Tecnología de pequeñas celdas en las redes móviles

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(1)Facultad de Ingeniería Eléctrica Departamento de Telecomunicaciones y Electrónica. TRABAJO DE DIPLOMA Tecnología de pequeñas celdas en las redes móviles. Autor: Kevin Devon Noble. Tutor: MSc. Frank Zurbano Quintana. Santa Clara 2016 “Año del 58 aniversario de la Revolución".

(2) Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas Facultad de Ingeniería Eléctrica Departamento de Telecomunicaciones y Electrónica. TRABAJO DE DIPLOMA Tecnología de pequeñas celdas en las redes móviles. Autor: Kevin Devon Noble E-mail: [email protected]. Tutor: MSc. Frank Zurbano Quintana E-mail: [email protected]. Santa Clara 2016 “Año del 58 aniversario del triunfo de la Revolución ".

(3) i. 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, 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 Tutor. Firma del Jefe de Departamento donde se defiende el trabajo. Firma del Responsable de Información Científico-Técnica.

(4) ii PENSAMIENTO. “Una persona comienza a vivir cuando puede vivir fuera de sí mismo” Albert Einstein.

(5) iii DEDICATORIA. Quiero dedicar este trabajo a mi familia especialmente a mi Mama, Desiree Thomas.

(6) iv AGRADECIMIENTOS. Primero quiero dar gracias a Dios por todo. Agradezco a mi familia que me ha ayudado financiera y espiritualmente durante mi tiempo en Cuba. Quiero agradecer a mi tutor Frank Zurbano que me ha ayudado muchísimo en este trabajo. A todos los profesores del departamento de Telecomunicación que me faltan mencionar y que han ayudado de alguna manera a que mi estudio haya sido un éxito muchas gracias. Agradezco a mi familia cubano que han estado conmigo durante de todo y siempre me han ayudado. A todo de ellos te quiero mucho. A Cuba y la Revolución gracias para esta oportunidad, te amo y extrañare mucho..

(7) v. TAREA TÉCNICA. El estudio de las principales características de las tecnologías móviles que utilizan pequeñas celdas Describir los diferentes entornos de aplicación de pequeñas celdas y las soluciones específicas de cada caso. Analizar los principales inconvenientes y desafíos para el despliegue de redes con pequeñas celdas, así como las soluciones de backhaul. La realización de una búsqueda bibliográfica sobre los entornos, tecnología, soluciones de backhaul que utilizan en pequeñas celdas.. Firma del Autor. Firma del Tutor.

(8) vi RESUMEN. La expansión y evolución de la red celular en las últimas décadas ha sido sorprendente. Redes diseñadas inicialmente para voz han crecido hasta acomodar cargas de tráfico de datos en incremento. Este crecimiento ha recaído principalmente en la red de celdas macro o estaciones base macro, las que proporcionan un buen balance en cuanto a cobertura y capacidad. La rápida asimilación de los servicios de datos provenientes de los teléfonos inteligentes, laptops y más recientemente, tabletas han acelerado el crecimiento del tráfico de datos hasta un punto tal que la estación macro es insuficiente para satisfacer las demandas de los suscriptores en los entornos de alta densidad a nivel mundial. La introducción de la tecnología LTE en la red macro ha proporcionado solamente un pequeño respiro, pero con una vida corta ya que el tráfico aumenta a una razón superior al incremento de capacidad que esta técnica puede proporcionar. Las redes móviles de pequeñas celdas llegan para complementar las funciones de la red macro, para así aliviar la alta carga de tráfico que debe soportar esta última. En este trabajo se pretende presentar las redes móviles de pequeñas celdas como una solución viable, en el marco de la migración hacia tecnología LTE/4G, para garantizar mayor capacidad de tráfico, cobertura y QoS..

(9) vii TABLA DE CONTENIDOS. PENSAMIENTO ................................................................................................................... ii DEDICATORIA ................................................................................................................... iii AGRADECIMIENTOS .........................................................................................................iv TAREA TÉCNICA ................................................................................................................. v RESUMEN ............................................................................................................................vi INTRODUCCIÓN .................................................................................................................. 1 Organización del informe ................................................................................................... 3 CAPÍTULO 1.. DEFINICIONES Y ARQUITECTURAS DE PEQUEÑAS CELDAS..... 4. 1.1. Estado actual del Tráfico Móvil a nivel mundial ..................................................... 4. 1.2. Definiciones Básicas de Pequeñas Celdas ............................................................... 6. 1.3. Arquitecturas y Entornos de Aplicación de Pequeñas Celdas ................................. 7. 1.3.1. Tipos de Pequeñas Celdas. Características. ...................................................... 9. 1.3.2. Femtocelda ........................................................................................................ 9. 1.3.3. Picocelda ......................................................................................................... 11. 1.3.4. Microcelda ...................................................................................................... 13. 1.3.5. Metrocelda ...................................................................................................... 14. 1.4. Dificultades y Desafíos al despliegue de Pequeñas Celdas ................................... 15. CAPÍTULO 2. 2.1. TECNOLOGIAS QUE SE UTILIZAN EN PEQUEÑAS CELDAS ...... 18. Consideraciones sobre LTE ................................................................................... 18. 2.1.1. Multiplexado por División de Frequencial Ortogonales................................. 19. 2.1.2. Tecnología Unica Portadora-Frecuencia Divisíon Modulación Acceso......... 20. 2.1.3. Tecnología de Multiples entradas multiples salidas ....................................... 21.

(10) viii 2.1.4 2.2. Evolución de la Arquitectura de Sistema ........................................................ 22. Consideraciones sobre LTE Avanzado (LTE-A) ................................................... 24. 2.2.1. Tecnícas de Agregación de Portadora ............................................................ 24. 2.2.2. Tecnícas Multipunto Coordinado (CoMP) ..................................................... 26. 2.3. Redes Auto-Organizadas ........................................................................................ 27. 2.3.1. Arquitectura de SON Centralizado ................................................................. 28. 2.3.2. Arquetectura de SON Distribuido................................................................... 29. 2.3.3. Arquitectura SON Hibrido: ............................................................................. 30. CAPÍTULO 3. 3.1. SOLUCIONES TECNOLOGICAS DE PEQUEÑAS CELDAS ............ 32. Modos de Utilización y Escenarios para el Despliegue ......................................... 32. 3.1.1. Escenario Residencial ..................................................................................... 33. 3.1.2. Escenario Empresarial .................................................................................... 35. 3.1.3. Escenario Urbano ............................................................................................ 36. 3.1.4. Escenario Rural ............................................................................................... 39. 3.2. Requerimientos Principales del Backhaul .............................................................. 40. 3.2.1. Requerimiento de Cobertura del Backhaul ..................................................... 41. 3.2.2. Requerimiento de Provisión de Capacidad ..................................................... 41. 3.2.3. Requerimiento de Retardo y Fluctuaciones .................................................... 41. 3.2.4. Requerimiento de Sincronización ................................................................... 42. 3.2.5. Requerimiento de Disponibilidad ................................................................... 43. 3.2.6. Requerimiento de Seguridad ........................................................................... 43. 3.2.7. Requerimiento de Calidad de Servicio (QoS) /Clase de Servicio (CoS) ........ 43. 3.2.8. Requerimiento de Gestión .............................................................................. 44. 3.3. Implementación de Soluciones Inalámbricas ......................................................... 44.

(11) ix 3.3.1. Frecuencia Portadora ...................................................................................... 45. 3.3.2. Propagación sin Visión Directa (NLOS) ........................................................ 46. 3.3.3. Propagación por visión Directa....................................................................... 47. 3.3.4. Opciones de Licencias del Espectro ............................................................... 47. 3.3.5. Conectividad y Tecnología ............................................................................. 49. 3.3.6. Backhaul por Satélite ...................................................................................... 49. 3.4. Soluciones Cableadas ............................................................................................. 52. 3.4.1. Conexión Directa de Fibra .............................................................................. 52. 3.4.2. Línea del Suscriptor Digital ............................................................................ 52. 3.4.3. Potencia en línea desde la Central .................................................................. 54. 3.4.4. Tecnologías FTTx ........................................................................................... 55. 3.4.5. Hibrido de fibra-coaxial (HFC) y redes DOCSIS® 3.0 .................................. 59. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ................................................................... 61 Conclusiones ..................................................................................................................... 61 Recomendaciones ............................................................................................................. 61 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ................................................................................. 62 GLOSARIO DE TÉRMINOS .............................................................................................. 64.

