Contribución al Estudio para la Aplicación de Servicios de Telefonía en LTE

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(1)Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas Facultad de Ingeniería Eléctrica Departamento de Telecomunicaciones y Electrónica. TRABAJO DE DIPLOMA. Contribución al Estudio para la Aplicación de Servicios de Telefonía en LTE. Autor: Amed Cadalso Fernández Tutor: Msc. Carlos Rodríguez Santa Clara 2014 ¨Año 56 de la Revolución¨.

(2) Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas Facultad de Ingeniería Eléctrica Departamento de Telecomunicaciones y Electrónica. TRABAJO DE DIPLOMA Contribución al Estudio para la Aplicación de Servicios de Telefonía en LTE Autor: Amed Cadalso Fernández E-mail: [email protected] Tutor: Msc. Carlos Rodríguez López E-mail: [email protected] Consultantes: Msc. Frank Zurbano Quintana Asistente Adjunto del Dpto. de Telecomunicaciones y Electrónica de la UCLV e Instructor Adjunto del Centro Nacional de Capacitación de ETECSA. Especialista de la filial de Servicios Móviles de ETECSA, Gerencia Villa Clara.. E-mail: [email protected] Ing. Ledian Herrera Izquierdo Dpto. Soporte de la Red Dirección de Operaciones DVSM. ETECSA. E-mail: [email protected]. Santa Clara 2014 "Año 56 de la Revolución”.

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

(4) i. PENSAMIENTO. “Donde hay un árbol que plantar, plántalo tú, donde haya un error que enmendar, enmiéndalo tú, donde haya un esfuerzo que todos esquivan, acéptalo tú. Sé el que aparte la piedra del camino, el odio de los corazones, y las dificultades del problema…” GABRIELA MISTRAL.

(5) ii. DEDICATORIA. A mi mamá, a Carlos y a mis abuelos por estar siempre en cada momento de tristeza y felicidad de mi vida….

(6) iii. AGRADECIMIENTOS. A mi mamá y a Carlos por su amor y paciencia incondicional; A mis abuelos por ayudarme a crecer y ser el hombre que soy; A mi novia y futura esposa Nely, por ser mi amiga y compañera, mi tutora incondicional; A mis hermanos Carlitos, Dayron y Roisbel, por todos los momentos lindos que me impulsaron a seguir adelante; A todo el familión de mi tierra quemadense, especialmente a Betty, Nobel y Onelia, por sus sabios consejos y maravillosos dulces; A mi tutor por su apoyo y conocimientos imprescindibles; A Frank Zurbano por demostrarme que en este mundo existen personas como él, grandes de pensamiento y humildes de corazón; A Meri, Cuca, Alfredo, Osmir, Yenisey, Dayron y Damián quienes nunca dejaron de estar presentes; A toda la familia de mis padres que me ayudaron y apoyaron sin pedir nada a cambio;.

(7) iv. Comparto mi felicidad con todas las personas que creyeron en mí, y que me ayudaron a realizar este sueño; Muchas gracias a los que no creyeron o trataron de hacerme daño, pues esas fueron razones suficientes para demostrarme que las grandes cosas solo se logran con la fuerza de la verdad y la pura moral….

(8) v. TAREA TÉCNICA. 1. Revisión de la bibliografía existente en LTE y sus servicios. 2. Descripción de las características, servicios y el estado actual de LTE. 3. Análisis de las soluciones para la aplicación de servicios de telefonía en LTE. 4. Elaboración de un documento que facilite la comprensión y búsqueda de información sobre las soluciones de telefonía en LTE. 5. Elaboración del informe.. Firma del Autor. Firma del Tutor.

(9) vi. RESUMEN. En el desarrollo de la telefonía móvil desde la primera generación hasta la cuarta generación se ha perseguido lograr el mejoramiento en las velocidades de carga y en el envío de datos. El sistema LTE (4G) posee un dominio de conmutación de paquetes que utiliza protocolos de Internet. En la actualidad se aplican soluciones para ofrecer servicios de telefonía sobre LTE, donde algunas utilizan la infraestructura de las generaciones 2G/3G y otras, el Subsistema Multimedia IP (IMS). Los estudios sobre la aplicación de soluciones de voz sobre LTE recomiendan aquellas que están basadas en IMS, de ahí que, la solución de Telefonía Multimedia IMS sea la más utilizada. En este trabajo se explican las diferentes soluciones de voz sobre LTE y su comparación en cuanto a los elementos que influyen para su implementación. Además, se sugieren las soluciones que permiten un mayor desarrollo en los futuros servicios de telefonía sobre el sistema LTE, para bien de millones de usuarios y operadoras móviles que coexisten en la actualidad..

(10) vii. TABLA DE CONTENIDOS. PENSAMIENTO ................................................................................................................... i DEDICATORIA ................................................................................................................... ii AGRADECIMIENTOS ...................................................................................................... iii TAREA TÉCNICA ............................................................................................................... v RESUMEN ........................................................................................................................... vi INTRODUCCIÓN ................................................................................................................ 1 CAPÍTULO 1.. Generalidades y evolución de los sistemas de comunicaciones. móviles…………. .................................................................................................................. 6 1.1. Principios básicos sobre la comunicación móvil ................................................. 6. 1.2. Evolución y desarrollo de los sistemas de comunicaciones móviles ............... 7. 1.2.1. Tecnología de primera generación analógica (1G) .............................................. 8. 1.2.1.1. Estándar NMT (Nordic Mobile Telephone) ......................................................... 8. 1.2.1.2. Estándar AMPS (Advanced Mobile Phone System) ............................................ 8. 1.2.1.3. Estándar TACS (Total Access Communication System) ..................................... 8. 1.2.2. Tecnología de segunda generación digital (2G) ................................................... 9. 1.2.2.1. Estándar D-AMPS (Digital Advanced Mobile Phone System) ........................... 9. 1.2.2.2. Estándar CDMA (Code Division Multiple Access) ............................................. 9. 1.2.2.3. Estándar PDC (Celular Digital Personal) ........................................................... 10. 1.2.2.4. Estándar GSM (Global System Mobile) ............................................................ 10. 1.2.2.5. Estándar GPRS (General Packet Radio Service) ............................................... 11.

(11) viii 1.2.2.6. Estándar CDMA 2000 1X-RTT ......................................................................... 11. 1.2.2.7. Estándar EDGE (Enhanced Data Rates for GSM of Evolution) ........................ 11. 1.2.3. Tecnología de tercera generación digital (3G) ................................................... 12. 1.2.3.1. Estándar UMTS (Universal Mobile Terrestrial Service) ................................... 13. 1.2.3.2. Estándar WCDMA (Wideband Code Division Multiple Access) ...................... 13. 1.2.3.3. Estándar TD-CDMA (Time Division-Code Division Multiple Access)............ 14. 1.2.3.4. Estándar TD-SCDMA (Time Division Synchronous Code Division Multiple. Access)….. ........................................................................................................................... 14 1.2.3.5. Estándar HSPA (High Speed Packet Access) .................................................... 14. 1.2.3.6. Estándar HSPA+ (Evolved High-Speed Packet Access) ................................... 15. 1.2.3.7. Estándar CDMA 2000 ........................................................................................ 15. 1.2.4. Tecnología cuarta generación digital (4G) ......................................................... 16. 1.2.4.1. Estándar Wi-MAX- Móvil (Worldwide Interoperability for Microwave. Access)….. ........................................................................................................................... 16 1.2.4.2. Estándar IMT-Avanzado (International Mobile Telecommunications. Advanced). ............................................................................................................................ 17 1.3. Descripción general del sistema LTE ................................................................. 17. 1.3.1. Requerimientos del sistema LTE ....................................................................... 18. 1.3.2. Características del sistema LTE ......................................................................... 19. 1.3.3. Arquitectura del sistema LTE ............................................................................ 21. 1.3.3.1. E-UTRAN: Red de Acceso Radio Terrestre Universal Evolucionada ............... 22. 1.3.3.1.1. Evolved NodeB (eNB) ....................................................................................... 23. 1.3.3.1.2. Interfaz radio ...................................................................................................... 24. 1.3.3.1.3. Interfaz eNB↔EPC (S1) .................................................................................... 24. 1.3.3.1.4. Interfaz eNB↔eNB (X2) ................................................................................... 25.

