4.1 Convergencia de Redes
4.1.2 Acceso inalámbrico de siguiente generación
El panorama de acceso inalámbrico actual en el Perú está relativamente fragmentado e incluye una serie de tecnologías diferentes:
GSM/UMTS (3GPP) – Telefónica (a través de la empresa filial Telefónica Móviles), América Móvil Perú (América Móvil), Nextel (planificado)
CDMA 2000 (3 GPP2) – Telefónica Móviles
WiMAX IEEE 802.16x) - Telefónica Móviles, Telmex, Nextel, Americatel Perú, Emax TDMA de banda estrecha - Telefónica Móviles
I-DEN – Nextel del Perú
En esta sección, enfocaremos nuestro comentario en arquitecturas inalámbricas primarias de siguiente generación que tienen implicaciones de convergencia, concretamente 3GPP, 3GPP2 y WiMAX. La Figura 4.4 destaca la evolución de estas normas.
Figura 4.11: Evolución de los principales normas inalámbricas [Fuente: Analysys Mason]
Sistema Global para Móviles (GSM) y su familia asociada de normas, son las normas más populares para acceso de telefonía móvil en el mundo. De acuerdo a la asociación GSM, a fines del 2008, había alrededor de 3.5 mil millones de abonados móviles en más de 200 países con una cuota de mercado global de 89.5%8. El desarrollo de estos normas es respaldado por el Proyecto de Asociación de Tercera Generación (3GPP), el cual surge de la colaboración de diferentes grupos de asociaciones de las telecomunicaciones9 alrededor del mundo
8 Asociación GSM.
9 Los grupos son el European Telecommunications Standards Institute, Association of Radio Industries and Businesses/Telecommunication Technology Committee (ARIB/TTC) (Japón), China Communications Standards Association, Alliance for Telecommunications Industry Solutions (América del Norte), y Telecommunications Technology Association (Núcleoa del Sur).
Acceso Múltiple por División de Código 2000 (CDMA2000) y su familia de normas originadas en la Norma Provisional 95 (IS-95), la cual fue desarrollada por Qualcomm. El CDMA2000 fue el primer sistema celular digital CDMA, y por consiguiente, es un sistema móvil de segunda generación (2G). Apoyando a su desarrollo, se encuentra el 3GPP2, el cual surgió de la colaboración de ARIB/TTC (Japón), China Communications Standards Association, Telecommunications Industry Association (América del Norte) y Telecommunications Technology Association (Corea del Sur).
Interoperabilidad mundial para acceso de microondas (WiMAX) es una norma de banda ancha inalámbrica basada en la familia de normas IEEE 802.16. Las primeras iteraciones de la norma se enfocaron en las aplicaciones de línea de vista (LOS) utilizando las bandas de frecuencia de microondas (por ej. sobre los 10GHz) para accesos inalámbricos fijos. Últimamente, se han enfocado esfuerzos en especificar las enmiendas de las normas para soportar las aplicaciones no-LOS en bandas de menor frecuencia (usualmente entre 2GHz y 6GHz), proporcionando un espectro más apropiado para aplicaciones del consumidor tales como el Acceso a Internet.
Discutiremos estas normas detalladamente en las secciones siguientes. Note que las discusiones sobre estas redes de accesos implicarán referencias sobre el equipo de núcleo en tales redes, como los desarrollos en el núcleo que permiten la convergencia y evolución de las redes de acceso. Sin embargo, el análisis principal de las actualizaciones de siguiente generación en la red núcleo de operadores de acceso inalámbrico o alámbrico convergente se realiza en la sección 4.1.5.
Estándares que facilitan el desarrollo de redes de acceso inalámbricos de siguiente generación
► 3GPP
Aunque el GSM se diseñó inicialmente para brindar servicios de voz, evolucionó para adaptar datos con la introducción de GPRS (2.5G). La adición de tasas de datos mejoradas para la evolución GSM (EDGE) (2.75G) sobre la interfaz de aire cuadruplicó lo tasa de datos inicialmente ofrecidos por GPRS.
