tesis: requerimientos de parámetros para transporte de redes lte
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REQUERIMIENTOS DE PARÁMETROS PARA
TRANSPORTE DE REDES LTE.
GERSON RAMÓN CHAVARRÍA VERA
.
UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE
FACULTAD TECNOLOGICA
DEPARTAMENTO DE TECNOLOGIAS INDUSTRIALES
Profesor Guía: Ariel Contreras
Ingeniero Civil Electrónico
Memoria para obtener el Título
Profesional de Tecnólogo en
Telecomunicaciones con Grado
Académico de Bachiller en
Tecnologías.
Santiago - Chile
2011
II
Derechos de Autor
Se autoriza la reproducción parcial o total de esta obra, con fines
académicos, por cualquier forma, medio o procedimiento, siempre y cuando
se incluya la cita bibliográfica del documento.
© Gerson Chavarría Vera.
III
Hoja de Calificación
IV
Agradecimientos
Quiero agradecer, cada una de las personas que me apoyaron y me
motivaron a la realización de esta tesis, a familia, en especial a mi hermano
Francisco, por su apoyo y motivación. Además a mis amigos de la
universidad y del colegio.
A cada uno de los profesores de la carrera, que con paciencia me
entregaron las herramientas más importantes para mi futuro, como también
sus experiencias en el mundo laboral.
Un agradecimiento en especial, a la gente del departamento de Ingeniería
Eléctrica de la Universidad de Chile, por la invitación al seminario de LTE.
V
Tabla de contenidos
Derechos de Autor ......................................................................................... II
Hoja de Calificación ...................................................................................... III
Agradecimientos ........................................................................................... IV
Tabla de contenidos ....................................................................................... V
Índice de tabla............................................................................................... XI
Índice de ilustración ..................................................................................... XII
Índice de esquemas .................................................................................... XIV
Índice de gráficos ......................................................................................... XV
Resumen .................................................................................................... XVI
Introducción ............................................................................................... XVII
Introducción general ............................................................................... XVII
Objetivo General .................................................................................... XVIII
Objetivos Específicos ............................................................................ XVIII
Problema existente ................................................................................ XVIII
Metodología ............................................................................................. XIX
Capítulo I: Marco teórico ................................................................................ 1
1. Marco Teórico: Sistema de telefonía celular ........................................ 1
1.1 Concepto de teléfono celular ............................................................ 2
1.2 Arquitectura general de una red telefónica móvil .............................. 2
1.2.1 Funcionamiento del esquema de telefonía móvil ....................... 3
1.3 Concepto de celda ............................................................................ 3
1.3.1 Geometría de la celda ................................................................ 4
1.3.2 Tipos de celda ............................................................................ 6
1.3.3 Radio (longitud) de la Celda ....................................................... 7
1.3.4 División de celdas ...................................................................... 8
1.4 Administración de frecuencias .......................................................... 9
1.4.1 Re-uso de frecuencia ................................................................. 9
1.4.2 Distancia de re-uso de frecuencia .............................................. 9
VI
1.5 Asignación de canales .................................................................... 10
1.6 Conceptos de movilidad.................................................................. 10
1.6.1 Localización ............................................................................. 10
1.6.2 Handover en la red ................................................................... 11
1.6.2.1 Tipos de handover ................................................................ 12
1.6.2.1.1 Desde el punto de vista de usuario .................................... 12
1.6.2.1.2 Desde el punto de vista de red .......................................... 13
Capitulo II: Estandarización de las redes móviles ........................................ 15
2. Organismo ......................................................................................... 15
2.1 3GPP ........................................................................................... 15
2.1.1 Forma de operar de 3GPP ....................................................... 17
2.1.2 Revisiones realizadas por 3GPP .............................................. 18
Capítulo III: Contexto evolutivo de 3G a 4G ................................................. 21
3. Motivos del origen de la evolución ..................................................... 21
3.1 Los ejes evolutivos ......................................................................... 23
3.1.1 Necesidades de los clientes ..................................................... 23
3.1.1 Necesidades de los operadores ............................................... 24
3.2 Revisión de tecnologías .................................................................. 26
3.2.1 UMTS/WCDMA ........................................................................ 26
3.2.1.1 Funcionamiento de WCDMA ................................................. 27
3.2.1.2 Arquitectura de la red WCDMA ............................................. 28
3.2.2 HSDPA ........................................................................................ 28
3.2.2.1 Características principales de HSDPA .................................. 29
3.2.2.2 Arquitectura de HSDPA ........................................................ 29
3.2.3 HSPA+ ......................................................................................... 29
Capítulo IV: Long Term Evolution (LTE) ...................................................... 31
4. Contexto de LTE ................................................................................ 31
4.1 Arquitectura general de LTE ........................................................... 32
4.1.1 Arquitectura E-UTRAN y EPC .................................................. 35
4.1.1.1 Arquitectura de la red de acceso E-UTRAN .......................... 35
4.1.1.1.1 Interfaz de radio ................................................................. 36
VII
4.1.1.1.2 Interfaz S1 ......................................................................... 37
4.1.1.1.3 Interfaz X2 ......................................................................... 40
4.1.2 Arquitectura de la red troncal EPC ........................................... 41
4.2 Protocolos en la red LTE ................................................................ 42
4.2.1 Stacks del protocolo en el plano de usuario de LTE ................ 42
4.2.2 Stacks del protocolo en el plano de control de LTE ................. 44
4.3 Movilidad en LTE ............................................................................ 48
4.3.1 Gestión de handover ................................................................ 50
4.3.1.1 Ejecución de handover.......................................................... 51
4.3.1.2 Handover intra-LTE ............................................................... 52
4.3.1.3 Handover con soporte de la interfaz X2 ................................ 52
4.3.1.4 Handover sin soporte de la interfaz X2 ................................. 53
Capítulo V: Red de transporte ..................................................................... 55
5. Topología de un backhaul LTE .......................................................... 57
5.1 Soluciones tecnológicas en la red de transporte. ........................ 57
5.1.1 Tecnologías en el Backhaul de LTE ......................................... 58
5.1.1.1 Ethernet ................................................................................ 58
5.1.1.2 IP/MPLS ................................................................................ 59
5.2 Escenarios del backhaul en LTE .................................................... 61
5.2.1 Escenario con Carrier Ethernet ................................................ 62
5.2.1.1 Aplicabilidad .......................................................................... 62
5.2.1.2 Stack de protocolos .............................................................. 63
5.2.2 Escenario 2 Acceso con MPLS más VPN en L2/L3 ................. 64
5.2.2.1 Aplicabilidad .......................................................................... 65
5.2.2.2 Stack de protocolos .............................................................. 65
Capítulo VI: Requerimientos técnicos de LTE y de la red de transporte
(backhaul) .................................................................................................... 67
6. Performance en LTE .......................................................................... 67
6.1 Performance en perspectiva del usuario y operador ...................... 69
6.1.1 Performance en perspectiva del usuario .................................. 69
6.1.2 Performance en perspectiva del operador ............................... 70
6.2 Calidad de servicio (QoS) ............................................................... 71
VIII
6.2.1 Mecanismos de QoS en LTE ................................................... 72
6.2.1.1 Control de QoS a nivel de portadora ..................................... 72
6.2.1.1.1 Parámetros de QoS ........................................................... 74
6.2.1.1.2 Iniciación de la red en base al QoS ................................... 75
6.2.1.2 Control de QoS en el nivel de servicio de flujo de datos. ...... 77
6.2.1.2.1 La política y la Regla de Control de Carga ........................ 79
6.2.1.3 Control de QoS en el plano de control y de usuario. ............. 79
6.3 Performance de LTE definido por 3GPP......................................... 80
6.3.1 Tasa de bit máximo en capa 1 ................................................. 82
6.3.2 Categorías de las UE ............................................................... 85
6.3.3 Performance a nivel de enlace ................................................. 86
6.3.3.1 Performance en el enlace descendente ................................ 86
6.3.3.2 Performance en el enlace ascendente .................................. 88
6.3.3.2.1 Impacto de ancho de banda de transmisión ...................... 88
6.3.3.2.2 Impacto del terminal móvil en movimiento ......................... 89
6.3.3.3 Administración del enlaces ................................................... 91
6.3.3.3.1 Parámetros propuestos en el UL y DL a baja frecuencia ... 92
6.3.3.3.2 Perdidas de trayectoria ...................................................... 94
6.3.3.3.3 Rango de la celda .............................................................. 95
6.3.4 Eficiencia espectral .................................................................. 95
6.3.5 Latencia .................................................................................... 96
6.3.5.1 Latencia en el plano usuario ................................................. 96
6.3.5.2 Latencia en el plano de control ............................................. 97
6.3.6 Capacidad en el plano de control ............................................. 99
6.3.7 Flexibilidad del espectro ........................................................... 99
6.3.7.1 Flexibilidad en la disposición dúplex ..................................... 99
6.3.7.1.1 Frequency Division Duplex .............................................. 100
6.3.7.1.2 Time Division Duplex ....................................................... 101
6.3.7.1.3 Ventajas y desventajas de la transmisión en FDD y TDD 102
6.3.7.2 Flexibilidad en la banda de frecuencia ................................ 104
6.3.7.3 Flexibilidad en el ancho de banda ....................................... 105
IX
6.3.8 Cobertura ............................................................................... 105
6.3.9 Complejidad ........................................................................... 107
6.3.10 Retardo en el handover....................................................... 107
6.3.11 Performance en la red Backhaul de LTE ............................ 108
6.3.11.1 Tipo de tráfico en función clase de servicio. ....................... 109
6.3.11.2 Recomendaciones del Throughput ..................................... 110
Capítulo VII: Simulaciones e implementaciones en LTE ............................ 115