(12) ix 1.3.3.2. EPC: Red Troncal de Paquetes Evolucionada.................................................... 26. 1.3.3.2.1. MME (Mobility Management Entity) ................................................................ 27. 1.3.3.2.2. S-GW (Serving Gateway) .................................................................................. 28. 1.3.3.2.3. P-GW (PDN Gateway) ....................................................................................... 29. 1.3.3.2.4. PCRF (Policy and Charging Rule Function) ...................................................... 30. 1.3.3.2.5. OFCS (Offline Charging System) y OCS (Online Charging System) ............... 30. 1.3.3.2.6. HSS (Home Subscriber Server) ......................................................................... 30. 1.3.3.2.7. Interfaz P-GW↔ Redes Externas (SGi)............................................................. 31. 1.3.3.2.8. Interfaz P-GW↔S-GW (S5 y S8) ...................................................................... 31. 1.3.3.2.9. Interfaz MME↔S-GW (S10) ............................................................................. 31. 1.3.3.2.10 Interfaz MME↔MME (S10) ............................................................................. 32 1.3.3.2.11 Interfaz HSS↔MME (S6a) ................................................................................ 32 1.4. Estado de los sistemas de comunicaciones móviles existentes en la. actualidad… ........................................................................................................................ 33 1.4.1. Estado de la tecnología HSPA ............................................................................... 33. 1.4.2. Estado de la tecnología HSPA+ ............................................................................. 34. 1.4.3. Estado de la tecnología LTE .................................................................................. 34. 1.4.4. Estado de los operadores, usuarios y redes LTE en el mercado actual.................. 35. 1.5. Servicios en LTE .................................................................................................. 37. 1.6. Conclusiones del capítulo .................................................................................... 39. CAPÍTULO 2.. Análisis de las soluciones de voz en el sistema LTE ........................... 41. 2.1. Voz sobre LTE (VoLTE) ..................................................................................... 41. 2.2. Soluciones de voz sobre LTE .............................................................................. 43. 2.2.1. m VoIP de OTT (Over- the- top) ....................................................................... 44. 2.2.1.1. Aplicación Skype ............................................................................................... 45.

(13) x 2.2.2. Voz sobre LTE vía Acceso Genérico (VoLGA) ................................................ 46. 2.2.2.1. VoLGA en la red ................................................................................................ 46. 2.2.2.2. VoLGA desde el punto de vista de la red LTE .................................................. 47. 2.2.2.3. VoLGA desde el punto de vista de la red de conmutación de circuitos............. 47. 2.2.2.4. Registro hacia la Red.......................................................................................... 48. 2.2.2.5. Llamadas de voz salientes sobre LTE ................................................................ 49. 2.2.2.6. Llamadas de voz entrantes sobre LTE ............................................................... 50. 2.2.2.7. Handover ............................................................................................................ 51. 2.2.3. Sistema de Continuidad de Llamada de Voz de Radio Única (SRVCC) ........... 53. 2.2.3.1. Interoperabilidad asegurada ............................................................................... 54. 2.2.3.2. Consideraciones en el despliegue ....................................................................... 56. 2.2.3.3. Medición de desempeño ..................................................................................... 56. 2.2.3.4. Tiempo de interrupción de voz........................................................................... 57. 2.2.3.5. Probabilidad de retención de llamada ................................................................ 58. 2.2.4. Conmutación de Circuitos Fallback (CS Fallback) ............................................ 59. 2.2.4.1. Acercamiento a CS Fallback .............................................................................. 60. 2.2.4.2. Arquitectura ........................................................................................................ 60. 2.2.4.3. Gestión de movilidad combinada entre el dominio CS y la red EPC ................ 61. 2.2.4.4. Procedimiento de gestión de movilidad combinada ........................................... 62. 2.2.4.5. Procedimiento de control de llamada CS Fallback ............................................ 63. 2.2.4.5.1. Inicialización de la llamada ................................................................................ 63. 2.2.4.5.2. Finalización de la llamada .................................................................................. 64. 2.2.5. Telefonía Multimedia IMS (MMTel) ................................................................. 67. 2.2.5.1. Subsistema Multimedia IP ................................................................................. 67.

(14) xi 2.2.5.2. IMS/MMTel ....................................................................................................... 69. 2.2.5.2.1. Dos alternativas para fortalecer MMTel ............................................................ 70. 2.2.5.2.2. Integración de servicios CAMEL con MMTel .................................................. 72. 2.2.5.2.3. Manejo de servicios de valor agregado en IMS/MMTel.................................... 73. 2.3. Comparación de las tres principales soluciones de voz sobre LTE ............. 75. 2.3.1. Requerimientos en la implementación de la red ................................................ 76. 2.3.1.1. CS Fallback ........................................................................................................ 76. 2.3.1.2. MMTel ............................................................................................................... 77. 2.3.2. Desempeño ......................................................................................................... 77. 2.3.2.1. CS Fallback ........................................................................................................ 77. 2.3.2.2. MMTel ............................................................................................................... 78. 2.3.3. Aspectos generales (Ver anexo 3) ...................................................................... 79. 2.3.3.1. CS Fallback ........................................................................................................ 79. 2.3.3.2. MMTel (VoIMS) ................................................................................................ 79. 2.4. Conclusiones del capítulo ................................................................................ 81. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ............................................................... 82 Conclusiones......................................................................................................................... 82 Recomendaciones ................................................................................................................. 83 BIBLIOGRAFÍA ................................................................................................................ 84 GLOSARIO......................................................................................................................... 86 ANEXOS ............................................................................................................................. 92.

(15) Introducción. 1. INTRODUCCIÓN. Durante el desarrollo de la humanidad el hombre se ha dedicado constantemente a la investigación y a la creación en aras del progreso. Puede afirmarse que entre los descubrimientos más trascendentales en la historia se encuentra, con inigualable satisfacción, la creación del teléfono o la telefonía en general, la cual, con el transcurso de los años, ha devenido en un fenómeno mundial que evoluciona y se perfecciona aceleradamente. Son diversos los sistemas telefónicos que existen, entre ellos el más utilizado por parte de los usuarios es el sistema de telefonía celular o móvil, definido como “aquellos que permiten la comunicación entre usuarios que se desplazan libremente en lugares geográficos diferentes” (ATI, 2011), estos sistemas desde sus inicios incluyen grandes redes de comunicaciones que permiten cursar diferentes servicios entre ellos: . Telefonía móvil. . Envío de mensajes cortos. . Datos a baja velocidad. La evolución de las tecnologías celulares ha mejorado considerablemente los servicios de telefonía móvil; ha incrementado la calidad de los servicios, la seguridad en las comunicaciones, la reducción de los tiempos de latencia y la eficiencia del espectro. A través de décadas, las llamadas de voz dominaron el tráfico en las redes de telecomunicaciones móviles, pero con el crecimiento acelerado del manejo y la transmisión de datos se necesitó incrementar la capacidad de las redes y con ello la extensión de la disponibilidad de tecnologías de comunicación, apareciendo así, nuevas aplicaciones y novedosos dispositivos móviles..