En 1999, la especificación de la norma para el sistema de tercera generación (3G) basado en una interfaz de aire CDMA de banda ancha (W-CDMA) fue liberada. Este sistema 3G también se refiere, por lo general, al Sistema Universal de Telecomunicaciones Móviles (UMTS).
Hoy en día, la mayor parte de las redes UMTS implementan el acceso de paquete a alta velocidad (HSPA) cuyas especificaciones fueron las publicaciones 5 y 6 de la norma 3GPP. HSPA fue diseñado para que los operadores puedan brindar servicios de banda ancha inalámbrica, actuales implementaciones ofrecen una tasa máxima de 14.4Mbit/s por sector en el enlace descendente (HSDPA) y 1.4Mbit/s por sector en el enlace ascendente (HSUPA). La tecnología HSPA se refiere, por lo general, a una tecnología de 3.5G. La GSMA estimó que había 83 millones de abonados HSPA en el mundo al tercer trimestre del 2008. Ya que se ratificó en el 2009, la Publicación 8 de la norma 3GPP especificará la norma 3GPP de cuarta generación conocida como Evolución a Largo Plazo (LTE, por sus siglas en inglés).
La Figura 4.6 ilustra una arquitectura 3GPP típica.
La norma 3GPP divide las redes GSM/UMTS en dos partes:
Red de Acceso Red Núcleo
Una red de acceso GSM se refiere, por lo general, a la red de acceso de radio GSM EDGE (GERAN). La GERAN está compuesta por Transceptores de Estaciones Base (BTSs) y Controladores de Estaciones Base (BSCs). Una BTS brinda la interfaz para comunicación de radio entre el usuario final y la red. Por lo general, un emplazamiento BTS se instalaría en una torre de acero o techo. El BSC es responsable de controlar y asignar recursos de radio en la red, y brinda funcionalidad de movilidad para permitir que los usuarios vayan de celda en celda de BTS a BTS, asegurando la continuidad de la comunicación. La red de acceso UMTS (3G) se refiere, por lo general, como la red de acceso de radio UMTS (UTRAN). En una UTRAN, el Nodo B es equivalente a una BTS, y un Controlador de red radio (RNC) es equivalente a un BSC.
En las redes GSM/UMTS, es importante diferenciar la red de conmutación de circuitos (CS) y la red de conmutación de paquetes. El dominio CS soporta todas las llamadas de voz tradicionales así como también servicios de conferencia de videos, mientras que el dominio PS soporta todos los servicios de datos. En el dominio CS, el Centro de Conmutación Móvil (MSC) es responsable de establecer y desactivar conexiones de voz así como también flujos de voz conmutada para conectar a los iniciadores y a los receptores de llamadas. El Registro de Localización del Visitante (VLR) contiene el perfil del abonado en la red de visitantes. Finalmente, un elemento de red clave en el
BSS –Sistema de Estaciones Base BTS –Estación Base
BSC –Controlador de Estaciones Base
UTRAN –Red de Acceso de Radio UMTS RNC -Controlador de la Red Radio
CN-CS –Red Núcleo de Conmutación de circuitos MSC –Centro de Conmutación Móvil
VLR –Registro de Localización del Visitante HLR –Registro de Localización del Abonado AuC –Centro de Autenticación
GMSC -Gateway MSC
CN-PS -Conmutación de circuitos -Conmutación de paquetes SGSN -Nodo de soporte del Servicio GPRS
GGSN -Nodo de soporte de Gateway GPRS
Red Núcleo - Conmutación de Circuitos
Red Núcleo – Conmutación por paquetes
Figura 4.12: Arquitectura 3GPP (R99) [Fuente: Analysys
dominio CS es el gateway MSC (GMSC), el cual brinda conectividad a la red externa CS así como a la PSTN.
