Estudio sobre la migración hacia 3G en la red móvil de Villa Clara

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(1)Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas Facultad de Ingeniería Eléctrica Departamento de Electrónica y Telecomunicaciones. TRABAJO DE DIPLOMA Estudio sobre la Migración hacia 3G en la Red Móvil de Villa Clara Autor: Marcos Bacás Lamar Tutor: Ing. Frank Zurbano Quintana Co-Tutor: MSc. Hiram del Castillo Sabido. Santa Clara Año 2010 "Año 52 de la Revolución".

(2) Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas Facultad de Ingeniería Eléctrica Departamento de Electrónica y Telecomunicaciones. TRABAJO DE DIPLOMA Estudio sobre la Migración hacia 3G en la Red Móvil de Villa Clara Autor: Marcos Bacás Lamar [email protected]. Tutor: Ing. Frank Zurbano Quintana Asistente Adjunto del Dpto. de Telecomunicaciones y Electrónica de la UCLV e Instructor Adjunto del Centro Nacional de Capacitación de ETCSA. Especialista de la filial de Servicios Móviles de ETECSA Gerencia Villa Clara.. Co-Tutor: MSc. Hiram del Castillo Sabido Profesor del Departamento de Electrónica y Telecomunicaciones UCLV. Facultad de Ingeniería Eléctrica. Santa Clara Año 2010 "Año 52 de la Revolución".

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

(4) i. PENSAMIENTO.

(5) ii. DEDICATORIA. A mis padres..

(6) iii. AGRADECIMIENTOS. Doy gracias: Al Ingeniero Frank Zurbano Quintana, Especialista de la filial de Servicios Móviles de ETECSA en la Gerencia Villa Clara, que con su valiosa ayuda y los criterios aportados ha sido posible la realización de este trabajo. Al Máster Hiram del Castillo Sabido, Profesor del Departamento de Telecomunicaciones y Electrónica de la UCLV. A mis compañeros del aula por su apoyo incondicional y muy especialmente a Ariel González..

(7) iv. TAREA TÉCNICA. Realizar un estudio bibliográfico sobre las tecnologías móviles GSM-GPRS y también de UMTS. Buscar las principales estrategias usadas en el mundo por los proveedores de servicios móviles para evolucionar hacia una red móvil de tercera generación usando la infraestructura TDM. Analizar los procedimientos utilizados en cada una de las estrategias planteadas. Escoger la estrategia mas eficaz y que se mejor se adapte al escenario de la red móvil de Villa Clara.. Firma del Autor. Firma del Tutor.

(8) v. RESUMEN. Con el desarrollo de las comunicaciones móviles, ha aumentado el número de subscriptores y además han surgido nuevos servicios de datos para satisfacer las necesidades de los usuarios. Estos servicios demandan mayor ancho de banda y calidad de servicio, por lo que los operadores móviles reconocen la necesidad de desplegar una red de tercera generación para soportar estos servicios. Este trabajo comprende la realización de un estudio de las tecnologías móviles GSM-GPRS (que es la que se esta usando en Cuba) y UMTS (tecnología 3G), y en particular WCDMA, además de una investigación sobre las principales estrategias usadas en el mundo para realizar una evolución de 2G a 3G sobre una infraestructura de acceso TDM y la proposición de la estrategia más eficaz para la aplicación en la red móvil de Villa Clara..

(9) vi. TABLA DE CONTENIDOS. PENSAMIENTO .....................................................................................................................i DEDICATORIA .................................................................................................................... ii AGRADECIMIENTOS ........................................................................................................ iii TAREA TÉCNICA ................................................................................................................iv RESUMEN ............................................................................................................................. v INTRODUCCIÓN .................................................................................................................. 1 Organización del informe ................................................................................................... 2 CAPÍTULO 1. 1.1. Sistemas GSM-GPRS y UMTS ................................................................. 4. Sistema GSM ........................................................................................................... 4. 1.1.1. Componentes y Arquitectura del Sistema GSM ............................................... 4. 1.1.1.1. Componentes del Sistema de Conmutación (SS) .......................................... 5. 1.1.1.2. Sistema de Estación Base (BSS) ................................................................... 7. 1.1.1.3. Centros de Monitoreo de Red ....................................................................... 8. 1.1.1.4. Estación Móvil (MS) ..................................................................................... 9. 1.1.2. Capacidad y Reutilización de Frecuencias ....................................................... 9. 1.1.3. Método de Modulación ................................................................................... 10. 1.1.4. Método de Acceso: Acceso Múltiple por División de Tiempo (TDMA) ....... 10. 1.1.5. Interfaz Abis y Método de Transporte ............................................................ 11.

(10) vii 1.2. Sistema GPRS (General Packet Radio Service)..................................................... 11. 1.2.1 1.3. Arquitectura y Componentes del Sistema GPRS ............................................ 12. Sistema UMTS (Sistema Universal de Telecomunicaciones Móviles) ................. 15. 1.3.1. Arquitectura General de la Red UMTS ......................................................... 15. 1.3.2. Protocolo de Transporte en UMTS ................................................................. 17. 1.3.3. Resumen de las Diferentes Versiones de 3GPP.............................................. 18. 1.3.4. WCDMA (Acceso Múltiple por División de Código de Banda Ancha) para. UMTS 19 1.3.5. CDMA en Redes de Radiocomunicación Celulares ....................................... 20. 1.3.6. HSPA .............................................................................................................. 22. CAPÍTULO 2.. Diferentes Soluciones para Evolucionar hacia Redes Móviles 3G sobre. una Infraestructura TDM ...................................................................................................... 25 2.1. Consideraciones de Eficiencia en el Backhaul....................................................... 26. 2.2. Requerimientos de la RAN de los Operadores Móviles ........................................ 28. 2.3. Vista General de la Arquitectura de la RAN .......................................................... 28. 2.4. El Poder de la Ganancia Estadística y la Agregación ............................................ 30. 2.5. Backhaul Combinado 2G/3G Basado en ATM como Solución............................. 32. 2.5.1. Multiplexación Inversa sobre ATM (IMA) .................................................... 32. 2.5.2. Agregación de Acceso .................................................................................... 32. 2.5.3. Optimización adicional de ancho de banda para GSM ................................... 33. 2.5.4. La Solución de Alcatel-Lucent para una Agregación Móvil Centralizada ..... 34. 2.6. Solución de Cisco: Optimización de la RAN (RAN-O) ........................................ 37. 2.6.1. MLPPP (Multienlace de Protocolo Punto a Punto) ........................................ 38. 2.6.2. Operación HSRP ............................................................................................. 39. 2.6.3. Optimización de las Interfaces Abis e Iub ...................................................... 40.

(11) viii 2.6.4 2.7. Emulación Pseudocable .................................................................................. 41. Evolución de la Red de Acceso de Radio mediante un Transporte IP/MPLS ....... 42. 2.7.1. Avances en la Interfaz de Radio ..................................................................... 42. 2.7.2. MPLS (Conmutación Multiprotocolo por Etiqueta) ....................................... 43. 2.7.3. El Rol de IP/MPLS en el Transporte .............................................................. 44. 2.7.4. Sincronización en la RAN .............................................................................. 45. 2.7.5. Despliegue de MPLS en la RAN .................................................................... 46. 2.8. Solución mediante Ethernet sobre SDH y PDH (EoS y EoPDH) .......................... 48. 2.8.1. Estrategia EtherAcces de RAD ....................................................................... 50. CAPÍTULO 3.. Despliegue de una Red MPLS como Solución Óptima para la Evolución. de la Red Móvil 52 3.1. Beneficios del transporte móvil basado en IP/MPLS ............................................ 52. 3.2. Resilencia ............................................................................................................... 54. 3.3. Calidad de Servicio (QoS) ..................................................................................... 55. 3.4. Arquitectura para la Evolución en el Transporte Móvil (META) de Alcatel-Lucent 55. 3.5. Aplicación de Arquitectura META de Alcatel-Lucent en el Escenario de Villa. Clara 56 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ................................................................... 61 Conclusiones ..................................................................................................................... 61 Recomendaciones ............................................................................................................. 62 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ................................................................................. 63 ANEXOS .............................................................................................................................. 66 Anexo I. Utilización del TRC y razones de transmisión en el BSS ............................... 66. Anexo II. Estructura Geográfica de la Red GSM .......................................................... 67.