7. Introducción ..................................................................................... 115
7.1 Simulación con LTE-Simulator ...................................................... 115
7.1.1 Parámetros de simulación ...................................................... 115
7.1.2 Resultados de la simulación ................................................... 116
7.1.2.1 Paquetes perdidos .............................................................. 116
7.1.2.2 Retardo ............................................................................... 117
7.1.2.3 Rendimiento ........................................................................ 118
7.1.2.4 Eficiencia en la celda .......................................................... 119
7.2 Prueba de campo del performance en FDD ................................. 120
7.2.1 Parámetros de la prueba de campo ....................................... 120
7.2.2 Resultados de la prueba de campo ........................................ 122
7.2.2.1 Rendimiento para un usuario en el DL ................................ 122
7.2.2.2 Rendimiento en el UL para un solo usuario ........................ 125
7.2.2.3 Rendimiento para múltiples UE ........................................... 125
7.2.2.4 Rendimiento del Handover en las bandas 2 GHz y 700 MHz ...
............................................................................................ 126
7.3 Medición de LTE en aplicaciones de Gaming ............................... 127
7.3.1 First Person Shooter (FPS) y Racing ..................................... 128
7.3.2 Estrategia en Tiempo Real (RTS) o Simulaciones ................. 128
7.3.3 Multijugador Masivo Online juegos de rol (MMORPG) ........... 128
7.3.4 Juegos en tiempo no real (NRTG).......................................... 128
7.4 Entorno de prueba LTE en la Universidad de Chile ...................... 130
7.4.1 Entorno de prueba y parámetros ............................................ 131
Capítulo VIII: Hardware de LTE ................................................................. 133
8.1 Hardware en E-UTRAN ................................................................ 133
X
8.2 Hardware en el EPC ..................................................................... 140
8.3 Hardware en el backhaul .............................................................. 142
Capítulo IX: Panorama de LTE en Chile .................................................... 145
Capítulo X: Conclusiones ........................................................................... 149
Bibliografía ................................................................................................. 152
Referencias digitales. ............................................................................. 152
Libros ...................................................................................................... 154
Manuales de proveedores ...................................................................... 154
Journals .................................................................................................. 155
Tesis ....................................................................................................... 155
XI
Índice de tabla
Tabla 2.1 Revisiones de 3GPP .................................................................... 19
Tabla 6.1 Estandarizadas características de QCI ........................................ 75
Tabla 6.2 Baseline del performance de LTE en el TR25.913 ...................... 82
Tabla 6.3 Tasa de velocidad máxima en DL (Mbps) .................................... 83
Tabla 6.4 Tasa de velocidad máxima en UL (Mbps) .................................... 83
Tabla 6.5 Tasa de velocidad máxima en DL considerando el tamaño de los
bloques de transporte .................................................................................. 84
Tabla 6.6 Tasa de velocidad máxima en UL considerando el tamaño de los
bloques de transporte .................................................................................. 84
Tabla 6.7 Categorías de las UE ................................................................... 86
Tabla 6.8 Eficiencia en el ancho de banda de LTE en el DL utilizando 10
MHz ............................................................................................................. 87
Tabla 6.9 Beneficio de 900 MHz frente a 2600MHz ..................................... 92
Tabla 6.10 Datos del enlace ascendente ..................................................... 93
Tabla 6.11 Datos del enlace descendente ................................................... 93
Tabla 6.12 Elementos de la latencia ............................................................ 97
Tabla 6.13 Numero de banda de FDD en LTE .......................................... 101
Tabla 6.14 Numero de banda de TDD en LTE .......................................... 102
Tabla 6.15 Ventaja y desventaja de FDD y TDD en LTE ........................... 103
Tabla 6.16 Clase de tráfico en base a la prioridad ..................................... 110
Tabla 7.1 Parámetros de LTE en el simulador ........................................... 116
Tabla 7.2 Parámetros de las pruebas de campo ....................................... 121
Tabla 7.3 Asignación de variables ............................................................. 123
Tabla 7.4 Rendimiento para varias UE ...................................................... 125
Tabla 7.5 Rendimiento del handover ......................................................... 127
Tabla 7.6 Parámetro de configuración ....................................................... 132
XII
Índice de ilustración
Ilustración 1.1 Esquema general de un sistema de telefonía móvil ............... 3
Ilustración 1.2 Geometría de la celda ............................................................ 4
Ilustración 1.3 Celda hexagonal, clúster K=4 ................................................. 5
Ilustración 1. 4 Mapa de radiación de una antena omnidireccional................ 6
Ilustración 1.5 Establecimiento de una celda en base a la distribución
poblacional ..................................................................................................... 7
Ilustración 1.6 Proceso de handover entre las celdas .................................. 12
Ilustración 2.1 Evolución de las tecnologías móviles ................................... 15
Ilustración 2.2 Ejemplo de estandarización .................................................. 18
Ilustración 3.1 Relación de las tramas de radio con los chips en WCDMA .. 27
Ilustración 3.2 Arquitectura de la red WCDMA............................................. 28
Ilustración 3.3 Arquitectura en la red HSDPA .............................................. 29
Ilustración 3.4 Actualización de SW y HW en HSPA+ ................................. 30
Ilustración 4.1 Arquitectura de la red LTE .................................................... 33
Ilustración 4.2 Arquitectura E-UTRAN ......................................................... 35
Ilustración 4.3 Mecanismos de la interfaz aérea para transmitir datos ........ 36
Ilustración 4.4 Red de acceso E-UTRAN ..................................................... 38
Ilustración 4.5 Control de establecimiento de los servicios portadores ........ 39
Ilustración 4.6 Arquitectura EPC .................................................................. 41
Ilustración 4.7 Procedimiento de handover basado en X2 ........................... 53
Ilustración 4.8 Procedimiento de handover no basado en X2 ...................... 54
Ilustración 5.1 Red típica del backhaul ........................................................ 55
Ilustración 5.2 Tipos de topologías .............................................................. 57
Ilustración 5.3 Carrier Ethernet .................................................................... 59
Ilustración 5.4 Principio de conmutación en la red IP/MPLS ........................ 60
Ilustración 5.5 Convergencia de la red de transporte ................................... 61
Ilustración 5.6 Escenario de ethernet ........................................................... 62
Ilustración 5.7 Stack de protocolos con IEEE 802.1AD ............................... 63
Ilustración 5.8 Stack de protocolos que soportan SDH ................................ 64
Ilustración 5.9 Escenario con MPLS, en una VPN L2/L3 ............................. 64
Ilustración 5.10 Stack de protocolos en la VPN L2 ...................................... 65
Ilustración 5.11 Stack de protocolos en la VPN L3 ...................................... 66
Ilustración 6.1 Definición de la taza de datos requeridos en el Performance
de LTE ......................................................................................................... 69
Ilustración 6.2 Procedimiento de activación de la portadora dedicada ........ 76
Ilustración 6.3 Arquitectura lógica de la PCC ............................................... 78
Ilustración 6.4 Arquitectura del servicio con portadora en EPS ................... 80
Ilustración 6.5 Pérdidas de trayectoria en distintas tecnologías .................. 94
Ilustración 6.6 Rango de celdas ................................................................... 95
XIII
Ilustración 6.7 Tiempo de ida y vuelta, en la red .......................................... 96
Ilustración 6.8 Estados de transición ........................................................... 98
Ilustración 6.9 Tecnología FDD y TDD ...................................................... 100
Ilustración 6.10 Radio de la BS en la zona rural de Australia .................... 106
Ilustración 6.11 Rendimiento máximo en el DL diferentes antenas UE ..... 107
Ilustración 6.12 Red backhaul genérica en la telefonía móvil .................... 109
Ilustración 6.13 Características del modelo cliente servidor ...................... 112
Ilustración 6.14 Comunicación Peer-to-Peer ............................................. 112
Ilustración 6.15 Velocidad de transmisión versus el tiempo de ida y vuelta .....
................................................................................................................... 114
Ilustración 7.1 Zonas de pruebas, modelada con la aplicación TEMS ....... 121
Ilustración 7.2 Localización de la UE (estacionaria y en movimiento) ........ 123
Ilustración 7.3 Esquema de la arquitectura montada ................................. 131
Ilustración 7.4 Montaje de los equipos ....................................................... 132
Ilustración 8.1 Estación base de cualquier sitio de LTE ............................. 134
Ilustración 8.2 RBS Ericsson 6102 ............................................................. 134
Ilustración 8.3 Radio Shelf en el RBS ........................................................ 135
Ilustración 8.4 Unidad digital ...................................................................... 135
Ilustración 8.5 Esquema de modulación y demodulación de la Unidad de
Radio ......................................................................................................... 136
Ilustración 8.6 Conexiones de cables ópticos ............................................ 137
Ilustración 8.7 Antena SkyCross instalada en Estados Unidos .................. 138
Ilustración 8.8 Tablet con soporte a LTE ................................................... 139
Ilustración 8.9 Smathphone con soporte a LTE ......................................... 139
Ilustración 8.10 Mobile Hotspot de Verizon LTE ........................................ 140
Ilustración 8.11 Modem USB ..................................................................... 140
Ilustración 8.12 Nodos de la puerta de enlace ........................................... 141
Ilustración 8.13 Nodos de control ............................................................... 141
Ilustración 8.14 Evolve Packet Core .......................................................... 142
Ilustración 8.15 Red MPLS-TP implementadas con los equipos TN700 .... 143
Ilustración 8.16 Switch de Transporte Ethernet “BlackDiamond 8800” ...... 144
Ilustración 9.1 Conteiner de LTE perteneciente a Ericsson ....................... 145
Ilustración 9.2 Modem 4G de Ericsson Chile ............................................. 146
Ilustración 9.3 Inauguración del laboratorio de LTE ................................... 147
Ilustración 9.4 Evolve Packet Core instalado en el laboratorio .................. 148
XIV
Índice de esquemas
Esquema 2.1 Entidades de 3GPP ............................................................... 16
Esquema 2.2 Sub-división de RAN TSG ..................................................... 16
Esquema 2.3 Proceso de estandarización ................................................... 18
Esquema 3.1 Evolución de servicios 2G a 4G ............................................. 22
Esquema 4.1 Protocolo entre la UE y la P-GW en E-UTRAN ...................... 42
Esquema 4.2 Stacks de protocolos entre el eNodoB y la S-GW ................. 43
Esquema 4.3 Stacks de protocolos con acceso 2G por la interfaz S-4 ........ 43
Esquema 4.4 Stacks de protocolos con acceso 3G por la interfaz S-12 ...... 44
Esquema 4.5 Stacks de protocolos con acceso 3G por la interfaz S-4 ........ 44
Esquema 4.6 Stack de protocolos entre el eNodoB y MME ........................ 45
Esquema 4.7 Stacks de protocolos entre la UE y MME ............................... 45
Esquema 4.8 Stack de protocolos entre la UE y MME ................................ 46
Esquema 4.9 Stacks de protocolos entre SGSN y S-GW ............................ 46
Esquema 4.10 Stacks de protocolos entre S-GW y P-GW .......................... 47
Esquema 4.11 Stacks de protocolos entre la MME y MME ......................... 47
Esquema 4.12 Stacks de protocolos la MME y S-GW ................................. 48
Esquema 4.13 Stacks de protocolos entre la MME y HSS .......................... 48
Esquema 4.15 Funcionamiento de la conectividad en LTE ......................... 49
Esquema 4.16 Fases de función de transferencia ....................................... 50
XV
Índice de gráficos
Gráfico 3.1 Penetrabilidad de la banda ancha móvil con la banda ancha fija
..................................................................................................................... 23
Gráfico 3.2 Tráfico de datos vs tráfico de voz en una red HSPA ................. 24
Gráfico 3.3 Volumen de tráfico vs costos de la red ...................................... 26
Gráfico 6.1 Sensibilidad del eNodoB en LTE en función de la potencia
recibida con distintos anchos de banda entre 360 kHz, 1.08MHz y 4.5MHz 89
Gráfico 6.2 Rendimiento del eNodoB en LTE, en función de la SNR con la
UE en movimiento a diferentes velocidades ................................................ 90
Gráfico 6.3 Valores requeridos para SNR, para diferentes eficiencias
espectrales con la UE en movimiento .......................................................... 90
Gráfico 6.4 Tiempos de entrega del handover ........................................... 108
Gráfico 7.1 Pérdida de paquetes en video ................................................. 117
Gráfico 7.2 Retardo en la transmisión de video ......................................... 118
Gráfico 7.3 Rendimiento experimentado en la transmisión de video ......... 119
Gráfico 7.4 Eficiencia espectral.................................................................. 120
Gráfico 7.5 Escenario de los distintos videos juegos ................................. 130
XVI
Resumen
La tecnología LTE, correspondiente a la cuarta generación de la telefonía
móvil se convirtió en el estándar ya definido para las empresas operadoras,
que buscan aprovechar la gran potencialidad en la transmisión de datos a
múltiples usuarios a una alta tasa de transferencia, compitiendo con las ISP
tradicionales.
