... 63 Figura 6-15: Propiedades de las redes – Dirección de la antena............................................... 63 Figura 6-16: Patrón de Antena. Estación Base 1 a Móvil 3 ...................................................... 64 Figura 6-17: Patrón de Antena de los móviles .......................................................................... 64 Figura 6-18: Propiedades de las redes – Estilo ......................................................................... 65 Figura 6-19: Enlaces de la Red Valencia 3G ............................................................................ 66 Figura 6-20: Cobertura de Radio Mobile .................................................................................. 67 Figura 6-21: Cobertura de la red Valencia 3G .......................................................................... 67 Figura 6-22: Datos de cobertura en Arcoíris ............................................................................ 68 Figura 6-23: Resultados de Cobertura en Arcoíris ................................................................... 68 Figura 6-24: Enlace de Radio Estación Base 1 – Móvil 3 ........................................................ 69 Figura 6-25: Enlace de Radio Estación Base 1 – Móvil 1 ........................................................ 70 Figura 6-26: Detalles del Enlace de Radio ............................................................................... 70 Figura 6-27: Observación de receptor desde la Estación Base ................................................. 70 Figura 6-28: Menú Archivo de Radio Mobile .......................................................................... 71 Figura 6-29: Representación de resultados en Google Earth .................................................... 72 Figura 6-30: Página web de Agileto ......................................................................................... 73 Figura 6-31: Archivo de registro de Agileto ............................................................................. 74 Figura 6-32: Ventana principal de Agileto ............................................................................... 74 Figura 6-33: Información de Licencia Agileto ......................................................................... 75 Figura 6-34: Módulos de Agileto.............................................................................................. 76 Figura 6-35: Campos del Archivo Externo Excel ..................................................................... 76 Figura 6-36: Formato del archivo MobileNW_Config_Template.xls para 3G– Primera Parte . 77 Figura 6-37: Formato del archivo MobileNW_Config_Template.xls para 3G– Segunda Parte 77 Figura 6-38: Nombre a un Nuevo Proyecto .............................................................................. 78 vi.

(10) Figura 6-39: Archivo Excel Externo – Parte 1 ......................................................................... 78 Figura 6-40: Archivo Excel Externo – Parte 2 ......................................................................... 79 Figura 6-41: Explicación del contenido de los campos ............................................................ 79 Figura 6-42: Generar base de datos de referencia..................................................................... 80 Figura 6-43: Actualización y generación de base de datos en Agileto. .................................... 80 Figura 6-44: Asignación de campos de la Base de Datos ......................................................... 81 Figura 6-45: Asociación de campos de red en la base de datos de Agileto .............................. 81 Figura 6-46: Proceso de ejecución del Módulo ........................................................................ 81 Figura 6-47: Confirmación de la generación o actualización de la base de datos .................... 82 Figura 6-48: Módulo para generar los sitios de las celdas ........................................................ 82 Figura 6-49: Seleccionar la base de datos ................................................................................. 83 Figura 6-50: Generación de objetos Google Earth ................................................................... 83 Figura 6-51: Proceso de Generación de objetos Google Earth ................................................. 84 Figura 6-52: Confirmación de Generación de objetos Google Earth........................................ 84 Figura 6-53: Módulo para límites de red .................................................................................. 84 Figura 6-54: Evaluación de celdas de límite de red .................................................................. 85 Figura 6-55: Límites de la red .................................................................................................. 85 Figura 6-56: Análisis completo de celdas de borde .................................................................. 86 Figura 6-57: Detección de celdas de borde ............................................................................... 86 Figura 6-58: Representación de la base de datos ...................................................................... 87 Figura 6-59: Representación en Google Earth. ......................................................................... 87 Figura 6-60: Datos de celdas en Google Earth ......................................................................... 88 Figura 6-61: Generación de objetos basados en KPIs .............................................................. 88 Figura 7-1: Nomenclatura del Cell_Name ................................................................................ 91 Figura 7-2: Base de datos de los sectores 3G ........................................................................... 92 Figura 7-3: Base de datos de los sectores 2G ........................................................................... 92 Figura 7-4: Vista Global de la Red en Google Earth. ............................................................... 92 Figura 7-5: Nomenclatura de celdas en Google Earth. ............................................................. 93 Figura 7-6: Celdas Vecinas ....................................................................................................... 94 Figura 7-7: Base de Datos para celdas vecinas 3G-3G en Agileto ........................................... 95 Figura 7-8: Selección del archivo que contiene las celdas vecinas........................................... 96 Figura 7-9: Selección de celdas servidoras y celdas vecinas. ................................................... 96 Figura 7-10: Generación de la representación de celdas vecinas en Google Earth. ................. 97 Figura 7-11: Representación de celdas vecinas en Google Earth ............................................. 97 Figura 7-12: Celdas vecinas de M2544B1 ................................................................................ 98 Figura 7-13: Detalles de los enlaces entre celdas vecinas ........................................................ 99 Figura 7-14: Celda M2135B2 no definida como vecina ........................................................... 99 Figura 7-15: Vecinas Intra-Freq de la segunda portadora. ....................................................... 100 Figura 7-16: Vecinas Inter-Freq de la celda M0642D1 ............................................................ 101 Figura 7-17: Módulo de Agileto para vecinas Inter-RAT ........................................................ 102 Figura 7-18: Vecinas Inter-RAT ............................................................................................... 102 Figura 7-19: Módulo 2.2 de Agileto ......................................................................................... 103 Figura 7-20: Estado actual del PSC .......................................................................................... 104 Figura 7-21: Distancia entre celdas con mismo PSC ................................................................ 105 Figura 7-22: PSC óptimo generado por Agileto. ...................................................................... 106 Figura 7-23: Informe de PSC Óptimo de Agileto ..................................................................... 106 Figura 7-24: Distancia mínima deseada para el reuso de PSC ................................................. 107 Figura 7-25: Resultado de la auditoría de los PSC de la red .................................................... 107. vii.