(16) Introducción. 2. Con el desarrollo científico técnico dentro de las comunicaciones móviles en general, una de las mejores opciones de tecnologías de banda ancha móvil ha sido la tecnología LTE, formando parte de la evolución de GSM y UMTS respectivamente. LTE es una tecnología que se caracteriza por satisfacer la gran demanda de tráfico de datos, voz y video presentes en una red, por lo que muchos han sido los estudios dedicados a tratar sus aspectos fundamentales, en especial, los referidos a la aplicación de servicios utilizando dicha tecnología, aunque no se ha profundizado lo suficiente en lo referente a los servicios de voz. Con el enfoque de poder trasmitir datos con mayor velocidad y ofrecer otros servicios, la tecnología LTE evade, de cierta forma, la transmisión de voz. Sin embargo, las tecnologías precedentes a LTE ya brindaban este servicio de forma positiva por ser su principal fuente de ingreso en el mercado. Se puede afirmar que el trabajo de diploma tiene una alta relevancia teórica ya que aporta un estudio sistematizado acerca de los servicios de telefonía en el sistema LTE, en aras de lograr una mejor comprensión y utilización de los estudios referidos al tema por parte de los estudiantes de telecomunicaciones y electrónica, así como por entidades interesadas en conocer acerca de los servicios en LTE. En el análisis bibliográfico realizado se pudo constatar la existencia de investigaciones precedentes que tratan como tópico la tecnología LTE, no obstante, han sido insuficientes los estudios acerca de cómo aplicar los servicios de telefonía en LTE; las soluciones que se presentan para ofrecer servicios de voz, además de los componentes a tener en cuenta desde el Equipo de Usuario hasta la Central Telefónica para aplicar estos servicios en este sistema. Entre los antecedentes se puede mencionar LTE – The UMTS Long Term Evolution: From Theory to Practice que brinda una visión detallada de las evaluaciones y las compensaciones que se encuentran detrás de las opciones de esta tecnología, además traza un curso explicativo a través de las especificaciones de la tecnología LTE (TOUFIK et al., 2009). Otro texto es LTE for 4G Mobile Broadband: Air Interface Technologies and Performance donde se expone una cobertura detallada de las tecnologías y protocolos de la interfaz aérea utilizados por LTE (KHAN, 2011)..

(17) Introducción. 3. También se consultó 4G LTE/LTE-Advanced for Mobile Broadband que proporciona una descripción completa de la tecnología LTE-Advanced de acceso de radio y muestra una visión y evolución más profunda de otras tecnologías que forman parte de LTE (DAHLMAN et al., 2011). El libro del colectivo de autores de la Fundación Vodafone en España titulado Lte: Nuevas Tendencias en Comunicaciones Móviles que presenta las bases de los principios por los que se sustenta el sistema LTE (AGUSTI et al., 2010). El texto Voice over LTE (VoLTE) (POIKSELKÄ et al., 2012) y la investigación La Tecnología de Voz sobre LTE, un paso hacia el futuro telefónico (SOTO, 2011), donde presentan un amplio espectro sobre el desarrollo de la transmisión de voz sobre LTE, finalizando con el estudio general de las ventajas y desventajas de este servicio. Sin embargo, a pesar de la existencia de los estudios mencionados, aún no se ha encontrado una investigación que unifique la diversidad de criterios referidos al tema tratado anteriormente, por lo que se requiere la sistematización de los contenidos señalados, para facilitar la comprensión de los servicios de telefonía soportados por la tecnología LTE. Esta necesidad establece una contradicción entre la situación actual y la deseable, lo que conduce al planteamiento del siguiente Problema científico: ¿Cómo contribuir al estudio para la aplicación de servicios de telefonía en LTE? Para ello se plantea como Objetivo general:  Contribuir al estudio para la aplicación de servicios de telefonía en LTE. Objetivos específicos: 1.. Revisar la bibliografía existente sobre LTE y sus servicios.. 2.. Describir las características, servicios y el estado actual de LTE.. 3.. Analizar las soluciones para la aplicación de servicios de telefonía en LTE.. 4.. Estructurar un documento que facilite la comprensión y búsqueda de información de las soluciones de telefonía en LTE..

(18) Introducción. 4. Con la intención de poder cumplir con cada uno de estos objetivos específicos se plantearon las siguientes Preguntas de investigación: 1. ¿Cuáles son los criterios que se ofrecen en la bibliografía existente sobre LTE y sus servicios? 2. ¿Cuáles son las características, servicios y el estado actual de LTE? 3. ¿Cuáles son las soluciones para la aplicación de servicios de telefonía en LTE? 4. ¿Cómo facilitar la comprensión y búsqueda de información sobre las soluciones de telefonía en LTE? Para la realización del trabajo de diploma se siguieron las distintas Tareas de investigación referidas a: 1. Síntesis de los criterios que se ofrecen en la bibliografía existente sobre LTE y sus servicios. 2. Caracterización, servicios y estado actual de LTE. 3. Presentación de las soluciones para la aplicación de servicios de telefonía en LTE. 4. Comprensión y búsqueda de información sobre los servicios de telefonía en LTE a través de un documento estructurado. El estudio teórico y técnico del sistema LTE, contribuye a comprender las aplicaciones, ventajas y limitaciones de los servicios en LTE. Permite realizar una comparación entre las tecnologías precedentes y la tecnología LTE en cuanto a arquitectura, equipamiento, protocolos, tipos de modulación etc. Por otro lado, tiene en cuenta las tendencias del mercado mundial respecto a esta tecnología. Además, se ofrecen respuestas a problemas vinculados con el desarrollo y la evolución de la tecnología LTE, que necesitan ser abordadas por su importancia en cuanto a la aplicación de servicios de telefonía, como herramienta teórica de gran trascendencia para estudiantes, especialistas, investigadores y diseñadores que pueden utilizar esta investigación como material de consulta. Teniendo en cuenta estos criterios se puede afirmar que los resultados de la investigación poseen una aplicación, práctica y teórica, relevante para la Facultad de Ingeniería Eléctrica.

(19) Introducción. 5. de la Universidad Central “Marta Abreu” de las Villas y para todos los interesados en el desarrollo de la telefonía móvil. La bibliografía existente sobre el tema de investigación es muy extensa y dispersa, por lo que es necesario que exista un documento confiable y actualizado que integre los aspectos esenciales y particulares de este sistema, para apoyar la superación de los ingenieros cubanos y los futuros ingenieros en telecomunicaciones de la facultad. El diseño del trabajo de diploma se realizó teniendo en cuenta la información recopilada en la fase inicial, asimismo se procedió a cumplir cada uno de los objetivos específicos planteados en la investigación con el fin de lograr el éxito del informe, dando respuesta al problema principal. Estructura del Trabajo El informe está compuesto por la introducción, dos capítulos, conclusiones, recomendaciones, referencias bibliográficas, glosario de términos y por último los anexos. En el primer capítulo se realiza una presentación de la evolución y las generalidades de los sistemas de comunicaciones móviles, partiendo desde la primera generación móvil (analógica) hasta la cuarta generación móvil (digital), además, se muestra una descripción del sistema LTE, el desarrollo actual que presenta y los novedosos servicios que ofrece. En el segundo capítulo se presentan las soluciones para ofrecer voz sobre LTE, la arquitectura de cada una de ellas, sus características, sus ventajas, desventajas, al mismo tiempo que, se ofrecen recomendaciones para los proveedores de servicios móviles y usuarios de redes móviles, de cuál solución utilizar para suministrar el servicio de telefonía..

(20) CAPÍTULO 1: Generalidades y evolución de los sistemas de comunicaciones móviles 6. CAPÍTULO 1. Generalidades y evolución de los sistemas de comunicaciones móviles. 1.1. Principios básicos sobre la comunicación móvil. Los sistemas de comunicaciones móviles se fundamentan en la transmisión de voz y en la transmisión de datos. En ellos se establece la conexión entre el terminal móvil y las estaciones bases a través de la interfaz radio-eléctrica, mientras que entre las estaciones bases y el núcleo de conmutación la conexión se realiza mediante fibra óptica. En un sistema de comunicaciones móviles una o varias operadoras cubren una zona geográfica con pequeñas áreas denominadas celdas, las cuales son las unidades básicas de cobertura. Cada área de cobertura posee un tamaño proporcional a la potencia de la antena transmisora, a la banda de frecuencia que utiliza, a las condiciones del terreno, la sensibilidad del radio receptor, la altura, la ubicación geográfica y la ganancia correspondiente. Por su parte, a los canales de tráfico, señalización y control pertenecientes a cada celda, les corresponde una estación base, la cual desde un teléfono móvil recibe solicitudes de conexión (ATI, 2011). Para comprender el funcionamiento de un sistema de comunicaciones móviles se debe conocer el concepto expresado por la UIT (Reglamento de Radiocomunicaciones de la Unión Internacional de Telecomunicaciones) sobre el servicio móvil definido como: “un servicio de radiocomunicaciones entre estaciones móviles y estaciones terrestres fijas, o entre estaciones móviles únicamente” (RÁBANOS, 1997). Los servicios móviles pueden distinguirse en tres clases: 1. Servicio móvil terrestre.