(12) ix Anexo III. Interfaz de radio GSM .................................................................................. 69. Anexo V. Ejemplo de la combinación de los datos con las secuencias de espectro. extendido en WCDMA ..................................................................................................... 71 Anexo VI Anexo VII. Estrategia META de Alcatel-Lucent ........................................................... 72 Equipos de agregación propuestos para la evolución de la RAN en Villa. Clara .................................................................................................................................. 73 Glosario de Términos........................................................................................................ 74.

(13) INTRODUCCIÓN. 1. INTRODUCCIÓN. Las telecomunicaciones móviles es una de las tecnologías de comunicación de mayor demanda y crecimiento en los últimos años y actualmente presentan el mayor porciento de subscripciones a nivel mundial. La comunicación mediante sistemas móviles celulares compite satisfactoriamente con las redes fijas tradicionales. En un futuro, los sistemas celulares se convertirán en el método universal de telecomunicación (Ericsson, 1999a). Actualmente en Cuba se está utilizando para las comunicaciones móviles el estándar de segunda generación GSM (Sistema Global para las comunicaciones Móviles), el cual usa TDMA (Acceso Múltiple por División de Tiempo) en la interfaz de radio. Para proporcionar servicios de datos se ha instalado GPRS (General Packet Radio Service). Estos servicios de datos son sencillos desde el punto de vista de consumo de ancho de banda. Actualmente, la mayoría de las ganancias que se obtienen de la red móvil son generadas por los servicios de voz, pero con la aparición de nuevos servicios de datos, esta estrategia va a cambiar, particularmente si una porción significativa de estos servicios no son conversacionales o de flujo. Los operadores móviles desean adicionar nuevos servicios de datos ricos en ancho de banda para obtener más ganancias y lograr más subscripciones. Los usuarios de redes móviles demandan nuevos servicios móviles de datos, tales como: descarga de música, descarga de videos, acceso a Internet, correo electrónico, descarga y envío de fotos, juegos (descarga y juegos en línea). Para cumplir con estos requerimientos, los operadores móviles GSM están mejorando sus redes mediante el despliegue de UMTS (Sistema Universal de Telecomunicaciones Móviles), que es un sistema de tercera generación que usa WCDMA (Acceso Múltiple por División de Código de Banda Ancha) en la interfaz de radio. Otras.

(14) INTRODUCCIÓN. 2. tecnologías móviles han surgido con el objetivo de lograr mayores razones de datos en la interfaz de radio de los sistemas UMTS, tal es el caso de HSPA (Acceso de Paquetes a Alta Velocidad). Estas mejoras que se hacen en la interfaz de radio requieren de un incremento de la capacidad de transporte en el backhaul. El transporte TDM es ineficiente y costoso debido a la naturaleza estática de sus conexiones. Las redes de tercera generación requieren para el transporte tecnologías de red basadas en paquetes, tales como ATM, IP, MPLS y/o Ethernet. Sin embargo, en la provincia Villa Clara solo se cuenta con una red de Fibra Óptica Territorial SDH (que se le conoce como FOT) para acceder a los distintos sitios celulares, y para acceder a los lugares donde no llega la fibra, se usan enlaces de microonda PDH; por lo que el problema científico es: cómo realizar una transición hacia una arquitectura de red de transporte basada en la conmutación de paquetes, usando como soporte las redes TDM existentes (SDH y PDH) y que sea capaz de soportar tráfico de segunda y tercera generación. Los objetivos de este trabajo son: Resumir las características principales de los sistemas GSM/GPRS y UMTS. Describir algunas soluciones que proponen diferentes firmas de la industria de las telecomunicaciones para realizar la transición hacia un transporte basado en paquetes sobre una infraestructura TDM y que soporte tráfico de múltiples generaciones. Proponer una de las soluciones analizadas como la más óptima para aplicarla a la red de Villa Clara.. Organización del informe El trabajo ha sido estructurado en tres capítulos. En el primer capítulo se resumen las características principales de los sistemas GSM/GPRS y UMTS. En el segundo capítulo se describen algunas soluciones que proponen algunas firmas para evolucionar hacia un.

(15) INTRODUCCIÓN. 3. transporte basado en paquetes sobre una infraestructura TDM y que soporte tráfico de varias generaciones a la vez. El tercer capítulo está dirigido a proponer la solución más óptima para aplicarla al escenario de Villa Clara..

(16) CAPÍTULO 1. Sistemas GSM-GPRS y UMTS. 4. CAPÍTULO 1. Sistemas GSM-GPRS y UMTS. En Cuba, la red móvil es de segunda generación GSM (Sistema Global para las Comunicaciones Móviles). Para evolucionar hacia tercera generación de redes móviles, el próximo paso es desarrollar la tecnología de tercera generación UMTS (Sistema Universal de Telecomunicaciones Móviles). En este capítulo se resumen las principales características de GSM/GPRS y UMTS. 1.1. Sistema GSM. El Sistema Global para las Comunicaciones Móviles (GSM) es un grupo de estándares ETSI (Instituto Europeo de Estándares de Telecomunicaciones) que especifican la infraestructura para un servicio celular digital. GSM es un estándar global que permite a los usuarios de diferentes operadores conectarse y compartir los servicios simultáneamente (Ericsson, 1999a). GSM fue diseñado para ser una plataforma independiente, pues este estándar no especifica los actuales requerimientos de hardware, sino que especifica las funciones de red y las interfaces en detalle. Esto permite a los diseñadores de hardware ser creativos en cómo proporcionar la funcionalidad del equipo y a la vez hace posible que los operadores puedan comprar equipamiento de diferentes fabricantes (Ericsson, 1999a). 1.1.1 Componentes y Arquitectura del Sistema GSM Según Ericsson (1999a) la red GSM se divide en dos sistemas. Cada uno de estos sistemas está compuesto por un número de unidades funcionales que son componentes individuales de la red móvil. Los dos sistemas son: Sistema de conmutación (SS).

(17) CAPÍTULO 1. Sistemas GSM-GPRS y UMTS. 5. Sistema de Estación Base (BSS) Como en todas las redes de telecomunicaciones, las redes GSM son operadas, administradas y se les da mantenimiento desde centros computarizados.. Figura 1.1 Modelo del sistema GSM. Fuente: Ericsson 1.1.1.1 Componentes del Sistema de Conmutación (SS) Centro de Conmutación de Servicios Móviles (MSC) El MSC realiza las funciones de conmutación telefónica en la red móvil. Este controla las llamadas hacia y desde otros sistemas telefónicos y de datos, tales como la Red Pública de Conmutación Telefónica (PSTN), la Red Digital de Servicios Integrados (ISDN), redes públicas de datos, redes privadas y otras redes móviles. El MSC puede funcionar como un Gateway, esta funcionalidad le permite al MSC interrogar al HLR de una red para enrutar una llamada a una Estación Móvil (MS). Un MSC que actúa como un Gateway se le llama Gateway MSC (GMSC). Por ejemplo, si una persona conectada a la PSTN quiere realizar una llamada a un usuario móvil GSM, primero.

(18) CAPÍTULO 1. Sistemas GSM-GPRS y UMTS. 6. debe acceder a la red GSM conectando la llamada a un GMSC. Cualquier MSC en la red móvil puede funcionar como un Gateway mediante la integración del software apropiado. Registro de Localización Permanente (HLR) El HLR es una base de datos centralizada de la red que almacena y maneja todas las subscripciones móviles pertenecientes a un operador específico. Este registro actúa como un almacén permanente de la información de subscripción de todos los usuarios que pertenecen a la red; cuando un cliente deja de pertenecer a la red, entonces la subscripción es cancelada. La información que se almacena incluye: Identidad del abonado Servicios que posee el abonado Información de localización del abonado Información de autenticación del abonado El HLR puede ser implementado en el mismo nodo junto con el MSC o como una base de datos aparte. Si la capacidad de un HLR es sobrepasada debido al aumento del número de abonados, pueden adicionarse más HLRs. Registro de Localización del Visitador (VLR) El VLR es una base de datos que contiene información sobre los abonados móviles que se encuentran en el área de servicio de un MSC. De esta manera, hay un VLR por cada MSC en una red. El VLR almacena temporalmente la información de abonado, así el MSC puede dar servicio a todos los abonados móviles que se encuentran en el área de servicio del MSC en cuestión. Cuando un abonado entra a una nueva área de servicio de un MSC, el VLR conectado a esa MSC hace una solicitud de la información de subscripción referente a dicho abonado, la solicitud se le hace al HLR de la red a la que pertenece el abonado. El HLR envía una copia de la información al VLR y también actualiza la información de localización del abonado. Cuando el cliente quiere hacer una llamada, ya el VLR tiene la información requerida para el establecimiento de la llamada. Centro de Autenticación (AUC).