(12) INTRODUCCIÓN. 1. INTRODUCCIÓN. Los últimos años se han caracterizado por una gran demanda de tráfico de datos superiores, así como una mejor Calidad de Servicio (QoS Quality of Service). Este crecimiento es exponencial y se incrementa cada año, lo que plantea un riesgo y dificulta a los proveedores de servicios móviles para proporcionar calidad de servicio a sus usuarios. Los factores responsables para este incremento según (Qutqut, 2014) son: 1.. El tráfico de datos móviles ha experimentado un crecimiento de al menos diez veces (Cisco, 2014).. 2.. El crecimiento exponencial de teléfonos inteligentes y dispositivos con capacidad de acceso a Internet (ej. Laptops, tabletas y notebooks) en la actualidad exceden la población mundial.. 3.. El ilimitado cúmulo de datos ofrecido por los operadores celulares.. 4.. La proliferación de aplicaciones con un intensivo contenido de datos, tales como video de alta definición redes sociales y juegos en línea.. 5.. La gran dependencia de teléfonos inteligentes en la vida diaria y en cualquier parte (interiores, exteriores y sobre la marcha) lo que desplaza muchas actividades diarias hacia nuestra presencia en línea.. Esta expansión y evolución de la red celular en las décadas anteriores ha sido sorprendente. Redes diseñadas inicialmente para voz han crecido hasta acomodar cargas de tráfico de datos en incremento. Este crecimiento ha recaído principalmente en la red de celdas macro o estaciones base macro, las que proporcionan un buen balance en cuanto a cobertura y capacidad. La rápida asimilación de los servicios de datos provenientes de los teléfonos inteligentes, laptops y más recientemente, tabletas han acelerado el crecimiento del tráfico de datos hasta un punto tal que la estación macro es insuficiente para satisfacer las demandas.

(13) INTRODUCCIÓN. 2. de los suscriptores en los entornos de alta densidad a nivel mundial. La introducción de la tecnología LTE en la red macro ha proporcionado solamente una pequeña pauta, pero con una vida corta ya que el tráfico aumenta a una razón superior al incremento de capacidad que esta técnica puede proporcionar. Mientras la red macro continúa proporcionando cobertura de gran área y soporte para usuarios de gran movilidad, los operadores han comenzado a buscar otras soluciones para el incremento de la capacidad en áreas de alto tráfico. Las soluciones mediante Wi-Fi son utilizadas satisfactoriamente en áreas, donde la densidad de suscriptores y la utilización de la red móvil son altas, tales como áreas urbanas, aeropuertos y estadios (Ruckus, 2014). Para superar las limitaciones de cobertura y capacidad de los usuarios, los operadores se han visto forzados a buscar otras soluciones para resolver las crecientes demandas de los dispositivos y garantizar la calidad de servicio esperada por los usuarios. La más utilizada de estas soluciones se llama Pequeñas Celdas. Esta problemática trae consigo la siguiente interrogante: ¿qué características deben tener las redes móviles de pequeñas celdas con alta capacidad de tráfico y QoS? Este trabajo tiene como objetivo general: analizar las arquitecturas de redes móviles que utilizan pequeñas celdas en el entorno actual de migración hacia redes móviles LTE 4G. Los objetivos específicos están encaminados a: 1. Caracterizar las redes móviles de pequeñas celdas. 2. Definir los entornos de aplicación para redes móviles de pequeñas celdas. 3. Analizar las principales soluciones para redes backhaul de pequeñas celdas. Las interrogantes científicas son: 1. ¿Qué características tienen las redes móviles de pequeñas celdas? 2. ¿Cuáles son los escenarios de aplicación de redes móviles de pequeñas celdas? 3. ¿Cuáles son las soluciones idóneas para redes backhaul de pequeñas celdas? Con la ejecución de este proyecto exponen nuevas arquitecturas para el despliegue de redes móviles. Las mismas pueden ser analizadas y aplicadas por los operadores para futuras ampliaciones de las redes existentes, que, en su casi totalidad, están basadas en estaciones base macro y que en muchos casos no solucionan la demandas fundamentalmente en.

(14) INTRODUCCIÓN. 3. interiores lo que brinda la posibilidad de cambiar la visión hacia soluciones más novedosas y más económicas. Los resultados de esta investigación constituyen una referencia práctica para los operadores de empresas de comunicaciones que pretendan optimizar o adaptar las redes móviles existentes con el objetivo de satisfacer las demandas de servicio que se les presenten fundamentalmente de datos, así como aquellos que deseen desplegar nuevos sitios. Organización del informe Este trabajo está estructurado de la siguiente forma. Introducción, tres capítulos, conclusiones y recomendaciones, referencias bibliográficas y glosarios. En la introducción se refleja la necesidad de investigación del tema haciendo énfasis en la problemática del incremento del tráfico en las redes móviles de macroceldas. Se refleja la importancia de las soluciones basadas en redes móviles de pequeñas celdas. En el capítulo 1 se realiza una caracterización de las redes móviles de pequeñas celdas haciendo énfasis en las diferentes arquitecturas. En el capítulo 2 se definen posibles entornos de aplicación para redes móviles de pequeñas celdas haciendo énfasis en las tecnologías LTE-4G y LTE Advanced. En el capítulo 3 se analizan diferentes soluciones de redes de backhaul de pequeñas celdas aplicables a diferentes entornos. Las conclusiones están acordes a los objetivos planteados y las recomendaciones están en correspondencia con trabajos futuros. La bibliografía es actualizada y pertinente. Consta con varias referencias bibliográficas. Al final se encuentran los glosarios para complementar el contenido del informe escrito..

(15) CAPITULO 1. DEFINICIONES Y ARQUITECTURAS DE PEQUEÑAS CELDAS. CAPÍTULO 1.. DEFINICIONES. Y. ARQUITECTURAS. DE. PEQUEÑAS. CELDAS. En este capítulo se dan a conocer las definiciones y parámetros que identifican los diferentes tipos de pequeñas celdas, comenzando con los motivos que impulsan su establecimiento. También se exponen las diferentes arquitecturas básicas y los diversos entornos de aplicación. 1.1. Estado actual del Tráfico Móvil a nivel mundial. El tráfico de datos móviles está experimentando un crecimiento exponencial motivado por los dispositivos de gran capacidad de manejo de datos y aplicaciones con gran ancho de banda. Muchos operadores están evaluando sus opciones donde el despliegue de pequeñas celdas está entre sus mayores prioridades y donde el 60% de ellos consideran que este despliegue juega un papel importante en sus servicios 4G (Release, 2012). Operadores destacados como son AT&T, Vodafone y Softbank han potenciado sus redes macro creando diferenciaciones mediante soluciones con pequeñas celdas. En el 2016 se espera que las pequeñas celdas absorban hasta un 25% del tráfico móvil, así como sus demandas alcanzarán alrededor de 36,8 millones de unidades para un valor económico de 20,4 billones. La Figura 1.1 muestra la curva que caracteriza del crecimiento actual de datos vista desde los centros de datos (Elleithy and Rao, 2011)..

(16) CAPÍTULO 1 DEFINICIONES Y ARQUITECTURAS.. 5. Figura 1.1: Crecimiento Comparativo de la demanda de datos (Index, 2014).. Se pronostica que en el 2020 existirán 50 billones de dispositivos conectados en el mundo. El tráfico móvil crecerá globalmente con un CAGR (Compound average growth rate) de 84% en los próximos siete años y sobrepasará el tráfico de datos fijos en el 2019. Este pronóstico parte de las demandas de tráfico que han superado desde finales del 2013 los recursos de la red macro, dando por resultado un notable empobrecimiento de la calidad de servicio para los usuarios. La pérdida en la calidad de servicio motiva una alta variación de las tasas de transmisión que ocasionan costos de retención superiores. Por otro lado, la asignación de capacidades se torna complicada debido a que el tráfico de datos móviles varía desigualmente a través de diferentes locaciones y tiempo (Dr. Yan Q Bian, 2014). En el caso de las locaciones, vemos que el 80 % del tráfico se genera en interiores mientras que el 90% es manejado solo por el 10% de las celdas que sirven a las áreas de alta densidad. En relación con el tiempo de utilización, el consumo de datos mediante celulares es superior al de WiFi durante el día mientras que sucede lo contrario durante la noche. Un ejemplo es que en Reino Unido el tráfico celular al mediodía es seis veces mayor que el correspondiente a los intervalos fuera de las horas pico. Los operadores tienen múltiples opciones para afrontar situaciones relacionadas con cobertura y capacidad. Las más generales son:.