(21) CAPÍTULO 1: Generalidades y evolución de los sistemas de comunicaciones móviles 7 2. Servicio móvil marítimo 3. Servicio móvil aeronáutico Se puede observar en la figura 1 un sistema de comunicaciones móvil básico, donde las pequeñas celdas y sus estaciones bases correspondientes se conectan a un conmutador inalámbrico central, el cual permite establecer la conexión con la PSTN (Red Telefónica Conmutada Pública). En otras palabras, un sistema de comunicaciones móvil es la combinación de una red de estaciones transmisoras-receptoras de radio (repetidores y antenas) y una serie de centrales de conmutación, que posibilita la comunicación entre celulares o entre móviles y teléfonos de la red fija. Hay que tener en cuenta por su importancia, que para implementar un sistema de comunicaciones móvil, un elemento que no debe faltar es, el cálculo que deben hacerse en el terreno para ubicar las estaciones bases y el equipamiento correspondiente.. Figura 1: Sistema de comunicaciones móvil (ATI, 2011).. 1.2. Evolución y desarrollo de los sistemas de comunicaciones móviles. A partir del año 1980 se introdujeron los primeros sistemas de comunicaciones móviles, los cuales empleaban técnicas de comunicación analógica y un uso del espectro radioeléctrico.

(22) CAPÍTULO 1: Generalidades y evolución de los sistemas de comunicaciones móviles 8 muy ineficiente, además de ser dispositivos de gran tamaño, inmensamente caros y con una comercialización restringida. En la década del 90 comenzó a utilizarse la tecnología digital, con el manejo de equipos más pequeños y baratos. A partir del año 2000 y hasta el 2005 los sistemas móviles tenían mejor desempeño, se introdujeron nuevas técnicas de transmisión/recepción que aumentaban las velocidades en el sistema móvil, el interfaz aéreo incluía optimizaciones adicionales permitiendo al usuario cargar y descargar información con mayor facilidad, además de hacer un uso más eficiente del espectro (DAHLMAN et al., 2011). 1.2.1 Tecnología de primera generación analógica (1G) 1.2.1.1 Estándar NMT (Nordic Mobile Telephone) La primera generación analógica de sistemas celulares soportaban los “plain old telephony services” (POTS), es decir, voz con algunos servicios suplementarios relacionados (DAHLMAN et al., 2011). El primer sistema analógico es el NMT (Nordic Mobile Telephone) desarrollado por Ericcson, el cual opera en dos frecuencias 450MHz y 900MHz cuando se ubica en campos rurales, urbanos y fronteras internacionales. Estos sistemas ofrecen el servicio de voz con baja calidad y velocidad de hasta 2400 baudios. 1.2.1.2 Estándar AMPS (Advanced Mobile Phone System) Otro de los sistemas conocidos, es el AMPS el cual predominó en EEUU en la década de los 80. Este presentaba problemas a la hora de ofrecer servicios como voz, con respecto a la seguridad, la interferencia de la señal y la baja capacidad. Posteriormente, este sistema se conoció como TDMA/IS-136, pasando de ser un sistema analógico a ser un sistema digital, siendo esta característica, el principal cambio de este estándar (DAHLMAN et al., 2011). 1.2.1.3 Estándar TACS (Total Access Communication System) El último de los sistemas conocidos en la primera generación móvil fue el TACS, donde su primer uso, fue para la frecuencia de 900MHz en Inglaterra, con capacidad para 1320 canales con un ancho de banda de 25KHz. Fue diseñado en un inicio para tener un alto índice de suscriptores de áreas urbanas y rurales, soportando velocidades de datos de hasta 1.44kbps (DAHLMAN et al., 2011)..

(23) CAPÍTULO 1: Generalidades y evolución de los sistemas de comunicaciones móviles 9 1.2.2 Tecnología de segunda generación digital (2G) Con la llegada de la comunicación digital durante los años 80, surge la oportunidad de desarrollar una segunda generación de sistemas y normas de comunicación móvil basadas en la tecnología digital. Con la tecnología digital comienza la oportunidad de aumentar la capacidad de los sistemas, además de mejorar la calidad de los servicios y desarrollar los dispositivos aún más atractivos y verdaderamente móviles. Los sistemas de segunda generación digital utilizaban codificadores de voz, además de ofrecer servicios adicionales de mensajería instantánea, multimedia y Web (DAHLMAN et al., 2011). 1.2.2.1 Estándar D-AMPS (Digital Advanced Mobile Phone System) El primer sistema 2G fue el D-AMPS, conocido también como TDMA (Time Division Multiple Access). Este sistema está basado en el estándar IS-136, el cual comprende la plataforma para servicios PCS (Personal Communication Services) y utiliza el sistema CMS8800, con un alto grado de flexibilidad y funcionalidad en los 800/1900MHz (SERRANO, 2013). 1.2.2.2 Estándar CDMA (Code Division Multiple Access) El segundo estándar fue el CDMA, también conocido como cdmaOne, CDMA2000 ó IS200, está basado en IS-95 y se comercializó desde el año 1995. Entre los servicios que ofrece están la voz, los datos, el buzón de voz y los SMS (Short Message Service) a una velocidad de 64kbps, con una ganancia de aproximadamente 8 a 10 veces mayor, con mejor calidad de sonido. Este estándar utiliza la técnica de espectro extendido con reutilización de frecuencia, diversidad de multitrayecto y multiplexación estadística de la voz. También utiliza FDD (Frequency Division Duplex) con una separación de frecuencia de 45MHz y ancho de banda de portadoras de 1.25MHz. Esta tecnología se presenta en dos variantes: -IS-95-A donde las portadoras se ubican en la banda de 800 y 1900MHz. Como ventajas incorpora la eficiencia del protocolo IP, soportando tasas de transmisión de paquetes de hasta 14.4kbps y el transporte es basado en paquetes. -IS-95-B. Mejora los algoritmos utilizados en la transferencia entre celdas en ambientes de múltiples portadoras y sobre los parámetros que afectan el control de la.

(24) CAPÍTULO 1: Generalidades y evolución de los sistemas de comunicaciones móviles 10 flexibilidad de la transferencia. También, aumenta la tasa de datos a 115kbps tanto para conmutación de paquetes como para conmutación de circuitos, mediante la unión de canales de código de 14.4kbps o 9.6kbps (IPATOV, 2005). 1.2.2.3 Estándar PDC (Celular Digital Personal) El estándar PDC se basa en una variante de la tecnología TDMA con portadoras de 25KHz, con modulación DQPSK (Differential Quadrature Phase Shift Keying), con tres intervalos de tiempo a 11.2kbps y seis intervalos de tiempo a 5.6kbps, se implementa en las bandas de 800MHz y 1.5GHz para servicios de voz y datos hasta 9.6kbps y en su variante PDC-P alcanza valores de hasta 28.8kbps de datos para PS (DAHLMAN et al., 2011). 1.2.2.4 Estándar GSM (Global System Mobile) En Europa, el GSM (originalmente Group Special Mobile) y más tarde conocido como él Global System for Mobile Communications, iniciaba el proyecto en el año 1985 para desarrollar uno de los sistemas digitales líderes en telefonía móvil, por parte, de las administraciones en CEPT, continuando después dentro del nuevo ETSI (European Telecommunications Standards Institute) (TOUFIK et al., 2009). La aceptación de la norma GSM superó con creces las expectativas iniciales, ayudando a crear un nuevo mercado sobre la telefonía móvil. El resultado de la aparición de teléfonos GSM en el mundo desarrollado, proporcionó facilidades en la comunicación móvil en comparación con las tecnologías precedentes, primero, en el servicio de voz y posteriormente, en los mensajes de texto y los servicios de datos más avanzados. Entretanto, en los países en vías de desarrollo, la tecnología GSM comenzaba a llegar a las comunidades y usuarios que se encontraban en remotas regiones, dónde apenas, la conexión de las líneas fijas no existía y era muy caro desplegar un nuevo sistema digital como GSM (TOUFIK et al., 2009). El sistema GSM emplea la técnica de acceso TDMA y FDMA (Frequency Division Multiple Access), ejecutando ocho llamadas simultáneas en el mismo radio de frecuencias, simplifica la transmisión de datos utilizados en laptops, palmtops y celulares GSM, posee servicios de alta velocidad de datos como, mensajes cortos, internet, además de brindar una mayor seguridad en la comunicación y mayor calidad de voz..