(19) CAPÍTULO 1. Sistemas GSM-GPRS y UMTS. 7. La función principal del AUC es validar los abonados que tratan de usar la red. De esta forma los operadores de red se protegen contra el fraude. El AUC es una base de datos conectada al HLR que proporciona parámetros de autenticación y claves de cifrado usadas para garantizar la seguridad de la red. Registro de Identidad de Equipo (EIR) El EIR es una base de datos que contiene información sobre la identidad del equipamiento móvil (estaciones móviles), de esta forma se pueden bloquear llamadas desde móviles robados, no autorizados o defectuosos. 1.1.1.2 Sistema de Estación Base (BSS) El Sistema de Estación Base (BSS) es el responsable de realizar todas las funciones de radio en el sistema, tales como: Radio-comunicación con las unidades móviles Handover de llamadas en progreso entre células Administración de todos los recursos de radio de la red y los datos de configuración de célula Controlador de Estación Base (BSC) Los BSCs manejan todas las funciones de radio de una red GSM. Este es un conmutador de alta capacidad que realiza funciones tales como el handover, la asignación del canal de radio y la recopilación de datos de configuración de la célula. Un determinado número de BSCs es controlado por un MSC. Estación Transceiver Base (BTS) La BTS controla la interfaz de radio con la estación móvil. La BTS está compuesta de equipamiento de radio tales como transmisores-receptores y antenas, lo cual es necesario para servir cada célula en la red. Un grupo de BTSs es controlado por un BSC. Controlador de Transcodificador (Transcoder Controller, TRC).

(20) CAPÍTULO 1. Sistemas GSM-GPRS y UMTS. 8. El TRC proporciona al sistema de estación base la capacidad de adaptación de la razón de transmisión. Esto es necesario porque la razón de transmisión usada en la interfaz de aire y la usada por el MSC/VLR son diferentes: 33.8 Kbits/s y 64 Kbits/s respectivamente. El BSC y el TRC pueden estar combinados en el mismo nodo o pueden estar separados entre si. En el Anexo I se muestra un ejemplo de configuración de red GSM y la razón de transmisión en cada interfaz. Las principales funciones del TRC son la transcodificación y la adaptación de razón de información. La transcodificación es la función de convertir la información que está en código PCM a información de código de voz GSM, esta función está presente en el MS y en el BSS. La adaptación de la razón de transmisión involucra la conversión de la información que viene desde el MSC/VLR a una velocidad de 64 Kbits/s, a la velocidad de 16 Kbits/s para luego poder transmitirla al BSC (para llamadas a la razón máxima). Estos 16 Kbits/s contienen 13 Kbits/s de tráfico y 3 Kbits/s de información de señalización. Esta es una función importante, sin la adaptación de la razón de transmisión los enlaces hacia los BSCs requieren capacidades de cuatro veces la razón de datos, y en una red la capacidad de transmisión constituye uno de los aspectos que más encarece al sistema. Reduciendo la velocidad a 16 Kbits/s es posible utilizar la cuarta parte de los enlaces y equipamiento (Ericsson, 1999a). 1.1.1.3 Centros de Monitoreo de Red Centro de Operación y Mantenimiento (OMC) Un OMC es un centro de monitoreo computarizado que está conectado con otros componentes de la red tales como MSCs y BSCs a través de enlaces de datos X.25. En el OMC se maneja la información relacionada con el estado de la red y también se controla y monitorea una variedad de parámetros del sistema. Dentro de una red puede haber uno o varios OMCs en dependencia del tamaño de dicha red. Centro de Administración de la Red (NMC) En el NMC se lleva a cabo un control centralizado de la red. Los OMCs se subordinan al NMC. Solo se requiere un centro de administración en toda la red. La ventaja de este enfoque jerárquico es que el NMC se puede concentrar en tareas de control de carácter.

(21) CAPÍTULO 1. Sistemas GSM-GPRS y UMTS. 9. general en todo el sistema, mientras que los OMC subordinados pueden trabajar de manera regional. 1.1.1.4 Estación Móvil (MS) El MS es usado por el abonado móvil para comunicarse con la red móvil. Existen varios tipos de MSs, estos permiten a los usuarios hacer y recibir llamadas. Los fabricantes de MSs ofertan una variedad de diseños para cumplir con las necesidades de diferentes mercados. A juicio de Ericsson (1999a) el MS de GSM consiste en: Un terminal móvil Un Módulo de Identidad de Abonado (SIM) A diferencia de otros estándares, en GSM el abonado está separado del terminal móvil. Cada información de abonado es almacenada en una tarjeta electrónica, que es la SIM; esta tarjeta puede ser introducida en el terminal móvil. Esto trae ventajas de seguridad y portabilidad para los abonados. Por ejemplo, si un abonado pierde su terminal móvil, la tarjeta SIM no puede usarse en otros terminales móviles. Toda red telefónica necesita una estructura específica que le permita enrutar las llamadas de forma correcta hacia los diferentes nodos y hacia el abonado. El diseño adecuado de esta estructura es muy importante pues es lo que le permite a un usuario poder moverse a través de la red mediante el monitoreo de su posición (Ericsson, 1999a). En el Anexo II se explica como se organiza la red GSM. 1.1.2 Capacidad y Reutilización de Frecuencias Es el número de frecuencias en una célula el que determina la capacidad de dicha célula. A cada compañía con una licencia para operar una rede móvil se le asigna un número de frecuencias. Estas son distribuidas por todas las células de la red. En dependencia de la carga de tráfico y la disponibilidad de frecuencias, a una célula se le puede asignar una o más frecuencias. Es muy importante tener en cuenta la interferencia cuando se asignan las frecuencias. La interferencia puede ser causada por varios factores. Un factor común es el uso de frecuencias similares en células cercanas. Mientras más interferencia exista, menor será la calidad de la llamada..

(22) CAPÍTULO 1. Sistemas GSM-GPRS y UMTS. 10. Para dar cobertura a un país completo, por ejemplo, las frecuencias deben ser reutilizadas muchas veces en diferentes zonas geográficas con el objetivo de proveer a la red de capacidad suficiente. Células vecinas no pueden tener la misma frecuencia porque puede interferir una con otra, por eso en el diseño de una red se tienen en cuenta patrones especiales para la reutilización adecuada de las frecuencias. Los patrones de reutilización de frecuencia garantizan que las frecuencias que se vuelven a utilizar estén en localidades lo suficientemente distantes como para que la interferencia entre ellas sea despreciable o nula. El término de distancia de reutilización de frecuencias es usado para describir la distancia entre dos frecuencias idénticas en un patrón de reutilización determinado. Mientras menor sea la distancia de reutilización de frecuencia, mayor será la capacidad disponible de la red. 1.1.3 Método de Modulación En GSM la razón de bit neta en la interfaz de radio es de 270 Kbits/s y el ancho de banda alrededor de la portadora es de 200 KHz (ver las características de la interfaz de radio en el Anexo III). La técnica de modulación que usa GSM es GMSK (Gaussian Minimum Shift Keying). GMSK posibilita la transmisión de 270 Kbits/s por un canal de 200 KHz. La capacidad del canal en GSM no es grande comparada con otros estándares digitales móviles, los cuales pueden mandar más bits por un canal. De esta forma la capacidad de otros estándares es alta, sin embargo los sistemas GSM-GMSK ofrecen mayor tolerancia a la interferencia, esto constituye una ganancia desde el punto de vista de capacidad sobre otros sistemas debido a que las frecuencias pueden ser reutilizadas a una distancia relativamente corta en comparación con otros estándares. 1.1.4 Método de Acceso: Acceso Múltiple por División de Tiempo (TDMA) Muchos sistemas celulares digitales usan la técnica de Acceso Múltiple por División de Tiempo para transmitir y recibir las señales de voz. Con TDMA, una portadora se usa para transportar un número determinado de llamadas, cada una utilizando la portadora durante períodos de tiempo designados, estos períodos de tiempo se denominan ranuras de tiempo (time slots). A cada MS durante una llamada se le asigna una ranura de tiempo en la frecuencia de uplink y otra en la frecuencia de downlink. A la información enviada durante una ranura de tiempo se le conoce como ráfaga. En GSM, una trama TDMA se compone de.