(17) CAPÍTULO 1 DEFINICIONES Y ARQUITECTURAS.. . 6. Adquirir espectro adicional, lo que puede ser costoso dada la magnitud de lo que se requiere.. . Migrar los usuarios 3G hacia 4G para buscar mejor eficiencia espectral.. . Desplegar pequeñas celdas para mejorar la eficiencia espacial.. Desde el punto de vista financiero es prohibitivo habilitar suficientes celdas macro para satisfacer todas las demandas. La solución más efectiva en cuanto a costos para lograr el acuerdo entre demandas y capacidad la constituye las pequeñas celdas. De todo lo hasta aquí expuesto se deriva que la estrategia para dar solución a las demandas de tráfico y servicios es aquella que aplica las mejoras partiendo de las estaciones macro existente en etapas ordenadas de la manera siguiente: . Ampliación y mejora de las estaciones macro hasta el límite técnico posible. . Diversificación de las estaciones macro. . Utilización de pequeñas celdas como complemento de las estaciones macro.. Esta estrategia deriva en redes combinadas compuestas por estaciones macro, pequeñas celdas como complemento y donde pueden compartir diferentes tecnologías móviles y WiFi para descarga de datos desde la red. Este tipo de red se le denomina Red Heterogénea abreviado (HetNet Heterogeneous Network) y es hacia donde van evolucionando las redes móviles en la actualidad (Dr. Yan Q Bian 2014). 1.2. Definiciones Básicas de Pequeñas Celdas. El industrialmente reconocido Fórum de Pequeñas Celdas ha definido a estas como puntos de acceso inalámbrico de baja potencia de transmisión que operan en un espectro bajo licencias gestionado por operadores y que poseen inteligencia basada en los bordes de la red como un rasgo distintivo. Las mismas brindan cobertura celular, así como capacidades y aplicaciones en hogares, empresas, tanto en espacios públicos metropolitanos como rurales. Los diferentes tipos de pequeñas celdas se denominan: femtoceldas, picoceldas, microceldas y metroceldas, los parámetros que las definen se pueden ver en la Tabla 1.1 (Dr. Yan Q Bian, 2014)..

(18) CAPÍTULO 1 DEFINICIONES Y ARQUITECTURAS.. 7. Tabla 1.1: Parámetros Básicos de las Pequeñas Celdas (Rahul Iyer, 2013). Una estrategia global para las pequeñas celdas está sujeta tanto a desafíos a corto plazo como son la protección de los costos en la provisión de servicios, así como los de largo plazo como son aquellos que sirvan para mantener la afiliación de los clientes y la exploración de nuevas formas de ingresos. La mayoría de las estrategias sobre pequeñas celdas se manifiestan por fases y comprenden aspectos esenciales como: . Conservación del Costo Total de la Inversión (TCO Total Cost of Ownership) mientras se mejoran la cobertura y la capacidad.. . Incremento de los ingresos tradicionales a través despliegues priorizados.. . Incremento de la experiencia de los clientes mediante ancho de banda integrado.. . Exploración de nuevas vías de ingreso a través de nuevos servicios. Sin embargo, los desafíos de la tecnología de pequeñas celdas aún están presentes y muy particularmente en los aspectos siguientes: . Disponibilidad de un backhaul apropiado.. . Adquisición y operación de los sitios.. . Integración y monetización de la tecnología.. . Con la complejidad adicional que se introduce y el mantenimiento de gran cantidad de sitios, los operadores tienen que superar desafíos tanto técnicos como comerciales, asegurando facilidades de despliegue y protecciones (Dr. Yan Q Bian, 2014).. 1.3. Arquitecturas y Entornos de Aplicación de Pequeñas Celdas. El despliegue satisfactorio de redes heterogéneas depende de la medida en que se pueda integrar las pequeñas celdas dentro de las redes de acceso móviles de forma tal que exista.

(19) CAPÍTULO 1 DEFINICIONES Y ARQUITECTURAS.. 8. una conectividad permanente entre los dispositivos y el núcleo de la red, considerando el despliegue de arquitecturas móviles existentes donde la inclusión de pequeñas celdas no puede hacerse en forma trivial. Esto sugiere que para el despliegue e integración de pequeñas celdas se necesitan nuevas estructuras de red que cumplan con los siguientes requerimientos mínimos (S. Saunders, 2009): . Escalabilidad: Mientras que las redes móviles actuales permiten algunos cientos de macroceldas para conectar con el siguiente nivel de la jerarquía, se espera que las pequeñas celdas sean desplegadas masivamente con varios miles de ellas por cada una de las redes, lo que implica una arquitectura con suficiente escalabilidad dentro de la misma red.. . Integración transparente: Las pequeñas celdas deben ser integradas de forma fácil y transparente en la red móvil existente, manteniendo a un nivel mínimo la carga adicional sobre la infraestructura prevaleciente.. . Seguridad: Cualquier arquitectura que se proponga mediante pequeñas celdas debe garantizar un nivel de seguridad suficiente tanto para la red como para los usuarios finales.. . Limitaciones de Capacidad: La arquitectura que se implemente debe tener en cuenta el hecho de que las pequeñas celdas son conectadas mediante enlaces IP compartidos de banda ancha con rendimiento variable. Esta situación es diferente de las redes móviles existentes donde están disponibles enlaces de interconexión dedicados (Duy Trong Ngo, 2014).. A los efectos de la arquitectura, una estación base mediante pequeñas celdas puede ser vista de forma similar a una estación macro, pero con propósitos y aplicaciones optimizadas (tamaño, potencia de salida y con funcionalidades adicionales integradas). Con respecto a ello, estas estaciones soportan las mismas interfaces lógicas como son S1, X2, Iub o Iuh al igual los H(e)NodoB definidos en 3GPP TS 36.300 en su actualización 11 y que es representada en la Figura 1.2. Como opción se puede utilizar una puerta de agregación intermedia igual a la descrita para los nodos H(e)NodoB definida por 3GPP para dar conectividad a un número de pequeñas celdas en cierta área. En caso de LTE la puerta de agregación puede actuar como un concentrador de interfaces S1 que brinda escalabilidad al.

(20) CAPÍTULO 1 DEFINICIONES Y ARQUITECTURAS.. 9. reducir el número de interfaces S1 soportadas por el EPC, además, puede proporcionar funcionalidades en el usuario, control y gestión para reducir la carga de señalización sobre el EPC y hacer más sencilla la operación de las pequeñas celdas. Dependiendo de la capacidad de agregación del dispositivo, (que será el número de pequeñas celdas que soporte) y la topología de la red aplicada, la puerta de agregación puede situarse en el dominio de agregación o de acceso. Una configuración razonable sería colocarlo con la estación base soportando de 4 a 12 pequeñas celdas. La puerta de agregación podría incluir funcionalidad IPsec para soportar túneles hacia las pequeñas celdas al igual que el EPC (Alliance, 2012).. Figura 1.2: Arquitectura 3GPP para LTE y UMTS Actualización 10 (Alliance, 2012). 1.3.1 Tipos de Pequeñas Celdas. Características. 1.3.2 Femtocelda Cubren un radio entre 10 y 100 metros. Cuando son utilizadas en residencias se les denomina HNodoB si es de tecnología 3G o HeNodoB si es de tecnología LTE. Cada año se despliegan millones de femtoceldas en hogares. Su tamaño físico es igual al de un ruteador y en ocasiones viene combinado con uno. La potencia radiada a nivel de casas es entre 20mW y 100 mW mediante el uso de antenas omnidireccionales. Las femtoceldas originalmente están diseñadas para soportar un pequeño número de usuarios. Se estima que más de 70 millones de estos dispositivos han sido instalados al final de año 2014. Utilizan las conexiones de Internet de sus usuarios, consumen poca potencia y casi siempre son instaladas por el.