(25) CAPÍTULO 1: Generalidades y evolución de los sistemas de comunicaciones móviles 11 Este sistema opera sobre los 900MHz y 1800MHz en Europa, Asia y Australia, en América puede operar también entre los 850MHz y 1900MHz, con la utilización de modulación GSMK (Gaussian Minimum Shift Keying). Existen diferentes tipos de celdas en una red GSM del tipo: macro, mico, pico y femto las que se diferencian por el grado de cobertura. La mayor distancia que soporta la especificación GSM es de 35Km, aunque existen implementaciones para extenderla (DAHLMAN et al., 2011). 1.2.2.5 Estándar GPRS (General Packet Radio Service) Otro de los estándares es GPRS, considerado también como una tecnología de generación 2.5G, cuyo primer estándar lo ejecutó la ETSI. Proporciona servicios como mensajería multimedia MMS (Multimedia Messaging System), SMS, Internet y correo electrónico con velocidades de transferencia de datos de hasta 40kbps. La transferencia de datos se realiza utilizando conmutación de paquetes, constituye una solución original para el servicio de datos por paquetes de GSM y proporciona una solución de conectividad IP, brindando así un amplio rango de aplicaciones. También utiliza la técnica de modulación GSMK al igual que el sistema GSM (QUINTANA, 2011). 1.2.2.6 Estándar CDMA 2000 1X-RTT El estándar CDMA 2000 1X-RTT es el sucesor de la tecnología cdmaOne (CDMA). Proporciona el doble de la capacidad de voz de su antecesora y tasas de datos promedio de 144kbps, es compatible con las redes y terminales cdmaOne, además de mejorar su desempeño. Entre las ventajas que introdujo se encuentran: la compatibilidad con la tecnología IS95B, demodulación coherente en el enlace ascendente con inversión de piloto, control de potencia rápido, razones de datos de 150kbps hasta 300kbps en dependencia de la configuración de tráfico del canal de radio, modulación QPSK (Quadrature Phase Shift Keying) en el enlace ascendente y descendente y codificación de canal mejorada para tasas de transmisión altas (ETEMAD, 2004). 1.2.2.7 Estándar EDGE (Enhanced Data Rates for GSM of Evolution) Como última tecnología 2G se encuentra el sistema EDGE (Enhanced Data Rates for GSM of Evolution) como mejora del sistema GSM, conocido también como EGPRS (Evolved General Packet Radio Service). El objetivo de esta tecnología es incrementar la razón de.

(26) CAPÍTULO 1: Generalidades y evolución de los sistemas de comunicaciones móviles 12 transmisión de datos, la eficiencia espectral, es capaz de ofertar tasas de datos pico teóricas de hasta 473.6kbps y velocidades de transmisión de 100-130kbps. En EGPRS son introducidos nueve esquemas de codificación de modulación designados desde el (Mobile Switching Centre) MSC1 hasta MSC9, dichos esquemas desde el MSC1 hasta MSC4 utilizan modulación GMSK, mientras los cinco restantes usan modulación 8PSK (Phase Shift Keying). 1.2.3 Tecnología de tercera generación digital (3G) El primer lanzamiento de la norma 3G no cumplió con su promesa de transmitir datos a gran velocidad. Por lo que, un esfuerzo serio fue hecho para reforzar los sistemas 3G para el apoyo eficaz de transmitir grandes cantidades de datos. Los 3GPP2 (Third Generation Partnership Project 2) introdujeron primero el HRPD, sistema que usó varias técnicas avanzadas para optimizar el tráfico de datos como el canal de planificación sensible, la adaptación rápida del enlace y el ARQ (Automatic Repeat Request) híbrido. El sistema de HRPD requirió una portadora separada a 1.25 MHz y no apoyó ningún servicio de voz, siendo esta la razón que refirió a HRPD como el sistema cdma2000-1xEVDO (evolución de datos solamente) (KHAN, 2011). El 3GPP (Third Generation Partnership Project) siguió un camino similar que el 3GPP2, hasta que introdujeron los sistemas de telefonía móvil con nuevos servicios multimedia como video llamada, donde las redes móviles trabajaban directamente con Internet. Entre las tecnologías que forman parte de la tercera generación se encuentran: UMTS, HSPA (High Speed Packet Access) entre otras. Aquí se consideran las tecnologías derivadas de la iniciativa IMT-2000 con dos alternativas: 1. UMTS basada en la tecnología WCDMA con las mejoras HSPA y HSPA+ (Evolved High-Speed Packet Access) y en las variantes de acceso TD-SCDMA (Time Division Synchronous Code Division Multiple Access) y TD-CDMA (Time Division-Code Division Multiple Access). 2. La evolución de CDMA2000 hacia las variantes 1xEV-DO, 1xEV-DV y 3x (CAMPOVERDE and ÑAUTA, 2013)..

(27) CAPÍTULO 1: Generalidades y evolución de los sistemas de comunicaciones móviles 13 Como características de esta generación móvil se encuentran la transmisión de datos por CS (Circuit Switched) y PS (Packet Switched), posee tasas de transmisión de hasta 2Mbps dependiendo de la movilidad, la velocidad, unido a la alta eficiencia del espectro. 1.2.3.1 Estándar UMTS (Universal Mobile Terrestrial Service) Para establecer un orden cronológico que represente el desarrollo de los sistemas de tercera generación se toma como punto de partida la tecnología UMTS. Este sistema utiliza la técnica de acceso WCDMA (Wideband Code Division Multiple Access) para voz y datos de alta velocidad, con razón de transmisión pico para datos de 350kbps teóricamente, 200kbps para el enlace ascendente y 300kbps para el enlace descendente. UMTS ya trabaja en la banda de GSM. Posee dos canales de 5MHz, uno en el rango de 1885-2025MHz para el enlace de subida y uno en el rango de 2110-2200MHz para el enlace de bajada. Se debe añadir, que con la tecnología UMTS se introdujo el concepto MO (Multioperator) para la interfaz de radio UTRA (Universal Terrestrial Radio Access), con la cual se lograba compatibilidad con la tecnología CDMA2000. Ofrece facilidad de uso y bajo costo, acceso rápido capaz de soportar altas velocidades de transmisión de datos de hasta 144kbps sobre vehículos a gran velocidad, 384kbps en espacios abiertos de extrarradios, 2Mbps con baja movilidad, además soporta el protocolo IP (Internet Protocol) (MURATORE, 2001). 1.2.3.2 Estándar WCDMA (Wideband Code Division Multiple Access) La evolución de UMTS dio lugar al estándar WCDMA, el cual utiliza DS-CDMA (Direct Sequence Code Division Multiple Access) que permite el acceso múltiple por dispersión del espectro, es decir, los bits de información del usuario están dispersos sobre un ancho de banda amplio, mediante la multiplicación de la información con bits quasi-aleatorios denominados chips derivados de los códigos de dispersión CDMA. Las principales ventajas de WCDMA es que soporta razones de bits superiores, mayor eficiencia del espectro, calidad de servicio y la señal puede expandirse en frecuencia gracias a un código de ensanchamiento conocido solo por el emisor y receptor (DAHLMAN et al., 2011)..