(23) CAPÍTULO 1. Sistemas GSM-GPRS y UMTS. 11. 8 ranuras de tiempo, esto significa que un canal de radio GSM puede portar 8 llamadas (Ericsson, 1999a). 1.1.5 Interfaz Abis y Método de Transporte Según Ericsson (1999a) la interfaz Abis es la encargada de la transmisión de información de tráfico y señalización entre el BSC y la BTS. El método de acceso que se usa en la interfaz de radio es TDMA, por lo que el transporte en la mayoría de las redes GSM también es TDM. La mayoría de las redes GSM usan para el transporte redes TDM tales como SDH o PDH. La siguiente figura muestra un ejemplo de cómo se mapean los canales de radio dentro de un E1 para poder enviarlo mediante la red de transporte.. Figura 1.2 Mapeo de canales de radio dentro de un E1. Fuente: Ericsson 1.2. Sistema GPRS (General Packet Radio Service). El Sistema GPRS es un servicio adicional al sistema GSM que soporta el acceso de los clientes a Internet o a una LAN corporativa usando como dispositivo de conexión un MS que transmita datos por paquetes. El MS puede estar compuesto por un Terminal Móvil (MT), que no es más que un teléfono GSM, y un Equipo Terminal (TE), que es una computadora que se conecta al MT (Ericsson, 1999b). Este sistema proporciona: Uso eficiente de los escasos recursos de radio. Un servicio flexible con un sistema de cobro efectivo..

(24) CAPÍTULO 1. Sistemas GSM-GPRS y UMTS. 12. Rápido acceso. Transporte de paquetes eficiente en la red GSM. Coexistencia simultánea de GSM y GPRS sin interferir un sistema con el otro. Conectividad con otras redes externas de paquetes usando IP. Mientras que el sistema GSM usa la conmutación de circuitos en la interfaz de aire, el sistema GPRS usa para la interfaz de radio la conmutación de paquete. Las funciones que tienen que ver con paquetes no interfieren con los servicios que usan conmutación de circuito (Ericsson, 1999a). En el sistema GPRS, al igual que en otros sistemas de paquetes, un canal es compartido por varios usuarios. Esto quiere decir que los canales de radio ahora no se asignan estrictamente a un solo usuario. Cuando un MS genera un paquete de datos, la red lo transporta hacia su destino en el primer canal de radio disponible. Con GPRS, un MS puede usar hasta ocho ranuras de tiempo simultáneamente. Los paquetes de datos que transmite el MS pueden ser transportados en diferentes canales durante la transmisión (Ericsson, 1999b). 1.2.1 Arquitectura y Componentes del Sistema GPRS Las partes del sistema GPRS que se encargan de la conmutación de paquetes son el SGSN (Serving GPRS Support Node) y el GGSN (Gateway GPRS Support Node). El SGSN es el que se encarga de enrutar los paquetes hacia y desde su área de servicio (área geográfica de servicio del SGSN). El GGSN constituye la interfaz con las redes externas de paquetes IP. El SGSN y el GGSN están físicamente separados de la parte de conmutación de circuito del sistema GSM. En la Figura 1.3 se muestran los componentes del sistema GPRS (partes sombreadas), integrados con la parte de conmutación de circuito del sistema GSM (partes blancas)..

(25) CAPÍTULO 1. Sistemas GSM-GPRS y UMTS. 13. Figura 1.3 Arquitectura lógica de GPRS. Fuente: Ericsson Equipo Terminal (TE) El TE es la computadora terminal con la cual trabajan los usuarios en la red. Este es el componente que usa el sistema GPRS para transmitir y recibir paquetes de usuario. Por ejemplo, el TE puede ser una computadora portátil. El sistema GPRS proporciona conectividad IP entre el TE y un proveedor de servicio de Internet o una LAN corporativa conectada al sistema GPRS. Desde el punto de vista del TE, el terminal móvil se puede comparar con un modem, conectando el TE al sistema GPRS. Terminal Móvil (MT) El MT se comunica por un lado con el TE, y por el otro (en la interfaz de aire) con una BTS. El MT tiene que estar equipado con software para la funcionalidad GPRS cuando se va a usar la red GPRS. El MT se asocia con un abonado en la red GSM. El MT establece un enlace con el SGSN y durante esta conexión, el canal de radio en el enlace puede ser reseleccionado varias veces. Sin embargo, desde el punto de vista del equipo terminal, la conexión IP es estática; esto significa que el equipo terminal no sabe que es móvil y retiene su dirección IP hasta que el terminal móvil se desconecta. La combinación de un TE y un MT es una Estación Móvil (MS) Nodo para Soporte del Servicio GPRS (SGSN) El SGSN es un componente primario en las redes GSM que usan GPRS y es un componente nuevo para GSM. El SGSN dirige los paquetes IP entrantes y salientes hacia y.

(26) CAPÍTULO 1. Sistemas GSM-GPRS y UMTS. 14. desde un MS que esté conectado a su área de servicio. Un abonado GPRS puede ser servido por cualquier SGSN en la red, todo depende del área en que se encuentre. El tráfico es enrutado desde el SGSN hacia el BSC, y luego vía BTS se envía al MS. Este nodo también realiza las siguientes funciones: Cifrado y autenticación Administración de sesión Gestiones de movilidad Administración de los enlaces lógicos hacia el MS Conexión hacia el HLR, MSC, BSC, GGSN y otros nodos Salida de datos de facturación El SGSN y el GGSN colectan información de facturación (cobro por el servicio) correspondiente al uso de los recursos de la red GPRS. Nodo Gateway para Soporte GPRS (GGSN) Al igual que el SGSN, el GGSN es un componente primario en la red GSM para poder proporcionar servicio GPRS. El GGSN proporciona: La interfaz hacia redes de paquetes IP externas. El GGSN contiene funcionalidad de acceso para interactuar con proveedores de servicio a Internet, en realidad estos nodos funcionan como enrutadores. Desde el punto de vista de la red IP externa, el GGSN actúa como un enrutador que realiza el direccionamiento IP de los paquetes de todos los abonados que se sirven de la red GPRS. Gestión de sesión GPRS, establecimiento de la comunicación con la red externa. Funcionalidad para asociar a los abonados con el SGSN correcto. Colecta información de facturación para cada MS según el uso de los recursos de la red. Un SGSN o un GGSN se puede denotar de manera más general como Nodo de Soporte GPRS (GSN). El SGSN y el GGSN pueden estar combinados en un mismo nodo físico.

(27) CAPÍTULO 1. Sistemas GSM-GPRS y UMTS. 15. (elemento de red), o pueden residir en diferentes nodos físicos. El SGSN y el GGSN utilizan protocolo IP para red backbone GPRS y pueden ser interconectados con enrutadores IP. El SGSN y el GGSN pueden estar localizados en diferentes PLMNs. Las dos PLMNs tienen que estar conectadas mediante gateways de frontera por razones de seguridad e interoperabilidad. Los gateways de frontera forman parte de los GGSNs. Como se puede ver en la Figura 1.3, GPRS es una red superpuesta a GSM, ya que comparte los mismos componentes, solo que ahora los componentes que se usaban solo para GSM tienen que tener instalado software y en algunos casos hardware para soporte GPRS. Solamente se introducen dos nuevos nodos (SGSN y GGSN) que se utilizan para GPRS. GSM y GPRS comparten los recursos de la red sin interferir uno con el otro. La transmisión y la recepción de la información se divide en dos partes: conmutación de circuito para GSM y conmutación de paquete para GPRS. 1.3. Sistema UMTS (Sistema Universal de Telecomunicaciones Móviles). Los sistemas de tercera generación están concebidos para proporcionar un amplio rango de servicios incluyendo telefonía, mensajería, Internet y datos de banda ancha. La ITU (Unión Internacional de Telecomunicaciones) comenzó los procesos para la definición de un estándar para un sistema de tercera generación, que se denominó International Mobile Telecommunications 2000 (IMT-2000). En Europa el Instituto Europeo de Estándares de Telecomunicaciones (ETSI) fue responsable del proceso de estandarización de UMTS. En 1998 se formó el 3GPP (Third Generation Partnership Project) para continuar los trabajos de especificación técnica (Barbieris et al, (2001)). 1.3.1 Arquitectura General de la Red UMTS La arquitectura del sistema UMTS se muestra en la Figura 1.4. El sistema puede ser dividido en dos segmentos principales: la red de acceso, llamada Red Terrestre de Acceso de Radio UMTS (UTRAN), y la infraestructura de conmutación y enrutamiento o Núcleo de la Red (CN) (Napolitano et al., 2001)..