En el dominio PS, existen solo dos tipos de elementos de red: el Nodo de soporte del servicio GPRS (SGSN) y el Nodo de soporte de gateway GPRS (GGSN). El SGSN realiza una función similar a los de VLR y MSC combinados en el dominio PS, mientras el GGSN brinda acceso a servicios y a la red de datos con conmutación de paquetes (PSDN).
El Registro de Localización de Abonado (HLR) no pertenece a los dominios de CS ni PS y es utilizado por ambos dominios para obtener información del perfil del usuario. La información permanente del abonado almacenada en el HLR incluye identidad permanente del usuario, así como también, los servicios a los que pueden acceder aquellos usuarios. La información del usuario contenida en el HLR es comunicada al VLR en el dominio CS y al SGSN en el dominio PS. Finalmente, parte del HLR es usualmente el Centro de Autenticación (AuC), el cual almacena la información de autenticación así como cualquier otra información relacionada a la seguridad.
Hoy en día, la mayor parte de operadores implementan una red núcleo 3GPP R4, la cual permite a las redes de acceso GERAN y la UTRAN estar conectadas a una red núcleo única, ya que los proveedores ahora implementan gateways de medios integrados, servidores MSC, SGSN y GGSN, los cuales pueden ser usados para conectar la UTRAN y la GERAN. Una opción para conectar estos elementos de red es usar una red núcleo de Conmutación de Etiquetas Multiprotocolo (MPLS), tratado posteriormente en esta sección.
En este contexto, las normas 3GPP R4 posibilitan la convergencia de redes de acceso 2G y 3G al usar una red núcleo única. La convergencia de la red núcleo tiene un impacto crucial en el operador ya que este elimina la necesidad de mantener dos redes separadas. Además, ya que el núcleo de una red 3GPP se puede basar ahora en una red IP/MPLS, los operadores con una infraestructura de acceso alámbrico también pueden aprovechar su equipo central de NGN para suministrar también a redes núcleo de acceso inalámbrico. Esto es ilustrado en la figura 4.13, mientras que las redes núcleo de siguiente generación son descritas con más detalle en la sección 4.1.5.
GERAN – Red de acceso por radio GSM/EDGE BTS – Estación Base
BSC – Controlador de Estaciones Base
UTRAN – Red de Acceso de Radio UMTS RNC - Controlador de la Red Radio Nodo B - Estación Base UMTS
CN – Red Núcleo
MSC – Centro de Conmutación Móvil AuC – Centro de Autenticación VLR – Registro de Localización del Visitante GMSC - Gateway MSC
HLR – Registro de Localización del Abonado SGSN - Nodo de soporte del Servicio GPRS GGSN - Nodo de soporte de Gateway GPRS
Figura 4.13: Arquitectura de referencia 3GPP R4 [Fuente: Analysys Mason]
Nodo B
Existen dos desarrollos principales en la red de acceso que impactarán en cada operador que opera una red 3GPP tanto creando flujos de ingresos adicionales como reduciendo opex y capex. Los cuales detallamos a continuación:
Desarrollo de las normas HSPA para ofrecer servicios de banda ancha inalámbrica (3GPP R5 y R6) La llegada del Acceso de Paquete a Alta Velocidad (HSPA) en R5 y R6 permite a los MNOs ofrecer banda ancha inalámbrica a sus clientes. El HSDPA se refiere al enlace de conexión descendente, mientras el HSUPA se refiere al enlace de conexión ascendente. La Figura 4.14 ilustra el índice de velocidad máxima por sector:
Tecnología de banda ancha
inalámbrica
Índice de velocidad máxima descendente
Índice de velocidad máxima ascendente
Ancho de canal
Frecuencia y dúplex
Disponibilidad comercial
3GPP
(GSM/UMTS)
W-CDMA (R99) 384kbit/s 128 kbit/s 5MHz FDD Disponible
HSDPA (cat 10) 14.4Mbit/s N/A 5MHz FDD Disponible
HSUPA (cat 6) N/A 1.4Mbit/s 5MHz FDD Disponible
LTE >399Mbit/s >80Mbit/s 20MHz FDD No
estandarizado Figura 4.14: Evolución de banda ancha inalámbrica 3GPP [Fuente: Analysys Mason]
Actualmente, la velocidad más alta del HSDPA comercialmente implementado es la categoría 10, ofreciendo una tasa pico teórica de 14.4Mbit/s por sector sobre una portadora de 5MHz usando Duplexación por División de Frecuencia (FDD) (más adelante discutiremos acerca del FDD con más detalle en lo referido al uso compartido del espectro). En la práctica, la tasa pico promedio por sector suministrado con la categoría 10 de HSDPA es alrededor de 5Mbit/s, compartidos entre todos los usuarios en ese sector. Similarmente, el índice pico teórico más alto para los sistemas HSUPA implementados, es de 1.4Mbit/s. En la práctica, el índice pico promedio alcanzado por la categoría 6 HSUPA es alrededor de 500-700Kbit/s por sector, compartido por todos los usuarios en ese sector.