(28) CAPÍTULO 1: Generalidades y evolución de los sistemas de comunicaciones móviles 14 1.2.3.3 Estándar TD-CDMA (Time Division-Code Division Multiple Access) Otra de las tecnologías integradas a UMTS es la TD-CDMA como una combinación de acceso por división de tiempo y código. El valor máximo teórico de canales que se deseen multiplexar en cada portadora de radio está dado por el número de intervalos de tiempo multiplicado por el número de códigos disponibles. En este sistema la relación entre razón de chip y la razón de bits de información en canales individuales es fija en el enlace descendente y es variable en el enlace ascendente (QUINTANA, 2011). 1.2.3.4 Estándar TD-SCDMA (Time Division Synchronous Code Division Multiple Access) No menos importante dentro del sistema UMTS es la tecnología TD-SCDMA, la cual se desarrolla como alternativa de WCDMA, como una variante del sistema TDD (Time Division Duplex) de UMTS. Opera a una razón de chip de 1.28Mcps (Mega chip por segundo) en contraposición de 3.84Mcps para UMTS/TDD, soporta densidades de suscriptores muy altas, utiliza S-CDMA (CDMA sincrónico). Para el acceso a múltiples intervalos de tiempo, acomoda fácilmente el tráfico asimétrico, ajustando dinámicamente el número de intervalos utilizado en ambos sentidos de transmisión e incrementa la flexibilidad espectral. También utiliza TDMA con lo que se reduce el número de usuarios en cada intervalo de tiempo (QUINTANA, 2011). 1.2.3.5 Estándar HSPA (High Speed Packet Access) La tecnología HSPA perteneciente a UMTS, se especifica en las versiones 5 y 6 del 3GPP. Entre sus beneficios nos ofrece el uso más eficiente del espectro con capacidad tres veces mayor que la de UMTS, es además compatible con UMTS, EDGE y GPRS, opera en casi todas las frecuencias GSM permitiendo una capacidad de cambio de área de cobertura. El estándar HSPA según el criterio de Sesia S. (2009:4) se compone de HSDPA (HighSpeed Downlink Packet Access) y HSUPA (High Speed Uplink Packet Access). El primero de ellos HSDPA es una tecnología catalogada como 3.5G, con mejoras en el enlace descendente para ofrecer servicios multimedia (flujo de video con gran calidad, rápidas descargas de imágenes de alta resolución y archivos de gran tamaño, correo electrónico y.

(29) CAPÍTULO 1: Generalidades y evolución de los sistemas de comunicaciones móviles 15 juegos interactivos, calidad de voz, comunicación inviolable, roaming internacional automático) mediante conmutación de paquetes. Adicionalmente, posee un esquema de modulación 16QAM (Quadrature Amplitude Modulation) para transportar mayor cantidad de datos, HARQ para el control de errores a través de la retransmisión de paquetes y mejora la dinámica de planeamiento de la transmisión (permite determinar a qué usuario transmitir y en qué momento), la adaptación del enlace (selecciona el esquema de codificación, basado en la calidad del enlace) y los múltiples niveles de calidad de servicio (conversacional, simultáneo, interactivo y de fondo). Mediante HSDPA se logran valores picos teóricos de 14Mbps para un canal de 5MHz de ancho de banda UMTS. La segunda tecnología dentro de HSPA es HSUPA la cual permite mayor velocidad en el enlace de subida, se considera como una actualización de HSDPA, ya que aumenta su capacidad de transferir datos debido a que existe un canal dedicado denominado E-DCH (Enhanced Dedicated Channel) el cual posee cortos intervalos TTI (Transmission Time Interval) que mejoran el rendimiento del enlace de subida. Con HSUPA la tasa de transferencia de datos en el enlace de subida puede alcanzar los 5.76Mbps (ATI, 2011). 1.2.3.6 Estándar HSPA+ (Evolved High-Speed Packet Access) El último de los sistemas que se unen a la tecnología UMTS es la HSPA+ estandarizada por 3GPP en su versión 7 y 8. Ofrece un rendimiento y soporte mejorado para servicios de conversación e interactivos en tiempo real, brinda una línea estratégica a operadores de GSM con desempeño equivalente a una técnica OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiplex Access) en asignaciones de espectro de 5x5MHz solo con el incremento de inversión, incrementa la capacidad de HSPA y reduce el retardo por debajo de 50ms (TOUFIK et al., 2009). 1.2.3.7 Estándar CDMA 2000 Posterior a la implementación del sistema UMTS aparecen los sistemas CDMA2000 como sucesor del sistema 1x-RTT y empleando portadoras de 1.25MHz. Entre las variantes que lo conforman se encuentra la tecnología 1XEV-DO, la cual es implementada solamente para servicios de paquetes de datos de alta velocidad sin las restricciones que soportan los servicios legados y brinda valores picos de razón de datos de 2.4Mbps..

(30) CAPÍTULO 1: Generalidades y evolución de los sistemas de comunicaciones móviles 16 Posee además una alta eficiencia espectral en el enlace de bajada utilizando modulación de orden superior, rápida adaptación de tasa de transmisión y programación para un canal simple de datos de alta velocidad multiplexado en tiempo entre usuarios activos. En el enlace de subida la razón de datos es menor y tiene un mayor retardo en la transmisión. La segunda tecnología perteneciente a CDMA2000 es 1XEV-DV. Esta brinda datos de alta velocidad y voz sobre una sola portadora de 1.25MHz con costos más bajos. Introduce un nuevo modo de canal de paquetes de datos de bajada y sus protocolos asociados, modulación de orden superior y adaptación de enlace en los nuevos canales de paquetes de datos de bajada con razón de datos pico de 3.1Mbps, tramas cortas entre 1.25ms y 5ms con programación rápida para lograr beneficios a partir de la diversidad de multiusuario y rápido establecimiento de la llamada con autentificación mejorada. La última tecnología que forma parte de CDMA 2000 es CDMA2000 3X, que utiliza tres veces la capacidad de portadora de 1.25MHz para un total de 3.75MHz y tiene compatibilidad regresiva con las tecnologías 1X y cdmaOne. Ofrece tasas de transmisión de datos del orden de 2Mbps (KHAN, 2011). 1.2.4 Tecnología cuarta generación digital (4G) La cuarta generación de telefonía móvil referida como IMT-A (International Mobile Telecommunications Advanced) definido por la UIT, presenta una red móvil donde todas sus conexiones utilizan el protocolo IP, permitiendo mayores velocidades de acceso. Incluso la transmisión de voz se realiza por medio de paquetes, es una tecnología que puede ser usada por módems inalámbricos, móviles inteligentes y dispositivos móviles. Entre las tecnologías que lo conforman se encuentran WiMAX-Móvil, IMT-Avanzado y LTE (CAMPOVERDE and ÑAUTA, 2013). 1.2.4.1 Estándar Wi-MAX- Móvil (Worldwide Interoperability for Microwave Access) La tecnología WiMAX-Móvil, está en la familia de especificaciones IEEE 802.16 descritas para redes metropolitanas de banda ancha ó redes MAN (Metropolitan Area Networks) inalámbricas (estándar IEEE 802.16e) que define el WiMAX móvil. Mejora la movilidad y el esquema de modulación hacia el estándar SOFDMA (Scalable Orthogonal Frequency.

(31) CAPÍTULO 1: Generalidades y evolución de los sistemas de comunicaciones móviles 17 Division Multiplex Access), unido a ello utiliza solamente TDD y sus bandas asignadas lo cual limita la disponibilidad global. Por otro lado, emplea mecanismos de modulación de orden superior (64 QAM en el enlace de bajada y 16 QAM en el enlace de subida), posee codificación eficiente, modulación y codificación adaptativa, al igual que HARQ. También se diferencia en cuanto al formato físico de señal, mecanismos de transferencia y bandas de frecuencia en las cuales opera el sistema WiMAX (QUINTANA, 2011). 1.2.4.2 Estándar. IMT-Avanzado. (International. Mobile. Telecommunications. Advanced) La Unión Internacional de Telecomunicaciones creó un concepto para sistemas de comunicaciones móviles con capacidad superior a IMT-2000 (30Mbps) conocido como IMT-Avanzado, que según esta organización las tecnologías que se integran aquí podrán ser desplegadas alrededor del 2015. Estos sistemas pueden transmitir datos a una razón de 100Mbps para el caso de alta movilidad y 1000Mbps para el caso de baja movilidad, existe entonces, una gran variedad de servicios y la necesidad de disponer de interfaces de radio diferentes y bandas de frecuencia para acceso (QUINTANA, 2011). Con el crecimiento del tráfico de voz y datos en la red mundial de telecomunicaciones móviles impulsado en parte por el aumento de la disponibilidad de tecnologías de comunicación 3.5G, por la introducción del iPhone de Apple en 2007 y por los dispositivos basados en el sistema operativo Android de Google desde 2008, hubo una explosión en el número y uso de las aplicaciones móviles. Estos problemas comenzaron a provocar congestión en las redes 2G y 3G en los años en torno a 2010, conduciendo así a requisitos para aumentar la capacidad de la red de ahí que se impulsara entre los sistemas 4G, la tecnología LTE; en la cual un operador de red puede transportar llamadas de voz sobre redes de conmutación de paquetes que usan técnicas tales como VoIP (Voice over IP) (SERRANO, 2013). 1.3. Descripción general del sistema LTE. Después del surgimiento de la tecnología UMTS se avizoraba el desarrollo de una nueva tecnología móvil para garantizar la competencia con UMTS que ya cumplía con todos los.