(28) CAPÍTULO 1. Sistemas GSM-GPRS y UMTS. 16. La arquitectura UMTS consiste en dos dominios de red: el dominio de la conmutación de circuitos, el cual tiene como centro el MSC, y el dominio de la conmutación de paquete, el cual tiene como centro los GSNs (Nodos de Soporte GPRS).. Figura 1.4 Arquitectura del sistema UMTS Los dos dominios forman dos backbones paralelos y separados. El primer backbone corresponde al tráfico de voz, mientras que el segundo backbone corresponde al mundo IP y tráfico de datos. Los dos dominios están conectados a la red de acceso, la cual se comparte entre los dos tipos de tráfico a través de la interfaz Iu. Como se puede ver en la Figura 1.4, la interfaz Iu en realidad se divide en dos partes: Iu para la conmutación de circuitos, la cual conecta a la red de acceso con el backbone de conmutación de circuitos, y la Iu para conmutación de paquetes, que conecta a la red de acceso con el backbone de conmutación de paquetes. De la figura anterior se puede ver que mientras que la red de acceso de UMTS es completamente nueva y separada de la que se usa para GSM, la infraestructura del núcleo de la red (CN) es una evolución directa de la infraestructura de GSM. Arquitectura de UTRAN Como se muestra en la Figura 1.4, la red de acceso está limitada por dos interfaces: por una parte la interfaz de radio Uu que está entre UTRAN y los terminales móviles (Equipos de Usuario, UEs), y por otra parte la interfaz Iu que conecta a UTRAN con el núcleo de la red..

(29) CAPÍTULO 1. Sistemas GSM-GPRS y UMTS. 17. Como se puede ver, UTRAN consiste en un grupo de Subsistemas de Red de Radio (RNSs) conectados al CN mediante la interfaz Iu. Un RNS consiste en un Controlador de Red de Radio (RNC) y una o varias entidades llamadas Nodos B, las cuales están conectadas al RNC a través de la interfaz Iub. Un Nodo B administra un grupo de células. En UTRAN, diferentes RNCs se pueden conectar entre si a través de la interfaz Iur. Las razones reales de la existencia de esta interfaz están asociadas con el manejo de la movilidad dentro de UTRAN. La interfaz Iur proporciona movilidad continua, con transiciones entre RNSs imperceptibles a los usuarios; por otra parte, le quita responsabilidades adicionales al CN, que se limita resolver tareas de movilidad solo cuando Iur no está presente. 1.3.2 Protocolo de Transporte en UMTS Otra característica que distingue a UTRAN son los protocolos de transporte que se escogieron para las interfaces Iu, Iub e Iur. Los protocolos se basan esencialmente en ATM. En UMTS se usa la Capa de Adaptación a ATM número 2 (AAL2) para transportar voz y datos en las interfaces Iub e Iur y también para transportar flujo de usuario de conmutación de circuito en la interfaz Iu. También se usa IP sobre AAL5 para transportar flujo de usuario de conmutación de paquete en la interfaz Iu (Barbieris et al., 2001). AAL2 puede multiplexar tráfico de diferentes usuarios en un flujo de celdas, poniendo paquetes de diferentes usuarios en una misma celda como se muestra en la Figura 1.5. AAL5 es la capa de de adaptación que hace posible el transporte de un paquete IP (cuya longitud por definición puede variar hasta un máximo de 65 536 bytes) en una serie de celdas ATM de longitud fija (53 bytes, 5 de cabecera y 48 de carga útil). Las principales funciones de AAL5 son la segmentación y el re-ensamblaje: un paquete IP se divide en PDUs (Unidades de Paquetes de Datos) AAL más pequeños, los cuales son la carga útil de las celdas ATM..

(30) CAPÍTULO 1. Sistemas GSM-GPRS y UMTS. 18. Figura 1.5 Ejemplo de multiplexación AAL2 En las versiones más modernas de 3GPP, se usan nuevas tecnologías en la interfaz de radio (por ejemplo HSPA), con las cuales se logran grandes razones de datos entre el UE y el Nodo B. Debido a esto, el transporte requiere de IP o Ethernet. 1.3.3 Resumen de las Diferentes Versiones de 3GPP Los avances de GSM y UMTS/HSPA suceden en etapas referidas como versiones (releases) 3GPP, y los vendedores de equipos producen hardware que soportan versiones particulares de cada especificación. Según Rysavy Research, (2008) las diferentes versiones 3GPP son: Versión 99 (R99): Completada. Es la primera versión de UMTS que se desplegó. Incluye un realce de la parte de datos de GSM (EDGE). Proporciona soporte para redes de acceso de radio GSM/EDGE/GPRS/WCDMA. Versión 4 (R4): Completada. Soporta envío de mensajes multimedia. Constituye el primer paso para el uso de transporte IP en el núcleo de la red (CN). Versión 5 (R5): Completada. HSDPA. Es la primera fase de IMS (Subsistema Multimedia IP). Máxima habilidad para usar transporte basado en IP en vez de solo ATM en el CN. Versión 6 (R6): Completada. HSUPA. Realce de soporte de multimedia mediante Servicios de Difusión/Multidifusión de Multimedia (MBMS). Especificaciones de.

(31) CAPÍTULO 1. Sistemas GSM-GPRS y UMTS. 19. funcionamiento para receptores avanzados. Se integra la opción WLAN (Red de Área Local Inalámbrica). Mejoras de IMS. Capacidad inicial para VoIP. Versión 7 (R7): Completada. Proporciona mejoras en la funcionalidad de datos a GSM con EDGE Evolucionado. Especifica una evolución de HSPA (HSPA+), la cual incluye modulación de alto orden y MIMO (Múltiple Entrada Múltiple Salida). Proporciona un ajuste fino y mejoras incrementales de las características de las versiones anteriores. Los resultados que se obtienen son mejoras de funcionamiento, mejoras en la eficiencia espectral, se incrementa la capacidad, y hay mejor resistencia a la interferencia. Se logra Conectividad de Paquete Continua (CPC) que proporciona un servicio eficiente “siempre activo” (always-on), se aumenta la capacidad para VoIP en el uplink y se reduce el tiempo de demora para establecer la llamada. Las mejoras a HSPA incluyen 64 QAM en el downlink y 16 QAM en el uplink. También hay una optimización de las capacidades MBMS a través de la función de Red Multidifusión/Difusión de Simple Frecuencia (MBSFN). Versión 8 (R8): Comprende características de Evolución HSPA adicional tales como el uso simultáneo de MIMO y 64 QAM. Incluye dual-carrier HSPA (DC-HSPA) donde dos canales de radio WCDMA se pueden combinar para doblar el desempeño. Especifica OFDMA basado en LTE 3GPP. Define EPC (Núcleo de Paquete Evolucionado). Versión 9 (R9): Incluye mejoras a HSPA y LTE. Versión 10 (R10): Especifica LTE avanzado. 1.3.4 WCDMA (Acceso Múltiple por División de Código de Banda Ancha) para UMTS En GSM, el acceso múltiple en la interfaz de radio es TDMA, mediante el cual un canal en la frecuencia es particionado en sub-canales ortogonales de usuario. Un problema surge si los datos que el usuario produce para enviarlos a través de la red, son por naturaleza, en ráfagas. Un usuario que tiene reservado un canal puede transmitir datos irregularmente, en donde los períodos de silencio pueden ser hasta más largos que los períodos de transmisión; por ejemplo, una señal de voz puede tener pausas bastante largas. En tales casos TDMA.