El objetivo del presente trabajo, es obtener información de la tecnología LTE,
enfocada a los requerimientos técnicos, como ancho de banda, delay, jitter,
arquitectura de red, entre otras cualidades.
Para poder desarrollar aquel trabajo, se realizó una revisión exhaustiva de
los requerimientos que exige la organización 3GPP en LTE, con el reléase 8,
autores dedicados al área de la RF y manuales de los proveedores de la
telefonía móvil. Comparando cada una de estas fuentes, se estableció un
definición única para poder responder, a los requerimientos distintas se
Por último se establecieron ejemplos de implementación de redes LTE, para
poder comprender cuanto difiere los valores propuestos teóricamente con
respecto a una red gestionada a gran escala, como también se estableció un
escenario de rendimiento en gaming, caracterizado por el alto rendimiento y
un tratamiento especial en el QoS, para garantizar una mejor experiencia en
el servicio hacia el usuario.
XVII
Introducción
Introducción general
Actualmente la telefonía móvil busca romper el paradigma instaurado por
más de quince años en el inconsciente colectivo de los usuarios, de que, los
teléfonos celulares solo sirve para poder llamar y recibir datos de voz, muy
propio de los sistemas GSM (2G). Pero con la llegada del protocolo IP en las
redes de datos, el uso de aquel protocolo comenzó a crecer, convirtiéndose
en el protocolo por excelencia en la transmisión de redes no conectadas
directamente. Para los sistemas móviles integrar no solo voz, sino que
también datos e Internet, con la ayuda de IP, se convirtió en una nueva
aventura por parte de las operadoras en ofrecer este servicio, pero se
aprontaba un problema dentro de la implementación, pero no eran los
equipos móviles, ya que, la alta integración de la electrónica de los
semiconductores permitió lanzar al mercado celulares muy similares a los
computadores personales, con sistemas operativos customizados,
aplicaciones capaces de leer formatos multimedia como pdf, jpeg, avi, mp3,
entre otros.
El gran problema que se enfrentaron las operadoras, fueron las velocidades
para acceder a Internet, y este problema fue una falla multisistema, de
partida la tecnología de acceso del celular hacia la Internet, GRPS y EDGE
(2.5G), entregaba velocidades muy bajas en comparación con la velocidad
de acceso de Internet por ADSL, lo que no representaba una alta vialidad
económica para la operadora móvil. La otra problemática era la arquitectura
ofrecida por las tecnologías 2.5G, puesto que, el protocolo IP trabaja en
base a la conmutación de paquetes, así la red se deberían establecer dos
posibles rutas, una red de conmutación de circuito para la voz y la
conmutación de paquete para los datos que trabajan en función de IP, esto
ocasionaba un alto costo de operación y mantenimiento.
La llegada de la nueva arquitectura UTRAN 3G, permitió soportar Internet
dentro de las redes, pero las velocidades que ofrecía WCDMA y HSDPA, no
entregaba una alta velocidad, como las ISP, de hecho, las ISP emigraron a
sistemas ópticos mucho más rentables como por ejemplo DWDM. Pero
cuando la entidad 3GPP lanzó HSPA+, les significo una gran motivación
para continuar con los servicios de Banda Ancha Móvil a los usuarios, así la
3GPP en conjunto con los operadores, decidieron crear un nuevo estándar
que corresponde a LTE o Long Term Evolution, estas permite entregar a
altas velocidades de transmisión, capaz de superar a las velocidades
ofrecidas por las ISP en el mercado.
XVIII
La convergencia tecnología, en donde un dispositivo es capaz de soportar
múltiples servicios facilitó la necesidad de entrar con LTE como medio único
para cumplir las exigencias del mercado. Además los usuarios empezaron a
hacerse mucho más exigente en la calidad de servicio, quienes deseaban
tener una mejor cobertura, el servicio de Internet sea continuo, sumado con
un precio accesible.
El despliegue de 4G, permitiría poder suplir las desventajas de 3G y 3.5G
con respecto a la utilización del protocolo IP dentro de sus redes de
transporte, dentro de la tecnología LTE, la cual tienen como base a 3GPP,
que anteriormente desarrollaron la tecnología HSDPA, en base acuerdos.
Esto implica que muchas telcos, sientan familiaridad con LTE. Así LTE, será
capaz de transmitir velocidades teóricas de un máximo de 100Mbps, con una
arquitectura de red capaz de soportar plenamente IP, así entregando
tiempos de latencia menores que HSDPA.
Objetivo General
Conocer, investigar, y analizar los requerimientos técnicos necesario, en la
cual opera una red que trabaja con el estándar LTE, conociendo el alto
impacto que genera LTE tanto para los operadores como a los usuarios de
esta tecnología de 4G y como la red de transporte influye en el cumplimiento
de dicho estándar.
Objetivos Específicos
Mencionar a las tecnologías móviles antecesoras que fundamentaron
a LTE (WCDMA, HSDPA, HSPA+).
Entender las funciones de una red de transporte.
Conocer las características de la tecnología móvil LTE.
Definir las bandas de frecuencia en la cual opera.
Enseñar el equipo necesario en la que trabaja LTE.
Comprender los beneficios que entrega LTE.
Dar a conocer ejemplos de redes ya implementadas, con sus
respectivas mediciones.
Problema existente
Actualmente las operadoras deben cumplir las necesidades de los usuarios
en cuanto a la conectividad, las redes ADSL que proveen Internet a sus
clientes y muchas veces por factibilidad técnica, entre ellas, la zona
geográfica, que no pueden entregar dichos servicios. Por ello el acceso a
Internet móvil, se convierte en una posible solución ante este problema de
XIX
conectividad. Pero las tecnologías de acceso a Internet móvil, presentan
deficiencias en lo referente al rendimiento de la velocidad que se les otorga a
los usuarios finales. Pero para suplir estas falencias, la red de transporte de
cumplir ciertos parámetros de técnicos.
De esta manera, la solución a este problema es LTE, quien propone solución
en cuanto a la conectividad y a la velocidad de transmisión. Y es por este
motivo, que el presente trabajo de título necesita conocer a cabalidad los
requerimientos técnicos de una red LTE, junto con la red de transporte o
backhaul.
Metodología
La metodología a utilizar para poder conseguir el objetivo general de este
trabajo, se fundamenta en la recopilación exhaustiva de información, para
poder tener un amplio espectro de conocimiento sobre LTE. Dentro de las
fuentes a consultar serán:
Lectura de journals (IEEE Xplorer).
Revistar vinculadas al tema (IEEE Communication).
Manuales de proveedores (Ericsson, NOKIA-SIMENS, HUAWEI).
Libros (McGraw-Hill, JohnWiley & Sons, CRC Press).
Después de la recopilación de datos, se procederá a la discriminación de
esta, para tener los la información más acertada, que permita el
cumplimiento del objetivo general.
Como tercer paso se planteará un marco teórico de la telefonía móvil
general, con el fin de comprender ciertos detalles que rigen a los sistemas
móviles, como handover, celda, arquitectura, entre otros. Luego se
mencionarán las tecnologías antecesoras, que a sus constantes evoluciones
y desarrollo permitieron definir a la LTE. Así el siguiente paso, corresponde a
definir los elementos que conforman una red LTE, luego se estudiarán las
funciones y características de las redes de transporte en LTE. Permitiendo
entender como dichos elementos influyen en el rendimiento. Para luego
definir los requerimientos técnicos de LTE tanto en la red aérea de acceso y
transporte, soportado con ejemplos de implementación y sus respectivas
mediciones.
Por último se formularán las conclusiones pertinentes, sobre los
requerimientos de LTE, que influyen en el rendimiento del transporte de
datos dentro de dicha red.
1
Capítulo I: Marco teórico
1. Marco Teórico: Sistema de telefonía celular
En este capítulo abordaremos de manera teórica, los conceptos más
generales de la telefonía móvil, en base a cómo opera dicha tecnología
utilizando las ciencias físicas para explicar por ejemplo las propagaciones de
ondas entre una antena y el equipo del usuario, la administración de las
frecuencia o la arquitectura que tiene la red, tomando en cuenta la del
proveedor de servicio y del usuario. Es cierto que el avance de la telefonía
móvil ha sido vertiginoso en estos veintiún años, si tomamos como
referencia el lanzamiento de la segunda generación de telefonía móvil
conocida como 2G, la cual presentaba una diversidad de protocolos en la
que regían cada zona geográfica (Norte América, Europa, Asia, entre otros),
tales como GSM, Cellular PCS/IS-136 o IS-95/cdmaONE, lo que a futuro
empezaron a evolucionar en función a los requerimientos del clientes y una
necesidad tecnológica en la integración de IP dentro de sus redes, por ello la
complejidad aumentaba lo que implicaba una nueva arquitectura dentro de la
red, pero para poder entender cada protocolo o arquitectura debemos
analizar sus componentes que lo integran.
Dentro de los objetivo que presenta el sistema de telefonía celular, el
académico de la Universidad Nacional de Rosario, Renzo Mare, definió los
objetivos en el cual motivo al desarrollo de las comunicaciones, tales como:
Alta capacidad de servicio, capacidad para dar servicio de tráfico a
varios millones dentro de una zona determinada y con un espectro
asignado.
Uso eficiente del espectro, uso eficiente de un recurso muy limitado
como es el espectro de radio asignado al uso público.
Adaptabilidad a la densidad de tráfico, la densidad de tráfico varia en
los distintos puntos de un área de servicio, el sistema se tiene que
adaptar a estas variaciones.
Compatibilidad, seguir estándar, de forma tal de proveer el mismo
servicio básico, con las mismas normas de operación a lo largo de
todo país.
Facilidad de extensión, se trata que un usuario pueda cambiar de
área de servicio pasando a una distinta y tener la posibilidad de
comunicarse (Roaming).
Servicio a vehículos y portátiles.
Calidad de servicio, implica seguir niveles estándares de bloqueo y
calidad de voz.
2
Accesible al usuario, el costo del servicio pueda ser pagado por un
gran número de personas.
1.1 Concepto de teléfono celular
El teléfono celular es importante tenerlo en cuenta, ya que, es la interfaz
entre los usuarios para poder ejecutar o recibir la información,
comportándose como un dispositivo dual, en cual la transmisión es full-
duplex en donde utiliza una frecuencia para hablar y una segunda frecuencia
separada para escuchar, es decir, que ambas personas en la conversación
pueden hablar a la vez.
1.2 Arquitectura general de una red telefónica móvil
Dentro de este esquema, se establece en base a una sinergia de elementos,
en la cual, si uno falla o no se encuentra presente, la red no opera. Los
componentes que lo definen son:
Estaciones móviles (MS). Son los equipos que prestan el servicio concreto en el lugar, instante y formato (voz, datos o imágenes). Cada estación móvil puede actuar como emisor, receptor o ambos modos.