Debemos resaltar que aquellas redes 3GPP R4 pueden ser actualizadas al HSPA solo mediante software. Los elementos de canal adicional (un elemento de canal corresponde al poder de procesamiento requerido para realizar una llamada de voz) se pueden requerir pero no son obligatorios, ya que existe por lo general capacidad de reserva en cada Nodo B. La licencia asociada con la activación HSPA desde los proveedores de equipos se encuentra usualmente en el rango de 1000 a 3000 dólares americanos por emplazamiento. El precio de la actualización por abonado del 3G básico es modesto – en el rango de 0.5 a 1.5 dólares americanos – el cual explica de forma parcial el éxito del HSPA como una tecnología de banda ancha inalámbrica. A continuación, en la figura 4.15, se ilustra un indicativo de la hoja de rutas de los servicios HSPA.
Figura 4.15: Hoja de ruta HSPA [Fuente: Analysys Mason]
Se debería notar que para alcanzar la tasa pico de HSPA de 28Mbit/s o superiores, se requerirá la tecnología de múltiple entrada múltiple salida (MIMO). La tecnología MIMO utiliza múltiples antenas para el transmisor y el receptor con la finalidad de mejorar el rendimiento de la comunicación. Esto tiene implicaciones significantes ya que las BTS o teléfonos inalámbricos actuales no soportan esta característica y necesitarían ser actualizados o reemplazados (en el caso de los equipos de mano).
Desarrollo de una interfaz nativa IP para Nodo Bs (3GPP R5)
El otro desarrollo principal en la red de acceso es la especificación de una interfaz nativa IP para Nodo Bs (Publicación 5 de 3GPP). La disponibilidad de una interfaz IP para Nodo Bs tiene un impacto dramático en los operadores, especialmente si ellos ofrecen servicios de banda ancha inalámbrica.
Hasta este desarrollo, los operadores tenían que llevar el tráfico usando su infraestructura TDM, cuyo costo está relacionado a la banda ancha requerida. Sin embargo, ya que los requisitos de tráfico se incrementan, los operadores no consiguen ingresos adicionales proporcionales.
Existe entonces un requisito para de-correlacionar el incremento de la banda ancha del costo. La tecnología IP se encuentra mucho mejor posicionada que su contraparte TDM para alcanzar esto, porque a diferencia del uso de la TDM, el costo del backhaul no se incrementa de forma lineal con la banda ancha (así como el TDM ya que, por lo general, su uso está asociado con un múltiple número de circuitos parciales privados).