(21) CAPÍTULO 1 DEFINICIONES Y ARQUITECTURAS.. 10. propietario. Aunque inicialmente fueron diseñadas para un pequeño número de usuarios simultáneos, las unidades más modernas pueden soportar alrededor de 30 usuarios, lo que ha extendido el uso de las mismas en negocios y áreas públicas. Una vez instaladas, el propietario del HNB será requerido de hacer un listado de los números de teléfonos que la estación va admitir. Esta lista se denomina Grupo Cerrado de Suscriptores abreviado (CSG Closed Suscriber Group) (Rahul Iyer, 2013). La Figura 1.3 muestra la infraestructura asociada a las femtoceldas. Es importante decir que esta infraestructura es aplicable también a todos los tipos de pequeñas celdas. A la izquierda de la figura tenemos el teléfono o equipo de usuario que también puede ser una tableta o una PC los que también pueden operar utilizando WiFi para descargar tráfico. En la parte superior tenemos a la red de acceso de radio que incluye macroceldas y algunas metroceldas y microceldas. El HeNodoB incluye tanto la antena como el controlador de radio que constituye entidades separadas en sistemas anteriores a LTE (Rahul Iyer, 2013).. Figura 1.3: Infraestructura relacionada con nodos HNB. (Rahul Iyer, 2013).

(22) CAPÍTULO 1 DEFINICIONES Y ARQUITECTURAS.. 11. Los nodos HeNodoB se comunican con el Núcleo de Paquetes Evolucionado (EPC Evolved Packet Core), con la entidad de gestión de movilidad MME (Mobility Management Entity) y con la puerta de servicio SGW (Service Gateway). El MME gestiona la movilidad del UE (User Equipment) celdas mientras que el SGW tiene en cuenta la transmisión y recepción de datos. En el bloque central está el sistema HeNodoB o HeNB. La femtoceldas es un nodo HeNB en miniatura. El resto de las componentes en el bloque se encuentran dentro del núcleo de red del operador; pero estas son críticas para el procesamiento de la femtoceldas. Un número de femtoceldas se asocia a una puerta de seguridad SeGW para encriptamiento y otras medidas de seguridad. El tráfico de datos es enviado hacia la puerta HeNB-GW la cual utiliza protocolos celulares estándar para conectarse con la puerta de servicio en el EPC, la puerta de seguridad y la femtocelda reciben información de configuración desde el sistema de gestión de HeNB (HMS HeNB management system) (Rahul Iyer, 2013). La conexión entre la femtocelda y su puerta de femtoceldas (HeNB GW) esta encriptada usando IPsec lo que previene contra intercepciones. También hay autentificación cuando la femtoceldas es instalada la primera vez para asegurar que el punto de acceso es válido. Algunas femtoceldas también incluyen elementos del núcleo de red de forma que las sesiones de datos puedan ser gestionadas localmente sin la necesidad de retroceder a través de los centros de conmutación del operador (Khaled Elleithy, 2011). 1.3.3 Picocelda Las picoceldas soportan hasta 100 usuarios típicamente con un radio de celda entre 100 y 200 metros. Poseen funcionalidades similares a las femtoceldas pero con una potencia de salida superior, mayor alcance y soporta más usuarios. Son generalmente utilizadas en empresas y áreas públicas en interiores. Grandes empresas pueden ser cubiertas utilizando múltiples picoceldas especialmente cuando son utilizadas en varios pisos en grandes edificios, comercios, estaciones de trenes y aeropuertos. Las conexiones entre las antenas y las estaciones base utilizan básicamente Ethernet. Para un eNodoB este lleva a cabo las funciones de gestión de recursos y handover, así como agrega datos para ser enviados al EPC o a los nodos de soporte GPRS (GGSN Global Navigation Satellite System). Algunos proveedores empacan en una unidad la picocelda eNodoB con su antena integrada y.

(23) CAPÍTULO 1 DEFINICIONES Y ARQUITECTURAS.. 12. funcionalidades parciales del EPC de forma que se comporte como una femtocelda empresarial (Rahul Iyer, 2013). El Fórum de Pequeñas Celdas ha recomendado dos arquitecturas para la agregación de múltiples picoceldas en una empresa y con acceso directo a la red pública, intranets e Internet. Estos elementos son el Concentrador de Pequeñas Celdas Empresarial (ESCC E-SCN concentrator) y la compuerta (ESCG E-SCN gateway). La red de pequeñas celdas de empresa (E-SCN Enterprise small cell network) lleva a cabo una o más copias de estos dispositivos conjuntamente con los puntos de acceso a las picoceldas distribuidos en toda la empresa (Rahul Iyer, 2013). En la Figura 1.4 se muestra esta arquitectura.. Figura 1.4: Arquitectura de Pequeñas Celdas en la Empresa. (Rahul Iyer, 2013). El ESCC agrega la señalización asociada a múltiples puntos de acceso y brinda la trama resultante al núcleo de red móvil. Los eventos de movilidad entre los puntos de acceso de la empresa son manejados localmente. Para bridar esta función, el ESCC utiliza una sesión simple IPsec (IP security) hacia el núcleo de la red móvil. Esto se muestra en la Figura 1.5. Un punto de acceso virtual (VAP, Virtual Access Point) es establecido, el cual puede ser mantenido mediante el sistema de gestión. El ESCC puede brindar tunelización IPsec..

(24) CAPÍTULO 1 DEFINICIONES Y ARQUITECTURAS.. 13. Figura 1.5: Concentrador de Pequeñas Celdas en la Empresa (Forum, 2013b).. El ESCG puede proporcionar acceso directo a la intranet de la empresa para un rango de direcciones IP (LIPA Local IP Access) y a Internet mediante conexión alternativa mediante el backhaul. El ESCG también puede dar acceso al as líneas públicas fijas a través de su PBX (Rahul Iyer, 2013). 1.3.4 Microcelda Las microceldas típicamente soportan hasta 2000 usuarios con un radio de celda entre 200 metros a 2 kilómetros. Las microceldas se utilizan en áreas pequeñas en exteriores para mejorar la cobertura donde la correspondiente a la macrocelda es insuficiente. Emplea transmisores de corto rango con estación base celular integral. También puede ser encontrada en interiores donde las picoceldas no tienen suficiente cobertura. Las microceldas cubren un área limitada donde la cobertura de la macrocelda es insuficiente tales como comercios, hoteles y nudos de transportación (Rahul Iyer, 2013).

(25) CAPÍTULO 1 DEFINICIONES Y ARQUITECTURAS.. 14. 1.3.5 Metrocelda Al igual que otros tipos de pequeñas celdas estas operan bajo licencia del espectro del operador móvil. Son similares a las utilizadas en empresas con la diferencia de que proporcionan mayor potencia de salida (entre 1 W y 10 W) y soportan mayor número de usuarios. Por ello son utilizadas principalmente en aplicaciones de exteriores. Estas estaciones brindan una alternativa flexible y de bajo costo para la expansión de la macrocelda y pueden llevar a cabo divisiones de celdas aun cuando la capacidad se incremente a expensas de una construcción adicional en exteriores. En consistencia con todas las pequeñas celdas, la relación señal-interferencia (SINR) es mejorada significativamente, lo que mejora grandemente el rendimiento en el enlace de aire mientras se descarga de la red macro, incrementando su capacidad. En relación con otras mejoras de capacidad se pueden lograr mediante agregación de portadoras, adición de espectro y técnicas de antena, las metroceldas ofrecen sustancialmente mayor capacidad. Esencialmente, ellas multiplican la capacidad de la red inalámbrica mediante la creación de pequeñas áreas de servicio subyacentes con cobertura específica. Esta ganancia se repite con la adición de cada sub área de servicio. Trabajando conjuntamente con la estación base macro, pueden ser estimadas ganancias de hasta de diez veces (Alcatel, 2013). Esto se puede apreciar mediante la Figura 1.6.. Figura 1.6: Ganancias de las Metroceldas (Alcatel, 2013).