Estaciones base (BS). Se encargan de mantener el enlace radioeléctrico entre la estación móvil y la estación de control durante la comunicación. Atiende a una o varias estaciones móviles.
Estaciones de control (BSC). Realiza las funciones de gestión y mantenimiento del servicio. Asigna las estaciones base de un sector, a las estaciones móviles que se desplazan dentro de él.
Centro de conmutación (MSC). Permiten la conexión entre las redes públicas y privadas con la red de comunicaciones móviles y la interconexión entre estaciones móviles localizadas en distintas áreas geográficas de la red móvil.
3
Ilustración 1.1 Esquema general de un sistema de telefonía móvil
1.2.1 Funcionamiento del esquema de telefonía móvil
Para poder entender este esquema, debemos ubicarnos en el plano de un
usuario emisor, en la cual, desea realizar una llamada a un receptor ya sea
fijo o dinámico. La señal que envía hacia la antena solicitando
establecimiento de la conexión de un determinado número (señal digital
codificada), para luego enviar la señal a un “switch” o conmutador.
1.3 Concepto de celda
A grandes rasgos la idea de celda corresponde al “área en el cual un sitio de
transmisión particular es el más probable de servir llamadas telefónicas
móviles”, para el operador de la red telefónica móvil, corresponde a la zona
de cobertura que posee una transmisor (antena) o una estación base. Ahora
bien, el área en que entrega la cobertura, está sujeta a un amplio espectro
de parámetros tales como:
Potencia de la antena.
Banda de frecuencia utilizada.
Altura y posición de la torre.
Tipo de antena.
Topografía de la zona.
Sensibilidad del radio receptor.
4
1.3.1 Geometría de la celda
La geometría es un factor delimitador que utilizan las operadoras para
determinar qué zonas van a transmitir el servicio en cada canal usado,
siendo importante para evitar interferencias de co-canal1. Dentro de la
geometría de la celda, se puede apreciar tres tipos de celda, estas son la
ficticia, ideal y real, tal como se puede apreciar en la siguiente imagen.
Ilustración 1.2 Geometría de la celda
La celda ficticia esta representa por su figura geométrica en base de
hexágonos, de igual forma a los hexágonos de un panal de abeja, aquel
diseño fue definido por los ingenieros del Laboratorio Bell, por la razón de
que las relaciones geométricas que presenta el hexágono, al agruparlos en
la misma proporción las celdas no presentan espacios vacíos ni
transposiciones entre otras celdas. Ahora bien, un conjunto de celdas se le
denomina, grupo o “cluster”.
1 El concepto de co-canal, se refiere a dos señales, de las cuales sus portadoras ocupan un
mismo canal. 2 UTRAN (UMTS Terrestrial Radio Access Network) o en español Red de Acceso Radio
5
Ilustración 1.3 Celda hexagonal, clúster K=4
En cambio la celda ideal toma la forma de circunferencia, puesto que, las
antenas que tiene cada celda, corresponden a la clase de antena isotrópica
posicionada en el centro de la celda. Importante recordar que una antena
isotrópica, teóricamente presenta una radiación esférico perfecto y una
ganancia lineal unitaria.
Por último la geometría real de una celda, corresponde a la forma real que
tienen las antenas, ya que, agrandes rasgos una antena celular son antenas
direccionales que para lograr la geometría ideal, se instalan antenas
sectoriales para lograr la forma de una antena omnidireccional.
6
Ilustración 1. 4 Mapa de radiación de una antena omnidireccional
1.3.2 Tipos de celda
La empresas operadoras de servicios móviles, al momento de definir el tipo
de celda, el planificador de la red, debe prestar atención a la densidad
demográfica, ya que, cada zona es muy variada de acuerdo a la distribución
de las personas. Es importante destacar que el planificador de red no solo se
preocupa de la densidad, también del tráfico que realizan los usuarios
(Erlang) y de la topografía, pero para poder determinar el tipo de celda solo
se necesita tener en consideración la densidad poblacional de un área en
específico.
7
Ilustración 1.5 Establecimiento de una celda en base a la distribución poblacional
Macro celdas, son celdas grandes para áreas con población dispersa.
Micro celdas, las celdas se particionan para aumentar la
disponibilidad de los canales, además presenta una potencia de
transmisión menor. Este tipo de celda se utiliza mucho en zonas
poblacionales densas.
Celdas Selectivas, tiene que ver con la limitación de la zona de
cobertura, por ejemplo, el túnel del Metro de Santiago, tener una
celda que su cobertura sea 360º es algo ineficiente.
1.3.3 Radio (longitud) de la Celda
El radio de máximo está determinado por la relación señal a ruido (S/N), la
señal mayor a los 18 dB, otorga una calidad de servicio satisfactoria, pero en
la práctica, la longitud se encuentra limitada por la topografía, producto de la
existencias de obstáculos naturales o artificiales, las propiedades físicas de
la antena, como valores de configuración de inclinación de la antena, como
también la potencia entregada por el equipo.
8
1.3.4 División de celdas
Dentro de la literatura técnica, la división de la celda es conocida también
como “cell splitting”, el objetivo que tiene la división de las celdas, se
relaciona con la eficiencia del espectro, pero a grandes rasgos este concepto
se refiere al proceso de subdividir una celda congestionada (alta demanda
de tráfico) en otras celdas más pequeñas, y estas poseen sus propias
estaciones bases, como también, su reducción en la altura de la antena y su
potencia de transmisión. Con ello permite incrementar la capacidad de un
sistema telefónico móvil, dado que incrementa el número de veces que se
reutilizan los canales (en el tema 1.4, se acotara a cabalidad), estableciendo
nuevas celdas más pequeña que las celdas originales, instalando estas
pequeñas celdas entre las celdas existentes, incrementando la capacidad,
debido al aumento de los canales por unidad de área.
Cuando empieza aumentar la densidad de tráfico, sumado con los canales
de frecuencia en cada celda, que no pueden entregar las correspondientes
llamadas realizadas por el usuario, la celda original se divide en celdas más
pequeñas, con la mitad del radio de la celda original. Para lograr la división
de la celda se realiza mediante una ecuación.
Ecuación 1.1 Establecimiento del radio de la nueva celda
En base a la Ecuación 1.1 Establecimiento del radio de la nueva celda, se
determina otra ecuación.
Ecuación 1.2 Establecimiento de nueva área de la celda
En teoría vemos que cada celda lleva la misma carga de trafico cargado de
la celda original, matemáticamente determinado.
Ecuación 1.3 Relación de las nuevas celdas con la carga de tráfico
9
1.4 Administración de frecuencias
Como se mencionó anteriormente, los sistemas de telefonía móvil poseen
dos frecuencias, una para transmitir y la otra para recibir, simultáneamente la
voz, pero este recurso no es infinito, al contrario, es escaso. Una forma de
optimizar los recursos (frecuencia), se instauró el concepto de re-uso de
frecuencias, en la que define el uso de las mismas frecuencias portadoras
para establecer distintas áreas separadas por una longitud extensa, para
evitar el problema de interferencia de co-canal. Una forma de reducir dicha
interferencia, es el establecimiento de una separación geográfica.
1.4.1 Re-uso de frecuencia
Este concepto es considerado, el más importante dentro de los sistemas de
telefonía móvil, ya que, permite a los usuarios que están ubicados en celdas
distintas pudiendo utilizar la misma frecuencia simultáneamente, por
consiguiente, puede ser utilizado tanto en el dominio del tiempo y espacio.
Cuando nos referimos al dominio del tiempo, se ocupa la misma frecuencia
pero en diferentes espacios de tiempo (time slots); a esto se le llama
multiplexación por división de tiempo o anglosajonamente “time division
multiplexing” (TDM).
En cambio cuando nos referimos al re-uso de frecuencia, mirado desde el
dominio del espacio, es posible encontrar dos condiciones. La primera
condición, se refiere cuando una misma frecuencia asignada en dos áreas
geográficas distintas. La segunda condición, establece una misma
frecuencia usada reiteradamente en una misma zona.
1.4.2 Distancia de re-uso de frecuencia
Este concepto se encuentra designado por muchas variables, tales como, la
altura de la antena, transmisión de la potencia en las celdas, zona geográfica
y el número de celdas co-canales en la vecindad de la celda central. Usando
las matemáticas uno puede determinar la distancia de re-uso de frecuencia.
Ecuación 1.4 Distancia de re-uso de frecuencia
√
10
1.5 Asignación de canales
Para la utilización eficiente del espectro de radio, se requiere un sistema de
reutilización de frecuencias que aumente la capacidad y minimice las
interferencias. Se han desarrollado una gran variedad de estrategias de
asignación de canales para llevar a cabo estos objetivos. Las estrategias de
asignación de canales se pueden clasificar en fijas o dinámicas. La elección
de la estrategia de asignación de canales va a imponer las características
del sistema, particularmente, en cómo se gestionan las llamadas cuando un
usuario pasa de una celda a otra, este proceso de denomina, handover.
En una estrategia de asignación de canales fija, a cada celda se le asigna un
conjunto predeterminado de canales. Cualquier llamada producida dentro de
la celda, sólo puede ser recibida por los canales inutilizados dentro de esa
celda en particular. Si todos los canales de esa celda están ocupados, la
llamada se bloquea y el usuario no recibe servicio. Existen algunas variantes
de ésta estrategia. Una de ellas permite que una celda vecina le preste
canales, si tiene todos sus canales ocupados. El Centro de Conmutación
Móvil ("Mobile Switching Center" ó MSC) supervisa que estos mecanismos
de presta canales, no interfieran ninguna de las llamadas en progreso de la
celda donadora.
En una estrategia de asignación de canales dinámicos, los canales no se
fijan en diferentes celdas permanentemente. En su lugar, cada vez que se
produce un requerimiento de llamada, la estación base servidora pide un
canal al MSC. Éste entonces coloca un canal en la celda que lo pidió,
siguiendo un algoritmo que toma en cuenta diversos factores, como son la
frecuencia del canal, su distancia de reutilización, y otras funciones. Las
estrategias de asignación dinámicas aumentan las prestaciones del sistema,
pero requieren por parte del MSC una gran cantidad de cómputo en tiempo
real.
1.6 Conceptos de movilidad
1.6.1 Localización
La movilidad de los usuarios en un sistema celular, es una de las mayores
diferencias con la telefonía fija, en particular con las llamadas recibidas. Una
red fija, puede encaminar una llamada hacia un usuario fijo simplemente
sabiendo su dirección de red (número de teléfono), dado que el conmutador
local, al cual se conecta directamente la línea del abonado, no cambia. Sin
11
embargo en un sistema celular la celda en la que se debe establecer el
contacto con el usuario cambia cuando éste se mueve. Para recibir
llamadas, primero se debe localizar al usuario móvil, y después el sistema
debe determinar en qué celda está actualmente.