(32) CAPÍTULO 1. Sistemas GSM-GPRS y UMTS. 20. tiende a ser ineficiente porque cierta porción de las ranuras de tiempo asignadas al usuario no contienen información. Un sistema de acceso múltiple ineficientemente diseñado, limita el número de usuarios que pueden compartir simultáneamente un mismo canal de comunicaciones. Una forma de confrontar este problema es permitir que más de un usuario pueda compartir el canal o el sub-canal mediante el uso de señales de código. En este método, a cada usuario se le asigna una secuencia de código única, de esta manera las señales de usuario pueden ser transmitidas por un canal común. Después de la recepción, varias señales de usuario son separadas correlacionando cada señal recibida con cada una de las posibles secuencias de código de usuario. Un diseño de secuencias de código con una cros-correlación relativamente pequeña entre ellas, minimiza la diafonía inherente a la demodulación de las señales recibidas desde múltiples transmisores. Este método de acceso múltiple es llamado Acceso Múltiple por División de Código (CDMA) (Novosad et al, 2006). En UMTS, se usa WCDMA para el acceso múltiple en la interfaz de radio. Aquí las secuencias de código que se le asignan a los usuarios son secuencias de espectro extendido que hacen que los datos de usuario se conviertan en señales de espectro extendido antes de ser transmitidas en la interfaz de radio (ver Anexo V). Esto se hace debido a que las señales de espectro extendido son más inmunes a la interferencia y al ruido. 1.3.5 CDMA en Redes de Radiocomunicación Celulares Reutilización Universal de Frecuencia En CDMA todos los usuarios que están en una misma célula comparten el mismo espectro de frecuencia simultáneamente. En una red celular basada en CDMA esto también se cumple para usuarios que estén en diferentes células. En la transmisión de espectro extendido la tolerancia a la interferencia posibilita la reutilización universal de frecuencia. Debido a esta particularidad de CDMA, se pueden llevar a cabo otras funciones a nivel de red (Novosad et al, 2006). Soft Handover Debido a la reutilización universal de frecuencia, la conexión de una estación móvil (MS, o generalmente UE en WCDMA) con la red celular puede incluir varios enlaces de radio. Se dice que un UE está en soft handover cuando este está conectado a más de una célula. Soft.

(33) CAPÍTULO 1. Sistemas GSM-GPRS y UMTS. 21. handover es una forma de diversidad, con lo que se incrementa la razón señal a ruido cuando la potencia de transmisión es constante. A nivel de red, el soft handover posibilita que el movimiento de un UE de una célula a otra involucre procesos de transición menos abruptos. El soft handover ayuda a minimizar la potencia de transmisión que se necesita en el uplink y el downlink (Novosad et al, 2006). Control de Potencia Como se explica en Novosad et al (2006), con el control de potencia se garantiza que cada usuario en la red reciba y transmita solo con la energía suficiente para transportar la información para que la interferencia entre los usuarios sea mínima. Esto es crucial para la capacidad de la red. Una razón secundaria para el control de potencia es minimizar el consumo de batería. Para el estándar WCDMA, el control de potencia se aplica en ambos sentidos (uplink y downlink). Cuando el UE inicia una llamada, este ajusta su potencia de transmisión basándose en la potencia con que recibe una señal piloto común. La señal piloto común es una señal específica que se difunde con potencia constante en todas las células a través de un canal de difusión. La potencia con que se recibe esta piloto da una medida (a groso modo) de las pérdidas de propagación que existen entre el UE y el Nodo B. Mientras más fuerte se recibe la señal piloto, menos potencia de transmisión inicial se necesita. A este tipo de ajuste de la potencia inicial se le conoce como control de potencia de lazo abierto en el uplink. Para establecer una conexión, se usan canales de control adicionales. Un proceso análogo a este se utiliza en el downlink para calcular la potencia inicial basándose en reportes de mediciones que le manda el UE a la red. Las variaciones en el canal multitrayecto hacen que la utilización de un valor relativamente fijo de la SIR (Razón Señal a Interferencia), que es lo que se usa en el control de potencia de lazo abierto, no siempre garantice un control de potencia de calidad. Por lo tanto la SIR debe ser controlada basándose en la razón de error de bit o en la razón de error de bloque. Si la razón de error es muy grande, el parámetro SIR se incrementa hasta llegar a la razón de error deseada. Un incrementando del parámetro SIR en el receptor provoca el control de potencia de lazo cerrado para incrementar la potencia de transmisión en la parte transmisora.

(34) CAPÍTULO 1. Sistemas GSM-GPRS y UMTS. 22. hasta que se alcance un valor nuevo del parámetro SIR. Al control del parámetro SIR se le llama control de potencia externo. La función de control de potencia de lazo cerrado también se usa para compensar el rápido desvanecimiento causado por el canal multitrayecto. En el control de potencia de lazo cerrado, la potencia de transmisión del UE se ajusta de acuerdo con las mediciones de potencia que hace el Nodo B. El Nodo B compara la SIR con que recibe la información, con un valor predeterminado para lograr una determinada calidad de recepción, y de acuerdo con el resultado envía comandos al UE para que incremente o disminuya su potencia de transmisión. El mismo proceso se realiza en el downlink. 1.3.6 HSPA WCDMA está evolucionando para posibilitar altas razones de bit y mejores rendimientos. El primer paso fue la realización de mejoras en el downlink mediante la introducción del Acceso de Alta Velocidad de Paquetes en el Downlink (HSDPA). El segundo paso fue mejorar el uplink mediante HSUPA. La unión de estas dos tecnologías se conoce como Acceso de Alta Velocidad de Paquetes (HSPA) (Ericsson, 2007). Las mejoras que trae HSPA son: Incremento de las razones de datos pico a 14 Mbits/s en el downlink y 5.8 Mbits/s en el uplink. Reducción de la latencia. Proporciona una capacidad de hasta cinco veces mayor en el downlink y hasta dos veces mayor en el uplink que lo que se podía lograr anteriormente, reduciendo así el costo por bit. HSPA incrementa la capacidad de varias formas: Transmisión en canales compartidos, lo cual resulta en un uso eficiente de los códigos disponibles y de los recursos de potencia en WCDMA. Intervalos de Tiempo de Transmisión más pequeños, lo cual reduce el tiempo de un ciclo de transmisión y mejora el seguimiento de las rápidas variaciones de los canales..

(35) CAPÍTULO 1. Sistemas GSM-GPRS y UMTS. 23. Adaptación de enlace, lo cual maximiza el uso del canal y permite que la estación base opere cercana a la máxima potencia de célula. Rápida planificación, se prioriza durante la comunicación a aquellos usuarios que poseen condiciones de canal más favorables. Rápida retransmisión, lo cual hace que incremente la capacidad. 16QAM (Modulación por Cuadratura de Amplitud), esto reporta grandes razones de datos. HSDPA HSDPA se basa en la transmisión en canales compartidos, lo cual significa que varios códigos de canal y la potencia de transmisión en un a célula son vistos como un recurso común que se comparte dinámicamente entre los usuarios en los dominios de tiempo y de código. La transmisión en canales compartidos resulta en un uso más eficiente de los códigos disponibles y de los recursos de potencia en WCDMA en comparación con los canales dedicados (en WCDMA versión 99 de 3GPP). Modulación de Alto Orden WCDMA versión 99 de 3GPP usa modulación QPSK para la transmisión en el downlink. Además de QPSK, HSDPA puede usar también modulación 16QAM para proporcionar razones de datos superiores. Dado que 16QAM proporciona el doble de la capacidad que QPSK, hay una mayor eficiencia en el uso de ancho de banda, sin embargo 16QAM requiere mejores condiciones en el canal de radio que QPSK. QPSK usa dos bits por símbolo mientras que 16QAM usa cuatro bits por símbolo, como se muestra en la Figura 1.6.. Figura 1.6 Esquemas de modulación usados en HSDPA.