(26) CAPÍTULO 1 DEFINICIONES Y ARQUITECTURAS.. 15. Mientras que las pequeñas celdas se esperan sean conectadas al backhaul utilizando Ethernet, las metroceldas en particular también se equipan para ser conectadas mediante la Interface de Radio Publica Común (CPRI Common Public Radio Interface) que es la conexión nativa utilizada entre el procesamiento de banda base de estación base y los módulos transmisores/receptores (Alcatel, 2013). 1.4. Dificultades y Desafíos al despliegue de Pequeñas Celdas. El despliegue y operación de las pequeñas celdas tropieza con un número de obstáculos que en algunos casos constituyen desafíos para los operadores, estos se pueden resumir en los casos siguientes: El Backhaul: constituye el elemento que más dificultades exhibe en el despliegue y por tanto es donde radican los mayores desafíos. Su comportamiento afecta el rendimiento de las redes de acceso de radio. Se requiere un backhaul de alto rendimiento y baja latencia. La selección del backhaul debe estar basada en el tipo de pequeña celda para que sea efectivo en cuanto a costos. Es necesaria una coordinación bien ajustada con las pequeñas celdas para el óptimo uso de los escasos recursos del espectro. El costo del backhaul para pequeñas celdas es superior que, de la macro celda, por tanto, uno de los mayores problemas que enfrentan los operadores es cómo una pequeña celda puede ser conectada al backhaul existente y a los puntos de conexión. Las redes con un gran número de pequeñas celdas requieren soluciones en el backhaul que puedan hacer una selección de los medios de transmisión físicos, que incluye microondas, fibra, líneas de cobre y conectividad inalámbrica, lo que significa un problema para los operadores que desean utilizar las recursos de la infraestructura existentes que no necesariamente son los que necesita el sitio y que resulta en una inversión en una red de mayores rendimientos, lo que afecta el costo de instalación y el tiempo a invertir. Al ser instaladas las estaciones a poca distancia del suelo, en interiores y exteriores los sistemas típicos de microondas con visión directa (LOS Line Of Sight) no son efectivos al no tener visión despejada entre los nodos, lo que se acrecienta cuando las estaciones están desplegadas en áreas urbanas donde las celdas están por debajo del nivel de los edificios. Por otro lado, la fibra es cara de desplegar si ésta no está presente en punto de acceso requerido..

(27) CAPÍTULO 1 DEFINICIONES Y ARQUITECTURAS.. 16. En la mayoría de las redes se utilizan mezcla de tecnologías alambica e inalámbricas en el backhaul. La utilización de configuraciones de antena avanzadas como son 3D, (CoMP Cooperative Multipoint) y (MIMO Multiple Input Multiple Output) masivo proporcionan un incremento en la ganancia de capacidad, pero al costo de incrementar la complejidad y las consecuencias que de ello se deriva en los procesos de coordinación, que ya son a considerar. La Interferencia: El aumento de celdas en la red aumenta el nivel de interferencia debido al reusó de frecuencias, Las técnicas de Multipunto Coordinado (CoMP Cooperative Multipoint) y la utilización de los métodos de Auto-Optimización de Red (SON Self Organized Network) son soluciones que los operadores deben tener en cuenta antes de desplegar la red. El Handover: La presencia y densidad de pequeñas celdas en la red y en particular en una misma locación producen un incremento significativo del handover comparado con el que ocurre entre celdas macro. Aquí el handover se produce entre pequeñas celdas vecinas y entre estas y la celda macro. El exceso de handover puede forzar el trabajo de la red debido a la cantidad de procedimientos a efectuar. De aquí se deriva la necesidad de incluir en la red, técnicas de optimización de handover, que por otro lado añaden complejidad a la red. El Sitio: La elección del sitio es de suma importancia debido a que la elección óptima del mismo da por resultado un máximo aprovechamiento del espectro. Esto sugiere flexibilidad y alternativas en las soluciones para el emplazamiento óptimo de sitios ya que en el caso de entornos urbanos hay además que tener en consideración los aspectos administrativos y permisos para establecer los sitios y que ahora dependen de municipalidades, agencias y comerciantes. La Coordinación: Existen numerosas técnicas para ayudar al aumento de la capacidad en redes heterogéneas, pero con el resultado de un aumento considerable de la complejidad lo que implica un incremento y complejidad de gestión de las funciones de coordinación entre los nodos de la red. La coordinación entre las pequeñas celdas y la red macro en redes heterogéneas se logra mediante una gestión de tráfico común a través de tecnologías, frecuencias y locaciones, lo que implica habilitar un monitoreo continuo del comportamiento del usuario a través de las tecnologías y coordina decisiones basadas en la carga de la red o priorización de servicio..

(28) CAPÍTULO 1 DEFINICIONES Y ARQUITECTURAS.. 17. La coordinación de radio entre las celdas macro y las pequeñas puede reducir también el número de pequeñas celdas requeridas en el orden de un 70%. Un gran número de celdas crea una nueva complicación para los móviles para detectar la mejor celda para asociarse. Los Entornos de Aplicación. Los entornos que justifican el despliegue de pequeñas celdas pueden agruparse de la siguiente forma: . Puntos de acceso en exteriores de grandes demandas tales como, plazas y calles comerciales, con una densa red macro ya definida y que son áreas donde la interferencia es alta.. . Puntos de acceso aislados de alto tráfico localizados en interiores como son: centros de negocios y hoteles donde es difícil llegar mediante una estación macro en exterior.. . Puntos de acceso de alto tráfico en interiores, como centros comerciales, aeropuertos y estaciones del metro, donde las demandas de movilidad y la interferencia son altas.. . Puntos de acceso localizados en interiores o espacios con poca cobertura tales como oficinas pequeñas y restaurantes que exigen despliegues y gastos de estructura de las redes celulares convencionales. Otra forma de agrupación considera agrupar los entornos como: . Hogar. . Empresas. . Urbanos. . Rurales. Esta agrupación es la adoptada por el Fórum de Pequeñas Celdas y a partir de ella define las estrategias a considerar para cada caso para el despliegue de las pequeñas Celdas (Quintana, 2016)..

(29) CAPÍTULO 2. TECNOLOGIAS QUE SE UTILIZAN EN PEQUEÑAS CELDAS. CAPÍTULO 2.. 18. TECNOLOGIAS QUE SE UTILIZAN EN PEQUEÑAS CELDAS. En este capítulo, se describen las tecnologías más utilizadas en pequeñas celdas en la actualidad. El estudio se centra sobre las características y rasgos particulares tecnologías que benefician la operación y despliegue de las pequeñas celdas. Además, se exponen los rasgos pertenecientes a la tecnología LTE (Long Term Evolution), LTE A (Long Term EvolutionAdvanced) y SON (Self Optimizing Network) que refuerzan la operación de las pequeñas celdas. Se escogen las tecnologías alrededor de LTE porque son las que proporcionen mayor relevancia al trabajo de las pequeñas celdas. Esto no quiere decir que las tecnologías móviles anteriores (GSM y, UMTS) no sean aplicables sino todo lo contrario. Pero las tecnologías LTE y LTE-A son las llamadas a dar soluciones y resolver las dificultades y desafíos que afronta el despliegue de las pequeñas celdas sobre todo en el importante campo de la coordinación con la estación macro en redes heterogéneas y el control de interferencia. 2.1. Consideraciones sobre LTE. Evolución a largo Termino (LTE Long Term Evolution) es el resultado de los esfuerzos de la 3GPP para la cuarta generación (4G) de tecnologías móviles especialmente en Europa y cuyo equivalente en América del Norte se denomina UMB (Ultra-Mobile Broadband) bajo el título de la 3GPP2 (Brown, 2007). LTE está diseñado para brindar 100 Mbps en el enlace de bajada y 50 Mbps en el de subida. Los requerimientos de la tecnología 4G se pueden resumir en el siguiente orden: 1. Eficiencia Espectral Superior. 2. Costos por bit reducidos. 3. Provisión de Servicios mejorada mediante la disminución de los costos y el incremento de la eficiencia y la experiencia..