(32) CAPÍTULO 1: Generalidades y evolución de los sistemas de comunicaciones móviles 18 requerimientos. Tomando bases de sistemas anteriores e incorporando una serie de cambios surge la tecnología LTE. Esta, a diferencia de las evoluciones 2G y 3G incorpora grandes modificaciones, tanto en la interfaz aérea, como en toda la arquitectura del sistema, es decir, en el núcleo y la red de acceso. El crecimiento económico, la competencia y la mejora de los productos en el mercado mundial incidieron directamente en la evolución de las tecnologías móviles hasta el surgimiento de la tecnología LTE. Unido a ello están los procedimientos de estandarización que a pesar de ser costosos en tiempo y dedicación, deciden la arquitectura del sistema, con sus principales bloques y correspondientes interfaces. 1.3.1 Requerimientos del sistema LTE Varios son los requerimientos que se determinaron por parte del 3GPP para el diseño de la red del sistema LTE, entre ellos se encuentran:  Red simplificada sin división de dominios.  Red unificadora con tecnologías previas.  Red eficiente y automatizada.  Velocidades de datos comparables con la banda ancha fija.  La reducción de costos por bit en el tráfico.  Mejor calidad y tipos de servicios.  Ahorro de energía en los terminales móviles (LÓPEZ, 2009). Para comprender LTE, es necesario conocer las características y arquitectura del propio sistema. Por tanto se hace énfasis en conocer qué funciones posee este sistema, además de las velocidades de transmisión/recepción, bandas de frecuencia que utiliza, la movilidad, los distintos procedimientos que influyen en la transmisión de voz y de datos principalmente. En conjunto se tratan los principales componentes de la arquitectura del sistema LTE, las entidades e interfaces que la conforman y los protocolos que posee..

(33) CAPÍTULO 1: Generalidades y evolución de los sistemas de comunicaciones móviles 19 1.3.2 Características del sistema LTE Se afirma que no fue hasta el mes de noviembre del año 2004, cuando 3GPP TSG (Tecnichal Special Group) RAN (Radio Access Network) organizó un Workshop en Toronto (Canadá) sobre la evolución de la RAN. En la propia línea de trabajo se identificaron. requisitos de alto nivel, como un coste por bit reducido, mejora en la. provisión de servicios, flexibilidad en el uso de las bandas de frecuencias, arquitectura simplificada con interfaces abiertos, consumo de potencia en el terminal razonable, entre otros (AGUSTI et al., 2010). En diciembre de 2004 se creó el Study Item “Evolved UTRA and UTRAN” para desarrollar una tecnología de acceso con elevada velocidad de transmisión, baja latencia, la cual estaba optimizada para la transmisión de paquetes. Algunos de los objetivos de E-UTRA (Evolved UMTS Radio Access) y E-UTRAN (Evolved Terrestrial Radio Access Network) son: • Velocidades de transmisión de pico de 100 Mbps en downlink y 50 Mbps en uplink, incrementando la velocidad de transmisión obtenible en el extremo de la célula. • Mejora de la eficiencia espectral en un factor 2-4. • Latencia del plano de usuario en la red de acceso radio inferior a 10ms. • Ancho de banda escalable. • Interoperabilidad con sistemas 3G y sistemas no 3GPP (AGUSTI et al., 2010). No fue hasta junio del 2006 con la aprobación del TR 25.912 y en el TSG-RAN #32, que se recomienda la creación de un Work Item sobre E-UTRA y E-UTRAN, se tomaba como punto de partida el sistema LTE, donde después se incorporaron características al concepto del TR 25.912 como: • Esquema de acceso radio OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiplex Access) en el downlink y SC-FDMA (Secuence Code-Frequency Division Multiplex Access) en el uplink. • Soporte de packet scheduling (asignación planificada de paquetes) en el dominio temporal y de frecuencia. • Simplificaciones en la MAC (Media Access Control) y en el modelo de estados RRC (Radio Resource Control), además reduce el número de canales de transporte (no hay canales dedicados)..

(34) CAPÍTULO 1: Generalidades y evolución de los sistemas de comunicaciones móviles 20 • Funcionalidades de packet scheduling, ARQ e HARQ terminadas en eNodeB (Evolved Node B). • Simplificación de la arquitectura E-UTRAN y descentralización de la misma (AGUSTI et al., 2010). La primera versión completa de las especificaciones LTE se aprobó en diciembre de 2007. Durante 2008 el trabajo del 3GPP se centró en la finalización de Release 8, aunque también se fueron desarrollando con intensidad aspectos del Release 9 y Release 10 (TOUFIK et al., 2009). Cabe destacar que las capacidades y prestaciones de E-UTRA y E-UTRAN establecidas en las fases de LTE superaron los objetivos iniciales. Resultado de ello, la velocidad pico teórica alcanzable en el enlace de bajada para 2×20 MHz (FDD), 64-QAM y 4×4 MIMO resulta de 326 Mbits/s. No obstante, por la necesidad de reducir las capacidades de un sistema, el ofrecimiento de velocidad de transmisión pico, se realiza en términos de evaluación de prestaciones (AGUSTI et al., 2010). El sistema LTE está perfeccionado para bajas velocidades de hasta 15km/h, sin embargo especificaciones permiten apoyar la movilidad con velocidades de más de 350km/h con una degradación de rendimiento. Al mismo tiempo establece requisitos de rendimiento y mejoras en cuanto a su acceso apoyado en IP OFDMA con MIMO (Multiple-input Multiple-output) y antenas inteligentes. LTE ofrece solución a los problemas de la red de forma autónoma (baja los costos de mantención y actualización), debido a que posee un sistema de auto- optimización y autoreparación mediante el seguimiento de indicadores en la red y la medición de los datos en los terminales. Su configuración automática es “Plug and play” al incorporar nuevos elementos a la red y actualizando fácilmente el hardware del sistema (TOUFIK et al., 2009). El sistema LTE permite asimismo el ahorro de energía, la incorporación de una nueva configuración para el control de recursos de energía denominado RRC, logrando así reducir el consumo energético del terminal móvil, estaciones bases y el núcleo de la red. Por último se puede añadir que la infraestructura del sistema LTE está diseñada para ser montada y operada de forma simple a través de una tecnología flexible y con una gran.

(35) CAPÍTULO 1: Generalidades y evolución de los sistemas de comunicaciones móviles 21 variedad de bandas de frecuencias logrando como objetivo final, brindarle al usuario una mejor experiencia con el uso de este sistema en el acceso a sus servicios o realización de funciones desde su terminal móvil. 1.3.3 Arquitectura del sistema LTE El termino LTE se tomó inicialmente en 3GPP para denominar una línea de trabajo, cuyo objeto de estudio era la evolución de la red de acceso de UMTS, denominada como UTRAN. Formalmente, la nueva red de acceso recibe el nombre de E-UTRAN, aunque también se utiliza el término LTE en las especificaciones como sinónimo de E-UTRAN. Asimismo, en lo concerniente a la red troncal, 3GPP utilizó el término SAE (System Architecture Evolution) para referirse a la especificación de una red troncal evolucionada de conmutación de paquetes. Dicha red troncal se denomina EPC (Evolved Packet Core) o también Evolved 3GPP Packet Switched Domain, y de la misma forma que pasa con la red de acceso, es común encontrar el término de SAE como sinónimo de EPC. La combinación de la red de acceso E-UTRAN y la red troncal EPC es lo que constituye la nueva red UMTS evolucionada y recibe el nombre formal de EPS (Evolved Packet System). La especificación 3GPP en su Reporte 8 muestra los elementos y requerimientos de la arquitectura EPS que servirá como una base para las redes de próxima generación. En la figura 2 se muestra la arquitectura general de la nueva red UMTS evolucionada (AGUSTI et al., 2010).. Figura 2: Arquitectura del sistema LTE (AGUSTI et al., 2010)..