(11) SECCIÓN I. REDES DE COMUNICACIONES MÓVILES.. 1.

(12) 2.

(13) CAPÍTULO 1.. INTRODUCCIÓN. Con el rápido crecimiento de las redes móviles, la operación, despliegue y mantenimiento se han vuelto mucho más complejos y costosos; para obtener un mejor rendimiento de las redes, la industria recientemente ha dado una especial atención a la investigación y desarrollo de técnicas de Planificación y Optimización de los recursos físicos y lógicos. El panorama competitivo de la industria de telecomunicaciones requiere de un nuevo enfoque en la gestión de gastos, es decir, se tiene que ir más allá de la reducción de costes y encontrar formas subyacentes de mejorar la eficiencia de las redes mientras que la prestación de servicios a los usuarios finales tenga mayor valor añadido. La solución consiste en la Planificación y Optimización de las redes, a través de lo cual se busca mejorar la utilización de los activos convirtiéndose en un complemento de las inversiones de infraestructura. Los proveedores y operadores deben tener una comprensión detallada de todo lo necesario para crear una red de muy alta calidad y así proveer a sus clientes de una excelente experiencia de usuario. Es así como nace este Trabajo de Fin de Máster, que cubre los aspectos que se requieren para diseñar y optimizar las redes de comunicaciones móviles utilizando herramientas de software libre.. 1.1.. Motivación. El auge de las comunicaciones móviles ha revolucionado el concepto de telefonía de diversas maneras y sin duda alguna será el área que crecerá en mayor medida en los próximos años en el planeta entero, si a ello consideramos además el aumento de terminales a nivel mundial, nos daremos cuenta del gran impacto que los servicios móviles ejercerán en la sociedad. Por tanto, es imprescindible para los operadores contar con estudios, expertos y profesionales que contribuyan a mejorar constantemente y solventen problemas antes, durante y después del despliegue de las redes. El llamado a cumplir esta labor es el Ingeniero de Planificación y Optimización. Para quienes tienen pasión por el mundo de las comunicaciones móviles, el convertirse en un Ingeniero de Planificación y Optimización es un desafío, ya que se está obligado a conocer todas las funciones de los elementos e interfaces de red, a adquirir conocimientos y experiencias, capacitarse continuamente para estar actualizado con las nuevas técnicas, tecnologías y herramientas, debe tener capacidad de decisión para actuar en momentos de mucha presión; pero además resulta profesionalmente reconfortante dar solución a problemas y mejorar el rendimiento de las redes móviles, más aún cuando es el fruto del estudio, perseverancia y dedicación. Este trabajo complementa los conocimientos teóricos de comunicaciones inalámbricas adquiridos en el Máster en Ingeniería de Telecomunicación y sintetiza las competencias adquiridas en las enseñanzas. Fomenta la investigación y práctica de técnicas de planificación y optimización que se basan en conceptos técnicos.. 1.2.. Contribución. Este proyecto es una contribución para los profesionales de las telecomunicaciones que estén ejerciendo o deseen orientar su carrera hacia la Planificación y Optimización de Redes Móviles, su formación debe ser un complemento entre lo práctico y lo teórico y este trabajo conjuga ambas cosas, con la finalidad de que el profesional tome las mejores decisiones basándose en los fundamentos teóricos y prácticos.. 3.

(14) Este documento explica de una manera sencilla los conceptos que un profesional de esta área debe comprender, manejar y dominar; y marca la ruta para seguir adquiriendo conocimientos y experiencias. Este trabajo se enmarca en el dominio técnico de los conceptos de las tecnologías de las comunicaciones móviles, sus elementos e interfaces. Se trata así de capacitar y preparar al Ingeniero de Planificación y Optimización para que conozca y comprenda la arquitectura, elementos e interfaces de las diferentes tecnologías de redes móviles, las técnicas y herramientas de planificación y optimización que han sido, son y serán empleadas por los operadores. El manejo de paquetes de software de libre para encontrar soluciones a problemas que afrontan día a día los Ingenieros de Optimización es explicado a detalle de tal forma que el profesional sepa que existen alternativas de bajo coste o gratuitas que facilitan la labor y proporcionan resultados más eficientes.. 1.3.. Organización del Trabajo. El presente trabajo está dividido en 7 capítulos: El Capítulo 1 describe la motivación que ha conducido a la realización de este proyecto y su contribución para los profesionales de las telecomunicaciones. El Capítulo 2 presenta una breve reseña histórica y descripción de las tecnologías de comunicaciones móviles que se implementaron antes de UMTS. El Capítulo 3 describe a detalle la arquitectura de las Redes Móviles de Tercera Generación que es la más utilizada por los operadores y está ampliamente desplegada por todo el mundo. Se explican los elementos e interfaces que componen la arquitectura de red así como conceptos de operación que el Ingeniero de Planificación y Optimización debe conocer y dominar. El Capítulo 4 se enfoca en las Redes de Cuarta Generación y los elementos que difieren con respecto a su tecnología predecesora. El Capítulo 5 se centra en las técnicas y conceptos que el profesional empleará para llevar a cabo la Optimización y Planificación de la Red de Radio. El Capítulo 6 describe y hace uso de las herramientas de software libre Radio Mobile y Agileto. En el Capítulo 7 se realiza la simulación de una red real, se proponen casos a los que el profesional de Planificación y Optimización se enfrentaría cada día y se resuelven mediante el uso de la herramienta de software libre Agileto. Finalmente el Capítulo 8 se presenta conclusiones y líneas futuras relacionadas con este Trabajo de Fin de Máster.. 4.