(30) CAPÍTULO 2. TECNOLOGIAS QUE SE UTILIZAN EN PEQUEÑAS CELDAS. 19. 4. Interfaces Abiertas. 5. Eficiente consume de potencia. 6. Utilización escalable y flexible de las bandas de frecuencias. Para el logro de estos objetivos las especificaciones técnicas aprobadas por 3GPP incluyen el uso de Multiplexado por División de Frecuencias Ortogonales (OFDM Orthogonal Frequency Division Multiple Access) y tecnologías de antena avanzadas como MIMO (Multiple Input Multiple Output). Además, se aspira a valores picos en el enlace de bajada y de subida de 326 Mbps y 86 Mbps respectivamente en un ancho de banda de 20 MHz y con una latencia del orden de 10 milisegundos (Paul, 2008). 2.1.1. Multiplexado por División de Frequencial Ortogonales. OFDM, constituye un método de acceso de aire superior comparado con CDMA (Code Division Multiple Access). OFDM es una de las tecnologías claves que hace posibles servicios inalámbricos sin visibilidad directa (NLOS Non Line of Sight) lo que hace posible extender los sistemas de acceso sobre amplias áreas. Es una variante del esquema FDM (Frequency Division Multiple) en la cual los canales de frecuencia están divididos en subcanales múltiples más pequeños. En FDM esta canalización requiere la provisión de bandas de guarda entre dos sub-canales para evitar interferencias entre ellos. Como se muestra en la Figura 2.1, OFDM divide el ancho de banda en sub partes estrechas ortogonales denominadas sub-portadoras. Un sub-canal es la agregación de un número de estas sub-portadoras. Las mismas incluyen portadoras de datos, pilotos y DC. La portadora de datos se utiliza para portar datos. Las portadoras de piloto se utilizan para el censado de canales y las de DC marcan el centro del canal. Cada sub-portadora es modulada mediante un esquema convencional tales como QAM (Quadrature Amplitude Modulation) o PSK (Phase Shifting Key) con una razón de símbolos baja. A cada usuario se le asigna un número entero de subcanales los cuales están compuestos por un número de sub-portadoras. Los datos del usuario se envían en paralelo en cada sub-portadora a una razón baja. Las combinaciones de las subportadoras en paralelo en el destino proporcionan las razones de datos altas. Ya que la subportadora porta datos a baja velocidad y por tanto un tiempo de símbolo más alto, esta es más resistente a los efectos del multi-trayecto haciéndola más apropiada para tecnologías inalámbricas de acceso en amplias áreas con características NLOS. También el uso de.

(31) CAPÍTULO 2. TECNOLOGIAS QUE SE UTILIZAN EN PEQUEÑAS CELDAS. 20. solapamiento mediante sub-portadora ortogonal sin bandas de guarda lo hace más eficiente que el esquema FDM. OFDM se parece a CDMA en cuanto es una tecnología de espectro extendido donde la energía generada en un ancho de banda particular es extendida a través de un amplio ancho de banda haciéndola más resistente a la interferencia. Sin embargo, a diferencia de CDMA, OFDM permite la asignación adaptativa de sub portadoras a sub-canales basado en las condiciones del canal y haciéndola más robusta y con una eficiencia espectral superior a CDMA. La versión multiusuario de OFDM se le denomina Acceso Múltiple por División de Frecuencias Ortogonales OFDMA en inglés (Orthogonal Frequency Division Multiple Access) (Pandharipande, 2002).. Figura 2.1: Sub-portadoras OFDM (Paul, 2008). 2.1.2. Tecnología Unica Portadora-Frecuencia Divisíon Modulación Acceso. LTE de enlace ascendente se basa en SC-FDMA (Single Carrier Frequency Division Multiple Access), una poderosa tecnología que combina muchos de los aspectos flexibles de OFDM con el pico bajo de la ración de potencia promedio (PAPR Peak to Average Power Ratio) de un único sistema de soporte. SC-FDMA requiere la asignación de portador a través de un bloque contiguo de espectro y esto presenta parte de la flexibilidad inherente a la.

(32) CAPÍTULO 2. TECNOLOGIAS QUE SE UTILIZAN EN PEQUEÑAS CELDAS. 21. programación de OFDM pura. LTE-Avanzado mejora el esquema de acceso múltiple de enlace ascendente mediante la adopción de clúster SC-FDMA, también conocido como transformada de Fourier discreta OFDM propagación (DFT-S-OFDM Discrete Fourier Transform Spread Orthogonal Frequency). Este esquema es similar al SC-FDMA, pero tiene la ventaja de que permite (agrupados) grupos no contiguos de sub-portadoras que se asignen para la transmisión por un solo UE (User Equipment), lo que permite la programación selectiva en frecuencia de enlace ascendente y un mejor rendimiento del enlace. Agrupado SC-FDMA fue elegido con preferencia a la pura eficiencia espectral de enlace ascendente aumento de OFDM, manteniendo la compatibilidad hacia atrás con LTE (Agilent, 2011). En la figura 2.2 muestra enlace mejorada con múltiple acceso. Figura 2.2: Representación de un enlace mejorado con múltiple acceso (Agilent, 2011). 2.1.3. Tecnología de Multiples entradas multiples salidas. Múltiples Entradas - Múltiples Salidas (MIMO, Multiple Input Multiple Output) es una de las más avanzadas tecnologías de antena soportadas por LTE y LTE-A. Los rasgos sobresalientes de MIMO es que brinda un desempeño superior para un ancho de banda dado y un rango superior de enlace para un valor dado de potencia. En MIMO el transmisor y receptor poseen múltiples antenas proporcionando múltiples variantes basadas en el número de antenas presentes en cada lado. No obstante, la idea clave es que el transmisor envía.

(33) CAPÍTULO 2. TECNOLOGIAS QUE SE UTILIZAN EN PEQUEÑAS CELDAS. 22. múltiples haces en múltiples antenas del transmisor y cada haz transmitido va por diferentes trayectorias hasta alcanzar cada antena del receptor como se muestra en la figura 2.3. Los diferentes trayectos tomados por un mismo haz o cadena para alcanzar múltiples receptores permiten cancelación de errores mediante técnicas de procesamiento de señal superiores. MIMO también lleva a cabo multiplexación espacial para distinguir entre diferentes símbolos en la misma frecuencia. Por todo ello, MIMO ayuda a conseguir una alta eficiencia espectral y fiabilidad del enlace (Sanayei S, 2004).. Figura 2.3: Representación de caminos múltiples en MIMO (Paul, 2008). 2.1.4. Evolución de la Arquitectura de Sistema. Otro sistema que juega gran papel en la arquitectura de LTE es el SAE también conocido como Evolved Packet Core (EPC), el cual define el núcleo de red del estándar LTE (Unknown, 2006). Los rasgos claves del SAE son: 1. Red todo IP:Evolución del núcleo de red hacia arquitectura plana basada solamente de paquetes IP..

(34) CAPÍTULO 2. TECNOLOGIAS QUE SE UTILIZAN EN PEQUEÑAS CELDAS. 23. 2. Alto rendimiento, tecnología de acceso de radio de baja latencia. 3. Interoperabilidad a través de tecnologías de acceso de radio heterogéneas. 4. Handover vertical entre múltiples tecnologías de acceso de radio. La arquitectura de SAE está compuesta por dos tipos de nodos: 1. Estación base o ENodoB (NodoB evolucionado) 2. Compuerta de Acceso (AGW Access Gateway) En la Figura 2.4 se muestra la arquitectura SAE. Figura 2.4: Arquitectura SAE (Paul, 2008). Como se muestra en la Figura 2.4, la entidad de gestión de movilidad (MME) es responsable de la gestión y mantenimiento del contexto del plano de control del usuario, la información de autentificación, la gestión de movilidad y la generación de identidades temporales. El 3GPP es el responsable de manejar el handover vertical entre 2G-3G y LTE. El SAE es el responsable del handover vertical entre 3GPP y no-3GPP tales como WLAN, etc. El enlace S3 representa el intercambio de información del usuario y del conducto portador con los accesos al Sistema de movilidad inter-3GPP. El enlace S6 representa la interface AAA para transferencia de los accesos del usuario y los datos de autentificación para acceso de usuario con sistema evolucionado. El enlace S4 denota soporte de movilidad entre el núcleo GPRS y entre soporte AS. S7 representa las políticas y reglas de transferencia de Calidad de Servicio.