En la práctica se usan tres métodos diferentes para tener que cumplir el
concepto de movilidad. En el primer método, el equipo móvil indica cada
cambio de celda a la red, la cual, se le llama actualización sistemática de la
localización al nivel de celda. Cuando llega una llamada, se necesita enviar
un mensaje de búsqueda sólo a la celda donde está el dispositivo móvil, ya
que, ésta es conocida. Un segundo método sería enviar un mensaje de
página a todas las celdas de la red cuando llega una llamada, evitándonos
así la necesidad de que el móvil esté continuamente avisando a la red de su
posición. El tercer método es un compromiso entre los dos primeros
introduciendo el concepto de área de localización.
Un área de localización, es un grupo de celdas en que cada una de ellas
pertenecientes a un área de localización simple. La identidad del área de
localización a la que una celda pertenece se les envía a través de un canal
de difusión ("broadcast"), permitiéndoles a los equipos móviles saber el área
de localización en la que están en cada momento. Cuando un equipo móvil
cambia de celda se pueden dar dos casos: ambas celdas están en la misma
área de localización: el equipo móvil no envía ninguna información a la red.
Las celdas pertenecen a diferentes áreas de localización: el equipo móvil
informa a la red de su cambio de área de localización.
1.6.2 Handover en la red
En el apartado anterior se trataron las consecuencias de la movilidad en el
“modo idle”. En el “modo dedicado”, y en particular cuando una llamada está
en progreso, la movilidad del usuario puede inducir a la necesidad de
cambiar de celda servidora, en particular cuando la calidad de la transmisión
cae por debajo de un umbral previamente definido.
Con un sistema basado en células grandes, la probabilidad de que ocurra
esto es baja y la pérdida de una llamada podría ser aceptable. Sin embargo,
si queremos lograr grandes capacidades tenemos que reducir el tamaño de
la celda, con lo que el mantenimiento de las llamadas es una tarea esencial
para evitar un alto grado de insatisfacción en los abonados.
12
Ilustración 1.6 Proceso de handover entre las celdas
Al proceso de la transferencia automática de una comunicación (de voz o
datos) en progreso de una celda a otra para evitar los efectos adversos de
los movimientos del usuario se le llama "handover" (o "handoff"). Este
proceso requiere, primero algunos medios para detectar la necesidad de
cambiar de celda mientras estamos en el “modo dedicado” (preparación del
handover), y después se requieren los medios para conmutar una
comunicación de un canal en una celda dada a otro canal en otra celda, de
una forma que no sea apreciable por el usuario.
1.6.2.1 Tipos de handover
El handover se puede producir de diferentes maneras, por ello en términos
generales se clasifica en dos categorías, desde el punto de vista del usuario
y de red. A continuación se hace una breve descripción de los distintos tipos
de handover.
1.6.2.1.1 Desde el punto de vista de usuario
El proceso de traspaso se realiza de forma transparente al usuario, de modo
que las transiciones entre una célula y otra, sean suficientemente pequeñas
como para pasar desapercibidas por los usuarios.
Hard-Handover, antes del proceso de traspaso, el móvil está
conectado a su estación base origen. Durante el proceso de
Handover, se desconecta de ésta y durante un tiempo (del orden de
milisegundos) no está conectada a ninguna otra BS. Mediante este
procedimiento, se usa por lo tanto, un solo canal. De éste modo la
13
conexión con la BS original se corta antes de realizar la nueva
conexión a la nueva BS.
Es el método más utilizado (por ejemplo en GSM) a pesar de ser
menos fiable que el siguiente caso que se explica, soft-handover.
Fundamentalmente, se usa hard-handover en FDMA y TDMA cuando
se usan diferentes rangos de frecuencias en canales adyacentes para
minimizar las interferencias de canal. De esta forma MS se mueve de
la una BS a otra BS, ya que es imposible la comunicación con ambas
BS (desde diferentes frecuencias).
Soft-Handover, en este caso, durante el proceso de traspaso el móvil
estará conectado mediante un canal a la BS origen y mediante otro
canal a la BS destino. Durante dicho proceso, la transmisión se
realiza en paralelo por los dos canales, es decir, no se produce
interrupción del enlace. Con dicho sistema se asegura una conexión
con la estación base de la nueva celda antes de cortar con la
conexión antigua. Éste es el sistema que proporciona mucha
fiabilidad, a pesar de tener, por el contrario, una difícil implementación
(sólo en CDMA ONE ).Los estándares CDMA y WCDMA utilizan soft
handover.
Sin handover: en el caso de que no se realice handover, no se realiza
traspaso entre BSs. Simplemente el MS establece una nueva llamada
al salir del área de cobertura de la BS. Ello presenta una gran ventaja,
la de poseer un procedimiento mucho más simple, lo que conlleva, por
otro lado necesita una gran velocidad de establecimiento de llamada.
1.6.2.1.2 Desde el punto de vista de red
Desde el punto de vista de red encontramos diferentes clasificaciones si
suponemos que estamos en hard-handover o bien el soft-handover.
Caso para hard-handover:
Intra-Cell Handover, en un sistema normal, con varias redes. Sólo se
realiza intra-cell handover cuando la calidad de conexión de un canal
físico (que ha sido medido por la misma BS) está por encima del nivel
deseado. De tal manera que intra-cell handover puede realizar un
cambio de slot en la misma frecuencia (TDMA), un cambio de
frecuencia (FDMA) o un cambio de frecuencia y tiempo simultaneo.
Sin embargo, no existe actualmente ningún criterio para realizar intra-
cell handover cuando los límites de la conexión de salida están por
debajo del nivel deseado por la BS, especialmente cuando las
14
conexiones colindantes están también por debajo del nivel deseado
(por ejemplo cuando un inter-cell handover no proporciona ninguna
salida que mejore la calidad).
Inter-Cell Handover, este es el tipo de handover más simple. Será
necesario cuando la señal de la conexión de un canal físico sea baja.
Para evaluar la calidad de la conexión, el móvil constantemente
transmite los valores de las medidas RXLev (nivel recibido medido por
el teléfono) y las RXQual(el radio del error de bit determinado) a la
BS. Si la BS quiere entregar el teléfono a otro canal, lo que necesita
es informar al teléfono sobre el número del nuevo canal y su nueva
configuración. El teléfono cambia directamente al nuevo canal y
puede mantener ambas configuraciones para la sincronización de la
BS. El proceso de Intra cell handover es posible realizarlo entre
diferentes bandas de GSM.
Caso para soft-handover:
Softer handover, en este caso, la BS recibe dos señales separadas a
través del canal de propagación. Debido a las reflexiones sobre
edificios o barreras naturales, la señal enviada desde las MS llega a
dos sectores distintos de la BS. Las señales recibidas durante el
proceso de softer handover se tratan de una manera semejante a las
señales muli-path. Soft handover, este caso es muy similar al caso anterior de softer
handover pero en éste caso las celdas pertenecen a más de un nodo.
Para ello se realiza una combinación mediante RNC. Es posible
realizar simultáneamente soft y softer handover.
15
Capitulo II: Estandarización de las redes móviles
2. Organismo
2.1 3GPP
Es un grupo fundado en 1998, con la finalidad de desarrollar
especificaciones técnicas de las redes móviles, basándose en la tecnología
padre, GSM, para luego formar el estándar UMTS, correspondiente a 3G,
llegando actualmente a definir la estandarización LTE, como tecnología de
4G, dejando atrás a WCDMA, HSDPA y HSPA+. El impacto que tuvo GSM a
nivel mundial, incluyendo a nuestro país, permitió el mejoramiento y
constante actualizamiento, logrando que muchas empresas operadoras de
servicios de telefonía móvil adoptaran los estándares impulsados por 3GPP
actualmente, tal como lo muestra la imagen presentada a continuación.
Ilustración 2.1 Evolución de las tecnologías móviles
El génesis de esta organización se estableció mediante la fusión de otras
entidades estandarizadoras, tales como ARIB (Japón), ETSI (Europa), T1P1
(EEUU), pero a futuro la T1P1 se pasó a llamar ATIS. Luego en 1999 la
entidad China CWTS se unió, aportando con la tecnología TD-SCDMA,
basado en TDD, la cual el transmite el tráfico del “Up Link” (UL) y “Down Link
(DL)” sobre diferentes ranuras de tiempo de la misma trama. Con el tiempo
la organización “China Wireless Telecommunication Standard Group”
(CWTS), paso a llamarse “China Communications Standard Association”
(CCSA). De esta manera en el Esquema 2.1, se puede observar los
miembros actuales que conforman la 3GPP.
16
Esquema 2.1 Entidades de 3GPP
La organización 3GPP, inició actividades a finales de 1998, además
realizaron trabajos, enfocados en los aspectos técnicos a principio de 1999,
con la finalidad de crear una estandarización común, la cual se le llamó
“Release 99”, la cual, corresponde a la primera especificación sobre las
redes de telefonía 3G. Este lanzamiento, fue la que sentó las bases de las
futuras redes telefónicas (HSPA, HSPA+ y LTE) basadas en GSM, tomando
en cuenta la transferencia de tráfico de alta velocidad en la conmutación de
circuitos y conmutación de paquetes.
Dentro de 3GPP, existen cuatro grupos de especificación técnica o TSG,
proveniente del inglés “Technical Specification Groups”, dicho grupo se
definen como: “Radio Access Network TSG”, “Core Network TSG”, “Service
and System Aspects TSG” y “Terminal TSG”. Dentro de la tecnología
WCDMA, correspondiente a la tercera generación, toma importancia el grupo
“Radio Access Network TSG”, dicha TSG fue nuevamente dividida en cinco
sub-grupos de trabajadores o “working groups”, como se aprecia en el
siguiente esquema.
Esquema 2.2 Sub-división de RAN TSG
3GPP
ETSI ARIB TTA ATIS CCSA TTC
Radio Access Network TSG
WG 1
Radio Layer 1
WG 2
Radio Layer 2/3
WG 3
Architectute and Interface
WG 4
Radio Performance and
RF Parameters
WG 5
Terminal Conformance
Testing
17
El RAN TSG, fue considerado dentro del lanzamiento “Release 99” en la
especificación de la interface aérea UTRAN2, así los miembros de la
organización asumieron individualmente en desarrollar estándares, tomando
en cuenta las especificaciones realizadas por 3GPP. Un ejemplo de esto, es
el caso de la organización ETSI, realizó un lanzamiento llamado “Release-
99”3 sobre UMTS, que es idéntico al “Release 99” de 3GPP.
Por ello 3G/UMTS, tiene como objetivo aumentar la capacidad del sistema,
permitiendo aumentar la cantidad de usuarios que requieran servicios de voz
y datos. Por norma UMTS trabaja con WCDMA, como tecnología de acceso
al medio, basándose en el ensanchamiento del ancho de banda, permitiendo
la eficiencia del espectro radioeléctrico.
2.1.1 Forma de operar de 3GPP
Esta organización se define en “work ítems” o elementos de trabajo, de los
cuales definen un motivo y objetivo para una nueva característica dentro de
una determinada tecnología. Los elementos de trabajo, a menudo contiene
las especificaciones para ser implementadas y ser agendadas para su
ejecución; también necesitan ser apoyadas por las cuatro TSG pero en
realidad necesitaban contar con algún motivo que puedan ser acordados
en los respectivos cuatro grupos de especificación técnica del nivel RAN.