(36) CAPÍTULO 1. Sistemas GSM-GPRS y UMTS. 24. Intervalos de Tiempo de Transmisión Cortos WCDMA versión 99 de 3GPP usa un TTI de 10 ms, 20 ms o 40 ms en el downlink. Con HSDPA, el TTI se reduce a 2 ms en el downlink. Los códigos de canal que pertenecen a una fuente de códigos compartida se asignan dinámicamente cada 2 ms, o 500 veces por segundo. Un TTI pequeño reduce las demoras y mejora el seguimiento a las variaciones del canal. HSUPA Transmisión Multicódigo En contraste con HSDPA, el nuevo canal que se introduce en el uplink no se comparte entre los usuarios, sino que es dedicado a un simple usuario. Para incrementar la razón de datos en el uplink se usan hasta cuatro códigos. Las nuevas características que se logran en el uplink son las mismas que se lograron para el downlink: TTI pequeños, rápida retransmisión etc. La característica diferente en el uplink es que se usan canales dedicados en vez de canales compartidos. Evolución de HSPA A medida que pasa el tiempo HSPA sigue evolucionando. Diferentes mejoras han sido introducidas en diferentes versiones de 3GPP. Con HSPA evolucionado, se puede soportar modulación de alto orden en ambas direcciones: 16QAM en el uplink y 64QAM en el downlink. 16QAM posibilita razones de datos de hasta 12 Mbits/s en el uplink, mientras que la modulación 64QAM posibilita razones de datos de hasta 21 Mbits/s en el downlink. Además, con HSPA evolucionado se puede soportar 2 x 2 MIMO (Múltiple Entrada Múltiple Salida) en el downlink. Este método se basa en el uso de dos antenas para doblar la razón pico de datos en el downlink (28 Mbits/s). Cuando 2 x 2 MIMO se combina con 64QAM, la razón pico de datos en el downlink es de hasta 42 Mbits/s. Con HSPA evolucionado también se reduce la latencia..

(37) CAPÍTULO 2. Diferentes Soluciones para Evolucionar hacia Redes Móviles 3G sobre una Infraestructura TDM. 25. CAPÍTULO 2. Diferentes Soluciones para Evolucionar hacia Redes Móviles 3G sobre una Infraestructura TDM. El despliegue de redes UMTS y el realce de GSM/GPRS con EDGE proporciona una interfaz de radio más eficiente, que permite altas velocidades de datos y más capacidad para voz. Esta evolución requiere de una capacidad de transmisión adicional para transportar tráfico extra a través del backhaul de la red móvil desde las estaciones base hacia los centros de conmutación móviles. En una red móvil se definen dos segmentos de red significativos: el primero es la Red de Acceso de Radio (RAN) que comprende el segmento de la red móvil entre los sitios celulares y los controladores incluyendo los procesos y el equipamiento de estos últimos. El segundo comprende los procesos de comunicación y los elementos en el segmento de red comprendido entre los sitios celulares y los controladores (sin incluir los elementos de estos últimos) y se le denomina genéricamente como Backhaul. UMTS especifica IP o ATM como transporte, esto requiere una mejora del backhaul de la red TDM. Construyendo redes backhaul separadas para UMTS y GSM es ineficiente y muy costoso, especialmente porque los operadores móviles esperan que UMTS canibalice el uso de la red GSM a medida que pasa el tiempo, dejando la capacidad del backhaul GSM inutilizable (KATE-KOM, 2005). En este capítulo se presentan diferentes variantes que definen una solución para el despliegue de una red backhaul simple que soporte UMTS y GSM con GPRS. En UMTS están integradas las tecnologías WCDMA y TDCDMA, pero para este trabajo se seleccionó la tecnología WCDMA debido a que es la más desplegada y probada mundialmente además de poseer la ventaja de compartir el mismo núcleo que las redes existentes GSM, por tanto,.

(38) CAPÍTULO 2. Diferentes Soluciones para Evolucionar hacia Redes Móviles 3G sobre una Infraestructura TDM. 26. a partir de ahora la referencia en cuanto a UMTS se referirá a WCDMA. La solución reduce los requerimientos de capacidad de transmisión en el backhaul mediante el uso de métodos avanzados de compresión sin pérdidas para voz GSM, agregación de tráfico, y multiplexación estadística de tráfico de voz y datos generados por ambas redes (GSM y UMTS). Los operadores móviles GSM ya tienen planes para evolucionar hacia UMTS. El camino a seguir es implementar gradualmente una arquitectura de red UMTS para construir una red en donde converjan GSM y UMTS y que sea efectiva desde el punto de vista de costo. La mayoría de los proveedores de servicios móviles arriendan líneas de transmisión para su backhaul de la red, lo cual crea mayores costos. La transmisión en el backhaul GSM/GPRS se basa en una tecnología de conmutación de circuitos TDM, mientras que el despliegue de UMTS requiere una nueva red backhaul basada en IP o ATM. 2.1. Consideraciones de Eficiencia en el Backhaul. Los proveedores de servicios móviles incurren en gastos para instalaciones y equipamiento cuando diseñan y construyen sus redes con el fin de dar servicios y soporte a las comunicaciones móviles. En la mayoría de los casos los proveedores de servicios móviles arriendan múltiples líneas E1, E3 o STM-1 para enlaces de transmisión, lo cual representa una gran parte de los gastos. Debido al continuo crecimiento del tráfico de voz y datos surge la necesidad de aumentar la capacidad de transmisión, de esta manera los operadores tienen más gastos a la hora de arrendar más líneas. Topología de Red La mayoría de las redes móviles siguen usando una arquitectura de topología en estrella o centralizada, donde cada BTS se conecta directamente al BSC mediante líneas E1 dedicadas. Puesto que cada línea E1 está dedicada a una BTS en particular, cada TRX (transmisor-receptor) de esa BTS debe ser asignado a canales dedicados de un E1 determinado. La topología de estrella ofrece un fácil despliegue y mantenimiento,.

(39) CAPÍTULO 2. Diferentes Soluciones para Evolucionar hacia Redes Móviles 3G sobre una Infraestructura TDM. 27. especialmente en las primeras etapas del desarrollo de la red. Pero en el caso de un incremento de la cantidad de abonados, y por consiguiente de estaciones base, el costo de brindar servicios móviles también aumenta. La inmensa mayoría de las redes móviles se diseñan y se dimensionan para cumplir con los requerimientos de las condiciones de peor caso, en las cuales se tiene en cuenta la hora activa o la demanda pico de tráfico. Para cumplir con la demanda de capacidad, los TRXs se asignan a cada BTS de acuerdo con las proyecciones de uso de la red en la hora activa. Mientras más ocupada es un área determinada, mayor ancho de banda se necesita para manejar todo el tráfico, y por tanto más TRXs necesitan instalarse en las BTSs para proporcionar capacidad suficiente. También existe una demanda de cobertura, debido a esto, los proveedores de servicios móviles deben adicionar nuevas BTSs para proporcionar cobertura de servicio a todas las áreas (urbanas, suburbanas y rurales) aunque el uso de la red en algunos lugares sea bajo. Esto conduce a una situación en donde los canales del sistema rara vez se ocupan simultáneamente y el resultado es un uso ineficiente de los limitados recursos de la red (KATE-KOM, 2005). Tecnología TDM como acceso Otra cuestión que se debe tomar en consideración es la ineficiencia inherente al uso de la tecnología de conmutación de circuito TDM tradicional en el backhaul. Debido a la multiplexación de naturaleza estática que se realiza en las conexiones TDM, para todos y cada uno de los canales en la interfaz de aire, independientemente de que transporte información o no, el recurso correspondiente de canal debe ser asignado en la interfaz Abis. De esta manera los proveedores de servicios no tienen forma de usar capacidad extra de las líneas que se usan poco, para transportar el tráfico excedente de las líneas que están sobrecargadas. Consecuentemente, los proveedores de servicio arriendan líneas E1 adicionales para BTSs que se encuentran en áreas de mucho tráfico (KATE-KOM, 2005). Mejora de la Eficiencia en el Backhaul La forma de pasar a tercera generación incluye una red combinada GSM/UMTS. La versión 99, así como también las versiones 4 y 5 de 3GPP, requieren IP o ATM como tecnología de transporte. Por lo tanto, una opción es construir un backhaul completamente nuevo aparte del backhaul TDM heredado de GSM. Por supuesto, esta opción es ineficiente y muy.