(36) CAPÍTULO 1: Generalidades y evolución de los sistemas de comunicaciones móviles 22 El EPC resulta ser una versión mejorada del sistema GPRS, donde múltiples servicios provee la red de acceso E-UTRAN y la red troncal EPC, como la transferencia de paquetes IP entre UE y redes de paquetes externas (ejemplo Internet), además de servicios portadores EPS (EPS Bearer Service). Esta transferencia de paquetes IP se configura según las necesidades de los servicios finales utilizados. La señalización se produce a través de plataformas de servicios externas (IMS) e independiente a la red troncal EPC. El servicio de transferencia de paquetes que proporciona la red de acceso E-UTRAN se denomina también: E-UTRAN Radio Access Bearer (ERAB) (POIKSELKÄ et al., 2012). El sistema LTE contempla también el acceso a sus servicios mediante redes UTRAN y GERAN, al igual que otras redes de acceso no pertenecientes a la familia 3GPP (CDMA2000, Mobile WiMAX, redes 802.11, etc.). Para implementar las funciones establecidas por el estándar 3GPP también se tienen en cuenta elementos propios de la red IP como son los routers; servidores DHCP (Dynamic Host Configuration Protocol) que configuran de forma automática las direcciones IP de los equipos de la red LTE y servidores DNS (Domain Name Server). La arquitectura del sistema LTE posee tres interfaces E-UTRAN (Radio, S1 y X2) con protocolos que se usan en el envío de tráfico (paquetes IP) correspondiente a los servicios accedidos por los terminales a través de la red y el sustento de las funciones y procedimientos en las diferentes interfaces (AGUSTI et al., 2010). 1.3.3.1 E-UTRAN: Red de Acceso Radio Terrestre Universal Evolucionada Uno de los componentes de suma importancia en la arquitectura del sistema LTE es la EUTRAN (figura 3), la cual posee interfaces utilizadas para la conexión de los diferentes componentes que la conforman, entre ellas se encuentran: la interfaz (S1) entre la EUTRAN y el EPC, la interfaz radio (E-UTRAN Uu) entre los UE y E-UTRAN, y la interfaz (SGi) del EPC entre plataformas como IMS (IP Multimedia Subsystem) y la conexión a redes de paquetes externas IP..

(37) CAPÍTULO 1: Generalidades y evolución de los sistemas de comunicaciones móviles 23. Figura 3: Red de acceso E-UTRAN (AGUSTI et al., 2010).. Entidades de red e interfaces E-UTRAN 1.3.3.1.1 Evolved NodeB (eNB) El núcleo de red en la arquitectura E-UTRAN es el nodo B mejorado o evolucionado (eNodeB o eNB) que proporciona la interfaz aérea con los protocolos del plano de usuario y el plano de control con terminación hacia el UE. Cada uno de los eNBs es un componente lógico que proporciona una o varias celdas E-UTRAN. La interfaz que interconecta el eNBs es conocida como interfaz X2. Adicionalmente, las eNBs (HeNBs, conocidos como femtoceldas, eNBs de bajo costo para la mejora de coberturas internas), puede conectarse al EPC directamente o a través de una entrada que provee soporte adicional para un largo número de HeNBs1 (AKYILDIZ et al., 2010). El eNB es una radio base ubicada adyacente a las antenas de radio, enlazando al equipo de usuario con el EPC. Las funciones del eNB son seleccionar la entidad MME, enrutar datos hacia la S-GW, la comprensión de cabecera, cifrado y entrega de paquetes. En el plano de control posee funciones como la admisión, control y gestión de recursos de radio. El eNB posee protocolos y capas de distribución, como la capa 1 y la capa 2, compuesta por las subcapas MAC, RLC (Radio Link Control), PDCP (Packet Data Convergence Protocol), RRC (Radio Resource Control) (ATI, 2011)..

(38) CAPÍTULO 1: Generalidades y evolución de los sistemas de comunicaciones móviles 24 1.3.3.1.2 Interfaz radio La interfaz radio está compuesta por el conjunto de eNBs y permite la interconexión de equipos de usuario y la red. Unido a ello, la información cifrada en esta interfaz proporciona seguridad (si otro UE decodifica la información no la observará de forma clara) e integridad (la información entre el eNB y el UE no podrá ser alterada). El cifrado es aplicado tanto al tráfico de usuario como a los mensajes de señalización RRC utilizados en la conexión de control dedicada. Los protocolos que utiliza esta interfaz se muestran en la figura 4 (POIKSELKÄ et al., 2012).. Figura 4: Protocolos de la interfaz radio E-UTRAN (AGUSTI et al., 2010).. 1.3.3.1.3 Interfaz eNB↔EPC (S1) Se pueden mencionar varios procedimientos en la interfaz S1, entre ellos se encuentra el establecimiento, modificación y liberación de recursos de los servicios portadores. También se encuentra el handover entre eNBs, el de aviso (Paging) y los mensajes de señalización de control que fluyen entre el MME y el equipo de usuario. Esta interfaz se compone de la interfaz S1-U (S1 User Plane), la cual permite el servicio de transferencia de datos o servicio portador S1 (S1 bearer) entre el eNB y la S-GW sin garantías de entrega; utiliza el protocolo IP (UDP) y no tolera ni mecanismos de control de errores, ni de flujos. Por otra parte está la interfaz S1-C (S1 Control Plane) la cual soporta un conjunto de funciones y medios de control entre los eNB y la MME de la red troncal. En la figura 5 se muestran sus protocolos (AGUSTI et al., 2010)..

(39) CAPÍTULO 1: Generalidades y evolución de los sistemas de comunicaciones móviles 25. Figura 5: Protocolos de la interfaz S1 de la E-UTRAN (AGUSTI et al., 2010).. 1.3.3.1.4 Interfaz eNB↔eNB (X2) Específicamente el plano de usuario (UP) de la interfaz X2 permite transferir datos de usuario entre eNBs aunque no posee garantías de entrega, ni mecanismos de control de errores y de flujos, transmisión que se lleva a cabo mediante el procedimiento de handover. Por otro lado está el plano de control (CP) que describe las funciones y procedimientos en la interfaz X2, entre ellas, la transferencia del argumento de un usuario del eNB antiguo al nuevo y el control del mecanismo de transferencia de paquetes IP en el plano de usuario de X2. Igualmente el estado de carga del eNB depende de que pueda transferirse información a través de la interfaz X2, donde los eNBs que tengan celdas vecinas logren funciones de gestión de recursos radio (AGUSTI et al., 2010). Entre los principales protocolos (figura 6) utilizados por las interfaces S1 y X2 respectivamente se encuentran el protocolo de encapsulado GTP-U (GPRS Tunneling Protocol–User Plane) utilizado para el envío de paquetes IP de usuario tanto en el plano de usuario de la interfaz S1 (S1-U) como en el de la interfaz X2, también está el protocolo S1AP (S1 - Application Part) referente al plano de control de la interfaz S1 (S1-MME o S1-C) el cual sostiene los procedimientos que ocurren en la interfaz S1..

(40) CAPÍTULO 1: Generalidades y evolución de los sistemas de comunicaciones móviles 26. Figura 6: Protocolos de la interfaz X2 de la E-UTRAN (AGUSTI et al., 2010).. 1.3.3.2 EPC: Red Troncal de Paquetes Evolucionada El diseño de la red troncal EPC proporciona un servicio de conectividad IP resultado de la evolución del servicio GPRS permitiendo explotar nuevas capacidades ofrecidas por la EUTRAN. Existe la posibilidad de acceder a servicios utilizando otras redes de acceso como UTRAN y GERAN, así como fuera del ámbito del 3GPP (CDMA 2000, WiMAX, 802.11). El núcleo del sistema EPC se conforma de tres entidades de red MME (Mobility Management Entity), S-GW (Serving Gateway) y la P- GW (Packet Data Network Gateway), que unidas al HSS (Home Subscriber Server) constituyen elementos para la provisión del servicio de conectividad IP entre los equipos de usuarios conectados mediante la E- UTRAN y redes externas que se conectan al EPC. Mientras que las interfaces que conforman el EPC son (SGi, S5/S8, S11, S10 y S6a) (Ver anexo 9). La figura 7 muestra la arquitectura de la red troncal EPC con sus entidades e interfaces (KHAN, 2011)..