(15) CAPÍTULO 2.. 2.1.. EVOLUCIÓN DE LOS SISTEMAS DE COMUNICACIONES MÓVILES ANTES DE 3G.. Sistemas de Comunicaciones Móviles de Primera Generación. Los Sistemas de Comunicaciones Móviles de Primera Generación son también conocidos como 1G. Esta tecnología fue caracterizada por los estándares de telecomunicación analógica y soportaba servicios básicos de voz. Su desarrollo empezó a finales de los años setenta con Japón liderando el despliegue de la primera red celular en Tokio, seguido por la Telefonía Móvil Nórdica NMT (Nordic Mobile Telephones) en Europa, mientras que en América se desarrollaba el Servicio Telefónico Móvil Avanzado AMPS (Advanced Mobile Phone Service). Los Sistemas de Comunicaciones Móviles de Primera Generación eran muy incompatibles entre ellos y ésta fue su mayor limitación. La necesidad de tener un sistema que recoja los requerimientos de las comunicaciones móviles y ofrezca más compatibilidad resultó en el nacimiento de los sistemas de comunicación de segunda generación.. 2.1.2.. Telefonía Móvil Nórdica (Nordic Mobile Telephony - NMT). Fue creada en 1981, se basa en una tecnología analógica y existían dos variantes: NMT 450 y NMT 900; los números indican las bandas de frecuencia en la que operaban. Las redes NMT han sido usadas principalmente en los países Nórdicos, Rusia, Oriente Medio y Asia. La red NMT tuvo desde el inicio switching automático incorporado en el estándar. Además, el estándar NMT especificaba facturación y roaming. Una desventaja de la especificación original NMT es que el tráfico no era encriptado; así, cualquiera que deseara escuchar la conversación podía usar un scanner y sintonizar la frecuencia correcta.. 2.1.3. Sistema Telefónico Móvil Avanzado (Advanced Mobile Phone System - AMPS) AMPS fue un estándar de telefonía móvil analógico desarrollado por los laboratorios Bell e introducido oficialmente en América en 1983. AMPS usa para cada comunicación frecuencias separadas o canales basados en la tecnología de Acceso Múltiple por División de Frecuencia (Frequency Division Multiple Access – FDMA), la cual permitía múltiples usuarios en una celda o sector. Inicialmente el tamaño de la celda no era fijo, se usó un radio de 12 Km. para áreas urbanas y 40 Km. para áreas rurales; como el número de usuarios empezó a incrementarse, se añadieron nuevas celdas. Con la adición de cada nueva celda, el plan de frecuencias tuvo que ser rehecho para ser capaz de evitar problemas de interferencia.. 2.2.. Sistemas de Comunicaciones Móviles de Segunda Generación.. Con el advenimiento de la comunicación digital, durante la década de los 80 apareció la oportunidad de desarrollar una segunda generación de estándares de comunicaciones móviles basados en tecnología digital. A mediados de los 80 se creó el Instituto Europeo de Normas de Telecomunicaciones (European Telecommunications Standards Institute - ETSI), el cual heredó todas las actividades de estandarización en Europa; así se vio el nacimiento de las primeras especificaciones y la red basada en tecnología digital se llamó Sistema Global para Comunicaciones Móviles (Global System for Mobile Communication - GSM). La segunda generación (2G) de sistemas 5.

(16) de comunicaciones móviles tales como GSM, iDEN e IS-95 (CDMA) fueron introducidos comercialmente en los años 90.. 2.2.1. Red Mejorada Digital Integrada (Integrated Digital Enhanced Network - iDEN) La Red Mejorada Digital Integrada (Integrated Digital Enhanced Network - iDEN) es una tecnología de comunicaciones móviles de Motorola, es más conocida porque los teléfonos móviles soportan push-to-talk (PTT) y funcionan como walkie-talkies. Aunque iDEN tiene ciertas similitudes con los sistemas tradicionales, PTT también ofrece muchas ventajas; iDEN soporta capacidades de roaming más amplias permitiendo un incremento substancial del área de cobertura. Otra ventaja es que incluye mejor calidad de llamada como resultado del uso de frecuencias más altas y tecnología digital; iDEN tiene la habilidad de hacer llamadas privadas y grupales. El sistema iDEN soporta operaciones half y full dúplex; sus teléfonos soportan mensajes SMS, correo de voz y conexiones de datos como VPNs, Internet e intranets.. 2.2.2. Red de Acceso Múltiple por División de Código (Code Division Multiple Access - CDMA) CDMA es una forma de multiplexación que permite que numerosas señales ocupen un único canal de transmisión optimizando el uso del ancho de banda disponible. El principio básico de CDMA es que diferentes flujos de datos se transmiten en la misma frecuencia y al mismo tiempo. Por el contrario, FDMA y TDMA usan diferentes frecuencias y diferentes time slots respectivamente para separar las transmisiones. En CDMA, cada símbolo a ser transmitido es multiplicado por una secuencia conocida como “spreading sequence”, la cual incrementa el ancho de banda de la transmisión deseada. Esta tecnología se usa en sistemas de comunicaciones móviles en las bandas UHF de 800 MHz y 1900 MHz. CDMA emplea la conversión analógica digital (ADC) en combinación con la tecnología spread spectrum. La frecuencia de la señal transmitida varía según un patrón definido (código) que puede ser interceptado por un receptor cuya respuesta en frecuencia es programada con el mismo código por lo que sigue exactamente la frecuencia del transmisor. Hay billones de códigos posibles que mejoran la privacidad y dificultan la clonación. El canal CDMA tiene un ancho de banda de 1,23MHz.. 2.2.3. Sistema Global para las Comunicaciones Móviles (Global System for Mobile Communication - GSM) GSM utiliza tecnología digital y Acceso Múltiple por División de Tiempo (TDMA), es un sistema circuit-switched que divide cada canal de 200 kHz en ocho time-slots de 25 kHz. Una ventaja importante de GSM es su capacidad de roaming internacional que permite a los usuarios acceder a los mismos servicios cuando viajan al exterior. A partir de GSM han evolucionado otras tecnologías de telecomunicaciones móviles inalámbricas que incluye datos: High-Speed CircuitSwitched (HSCSD), General Packet Radio Service (GPRS) y Enhanced Data Rates for GSM Evolution (EDGE). GSM se divide en cuatro grandes sistemas: -. Estación Móvil (Mobile Station – MS) Subsistema de Estación Base (Base Station Subsystem - BSS) Subsistema de Conmutación de Red (Network Switching Subsystem - NSS) Subsistema de Soporte y Operación (Operation and support Subsystem - OSS) 6.