(35) CAPÍTULO 2. TECNOLOGIAS QUE SE UTILIZAN EN PEQUEÑAS CELDAS. 24. (QoS). El enlace S2 representa el soporte de movilidad entre los accesos WLAN 3GPP IP o no-3GPP IP y entre AS (Paul, 2008). 2.2. Consideraciones sobre LTE Avanzado (LTE-A). LTE-A viene a ser la tecnología sucesora de LTE y aunque LTE-A no ha sido oficialmente lanzado se puede afirmar que será la tecnología de las redes móviles futuras. Las tecnologías claves de LTE-A son las siguientes: 1. Ancho de banda superior habilitado mediante Agregación de Portadoras (CA Carrier Aggregation). 2. Alta eficiencia habilitada mediante acceso múltiple en el enlace de subida mejorado y una mejora de la transmisión con múltiples antenas (técnicas avanzadas MIMO). Otras mejoras de comportamiento están bajo consideración bajo la Actualización 10 y más allá. . Transmisión y Recepción Coordinada Multipunto (CoMP Cooperative Multipoint). . Repetición. . Soporte para redes heterogéneas.. . Mejoramiento de red LTE auto optimizada (SON).. . Nodo HeNB mejorado en cuanto a movilidad.. . Requerimientos de RF para los equipos fijos de las premisas del cliente (CPE).. Es importante profundizar en algunos rasgos claves de LTE (Rumney, 2011). 2.2.1 Tecnícas de Agregación de Portadora La agregación de portadoras (CA, Carrier Aggregation) ha producido un impacto en la red móvil con razones de datos en el enlace de bajada del orden de 1 Gbps el requerirá un ancho de banda del canal más amplio que el que está especificado para LTE hasta la actualización 8. Normalmente, LTE soporta anchos de banda de hasta 20 MHz, la única forma de lograr razones de datos superiores es incrementando el ancho de banda del canal. IMT-Avanzado establece un límite superior de 100 MHz con 40Mhz para un mínimo desempeño. La IUT ha permitido la creación de anchos de banda mayores mediante la agregación de componentes de portadora contigua y no contigua. Esto significa que el espectro de una banda puede ser agregado con el espectro de otra banda en el UE que soporta múltiples transceptores..

(36) CAPÍTULO 2. TECNOLOGIAS QUE SE UTILIZAN EN PEQUEÑAS CELDAS. 25. Para tener una mejor idea, en la Figura 2.5 se muestra un ejemplo de agregación contigua en la cual dos canales de 20MHz son colocados uno al lado del otro. En este el ancho de banda agregado cubre el mínimo requerimiento de 40 MHz y puede ser soportado por un simple transceptor. En otro caso, si los canales de este caso fueran no contiguos (no adyacentes) o localizados en bandas de frecuencia diferentes entonces serían necesario múltiples transceptores en el UE (Rumney, 2011).. Figura 2.5: Agregación contigua de dos portadora componentes de enlace de subida (Rumney, 2011).. Para (Rumney, 2011), LTE-A soporta tres tipos de escenarios de agregación de portadoras. 1. Intra-continuo 2. Intra-banda no-continuo 3. Inter-banda no-continuo El espaciamiento entre frecuencias centrales de componentes de portadoras contiguamente agregadas será un múltiplo de 300 kHz par que sea compatible con los 100 kHz de amplitud de frecuencia de la actualización 8/9 y preservando además la ortogonalidad de las subportadoras que posee un espaciamiento de 15 kHz. Un UE para LTE-A no puede ser configurado con más componentes en el enlace de subida que las del enlace de bajada y en despliegues típicos TDD el número de componentes de portadora en los enlaces de bajada y subida al igual que el ancho de banda de cada uno debe ser el mismo. La Tabla 2.1 muestra arreglos de agregación para distintos escenarios (Rumney, 2011)..

(37) CAPÍTULO 2. TECNOLOGIAS QUE SE UTILIZAN EN PEQUEÑAS CELDAS. 26. Tabla 2.1 Escenarios de estudio para agregación de portadora (Rumney, 2011). 2.2.2 Tecnícas Multipunto Coordinado (CoMP) El multipunto coordinado (CoMP) es una variante avanzada de MIMO estudiada como un medio de incrementar el desempeño para altas razones de datos, rendimiento en los bordes de la celda y rendimiento del sistema en escenarios de alta y baja carga. En la figura 2.6 se compara el multiplexado espacial tradicional MIMO en el enlace de bajada con el multipunto coordinado. La diferencia entre estos dos sistemas es que con multipunto coordinado los transmisores no tienen que estar físicamente localizados en el mismo sitio, aunque seta ligados por cierto tipo conexión de datos de alta velocidad y puede compartir datos de la carga (Rumney, 2011).. Figura 2.6: Comparación entre MIMO tradicional y CoMP en el enlace de bajada.(Rumney, 2011).

(38) CAPÍTULO 2. TECNOLOGIAS QUE SE UTILIZAN EN PEQUEÑAS CELDAS. 27. En el enlace de bajada, el multipunto coordinado habilita ordenamiento controlado y formación de haz a partir de dos o más locaciones físicamente separadas. Este rasgo no hace uso completo del potencial de CoMP debido a que los datos requeridos para trasmitir al móvil necesitan estar presentes en una sola de las celdas de servicio. No obstante, si la combinación coherente, también conocida como MIMO corporativo o de red, es utilizada entonces es posible una transmisión más avanzada. La aproximación de CoMP a MIMO requiere una comunicación de datos de alta velocidad al nivel de símbolo entre todas las entidades transmisoras como se puede ver en la figura 2.5 mediante la línea entre eNB y eNB2. Lo más probable es que el enlace físico que soporta la interface LTE X2, una interface basada en malla entre las estaciones base, sea usada para compartir los datos de banda base. La combinación coherente utilizada en CoMP es semejante a la combinación suave o handover suave conocida en los sistemas CDMA en los cuales la misma señal es transmitida desde diferentes celdas No obstante, con combinación coherente los flujos de datos que están siendo transmitidos desde las estaciones base no son los mismos. Estos flujos de datos diferentes son pre codificados en forma tal que se maximice la probabilidad de que el UE pueda decodificar los diferentes flujos de datos. En el enlace de subida la utilización de coordinación entre las estacione base es menos avanzada, simplemente debido a que cuando dos o más UE están transmitiendo desde diferentes lugares, no existe un mecanismo realista para compartir los datos entre los UE para propósitos de pre codificación. El enlace de subida seta restringido a utilizar una simple técnica de planificación coordinada. Por otro lado, hay una considerable oportunidad de llevar a cabo una demodulación más avanzada. El inconveniente es la consecuencia de que para una señal de 10MHz el backhaul podría ser de hasta 5 Gbps de conexiones de baja latencia entre los eNB participantes (Rumney, 2011). 2.3. Redes Auto-Organizadas. Hasta aquí se han visto las componentes técnicas que establecen las arquitecturas LTE y LTE-A. Con el aumento del consumo de datos, las redes se van tornando más densas y.

(39) CAPÍTULO 2. TECNOLOGIAS QUE SE UTILIZAN EN PEQUEÑAS CELDAS. 28. complicadas por lo que existe la preocupación de cómo gestionar las estaciones base para brindar servicios óptimos a los usuarios. La 3GPP ha establecido un concepto que minimiza el uso de mantenimiento manual conocido como Redes Auto Organizadas (SON). Este es un concepto donde procesos automáticos permiten el constante monitoreo del servicio y el comportamiento de la red y analiza los datos recogidos desde diferentes partes de la red que brindan una retroalimentación útil que puede ser utilizada para la toma de decisiones. Las capacidades de SON están dirigidas a soportar prioridades de negocios móviles de banda ancha gestionando las complejidades de red de una manera inteligente. Esta les da a los operadores libertad para enfocarse en la provisión de una excelente experiencia del cliente como la gestión de tecnologías múltiples donde redes de múltiples proveedores es simplificada (Sridhar). Algunas de las funciones de SON se listan: 1. Autoconfiguración 2. Auto-optimización 3. Auto-recuperación Las principales arquitecturas de SON se listan: 1. Centralizada SON (C-SON) 2. Distribuida SON (D-SON) 3. SON Hibrido 2.3.1 Arquitectura de SON Centralizado En SON Centralizado (C-SON Centralised Self Optimizing Network), se ejecutan algoritmos de optimización sobre un sistema de Operación y Mantenimiento (OAM Operation and Maintainence). En tales soluciones la funcionalidad SON reside en un pequeño número de locaciones a un alto nivel en la arquitectura. En SON Centralizado, todas sus funciones están localizadas en sistemas OAM por lo que es fácil su despliegue. Pero debido a que diferentes vendedores tienen su propio sistema OAM, hay un bajo soporte para casos de optimización entre distintos vendedores. Y además no este no soporta los casos.