La Figura 4.16 ilustra el costo de una línea arrendada TDM (PPC) y una línea arrendada Ethernet (Servicio de extensión al por mayor usado con IP (WES)) para los diferentes anchos de banda en el Reino Unido:
Figura 4.16: PPC vs. Costos de línea arrendada WES en el RU Fuente: OFCOM Business Connectivity Market Review
Como se muestra más adelante, la especificación de una interfaz nativa IP permitirá a los operadores desacoplar el aumento del ancho de banda a partir del costo, lo cual es esencial para mantener su margen. Sin embargo, hay que notar que esto sólo se aplica para los Nodos
Bs UTRAN (acceso 3G) ya que aún no se ha definido un interfaz IP equivalente para GSM10. Esto implica que el tráfico TDM generado por la red de acceso 2G no tendrá que ser transportado sobre tecnologías que usen IP tales como emulación de borde a borde (PWE3).
Finalmente, la adopción del IP en el backhaul de la red es consistente con el objetivo de la evolución de todo a IP que toda red inalámbrica posee a partir de las diferentes posiciones de sistemas heredados.
► 3GPP2
Actualmente, existe cerca de 460 millones de abonados de redes basadas en las normas 3GPP2 en todo el mundo, distribuidas en 102 países (principalmente en Asia Pacífico, América y África).
El CDMA2000 1xRTT casi duplica la capacidad del IS-95, proporcionando velocidades pico de 144 kbit/s por portadora (en 2x 1.25 MHz de ancho de banda). En 1999, se mostró la especificación de interfaz de aire con paquetes de datos de alta velocidad CDMA 2000 para especificar lo que comúnmente se conoce como Revisión 0, CDMA EV-DO, donde “EV-DO”
significa “evolución optimizada para datos”. Como su nombre lo indica, el EV DO sólo está optimizado para datos y es apropiado para ofrecer servicios de banda ancha inalámbrica.
Siguiendo con la Revisión 0, la Revisión A y Revisión B de CDMA EV-DO también han estado disponibles para mejorar aún más las tasas por portadora. Se espera que las implementaciones típicas de Revisión B de EV-DO incluyan tres portadoras para una velocidad pico de 14.7 Mbit/s.
En el tercer trimestre de 2008, se estimó que había alrededor de 100 millones de abonados de CDMA2000 EV-DO (Revisión A y Revisión B) en todo el mundo11.
Finalmente, la versión 4G de la norma 3GPP2 es conocida como banda ancha ultramóvil (UMB) y tuvo como objetivo proporcionar altas velocidades de descarga teórica de hasta 280 Mbit/s.
Sin embargo, en noviembre de 2008, Qualcomm, el patrocinador responsable de UMB, anunció que se culminaba el desarrollo de la tecnología, favoreciendo más bien al LTE12. Por lo tanto, no creemos que la tecnología CDMA2000 tenga una ruta de evolución a 4G.
La Figura 4.17 ilustra una arquitectura típica de 3GPP2.
10 La versión 8 de la norma 3GPP especificará la interfaz VoIP. Esta iniciativa es conducida por Huawei que tiene una solución de norma previa.
11 Grupo de Desarrollo CDMA.
12 Qualcomm suspende el proyecto UMB, observa insignificantes salidas de empleo, Reuters, Noviembre 2008.
Figura 4.17: Arquitectura simplificada CDMA2000 1XRTT [Fuente: Analysys Mason]
En la red de acceso la norma 3GPP2 utiliza la misma arquitectura que la norma 3GPP por ej.:
BTS y BSC. Sírvase referirse a la sección anterior para la respectiva descripción de estos elementos de red.
En 3GPP2, la red núcleo también se divide entre el dominio CS (para servicios de voz) y el dominio PS (para servicios de datos). La norma 3GPP2 utiliza nuevamente una arquitectura similar a la del 3GPP para implementar el dominio CS. Sírvase a pasar a la sección anterior para la respectiva descripción de estos elementos.