(17) 2.2.3.1. Estación Móvil (Mobile Station - MS) La Estación Móvil es el equipo físico que consta principalmente del transceptor de radio, pantalla, teclado, procesadores de señal digital y la tarjeta SIM. Proporciona al usuario la interfaz de acceso radio con las redes móviles.. 2.2.3.2. Subsistema de Estación Base (Base Station Subsystem - BSS) Todas las funciones de radio se realizan en el Subsistema de Estación Base el cual consiste de las Base Station Controllers (BSCs) y las Base Transceiver Stations (BTSs). -. La BSC proporciona todas las funciones de control y enlaces físicos entre el Subsistema de Conmutación de Red (NSS) y la BTS. Es un conmutador de alta capacidad que ofrece funciones como handover, configuración de datos de celdas, control de niveles de potencia de radiofrecuencia (RF) en las estaciones de base, etc.. -. Las BTS manejan la interfaz de radio con la estación móvil. Las BTS son el equipo de radio (transmisores y antenas) necesarios para servir a cada celda de una red. Un grupo de BTSs son controladas por la BSC.. 2.2.3.3. Subsistema de Conmutación de Red (Network Switching Subsystem - NSS) El NSS realiza la conmutación de llamadas entre los usuarios de redes fijas y móviles así como la gestión de servicios móviles tales como autenticación. El Subsistema de Conmutación de Red es responsable de realizar el proceso de llamada y funciones relacionadas con el suscriptor. Este sistema también es responsable del manejo de mensajes cortos y paquetes de datos, mantenimiento de las base de datos de sus propios usuarios así como visitantes; el NSS también proporciona autenticación y cifrado. Es una puerta de entrada a la red telefónica conmutada pública (PSTN), a otras redes móviles y redes de datos incluyendo Internet. En otras palabras, este sistema permite que los dispositivos móviles se comuniquen con los demás teléfonos fijos (PSTN) y móviles.. 2.2.3.4. Subsistema de Soporte y Operación (Operation and Support Subsystem OSS) El Centro de Operación y Mantenimiento (Operation and Maintenance Center - OMC) está conectado a todos los equipos del NSS y a las BSC, la implementación del OMC es conocido como el Subsistema de Soporte y Operación (OSS). Las funciones de operación y mantenimiento se basan en los conceptos Telecommunication Management Network (TMN) que están estandarizados. El OSS es una entidad funcional desde la cual el operador de red monitorea y controla el sistema. El propósito del OSS es ofrecer al cliente soporte de operación y mantenimiento, centralizado, local y regional. Una función importante del OSS es proveer una visión general de la red y soportar las actividades de mantenimiento.. 2.2.4. Servicio General de Radio por Paquetes (General Radio Packet Service - GPRS) El GPRS es una adición a los sistemas existentes GSM. Se añaden nuevos elementos a la red que son aquellos capaces de realizar la conmutación de paquetes, los principales son: el Serving GPRS Support Node (SGSN) y el Gateway GPRS Support Node. En términos de infraestructura, el operador solo necesita añadir esos nodos y algunos cambios de software para actualizar el sistema de voz GSM a un sistema de datos. La conmutación por paquetes habilita los recursos que serán usados solo 7.

(18) cuando el usuario está enviando y recibiendo datos. La cantidad de datos que pueden ser transferidos depende del número de usuarios; teóricamente, la máxima velocidad que se puede lograr con GSM es 171.2 Kbps. El GPRS permite la interconexión entre la red y el Internet, sin embargo, hay algunas limitaciones en la red GPRS tales como la baja velocidad (la velocidad práctica es mucho más baja que la teórica).. 2.2.5. Tasas de Datos Mejoradas para la evolución de GSM (Enhanced Data Rates for GSM Evolution – EDGE) Las limitaciones del GPRS se superaron en cierta medida por la introducción de la tecnología EDGE, que es considerada una mejora de GPRS y puede instalarse en cualquier red GSM; es conocida como tecnología 2.75G. El incremento en la velocidad de datos se logra mediante codificaciones más sofisticadas, esto significa que la técnica habitual de modulación GSMK (Gaussian minimum shift keying) para GPRS se presenta ahora como 8PSK (Phase Shift Keying) para ofrecer tasas más rápidas. En cambio, una de actualización de software permite a las estaciones soportar velocidades de transferencia de datos hasta 384 kbps. EDGE también es conocida como Enhanced GPRS (EGPRS), es el inicio de la evolución a las redes de tercera generación.. 8.

(19) Bibliografía [1] [2]. P. Lescuyer, UMTS Origins, Architecture and the Standard, 1st Ed.,Springer, 2002. Jordi Pérez Romero, Radio Resource Management strategies in UMTS, 1st Ed., Willey, 2005. [3] Ajay R. Mishra, Cellular technologies for emerging markets 2g, 3g, and beyond, 1st Ed., Willey, 2007. [4] Erik Dahlman, Stefan Parkvall, Johan Skold, Per Beming, 3G Evolution HSPA and LTE for Mobile Broadband, 2nd Ed., Elsevier, 2008 [5] Holma, H. and Toskala A. (eds), WCDMA for UMTS: Radio Access for Third Generation Mobile Communications (3rd edn). John Wiley & Sons, 2004. [6] 3GPP, Technical Specification 25.214, Physical Layer Procedures (FDD), v5.10.0, January 2005. [7] 3GPP, Technical Specification 25.331, Radio Resource Control (RRC) Protocol Specification, v5.11.0, December 2004. [8] 3GPP, Technical Specification 25.101, UE Radio Transmission and Reception (FDD), v5.13.0, January 2005. [9] 3GPP, Technical Specification 25.433, UTRAN Iub Interface NBAP Signalling, v5.11.0, January 2005. [10] Ajay R. Mishra, Fundamentals of Cellular Network Planning and Optimisation 2G/2.5G/3G… Evolution to 4G, 1st Ed., Willey, 2004. [11] Ajay R. Mishra, Advanced Cellular Network Planning and Optimisation 2G/2.5G/3G… Evolution to 4G, 1st Ed., Willey, 2007.. 9.