No obstante, cada “work ítem” es designado un relator, que tiene como
objetivo de coordinar todo el trabajo y procurar de informar a los TSG todos
los progresos realizados por parte de los “working group”. Por consiguiente
los cuatro TSG, concretan reuniones cada tres meses para supervisar dichos
avances. Cuando todos los “working group” terminan el “work item” se crean
las solicitudes de cambio o “change requests”, estos contienen todos los
cambios necesarios en cada especificación en particular. Una vez que es
aprobado por todos los niveles de la TSG, la estandarización es actualizada
en una nueva versión con todos los cambios realizados.
Para resumir y quedar más claro, el proceso que tiene la 3GPP de
implementar una nueva estandarización, se mostrará acontiación el
Esquema 2.3, además un ejemplo de las fases de estudios que realizan los
“working group” hasta llegar a la fase de estandarización en una tecnología
determinada.
2 UTRAN (UMTS Terrestrial Radio Access Network) o en español Red de Acceso Radio
Terrestre UMTS, permite a los terminales de usuario acceder al núcleo de red de UMTS. Los principales elementos de red de UTRAN son los Nodos B y los RNCs (Radio Network Controllers). (Fuente Wikipedia) 3 Se puso un guión para diferenciar el “Release-99” de ETSI con el “Release 99” de 3GPP
18
Esquema 2.3 Proceso de estandarización
Ilustración 2.2 Ejemplo de estandarización
2.1.2 Revisiones realizadas por 3GPP
Los procesos de estandarización se establecen en una revisión anual
denominado “Release”, ofreciendo a los desarrolladores una plataforma
estable para la implementación y para permitir la adición de nuevas
características que requiere el mercado.
Actualmente los documentos están disponibles gratuitamente en el sitio
web de la 3GPP, en donde se encuentran todos los
estándares 3GPP descritos. La información que contiene los “Release”, son
completos y detallados para dar una idea de cómo funciona la industria de
la telefonía móvil. Dentro de la información que contienen, abarcan desde la
interfaz área, la red central, codificación de voz, entre otras características.
19
Tabla 2.1 Revisiones de 3GPP
Versión Año de
lanzamiento Descripción
Release 99
2000 Especifica la primera red 3G UMTS, incorporando una interfaz de aire CDMA
Release 4 2001
Se incorpora nuevas características, como soporte de servicios de mensajería multimedia, como también en la red del núcleo (Core Network) pasa ser todo IP (Internet Protocol)
Release 5 2002
Se introduce el concepto de IMS (IP Multimedia Subsistem), el permite la transmisión eficiente de IP en los datos de multimedia en las redes móviles, empleando la conmutación de paquete de IP y el protocolo SIP. Se introdujo la tecnología HSDPA, que permite la optimización del espectro en el canal descendente, con el objetivo de alcanzar velocidades de baja hasta 14 Mbps (valor teórico máximo)
Release 6 2004
Se agrega la tecnología HSUPA (Hight Speed Uplink Packet Access) que ofrece una mejora sustancial en la velocidad para el tramo de subida, desde el terminal móvil hacia la red, entregando una alta tasa de transferencia de subida hasta 7.2 Mbps. También se adiciona el servicio MBMS (Multimedia Broadcast Multicast Service), permite la entrega eficiente de los servicios de broadcast y multicast para la difusión en varias celdas en una frecuencia única, logrando asi la entrega de servicios de radiodifusión (Push To Talk) y TVMovil.
Release 7 2007
Se centra en la disminución de la latencia, mejora de calidad de servicio y aplicaciones en tiempo real como VoIP. Esta especificación también se centran en HSPA + (Evolved High Speed Packet Access), el protocolo SIM de alta velocidad.
Release 8 2008
Corresponde al primer lanzamiento oficial de LTE, utilizando una red 100% IP. Se agregan nuevas características, como la multiplexación por OFDMA. Se suma la mejora de antenas múltiples. Aparece una nueva arquitectura, formada por EPS (Evolved Packet System), RNC (Radio Network Controller) y el eNodeB.
Release 9 2009 Mejoras en el SAE (System Architecture Evolution). Se define la interoperabilidad
20
WiMAX y LTE. Se establece el Dual-celular HSDPA con MIMO.
Release 10
2011
LTE Advanced cumplimiento de los requisitos de IMT 4G avanzada. Compatible con la versión 8 (LTE). Multi-celular HSDPA (4 operadores).
Release 11
2012
La interconexión IP avanzado de los Servicios. Servicio de interconexión entre los operadores nacionales capa / operadores, así como otros proveedores de aplicaciones de otros fabricantes. Contenido sigue abierta (a partir de abril de 2011).
21
Capítulo III: Contexto evolutivo de 3G a 4G
3. Motivos del origen de la evolución
La importancia de entender la evolución de las distintas tecnologías descrita
en cada una de las generaciones de la telefonía móvil, radica en la
necesidad de comprender LTE, por lo tanto, se hace indispensable realizar
una revisión de las tecnologías antecesoras, recordando que en el Capítulo
2, vimos las regulaciones y muchas de estas son mejoras en los sistemas,
con la finalidad de adaptar las necesidades del cliente, para justificar la
existencia de las empresas proveedoras como las operadoras.
Partiremos definiendo las tecnologías de la tercera generación hasta llegar a
la cuarta generación, para luego describir detallamente las características
técnicas y operacionales de LTE (4G). Es importante destacar que LTE es
una evolución en base a GSM (2G) y no describiremos ninguna tecnología
en base a 2G, ya que, estas redes están pensadas principalmente al tráfico
de voz, en cambio 3G el tráfico está orientado a datos, principalmente al
acceso de internet en los equipos móviles, permitiendo a las operadoras
competir con otro nicho dentro del negocio de las telecomunicaciones, la
internet fija o de acceso a ADSL. Así lo confirma la empresa Bytemobile,
encargada de optimizar el tráfico a los operadores, quien afirma “hasta un 60
por ciento del tráfico de datos del móvil lo generan los consumidores que ven
vídeos en sus teléfonos”4, a esto se debe a que existe actualmente una
convergencia del protocolo IP, permitiendo la transmisión múltiples servicios
como imágenes, música, video y datos.
4 Extraído del reportaje “Estadística tráfico de datos móviles”. Fuente
http://www.nuevastecnologias.com/estadisticas-trafico-de-datos-moviles-21-06-2011/
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Esquema 3.1 Evolución de servicios 2G a 4G
Así parte UTMS en año 2000, estableciendo como WCDMA como interface
aérea para la utilización eficiente del espectro, estableciendo un puente
entre 2G y 3G, para el cual entrega una velocidad máxima de 2 Mbps.
Durante Marzo del 2004, se realiza una evolución de la especificación de
UMTS, la cual se integra TD-SCDMA, conocida como tecnología CDMA
síncrona por división en el tiempo; dicha especificación se denominó
“Release 4”.
Durante el 2002 se instaura el “Release 5”, agregado paquetes de datos a
los servicios UMTS, alcanzando una tasa transmisión de 14 Mbps, dicha
tecnología fue un hito para las operadoras, puesto que, lograron integrar
servicios de voz y datos dentro de la redes de telefonía móvil, siendo una
revolución dentro del mercado sumando, al ingreso teléfonos inteligentes o
“smartphones” y módems USB. Esta tecnología de optimización se conoció
como HSDPA o 3.5G, que para nuestro país no pasó inadvertido, de hecho,
Chile se convirtió en el primer país de Latinoamérica en emplearla en el año
2006.
En el lanzamiento del “Release 6” se establece una mejora con un enlace de
subida dedicado (E-DCH), pero manteniendo el fundamento de la
transmisión de paquetes de HSDPA, logrando en el UL una tasa de
transferencia máxima de 7.2 Mbps. Esta tecnología es conocida como
HSUPA y se relaciona como la generación 3.75G. Ya en Diciembre del 2007
se estable un nuevo estándar definido en el “Release 7”, esta tecnología se
llamó HSPA+ o HSPA Plus, otorgando velocidades de hasta 84 Mbps de
bajada y 22 Mbps de subida.
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Ya así en el “Release 8” aparece la tecnología LTE o Long Term Evolution
(Evolución a Largo Plazo), tema central de este trabajo. Esta especificación
se convierte en la evolución de UMTS (3G), para convertirse en la 4G,
siendo fundamental para el despliegue definitivo de internet móvil, gracias a
que su arquitectura “All IP”, que significa que la red soporta en un 100% el
protocolo IP. Sumado a que los “smartphones”, se están convirtiendo en
verdaderos computadores, capaces de acceder a los datos alojados en la
Internet, de esta manera, las operadoras deben preocuparse del QoS
(calidad de servicio) de los usuarios. El servicio de LTE es capaz de entregar
datos, especialmente servicios multimedia, soportando IP. Como también se
mejora las aplicaciones de datos avanzados de persona a persona o
también conocidos como Peer to Peer (P2P), con mayores y más simétricos
los ratios de datos, como por ejemplo la sincronización de e-mail en el móvil
o juegos en tiempo real con otro jugador.
3.1 Los ejes evolutivos
3.1.1 Necesidades de los clientes
Hoy en día Internet es un medio muy masivo, lo que en el futuro, los
abonados a los servicios de banda ancha, alcanzarán a 3400 millones en
2014 y alrededor del 80% de los usuarios, comenzarán a utilizar la banda
ancha móvil, como se muestra en la Gráfico 3.1. Los consumidores son
capaces de entender y apreciar los beneficios que entrega la banda ancha
móvil, uno de estos beneficios es la gran portabilidad que presenta el dicho
servicio, ya que, la mayoría de los usuarios, poseen teléfonos móviles con
acceso a internet móvil, como también tiene la ventaja de entregar servicios
a los notebooks a través de dispositivos USB.
Gráfico 3.1 Penetrabilidad de la banda ancha móvil con la banda ancha fija
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Haciendo énfasis en el tráfico de información, cuando se implementó la
tecnología HSPA, la experiencia de servicio o el QoE (Quality of Experience)
por parte del usuario, fue muy alta, por la excelente cobertura que entregaba
los operadores, sumado a la gran oferta de servicios y terminales móviles.
Así en Mayo de 2007, el tráfico de paquetes de datos tráfico superó el tráfico
de voz, creciendo en la demanda de manera exponencial, lo que a futuro, el
ancho de banda de las redes de HSPA no dará abasto para soportar la gran
demanda de datos con respecto a la voz.
Gráfico 3.2 Tráfico de datos vs tráfico de voz en una red HSPA
3.1.1 Necesidades de los operadores
Los operadores de los servicios móviles realizan negocios en un entorno
cada vez más competitivo, ya que, el mercado ofrece una gran cantidad de
proveedores como lo son, Ericsson, Nokia-Siemens, ZTE, Huawei, Motorola,
y la lista continua. Dentro de la gran competitividad, los operadores no sólo
compiten con otros operadores, sino también con nuevos actores y nuevos
modelos de negocio. Un ejemplo de esto sería el caso actual de Chile,
donde los operadores móviles como Entel, Movistar y Claro, compiten entre
ellos, en el 2012 se agrega al mercado el operador VTR/Nextel,
amenazando a las tres operadoras actuales; pero también se ha introducido
un nuevo modelo de negocio en el ámbito de las comunicaciones móviles,
que son las MVNO5 u Operadores Móviles Virtuales, como lo es GTD Móvil6.