Sin embargo, en el dominio PS existe una diferencia marcada. Primero, el nodo del servidor de datos en paquete (PDSN) se divide en agente interno/PDSN y agente externo/PDSN, que ampliamente corresponde al GGSN y SGSN respectivamente en una arquitectura 3GPP. Otra diferencia principal es el nodo de red de autentificación, autorización y auditoria (AAA), que es utilizado para la autentificación de servicio de datos.
El desarrollo más importante en la norma 3GPP2 fue la especificación de la arquitectura y los servicios de CDMA 2000 EV-DO. Esto proporcionó la tecnología para que los operadores implementen servicios de banda ancha inalámbrica sobre la arquitectura CDMA. La Figura 4.18 ilustra las diferentes revisiones de EV-DO con sus velocidades asociadas.
Tecnología de banda ancha
de red
inalámbrica
Alta velocidad de descarga
Alta velocidad de carga
Ancho de canal
Dúplex por Frecuencia
Disponibilidad comercial
3GPP2 (CDMA2000)
CDMA 2000 1x 144 kbit/s 144 kbit/s 1.25 MHz FDD Disponible
EV-DO (Rev 0) 2.4 Mbit/s 153 kbit/s 1.25 MHz FDD Disponible EV-DO (Rev A) 3.1 MBit/s 1.8 Mbit/s 1.25 MHz FDD Disponible EV-DO (Rev B) 4.9 Mbit/s 1.8 Mbit/s 1.25 MHz FDD No
implementado
Figura 4.18: Evolución de banda ancha inalámbrica 3GPP2 [Fuente: Analysys Mason]
Revisión 0, 1xEV-DO - ofrece altas velocidades de datos de hasta 2.4 Mbit/s en el enlace descendente y 153.6 kbit/s en el enlace ascendente. Primero, debe notarse que CDMA2000 EV-DO no es compatible con los sistemas anteriores del sistema 2G CDMA 1xRTT ya que necesita una portadora separada. En función a la arquitectura, en 1xEV-DO, el BSC se comunica directamente con el PDSN sin necesidad de un backhaul de arquitectura TDM.
Revisión A, EV-DO - realiza una serie de mejoras para la revisión 0, mientras lo mantienen compatibles con sistemas anteriores. Estas mejoras aumentan la velocidad del enlace descendente y ascendente a 3.1 Mbit/s y 1.8 Mbit/s, respectivamente. Las mejoras también permiten un menor retardo en las comunicaciones de baja tasa de transferencia. Tales como VoIP. En Estados Unidos, Verizon Wireless y Sprint Nextel han migrado el 100% de sus redes EV-DO de Revisión 0, a EV-DO Revisión A.
Revisión B, EV-DO - proporciona altas velocidades por portadora de 1.25 MHz (hasta 4.9 Mbit/s en un enlace descendente por portadora) y es una evolución multi portadora de la Revisión A. Se espera que las implementaciones típicas incluyan tres portadores para una tasa pico de 14.7 Mbit/s. Esto es comparable con la categoría 10 de HSPA que proporciona un pico de 14.4 Mbit/s sobre una portadora de 5MHz.
Como se mencionó anteriormente, es poco probable que la cuarta generación de la familia 3GPP2 (UMB) sea implementada en cualquier lugar, ya que su patrocinador principal Qualcomm ha dejado de desarrollar UMB a favor de los sistemas de cuarta generación de 3GPP (LTE).
Como tal, no consideramos ninguna implicación a largo plazo en relación a esta tecnología.
► IEEE 802.16
Según Maravedis13, había 27 millones de abonados WiMAX en el tercer trimestre de 2008; cifra relativamente modesta si se compara con sus contrapartes de tecnología GSM y CDMA.
Actualmente, hay dos versiones de tecnología WiMAX, fija y móvil con normas separadas 802,16d y 802,16e respectivamente. La versión inicial de la norma 802.16d fue publicada en
13 Las implementaciones WiMAX afectada por el cambio económico desfavorable como tarifas de suscripción y los ingresos de servicios pierden ritmo, Maravedis, Febrero, 23-02-09.