(20) 10.

(21) CAPÍTULO 3.. REDES MÓVILES GENERACIÓN. DE. TERCERA. La tecnología de tercera generación conocida como Sistema Universal de Telecomunicaciones Móviles (Universal Mobile Telecommunication System - UMTS) en estos momentos es la dominante a lo largo y ancho del planeta. Se la denomina 3G y ha sido desarrollada por el 3GPP para tener un sistema verdaderamente global. Las redes móviles de tercera generación tienen como objetivo ofrecer a los suscriptores datos de alta velocidad y conectividad multimedia, mejorando la calidad de imagen y video y aumentando las tasas de datos dentro de redes públicas y privadas. Las especificaciones 3G son llamadas "Releases" y cada uno de estos Releases incorpora muchos documentos, recomendaciones y normas. La primera versión de las especificaciones de UMTS se hizo disponible en 1999 y es conocida como "Release 99". El Release 2001 fue llamado "Release 4" y posteriormente se lanzaron los "Release 5", "Release 6" y "Release 7". Los Releases más allá de la versión 7 se denominan sistemas LTE (Long Term Evolution) y pertenecen a la cuarta generación 4G (ver Figura 3-1) [19]. R99 Diciembre 1999  CS y PS  R99 Radio Portadores  MMS  Servicios de localización, etc.. Rel-4 Marzo 2001  Mejoras  TD-SCDMA etc.. Rel-5 Marzo 2002  HSDPA  IMS  AMR-WB etc.. Rel-6 Marzo 2005  Uplink mejorado  MBMS  WLAN-UMTS Interworking etc.. .. Rel-7 Septiembre 2007  Evolución HSPA (MIMO, DL:64QAM, UL:16QAM Conectividad continua de paquetes) etc.. Rel-8….  LTE  SAE  DC HSDPA etc.. Figura 3-1: Características importantes de cada Release UMTS.. Una de las principales diferencias de UMTS comparado con GSM es que está diseñado para ser un sistema de banda ancha. En UMTS, esto se logra por medio de un ancho de banda de transmisión de 5 MHz; lo que significa que UMTS usa un par de canales de 5 MHz, uno en el rango de 1900 MHz para uplink y otro en 2100 MHz para el downlink. La tecnología de Acceso Múltiple por División de Código de Banda Ancha (Wide Band Code Division Multiple Access – WCDMA) ha surgido como la tecnología preferida y más adoptada para la interfaz de acceso radio del 3G. La especificación fue creada por el 3GPP y es ampliamente utilizada para las operaciones TDD (Time Division Duplex) y el FDD (Frequency Division Duplex). Algunas diferencias importantes entre las interfaces de acceso radio WCDMA y GSM son: - El sistema WCDMA soporta tasas de transferencia de datos más altas ya que utiliza un ancho de banda de 5 MHz en comparación con 200 kHz en GSM. - Teóricamente, solo un canal de frecuencia se utiliza en WCDMA, mientras que GSM utiliza muchos canales de frecuencia. - El ancho de banda de 5 MHz es suficiente para el diseño de la red de radio. La diversidad multipath es posible con receptores RAKE (los receptores RAKE se utilizan en las redes de radio WCDMA, siendo una forma más eficiente para recibir señales multipath), mientras que en GSM se utilizan saltos de frecuencia para la diversidad (frecuencia). - Los usuarios, celdas y canales están separados por códigos en lugar de mediante tiempo o frecuencia. 11.

(22) 3.1.. Arquitectura del Sistema UMTS. Como se puede ver en la Figura 3-2 una red UMTS consiste principalmente de 3 partes: Equipo de Usuario (User Equipment - UE), Red de Acceso de Radio (Radio Access Network - RAN) y el Núcleo de la Red (Core Network - CN) [17].. Figura 3-2: Elementos de una Red 3G.. La Red de Acceso de Radio Terrestre UMTS (UMTS Terrestrial Radio Access Network - UTRAN) comprende las RNC y los NodosB. La RNC se encarga del control de los NodosB así como la gestión de los recursos de radio (RRM) y parte de la gestión de movilidad (Mobility Management - MM). Los enlaces entre los elementos de la red se denominan interfaces. La RNC se conecta con el Circuit Switched Core Network (CSCN) mediante la interfaz 'Iu-CS', la interfaz entre la RNC y Packet Switched Core Network (PSCN) se conoce como 'Iu-PS'. La interfaz entre la RNC y el NodoB es 'Iub' y entre las RNCs en la misma red es 'Iur'. Los interfaces 'Iu' conducen el tráfico del usuario incluyendo voz y datos y también controlan la información. Las principales tareas UTRAN son: - Control de Admisión (Admission Control - AC): Admite o niega a nuevos usuarios, nuevas portadoras de acceso de radio o nuevos enlaces de radio. El control de admisión evita las situaciones de sobrecarga y no deteriora la calidad de los enlaces de radio existentes. Las decisiones se basan en las mediciones de interferencia, throughput y recursos de la red. Junto con el Packet Scheduler asigna tasas de bit y potencias de transmisión para conexiones Non-Realtime. - Control de Congestión: monitorea, detecta y gestiona las situaciones cuando el sistema está cerca o alcanza la sobrecarga con los usuarios ya conectados. - Sistemas de Información de Broadcasting: provee al UE de información Access-Stratum y NonAccess-Stratum, lo cual es necesario para el UE y su operación dentro de la red. - Cifrado: Cifra de intercambio de información entre el UE y la RNC. - Handover (HO): Gestiona la movilidad de la interfaz de radio basándose en las mediciones de radio y para el Soft/Softer HO se utiliza para mantener la Calidad de Servicio (Quality of Service – QoS) solicitado por el Núcleo de la Red. Un HO es necesario para no perder la conexión de red de los UE. El Handover puede ser dirigido hacia o desde otro sistema, ej.: handover desde UMTS hacia GSM). - Otras funciones de UTRAN son la configuración y mantenimiento de la interfaz de radio, control de energía, paginación y macro diversidad.. 12.