5 Mobile Virtual Network Operator, a punta a una compañía que no posee una concesión de
espectro de frecuencia para ofrecer el servicio de telefonía móvil en una red propia, de modo que, sino que revende servicios de telefonía móvil bajo su propia marca usando la red de otra operadora de servicio móvil.
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Para las operadoras invertir en redes mucho más eficientes, es un gran
desafío para ellas por el alto costo capital y costo operacional, así las
operadoras buscan la formulación de estrategias de mercado y tecnológica,
junto a la eficiencia del espectro radioeléctrico, definidos por organismos de
estandarización y normalización. Para lograr el beneficio anhelado, las
operadoras establecen sinergias entre los proveedores e institutos de
investigación, En Chile se generó una sinergia entre la operadora (Entel),
proveedora (Ericsson) y Universidad (Facultad de Ciencias Físicas y
Matemáticas de la Universidad de Chile) en 2007 para la implementación de
un laboratorio 3G7. El programa de Redes de Próxima Generación Móvil
(NGMN), busca que la tecnología sucesora de HSPA o sea, 4G, debe
cumplir:
Eficiencia espectral y reutilización de los canales.
Entregar en los extremos de la red una mejor relación “costo-
eficiencia”, permitiendo una baja latencia en los servicios.
Mejor relación “costo-eficiencia”, dentro de la red, otorgando una
mejor calidad de servicio (QoS), movilidad y el roaming.
No debe interferir con las actuales redes de HSPA+.
Generar una concesión de licencias que lleva a una mayor
transparencia y previsibilidad del costo total de derechos de propiedad
intelectual para operadores, proveedores de infraestructura y el
dispositivo de fábrica.
Dentro de 4G existe una gran variedad de tecnologías que aspiran a
convertirse en la tecnología más ad-hoc a las necesidades de las
operadoras. Entre las tecnologías que están en el nicho de la cuarta
generación, se encuentra, WiMax, LTE, UMB. Pero por un tema se confianza
muchas operadoras a nivel mundial están aceptando oficialmente a LTE
como la tecnología que satisface las necesidades de las operadoras, como
lo muestra el Gráfico 3.3, donde cada año el consumo del volumen de IP por
parte de los usuarios, pero para las operadoras el uso de las redes HSPA+
implica un gran costo en la red; pero con la implementación de LTE, los
costos son bastante bajos a lo largo del tiempo y capaz de soportar el gran
volumen de tráfico IP.
6 Fuente http://w2.df.cl/grupo-gtd-lanzara-comercialmente-telefonia-movil-a-fines-de-este-
mes/prontus_df/2011-07-04/213843.html 7 http://boletin.ing.uchile.cl/~boletin/boletin/noticia.php%3Fid%3D9058
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Gráfico 3.3 Volumen de tráfico vs costos de la red
3.2 Revisión de tecnologías
3.2.1 UMTS/WCDMA
Es un estándar correspondiente a la tercera generación de tecnologías de la
telefonía móvil, en la cual, fue propuesto por la entidad 3GPP en el año
1999. WCDMA, es un acrónimo que significa, “Wide-band Code Division
Multiple Access” (Acceso Múltiple por División de Código de banda ancha),
la información que entrega el usuario es difundida a través de un ancho de
banda amplio, multiplexando una unidad básica de información o chips8
derivados de los “spreading codes” de CDMA con la finalidad de soportar
una alta tasa de transmisión máxima de 2Mbps. El uso de esta interfaz aérea
permite que la información fluya a 3.84 Mega chips por segundo, llevando el
ancho de banda de la portadora a un valor aproximado a los 5MHz. Los
chips puede ser divididos dentro de 10 ms tramas de radio, cada una de
estas pueden ser divididas dentro de 15 slots o espacios de 2560 chips,
como lo muestra la Ilustración 3.1. Los bits de los diferentes canales son
codificadas por cada número variable de chips.
8 Dentro del estándar W-CDMA, chips se refiere a la unidad básica de información, en
donde, cada chip depende del canal
27
Ilustración 3.1 Relación de las tramas de radio con los chips en WCDMA
De esta manera WCDMA, permite entregar ciertos beneficios en cuanto al
rendimiento de la red de la telefonía móvil, así el operador de la red (telco)
puede implementar múltiples portadoras para aumentar la capacidad de la
información que entregan los usuarios, como también, el uso de antenas
adaptativas y la aplicación de detección de multiusuario, permitiendo
englobar un nuevo concepto en 3G llamado “conceptos receptor”. Esta idea
de concepto receptor era imposible establecerla en la segunda generación
(2G) o sólo se puede aplicar bajo restricciones severas a incrementos
limitados en el desempeño. Lo que a futuro permitió el desarrollo de 3G, en
una arquitectura mucho más robusta, denominada RAN9, permitiendo
controlar el tráfico de los usuarios a través de la conmutación de paquetes.
3.2.1.1 Funcionamiento de WCDMA
La tecnología WCDMA trabaja con dos tipos de tecnologías de Existen dos
modos de funcionamiento para WCDMA en UMTS, uno es el Frequency
Division Duplex (FDD) y el Time Division Duplex (TDD). Las características
de cada uno de ellos son Modo FDD. Cada transmisión se identifica por la
portadora y por el código seudo aleatorio WCDMA. Se utiliza una portadora
diferente para cada enlace, el UL y el DL, dentro de una banda „apareada‟.
Modo TDD. Cada transmisión se identifica por la frecuencia de la portadora,
el código WCDMA y uno de los 15 intervalos de tiempo de la trama TDMA
(Time Division Multiple Access). Se utiliza una misma portadora para ambos
enlaces, tanto ascendente como descendente, dentro de la banda
“desapareada”. Los intervalos de tiempo pueden ser repartidos de forma
9 Acrónimo, que significa Radio Access Network, esto forma parte de los operadores o de la
telco, compuesta por la estación de radio base (RBS) y el control de nodo (RNC)
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dinámica entre el enlace descendente y el ascendente. Este modo es idóneo
para aplicaciones de tráfico asimétrico como puede ser el acceso a Internet.
3.2.1.2 Arquitectura de la red WCDMA
Dicha arquitectura está basada en las dos tecnologías anteriores, que son,
principalmente GSM y en una menor esencia GRPS, de esta manera, los
operadores tienen la ventaja ahorrar el costo de implementar una nueva
topología, ya que, es una evolución de 2G logrando la interoperabilidad entre
las dos tecnologías y toda la capa física, según el modelo OSI, no requiere
un mayor cambio de hardware, entregándole una gran flexibilidad de
servicios, permitiendo al usuario acceder a datos o voz, en una determinada
zona o celda.
Ilustración 3.2 Arquitectura de la red WCDMA
Esta red de acceso, está compuesta por las estaciones base, el nombre que
se le entrega en 3G es RBS (Radio Base Station) o nodoB.
3.2.2 HSDPA
La red HSDPA o conocida como, High Speed Dowmlink Packet Access,
corresponde al Release 5 de 3GPP, que permite establecerse como la
evolución de la tecnología WCDMA, anteriormente descrita. La cualidad que
presenta HSDPA, es la mejora en el enlace descendente, permitiendo
entregar una máxima tasa de transmisión de 14 Mbps, de manera teórica.
Pero a nivel de operadoras, la velocidad máxima alcanza fue entre 2 a 4
29
Mbps, es importante agregar que HSDPA, solo contempla mejoras a nivel de
DL.
3.2.2.1 Características principales de HSDPA
La característica principal que tiene HSDPA, es la capacidad de trabajar en
base a la adaptación del enlace o también conocido como modulación
adaptativa. Aquella técnica permite adaptar una velocidad de transmisión a
las condiciones del canal, tomando como criterio, el tipo de modulación y
codificación a emplear.
La técnica de modulación que utiliza es QPSK y 16QAM, esto implica que
puede transmitir de a dos bits por símbolo a cuatro bits por símbolo, este
aumento de bits por símbolo, permite entregar una menor inmunidad al
ruido.
3.2.2.2 Arquitectura de HSDPA
La arquitectura que rige en esta tecnología, es la misma en donde
convergen dos redes de acceso, GERAN (GRPS/EDGE) y UMTS (WCDMA).
Para HSPDA, la red de acceso se denomina UTRAN.
Ilustración 3.3 Arquitectura en la red HSDPA
3.2.3 HSPA+
La tecnología HSPA+ o también conocida como HSPA Pluss, se basa en
una sinergia entre HSDPA y HSUPA, permitiendo mejorar el servicio entre el
DL y UL, además está pensado para coexistir con las redes de LTE,
mediante la actualización se software o hardware dentro de la RBS o NodoB
y de la RNC, como se muestra en la Ilustración 3.4
30
Ilustración 3.4 Actualización de SW y HW en HSPA+
31
Capítulo IV: Long Term Evolution (LTE)
4. Contexto de LTE
Con el fin de desarrollar mejores capacidades en la transmisión de paquetes
en las redes WCDMA/HSPA, 3GPP se encargó de gestionar una evolución,
que pudiera mejorar la tecnología de acceso de radio, la cual, se denominó
Long Term Evolution o Evolución a Largo Plazo (LTE). Para ello, el núcleo
de la red o Core, también va a evolucionar, dicha mejora se conoce como
Sistema de Evolución de la arquitectura (SAE). Estos nuevos requisitos son
definidos por la versión 8 del 3GPP. Las redes de próxima generación (NGN)
se están configurando hacia el concepto de una red “All-IP”, LTE y SAE
apoyará el uso de las NGN “IP Multimedia Subsystem” (IMS).
LTE, es conocido como una de las tecnologías que se encuentra en la cuarta
generación o 4G, cuya finalidad es entregar grandes velocidades máximas
de hasta 100 Mbps en el descendente y 50 Mbps en el canal ascendente.
Por lo que estudiamos en el capítulo 3, todas las tecnologías apuntan a un
mismo objetivo en común, aumentar la eficiencia espectral, con un ancho de
banda (BW) más amplio para lograr las máximas velocidades en un usuario.
Para que LTE consiga una mejor eficiencia espectral, debe recurrir al uso de
esquemas de modulación de orden superior y junto con la tecnología de
múltiples antenas o MIMO.
La comercialización de LTE comenzó en diciembre de 2009 con el
lanzamiento de redes en dos ciudades escandinavas, incluyendo los costos
de despliegue y puesta en marcha del servicio de Internet móvil. Dentro de
los costos asociados a la implementación, incluyendo la migración de las
redes UMTS a los nuevos requerimientos, puesto que los cambios son a
nivel del nucleo o “Core”.
LTE, por ser una evolución de las tecnologías en GSM, es capaz de utilizar
algunas de las características de HSPA, específicamente a lo que le
concierne sobre planificación de algoritmos, canales de datos compartidos,
HARQ, entre otras funciones. De esta manera LTE presenta ciertos
objetivos, que desembocaron en la creación de su respectiva
estandarización, en distintas categorías, tales como:
Requisitos de Velocidad de datos. La bajada y subida de datos pico
requerimientos de velocidad son de 100 Mbps y 50 Mbps,
respectivamente. Esto es suponiendo un ancho de banda de 20 MHz
de espectro.