(40) CAPÍTULO 2. TECNOLOGIAS QUE SE UTILIZAN EN PEQUEÑAS CELDAS. 29. simples y de rápida optimización. Para implementar SON-C las interfaces existentes Itf-N debe extenderse (Sujuan Feng, 2008). La figura 2.7 muestra un ejemplo de C-SON.. Figura 2.7: Ejemplo de C-SON (Sujuan Feng, 2008). 2.3.2 Arquetectura de SON Distribuido En SON Distribuido (D-SON Distributed Self Optimizingn Network), se ejecutan algoritmos de optimización en el eNB. En tales soluciones la funcionalidad SON reside en muchas locaciones a un bajo nivel relativo en la arquitectura. En D-SON todas las funciones están localizadas en el eNB lo que ocasiona una gran cantidad de trabajo de despliegue. Además, hay dificultades para soportar esquemas de optimización complejos, lo que requiere una coordinación de todos los eNB. Pero en D-SON es fácil soportar esto casos a los cuales solo le conciernen uno o dos nodos eNB. Para SON Distribuido, es necesaria que las interfaces X2 sean extendidas (Sridhar). En la Figura 2.8 se muestra un ejemplo..

(41) CAPÍTULO 2. TECNOLOGIAS QUE SE UTILIZAN EN PEQUEÑAS CELDAS. 30. Figura 2.8: Ejemplo de SON Distribuido (Sujuan Feng, 2008) 2.3.3 Arquitectura SON Hibrido: En SON hibrido, una parte de los algoritmos de optimización se ejecutan en el OAM mientras la otra lo hace sobre el eNB. En SON hibrido os esquemas de optimización simples y rápidos se implementan en el eNB y los esquemas de optimización complejos son implementados en el OAM. De esta forma, esta modalidad es muy flexible para soportar diferentes tipos de casos de optimización y además soporta la optimización entre diferentes proveedores a través de las interfaces X2, pero, por otro lado, cuestan mucho los esfuerzos de despliegue y los trabajos de extensión de interfaces (Sujuan Feng, 2008). En la Figura 2.9 se nuestra la arquitectura de SON hibrido..

(42) CAPÍTULO 2. TECNOLOGIAS QUE SE UTILIZAN EN PEQUEÑAS CELDAS. Figura 2.9: SON Hibrido (Sujuan Feng, 2008). 31.

(43) CAPÍTULO 3. SOLUCIONES TECNOLOGICAS DE PEQUEÑAS CELDAS. CAPÍTULO 3.. 32. SOLUCIONES TECNOLOGICAS DE PEQUEÑAS CELDAS. Este capítulo trata principalmente sobre las diferentes soluciones tecnológicas que se aplican para el despliegue de las pequeñas celdas desde el punto de vista del backhaul, ya que es en este dónde radican las mayores dificultades y complejidades técnicas y constituye un factor decisivo para el despliegue. El capítulo define inicialmente los diferentes escenarios de aplicación, exponiendo las líneas de trabajo y las definiciones que de ellos se derivan, así como las arquitecturas genéricas en los casos que son aplicables. Además, se exponen los requerimientos básicos que debe cumplimentar el backhaul para lograr la Calidad de Servicio requerida sobre la base de las exigencias de 3GPP en cuanto a funcionalidad. Finalmente se detallan las diferentes soluciones.. 3.1. Modos de Utilización y Escenarios para el Despliegue. Para el despliegue de pequeñas celdas lo primero a tener en cuenta es conocer con qué fin serán utilizadas. Aquí se definen dos destinos: con fines de aumento de cobertura o para aumento de capacidad. La utilización con fines de cobertura puede destinarse a interiores o exteriores. En el primer caso se refiere a espacios públicos en interiores que se encuentran aislados del área de cobertura de la estación macro caracterizados por localidades urbanas de alta densidad, áreas suburbanas residenciales, terrenos montañosos y casos de movilidad en medios de transporte públicos..

(44) CAPÍTULO 3. SOLUCIONES TECNOLOGICAS DE PEQUEÑAS CELDAS. 33. El segundo caso caracteriza aquellos casos en que hay limitaciones en la cobertura de la estación macro o áreas rurales donde no hay ninguna cobertura. También se incluye casos de áreas restringidas rurales (Forum, 2014c). Cuando la finalidad está dirigida al aumento de capacidad esto significa desplegar las pequeñas celdas en localidades urbanas conocidas e identificadas por una alta demanda de tráfico con la finalidad de aliviar la congestión de la estación macro o como complemento de servicios públicos como es WiFi y también como medio de elevar la capacidad en áreas de alta densidad con la finalidad de mejorar la Calidad de Experiencia de los usuarios (QoE). El despliegue se realiza tanto en interiores como exteriores (Alliance, 2012). Por todo lo antes expuesto a los efectos de las estrategias de despliegue los diferentes se clasifican en cuatro tipos básicos: Residenciales, Empresariales, Urbanos y Rurales, y en cada uno de ellos se definen estrategias particulares de despliegue y arquitecturas genéricas en el backhaul. 3.1.1 Escenario Residencial Este escenario tiene su aplicación en hogares y pequeñas oficinas y el despliegue se basa principalmente en femtoceldas. Por lo general, esta aplicación se encuentra en interiores y en locaciones donde usualmente una celda simple es suficiente. Las femtoceldas son puntos de acceso de baja potencia que brindan servicios inalámbricos de banda ancha y voz a los usuarios. Utilizan protocolos estandarizados en la interface de aire para su comunicación con dispositivos móviles, operando en espectros bajo licencia y generan cobertura y capacidad a través de un backhaul habilitado sobre Internet (Forum, 2014b).Un escenario típico de despliegue se muestra en la Figura 3.1..

(45) CAPÍTULO 3. SOLUCIONES TECNOLOGICAS DE PEQUEÑAS CELDAS. 34. Figura 3.1: Escenario típico de despliegue de femtoceldas (Forum, 2014b). Mientras que las femtoceldas brindan una plataforma efectiva en cuanto a costos, con alta calidad y rápido despliegue para los servicios móviles existentes de voz, mensajería y datos, su despliegue masivo ofrece el potencial para brindar servicios nuevos al igual que aquellos cuyos rasgos son habilitados mediante femtoceldas. Este potencial se alcanza mediante actualizaciones de sus características únicas como son: . Servicios basados en presencia.. . Mecanismo de lanzamiento de aplicaciones cuando un usuario móvil entra o sale de la zona de la pequeña celda.. . Servicios basados en locación (LBS Local Base Service) que resaltan la pequeña área de ocupación de la femtocelda, especialmente en interiores o en locaciones donde otros métodos como GPS no están disponibles.. Basado en esto, las femtoceldas pueden facilitar una nueva variedad de servicios móviles que explotan la habilidad tecnológica de detector presencia, conectar e interactuar con redes existentes. Estas capacidades son distintivas en relación con otros enfoques debido a: . Alta precisión de localización.. . Capacidad de estar siempre activo sin depender de la interacción del usuario..

(46) CAPÍTULO 3. SOLUCIONES TECNOLOGICAS DE PEQUEÑAS CELDAS. . Soporta todos los dispositivos móviles sin un software especial del cliente.. . Conexión segura con un sistema de facturación establecido (Forum, 2014b).. 35. 3.1.2 Escenario Empresarial Un marco para las redes de pequeñas celdas empresariales (E-SCN) donde se resaltan las partes esenciales o dominios de un sistema integral conteniendo un E-SCN e introduce sus funcionalidades esenciales. Se muestra en la Figura 3.2. Este marco no constituye en sí una arquitectura detallada, pero sirve de referencia para mostrar una descripción funcional de los distintos nodos lógicos (Forum, 2013b).. Figura 3.2: Estructurado para Escenario Empresarial.. Esencialmente, una red de pequeñas celdas para empresas consiste de un número de puntos de acceso celulares (APs Access Points) que proporcionan conectividad tanto 3G como 4G. La misma contiene dos funcionalidades opcionales nuevas que son el Concentrador de ESCN denominado ESCC y la pasarela de E-SCN, denominado ESCG. La red E-SCN brinda servicios de comunicaciones celulares a usuarios de empresas con posibilidades de atender visitantes. Esta red a la vez que interactúa puede mejorar las componentes existentes de la infraestructura de comunicaciones de la empresa al igual que con los servicios de comunicaciones. De lo anterior se deriva que el E-SCN puede ser conectado a la funcionalidad IP-PBX de la empresa, lo que permite una integración de la red de pequeñas celdas con los servicios.