(23) 3.1.1. Equipo de Usuario (User Equipment - UE) Al terminal móvil (MT) también se lo conoce como equipo de usuario (UE), comprende el teléfono móvil y una tarjeta USIM (Universal Subscriber Identity Module). El UE de UMTS es capaz de operar de tres maneras: modo CS (circuit switched), PS (packet switched) y CS/PS. En el modo CS el UE está conectado solo al Núcleo de la Red (Core Network). En el modo PS, el UE está conectado solo al dominio PS, mientas que en el modo CS/PS el móvil es capaz de operar simultáneamente para ofrecer ambos servicios CS y PS. Como en GSM, la USIM es un chip que contiene información específica del usuario y la clave de autenticación que identifica al subscriptor para acceder a la red. Hay una tendencia de usar la tarjeta SIM no solo para almacenar información individual sino también como ambiente de ejecución para algunos programas.. 3.1.2. Red de Acceso de Radio (Radio Access Network - RAN) Los componentes de la RAN son los NodosB y las RNC. Las funciones principales incluyen la administración de los recursos de red y la gestión de la comunicación.. 3.1.2.1. Estaciones Base 3G o NodosB Las estaciones base en 3G son conocidas como NodosB. La estación base es una entidad muy importante por ser la interfaz entre la red WCDMA y la interfaz de acceso radio. Como en las redes de segunda generación, la transmisión y recepción de las señales desde la estación base se hace a través de antenas omnidireccionales o antenas direccionales. Las principales funciones del NodoB incluyen la codificación del canal, estimación del tráfico de la celda, modulación y demodulación, manejo de errores, participa en el control de potencia, mide la calidad y fuerza de la señal y manda esa información a la RNC.. 3.1.2.2. Controlador de la Red de Radio (Radio Network Controller - RNC) La RNC es similar a la BSC en las redes GSM/GPRS pero gestiona más interfaces. Actúa como la interfaz entre la estación base y el core de la red, la RNC es la responsable del control de los recursos de radio; también a diferencia de GSM, la RNC junto con el NodoB es capaz de manipular los recursos de radio sin el involucramiento del Core Network o núcleo de red. La RNC se enlaza con el CSCN a través de Media Gateway (MGW) y con el PSCN a través del nodo SGSN. La RNC lleva a cabo las conexiones convencionales de voz así como la recolección de datos de tráfico, control de conexión de llamada, administración de los NodosB, conexión con los NodosB y el Core Network, control de handover, control de carga y funciones de seguridad.. 3.1.3. Core Network (CN) La función principal del Core Network es permitir la conmutación, ruteo y tránsito del tráfico de usuario, el CN también contiene las bases de datos de la funciones de administración de la red. El CN se divide en los dominios CS y PS. Los elementos del dominio CS (Circuit Switched) son el Mobile Services Switching Centre (MSC), Visitor Location Register (VLR) y el Gateway MSC (GMSC). Los elementos del dominio PS son el Serving GPRS Support Node (SGSN) y el Gateway GPRS Support Node (GGSN). El SGSN se conecta con el GGSN a través de la interfaz Gn y al RNC por medio de la interfaz Iu. El GGSN proporciona la interconexión de la red UMTS con otras redes de paquetes de datos (Packet Data Networks – PDNs) como el internet. Los elementos como el EIR, HLR, VLR y AUC se comparten en ambos dominios. 13.

(24) 3.1.3.1. Home Location Register (HLR) El HLR es una base de datos para el almacenamiento y administración de la información de los subscriptores. El HLR es considerado como la base de datos más importante ya que almacena datos permanentes de los usuarios incluyendo el perfil de servicio del subscriptor, información de ubicación y estado de actividad. Cuando un individuo compra una subscrición al operador es registrado en el HLR.. 3.1.3.2. Mobile Services Switching Center (MSC) El MSC es el principal elemento del NSS, realiza la conmutación de todas las llamadas desde y hacia otros teléfonos y sistemas de datos, procesa las peticiones de conexiones desde los dispositivos móviles y fijos y conmuta las llamadas entre las estaciones base y la Red Conmutada de Servicios Públicos (PSTN); además el MSC pone en marcha y libera las conexiones end-to-end, maneja la movilidad y los requerimientos de handover durante la llamada.. 3.1.3.3. Visitor Location Register (VLR) El VLR es una base de datos que contiene información acerca de los identificativos, permisos, tipos de abono y localizaciones en la red de todos los usuarios activos dentro del área de cobertura del MSC. La principal diferencia entre el VLR y HLR es que el HLR es una base de datos de todos los usuarios de la red y el VLR es la base de datos temporal de los móviles de una región.. 3.1.3.4. Gateway Mobile Services Switching Center (GMSC) El GMSC es un nodo usado para interconectar dos redes, este gateway es a menudo una función implementada en el MSC y que se usa para enrutar las llamadas fuera de la red móvil. Cuando una llamada de un usuario viene desde fuera de la red móvil, o el subscriptor quiere llamar a alguien fuera de la misma, esta llamada es enrutada a través del GSMC.. 3.1.3.5. Centro de Autenticación (Authentication Center - AUC) El AUC se ubica habitualmente en el HLR y autentica cada tarjeta SIM que intente conectarse al Core Network (generalmente cuando el teléfono se enciende). Una vez que la autenticación ha sido exitosa, el HLR administra la SIM y el servicio. Es decir, el AUC está asociado con el HLR y almacena una clave de identidad (KI) para cada subscriptor móvil registrado en el HLR.. 3.1.3.6. Equipment Identity Register (EIR) El EIR es una base de datos que contiene información de la identidad del equipo móvil y previene llamadas originadas de estaciones móviles robadas o perdidas (lista negra), no autorizadas o defectuosas (lista gris) y en buen orden (lista blanca). En otras palabras, el EIR, utilizando el IMEI del equipo, se usa para identificar los dispositivos de los clientes autorizados a acceder a la red.. 3.1.3.7. Serving GPRS Support Node (SGSN) El SGSN es el elemento central en la red GPRS, es el punto de acceso del servicio de datos para el teléfono móvil, es el responsable de entregar paquetes de datos desde y hacia las estaciones móviles. Sus principales funciones incluyen transferencia y enrutamiento de paquetes, administración de movilidad (attach/detach y gestión de localización), administración del enlace lógico, autenticación, compresión y cifrado. 14.