(40) CAPÍTULO 2. Diferentes Soluciones para Evolucionar hacia Redes Móviles 3G sobre una Infraestructura TDM. 28. costosa para los proveedores de servicios móviles. Una mejor solución incluye la integración de los elementos del backhaul de tercera generación con los elementos del backhaul de segunda generación que ya existen, creando de esta manera una red 2G/3G simple, común y efectiva desde el punto de vista de costo (KATE-KOM, 2005). 2.2. Requerimientos de la RAN de los Operadores Móviles. La siguiente lista contiene los principales requerimientos de la RAN desde el punto de vista de los proveedores de servicios móviles. A juicio de Alcatel-Lucent (2006) se necesita: Una poderosa administración de red y servicios para una instalación rápida y escalable, abastecimiento, re-ingeniería y reparación para soportar el incremento de abonados y el crecimiento de los requerimientos de ancho de banda desde el sitio celular hacia la Oficina de Conmutación Telefónica Móvil (MTSO). Alta disponibilidad y calidad de servicio para retener a sus usuarios y atraer tráfico adicional. Habilidad para evolucionar de la forma menos abrupta posible a medida que se desarrollan nuevas tecnologías (por ejemplo, en el tránsito desde UTRAN R99/R4 hacia R5/R6) con el correspondiente uso de IP y Ethernet (y potencialmente el Protocolo de Multienlace Punto a Punto: MLPPP). Una red modernizada y simplificada que pueda soportar tráfico de varias generaciones mediante el soporte simultáneo de TDM, ATM (con Multiplexación Inversa sobre ATM: IMA), Ethernet e IP a medida que evoluciona la red. Costo Operacional (OPEX) reducido para el transporte mediante una agregación eficiente y escalable. Fuertes capacidades de calidad de servicio (QoS) para soluciones de agregación de paquetes, para diferenciar flujos de tráfico y garantizar que el tráfico sensible a demoras sea respetado sin comprometer la efectividad de la ganancia estadística. 2.3. Vista General de la Arquitectura de la RAN. La Figura 2.1 muestra una vista de alto nivel de la arquitectura de una red móvil 2G/3G..

(41) CAPÍTULO 2. Diferentes Soluciones para Evolucionar hacia Redes Móviles 3G sobre una Infraestructura TDM. 29. El tema de este trabajo se centra en la RAN, que es la parte de la red que enlaza a los equipos de de radio de los sitios celulares (BTSs y Nodos B) con sus respectivos controladores (BSC y RNC). La Figura 2.2 muestra una vista topológica de alto nivel de la RAN. En la práctica, muchas variantes y combinaciones de medios de transporte, protocolos de red y equipos de agregación van a coexistir. A continuación se resume brevemente la funcionalidad en el sitio celular, el sitio hub y el sitio centralizado (MTSO). En el sitio celular hay oportunidades para instalar dispositivos compactos que pueden dar cobertura a tráfico de múltiples generaciones y/o adaptar las interfaces de estaciones base de generaciones anteriores a infraestructuras de transporte más modernas (por ejemplo, Abis 2G TDM a Ethernet). Otra posible aplicación en el sitio celular es enlazar pequeños grupos de estaciones base para agregar tráfico con el fin de reducir costos. La etapa hub se puede realizar en algunas redes, particularmente donde el ancho de banda es escaso y/o costoso. Los equipos que actúan como hub típicamente realizan la función de agregar tráfico para que la red se pueda beneficiar de la ganancia estadística. En la MTSO (sitio centralizado) la agregación de tráfico es particularmente efectiva para controlar costos (por ejemplo, se reduce la cantidad de puertos a utilizar en el RNC) y mejorar grandemente la manejabilidad de la RAN que constantemente está evolucionando. La instalación de dispositivos de agregación en la MTSO es ventajosa desde el punto de vista de operación y mantenimiento de la red. En la práctica, los dispositivos de agregación son desplegados en varias combinaciones en sitios celulares, sitios hub y sitios centrales en diferentes zonas en la red..

(42) CAPÍTULO 2. Diferentes Soluciones para Evolucionar hacia Redes Móviles 3G sobre una Infraestructura TDM. 30. Figura 2.1 Arquitectura general de la red móvil 2G/3G. Fuente: Alcatel-Lucent. Figura 2.2 Topología de alto nivel de la RAN. Fuente: Alcatel-Lucent 2.4. El Poder de la Ganancia Estadística y la Agregación. Una de las ventajas de usar tecnologías de red basadas en paquetes tales como ATM, IP, MPLS y/o Ethernet es su inherente habilidad para reducir costos mediante la consolidación y el intercalado de múltiples flujos de tráfico. Esta capacidad se puede desarrollar por el hecho de que muchas fuentes de tráfico de información son intermitentes (se transmiten en ráfagas). La agregación, explota esencialmente los intervalos entre ráfagas para permitir que múltiples flujos de tráfico puedan ser combinados y transportados en un enlace con un ancho de banda que es menor que la suma de los anchos de banda de todas las fuentes (Alcatel-Lucent, 2006).

(43) CAPÍTULO 2. Diferentes Soluciones para Evolucionar hacia Redes Móviles 3G sobre una Infraestructura TDM. 31. Para ilustrar las ventajas de la agregación, en la Figura 2.3(a) se muestra un grupo de sitios celulares, cada uno con dos conexiones E1 con el sitio central. Si hay 90 sitios celulares en una región, por ejemplo, entonces se requieren tres enlaces STM-1 canalizados para enviar este tráfico hacia un RNC en una MTSO. El ancho de banda que se requiere es la suma de todos los anchos de banda que provienen de los sitios celulares. Sin embargo, cuando se usa un dispositivo de agregación capa 2 o capa 3 como se muestra en la Figura 2.3(b), el ancho de banda requerido puede reducirse considerablemente. En este caso en vez de usar tres STM-1s canalizados se puede usar un enlace STM-1 no canalizado. La ganancia estadística explota el hecho de que todas las estaciones base no transmiten sus ráfagas de información simultáneamente. La ganancia estadística que se lleva a cabo en la red celular puede ser monitoreada usando herramientas de administración y se pueden realizar ajustes desde el punto de vista de ingeniería de tráfico. La ganancia estadística no es la única razón por la que los operadores realizan una agregación capa 2 o capa 3 en la red de acceso; la agregación constituye un importante factor en la reducción de los costos.. Figura 2.3 (a) Arreglo TDM (b) Agregación a nivel de capa 2 o capa 3. Fuente: AlcatelLucent.

(44) CAPÍTULO 2. Diferentes Soluciones para Evolucionar hacia Redes Móviles 3G sobre una Infraestructura TDM. 2.5. 32. Backhaul Combinado 2G/3G Basado en ATM como Solución. ATM como tecnología de transporte ofrece una solución integrada para voz y datos con garantía de calidad de servicio. AAL2 (Capa de Adaptación a ATM 2) está diseñada para incrementar la eficiencia cuando se transporta voz (sensible a demoras) sobre una red ATM, AAL2 le permite a los conmutadores cargar las celdas ATM más eficientemente mediante el multiplexado de varias llamadas dentro de una misma celda ATM. Servicios de datos tales como Frame Relay (FR) se pueden mapear eficientemente dentro de celdas AAL5, mientras que la emulación de los servicios de voz y datos de conmutación de circuitos TDM se soportan mediante un Servicio de Emulación de Circuitos (CES) con AAL1 (KATE-KOM, 2005). 2.5.1 Multiplexación Inversa sobre ATM (IMA) Los proveedores de servicios móviles usualmente arriendan líneas E1 o E3 para la transmisión en el backhaul. Debido a la enorme brecha de ancho de banda que existe entre un E1 (2 Mbits/s) y un E3 (34 Mbits/s), los operadores que requieren más ancho de banda que un simple E1 y menos que un E3 (que es mucho más costoso), se tienen que enfrentar con alternativas muy costosas. IMA proporciona una solución a este problema combinando grupos de enlaces E1 físicos paralelos en una conexión lógica simple. IMA es muy robusto también porque ofrece inmunidad ante interrupciones de servicio. Si uno de los enlaces E1 que lo constituyen falla, la transmisión del tráfico va a continuar mientras exista al menos uno de sus enlaces operando. Esto resulta en un decrecimiento del ancho de banda requerido para todas las conexiones y aumenta la disponibilidad y confiabilidad de servicios en la red backhaul (KATE-KOM, 2005). 2.5.2 Agregación de Acceso Dispositivos de acceso ATM, tales como nodos multiservicio, ofrecen agregación de acceso para un gran número de enlaces E1 TDM para facilitar la conexión de interfaces Abis desde las BTSs hacia el BSC. Una vez que se instalan los Nodos B y el RNC, la interfaz Iub puede conectarse a los mismos dispositivos de agregación. Las plataformas multiservicio son capaces de utilizar las interfaces TDM existentes como capa física para enlaces de transmisión ATM. De esta forma se tiene un backhaul basado en tecnología ATM. El uso de ATM sobre la interfaz TDM produce un simple canal físico agregado que.