(25) 3.1.3.8. Gateway GPRS Support Node (GGSN) El GGSN se conecta por un lado al SGSN y por otro a redes externas como Internet. Su función principal es actuar como un firewall para las redes externas con el fin de proteger a la red GPRS. Cuando los datos vienen de redes externas, después de la verificación, éstos son enviados al SGSN; si la dirección resulta ser inválida los datos son eliminados. Por otro lado, los paquetes originados por el teléfono móvil son enrutados a la red correcta mediante el GGSN.. 3.2.. Sistema de Administración de Red (Network Management System - NMS). El NMS en sistemas 3G es capaz de administrar las comunicaciones packet-switched y circuitswitched. El NMS es una combinación de software y hardware destinada a la administración de la red y debe ser capaz de cumplir funciones que ayuden a la optimización de la calidad del sistema en una manera eficiente.. 3.3.. Handover en UMTS. Al handover también se lo conoce como Handoff. La principal idea de las redes celulares es permitir la movilidad, lo que significa permitir al subscriptor hacer o recibir llamadas cuando se mueve en la propia red. Para asegurar el correcto funcionamiento del handover dos elementos son los más importantes: que las celdas que constituyen la red deben superponerse entre ellas en un nivel aceptable; y segundo, debe haber una característica de software que gestione la movilidad. El significado básico de handover es proveer una conexión continua cuando el UE se mueve entre las celdas. En UMTS existen principalmente 3 tipos de handover.. 3.3.1. Hard Handover El Hard Handover se aplica cuando el UE se comunica con un NodoB y la conexión con el antiguo NodoB se rompe durante un tiempo (del orden de los milisegundos) antes de que la nueva conexión sea establecida. Se ejecuta el handover después de que la fuerza de señal de la celda vecina exceda la fuerza de señal de la celda actual.. 3.3.2. Soft Handover En una red móvil es posible cambiar de una estación base a otra sin la necesidad de cambiar la frecuencia, a esto se lo conoce como soft handover. El soft handover quiere decir que los enlaces de radio son añadidos y eliminados de forma que el equipo de usuario siempre mantiene al menos un enlace de radio con la UTRAN; el soft handover es realizado por medio de macro diversidad, lo cual se refiere a la condición de que varios enlaces de radio están activos al mismo tiempo. El número de NodosB comunicándose simultáneamente con el UE es dado por el número de NodosB en la lista Active Set. En esta lista active set están solo los NodosB con suficiente calidad de señal. Las celdas vecinas cuyos canales pilotos no tienen la suficiente fuerza para ser añadidos al Active Set son ubicados como conjunto de Monitoreados o Vecinos, esas celdas son continuamente medidas por el UE. El máximo número de celdas en el conjunto de vecinas es 32, el típico número de celdas en la lista active set es 2 o 3.. 3.3.3. Softer Handover El Softer Handover es similar al soft handover, la principal diferencia reside en el hecho de que el UE está ubicado en un área de cobertura de dos sectores de un NodoB. El UE se comunica con el 15.

(26) NodoB a través de dos canales de radio. En la dirección de downlink la situación de combinar las señales es la misma como en el caso del soft handover. En la dirección uplink la situación es diferente, la señal recibida en el NodoB no es enrutada al RNC, pero la combinación de las señales se lleva a cabo en el receptor del NodoB.. 3.4.. Interfaces y Señalización en las Redes 3G. Como se puede ver en la Figura 3-2 existen muchas interfaces y señalización en los sistemas 3G. A continuación se hace un breve estudio de cada una de ellas.. 3.4.1. Interfaz de Acceso Radio WCDMA o Uu La interfaz Uu es la más importante en las redes 3G y se encuentra entre el equipo de usuario y la red UTRAN. Esta interfaz funciona bajo los principios WCDMA en donde a todos los usuarios se les asigna un código.. 3.4.2. Interfaz Iub La interfaz Iub está ubicada entre la RNC y el NodoB, a través de esta interface el RNC controla el NodoB, por ejemplo, la RNC permite negociar los recursos de radio, añade y elimina las celdas controladas por un NodoB, o soportar las diferentes comunicaciones y control de enlaces.. 3.4.3. Interfaz Iur La interfaz Iur conecta a las RNC de la UTRAN, permite conexiones punto a punto y soporta señalización y flujos de datos entre las RNC, además permite que una RNC se direccione a otra RNC dentro de la UTRAN para establecer portadoras de señalización y de datos.. 3.4.4. Interfaz Iu La interfaz Iu se localiza entre la RNC y la MSC para el tráfico circuit-switched y entre la RNC y el SGSN para el tráfico packet-switched. Proporciona conexiones de voz y al mismo tiempo conexiones por paquetes de todos los tipos; juega un rol vital en los procedimientos de handover en la red UMTS IuPS (Packet Switched), corresponde a la interfaz hacia el dominio PS. IuCS (Circuit Switched), corresponde a la interfaz hacia el dominio CS.. 3.5.. WCDMA - Interfaz de Acceso Radio en UMTS. WCDMA es el método de acceso múltiple para la interfaz de acceso radio en UMTS. Las tasas de bits son mucho más altas (hasta los 2 Mbps con el Release 99 y hasta 10 Mbps con HSDPA). La posibilidad de ofrecer a los usuarios tasas de bits y anchos de banda bajo demanda es una característica muy atractiva en las redes UMTS; soporta también tráfico asimétrico. Se puede usar diversidad en transmisión para mejorar la capacidad de downlink. Solo se usa una frecuencia, por lo que la planificación de frecuencias no es una tarea tan tediosa como en las redes GSM. WCDMA es un sistema DS-CDMA (Direct Sequence CDMA), esta tecnología habilita múltiples accesos que se basan en spread spectrum, esto significa que los bits de información del usuario se transmiten sobre un gran ancho de banda multiplicando la información del usuario con bits quasi aleatorios llamados chips derivados de los spreading codes CDMA, la tasa con la cual los datos se 16.

(27) difunden se llama tasa chip. La relación de la tasa chip con la tasa de símbolos se llama Spreading Factor (SF). El UE de destino utiliza el mismo spreading code con el que se transmitió y usa la correlación para su detección. Cada usuario se identifica por un único spreading code asignado a él. La tasa de chip en UMTS FDD es 3.84 Megachips por segundo (Mcps) los cuales caben en el canal de 5MHz disponible en UMTS, ver Figura 3-3.. Figura 3-3: Portadora WCDMA. 3.5.1. Códigos de Canalización Los códigos de canalización se usan para separar las transmisiones, estos códigos se basan en la técnica OVFS (Orthogonal Variable Spreading Factor) la cual da una propiedad de correlación cruzada y auto correlación, que significa que el producto interno (inner product) del código con el de otros usuarios o con una versión desplazada del mismo es muy pequeña. Cuando se logra la ortogonalidad total (es un estado ideal ya que la otogonalidad se afecta por la multipropagación) no hay interferencia entre los códigos. WCDMA usa un chip fijo para la transmisión de 3.84 Mcps con el fin de usar los 5 MHz de ancho de banda del canal. Cuando se realiza el proceso de recuperación con el código correcto la señal original se obtiene, así como el ancho de banda inicial. Un código erróneo da como resultado ruido en el proceso de recuperación [8].. Figura 3-4: Spreading y Despreading.. 17.

(28) 3.5.2. Códigos de Scrambling Los códigos de scrambling se usan para separar las transmisiones de diferentes fuentes; en el uplink, los códigos de scrambling separan a diferentes móviles y en downlink separan diferentes NodosB, celdas o sectores. Hay dos familias de códigos scrambling (cortos y largos); en el uplink los códigos cortos y largos se usan dependiendo del receptor del NodoB (códigos largos para receptores Rake y códigos cortos para detectores multiusuario). Cada familia de códigos contiene millones de códigos scrambling, así la planificación no es necesaria (en el uplink). En el downlink el número de códigos se restringe a 512 para prevenir que la celda busque procedimientos que tomen mucho tiempo. Ya que el número de códigos es limitado, se necesita asignar un código scrambling a la celda o sector, ver Figura 3-4 [18].. 3.6.. Acceso de Paquetes de Alta Velocidad (High Speed Packet Access – HSPA). La primera adición a las características de radio de WCDMA fue HSPA, el cual fue añadido en el Release 5 con HSDPA (High Speed Downlink Packet Access) y en el Release 6 con HSUPA (High Speed Uplink Packet Access), las dos juntas hacen referencia a HSPA. Con HSPA se va más allá de la definición de los sistemas móviles 3G y también comprenden datos de banda ancha móviles. HSPA suele definirse como 3.5G porque substancialmente mejora los estándares 3G; es muy útil para la navegación web, descarga de archivos y VoIP.. 3.6.1. Acceso de Paquetes de Descarga de Alta Velocidad (High Speed Downlink Packet Access - HSDPA) HSDPA presenta nuevas técnicas para optimizar y mejorar la transmisión de paquetes sobre la UTRAN. HSDPA introduce un nuevo canal llamado HS-DSCH (High Speed DSCH), el cual soporta modulación de orden alto, adaptación rápida al enlace, y HARQ (Hybrid Automatic Retransmission Request). A HSDPA se lo conoce como 3.5G. HSDPA puede seleccionar un método de modulación desde QPSK a 16QAM con el fin de proveer altas tasas de datos. El enlace de adaptación se basa en AMC (Adaptive Modulation and Coding), donde el esquema de modulación y codificación más apropiado se seleccionan en base al feedback de la calidad del canal que envía el UE; esto asegura una transferencia de datos más alta para usuarios con buena señal y para usuarios en el borde de la celda. En HSDPA se desactivan funciones como VSF (Variable Spreading Factor) y control de potencia, éstas son reemplazadas con nuevas características como AMC. La organización de los paquetes ahora se realiza desde el NodoB, reduciendo así el retardo y permitiendo que el algoritmo de programación use parámetros como calidad del canal, capacidades del terminal y clase de QoS [9]. El HARQ permite que el UE solicite rápidamente una retransmisión de paquetes de datos a la capa física, esta retransmisión se hace desde el NodoB y no desde la RCN como se hacía anteriormente, consiguiendo una transmisión más rápida. Además, los paquetes que se reciben incorrectamente no se eliminan, sino se almacenan y combinan con retransmisiones posteriores del mismo paquete para minimizar la necesidad de peticiones adicionales cuando ocurran múltiples errores en una señal transmitida. Inicialmente, el servicio fue desarrollado para 1.8 Mbps, pero las mejoras de las redes y los nuevos terminales UE de usuarios han permitido el incremento de las tasas a 3.6 Mbps, seguidos de 7.2 Mbps, 14.4 Mbps e incluso 21 Mbps.. 18.