Soporte para sistemas FDD y TDD.
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Apoyo a la movilidad.
Reducción de la latencia.
La experiencia de usuario mejorada.
Convivencia con el legado de los sistemas de 3GPP.
El despliegue flexible del espectro utilizando diversas configuraciones
de BW.
El despliegue flexible del espectro utilizando una variedad de
frecuencias bandas.
Mejora de la cobertura.
Aumento de la seguridad.
Aumento de la capacidad del sistema.
4.1 Arquitectura general de LTE
La arquitectura de red en LTE se basa en una serie de características
requeridas, que se descomponen en elementos funcionales específicos en
las aplicaciones de las entidades de la red física. Esta es la razón por la que
3GPP especifica un Núcleo Paquete Evolucionado o Evolved Packet Core
(EPC), que es la arquitectura de red para apoyar la E-UTRAN, a través de
una reducción en el número de elementos de red, permitiendo una
funcionalidad más simple, también se le agrega una mayor redundancia,
sobre todo, teniendo en cuenta las conexiones a la línea fija y otras
tecnologías de acceso inalámbrico, lo que las operadoras, tendrán la
capacidad de ofrecer una mejor experiencia de movilidad en la red.
33
Ilustración 4.1 Arquitectura de la red LTE
Cada uno de los elementos correspondientes a la arquitectura ha sido
pensado para mantener una gran cantidad servicios, principalmente datos,
utilizando la conmutación de paquetes, recordando que las redes de LTE,
trabajan bajo el concepto “All-IP” o “Todo-IP”, De esta manera, toda la
infraestructura de una red LTE, incluyendo la red toncal EPC y la red de
acceso E-UTRAN, se pueden encontrar con elementos propios de las redes
IP, tales como, routers, servidores DHCP (Dynamic Host Configuration
Protocol) para la configuración automática de las direcciones IP de los
equipos de la red LTE y servidores DNS (Domain Name Server) para asociar
los nombres de los equipos con sus direcciones IP.
Es necesario agregar que la arquitectura LTE, también es capaz de dar los
ajustes necesarios para la entrega de la calidad de servicios (QoS), así las
operadoras son capaces de entregar servicios a la necesidad de los
usuarios. Además todas las transmisiones de datos que realiza LTE entre
UE y una red externa se denominan, Servicio de Portadora EPS (EPS
Bearer Service), en contraste, a la transmisión de datos otorgada por la red
de acceso E-UTRAN se denomina E-UTRAN Radio Access Bearer (ERAB).
Si observamos la Ilustración 4.1, podemos apreciar otras dos arquitecturas,
la red de acceso E-UTRAN y la red troncal EPC, que al establecer una
sinergia entre estas dos arquitecturas, se encargan de la entrega de los
paquetes IP entre los dispositivos móviles (UE) y las redes externas como la
34
“Packet Data Network” o también con la red PSTN, cada una de estas
arquitecturas serán definidas en el capítulo 4.1.1.1 y 4.1.2. Los elementos a
modo general que integra la arquitectura de una red LTE son:
UE, el terminal móvil, esta puede ser un celular o un modem USB
eNodoB, el eNodoB (estación base en LTE), comienza como punto de
contacto para la UE y termina en la interfaz de aire. Estableciendo un
nodo lógico en el E-UTRAN, lo que incluye algunas de las funciones
previamente definidas en la “Convención Nacional Republicana de la
UTRAN”, como portador de radio gestión, enlace ascendente y
descendente de radio dinámico de gestión de recursos y datos de
paquetes de programación y gestión de la movilidad.
Mobility Management Entity (MME), permite gestionar la movilidad
aspectos en materia de acceso a los servidores de la 3GPP, como la
selección de puerta de enlace y seguimiento de la gestión de área de
la lista.
Servering GateWay (S-GW), es el punto de anclaje de la movilidad
local para la entrega de datos entre varios eNodoB y también
proporciona un la movilidad entre los servidores 3GPP. También tiene
la responsabilidad, de cobrar y algunas la aplicaciones de políticas de
servicio. El S-GW y la MME pueden ser implementado en un nodo
físico o por nodos físicos separados.
Packet Data Network Gateway (P-GW), La GW PDN termina la SGI
interfaz hacia la red de paquetes de datos (PDN). Que las rutas de los
paquetes de datos entre el CPE y la PDN externa, y es el nodo clave
para la aplicación de políticas y la carga de recopilación de datos.
También proporciona el punto de anclaje para la movilidad con no
3GPP accesos. El PDN externa puede ser cualquier tipo de red IP, así
como el IP Multimedia Subsystem (IMS) de dominio. El PDN-GW y el
S-GW puede ser implementado en un nodo físico o por nodos físicos
separados.
Interfaz de S1, es la interfaz que separa los E-UTRAN y el EPC. Se
divide en dos partes, el S1-U, que lleva los datos de tráfico entre el
eNodoB y el P-GW. La S1-MME, que es una interfaz de señalización
de sólo entre los eNodoB y el MME.
Interfaz de X2, es la interfaz entre eNodoB, que consiste en dos
partes: la X2-C es la interfaz entre el plano de control y el eNodoB. La
X2-U es la interfaz entre el plano de usuario y el eNodoB. También
existe una interfaz entre el X2 eNode-B que necesitan comunicarse
entre sí.
35
4.1.1 Arquitectura E-UTRAN y EPC
4.1.1.1 Arquitectura de la red de acceso E-UTRAN
La definición a grandes rasgos de E-UTRAN, se remonta en los sistemas
3G, donde UTRAN, correspondía a la UE, que podía acceder al núcleo de
red, mediante el uso de determinadas interfaces, de esta manera, LTE utiliza
el mismo criterio, pero está tiene un carácter evolutivo, ya que, en 3G la red
de acceso estaba compuesta por la estación base (RBS o nodoB) y con los
equipos controladores, como el RNC. En cambió en LTE, existe un único
elemento, el eNodoB, siendo una evolución que permitió integrar dos
elementos que se encontraban separado físicamente, de ahí viene el
nombre, Evolve-UTRAN o simplemente E-UTRAN. La organización 3GPP,
definió la arquitectura detalladamente en la especificación TS 36.300 y TS
36.401.
Como se mencionó anteriormente la red de acceso está compuesta por un
solo elemento activo, que es el “evolved-NodoB”, que cumple con la
finalidad, de entregar la conectividad entre la UE junto la red troncal EPC. El
eNodoB, puede comunicarse con el resto red LTE mediante tres interfaces,
la interfaz de radio, S1 y X2, como se muestra en la Ilustración 4.2.
Ilustración 4.2 Arquitectura E-UTRAN
Según TR 25.912 de 3GPP, menciona “el eNBs están interconectados entre
sí por medio de las interfaces de X2. Se supone que siempre existe una
interfaz entre el X2 eNBs que necesitan comunicarse entre sí, por ejemplo,
para el apoyo de la entrega de UEs en LTE_ACTIVE. Los eNBs también
están conectados por medio de la interfaz S1 de la EPC (Evolved Packet
36
Core). La interfaz S1 es compatible con una relación de muchos a muchos
entre aGWs y eNBs”
La función clave de un eNodoB, consiste en la gestión de los recursos radio,
como también las funciones de control de admisión de los servicios
portadores radio, control de movilidad (realizar un handover), asignación
dinámica de los recursos radio tanto en el enlace ascendente como
descendente (funciones de scheduling o programación), control de
interferencias entre estaciones base, control de la realización y del envío de
medidas desde los equipos de usuario que puedan ser útiles en la gestión de
recursos.
4.1.1.1.1 Interfaz de radio
La función que entrega la interfaz radio, es definir los mecanismos de
transferencia de información, dichos mecanismos están fundamentados en
la difusión de señalización de control, envío de paquetes IP y transferencia
de señalización de control entre un UE y el eNodoB, como se puede apreciar
en la Ilustración 4.3.
Ilustración 4.3 Mecanismos de la interfaz aérea para transmitir datos
El concepto de Difusión de Señalización de Control, permite que el eNodoB
envíe un aviso a todas las UE contenidas en la celda, indicando la presencia
del eNodoB junto con los requerimientos de operación de la red. Además
presenta la función de forzar una determinada UE a que no tenga una
conexión de control establecida con el eNodoB, inicie un acceso a la red
(función de aviso o paging). La información difundida, puede corresponder
tanto a información específica de la red de acceso (denominada información
37
del Access Stratum, AS) como de la red troncal (denominada información del
Non Access Stratum, NAS).
Otro mecanismo, es el envío de paquetes IP de los usuarios a través del
canal radio y aquí hay que ser enfático, la arquitectura de LTE soporta
exclusivamente paquetes IP, de esta manera no admite, paquetes X.25,
paquetes Frame Relay, tramas Ethernet, entre otras. Con ayuda de ciertos
protocolos, permiten la eficiencia y optimización del envío de tráfico IP a
través de la interfaz radio, los servicios portadores albergan funciones como
la compresión de cabeceras de los paquetes IP que permiten reducir el
número de bytes enviados por la interfaz radio, los headers IP
pertenecientes a un mismo tipo de tráfico contienen un gran número de
parámetros idénticos, tales como, direcciones origen y destino, por lo que no
resulta necesario enviar todos los bytes del header IP en cada uno de los
paquetes.
Por último la señalización de control dedicada entre el eNodoB y un equipo
de usuario, se inicia con una conexión de control, que es soportada
mediante el protocolo Radio Resource Control (RRC). Aquel protocolo,
permite se gestionan, además del establecimiento, modificación y liberación
de los servicios portadores radio entre el eNodoB y el equipo de usuario,
otros mecanismos claves para la gestión eficiente de los recursos radio.
Entre dichos mecanismos cabe citar el control y envío de medidas radio
desde los terminales hacía el eNodoB y el mecanismo de handover, que
permite que un equipo de usuario cambie de celda manteniendo activos
tanto la conexión de control como los posibles servicios portadores radio que
esté utilizando.
Es importante destacar el funcionamiento óptimo de la interfaz de radio, se
adquiere mediante el uso de ciertos protocolos que designan la calidad de
servicio hacia los usuarios. Dichos protocolos de la interfaz de radio serán
descritos en el capítulo 4.2 Protocolos en la red LTE.
4.1.1.1.2 Interfaz S1
Para poder a empezar a definir la interfaz S1, debemos comprender que
esta interfaz, se encuentra divida por el User Plane o Plano de Usuario y el
Control Plane o Plano Control, para ello, debemos prestar atención en la
Ilustración 4.4, toda la trasferencia de datos que ocurre entre el eNB y
Serving Gateway (S-GW), se le denomina Plano de Usuario, puesto que,
toda la información es transmitida por el usuario, a esta interfaz de le llama
S1-U. En cambio el Plano de Control, se le atribuye a la comunicación
existente con el eNB y el Mobility Management Entity (MME), asignándole
38
las funciones de control, como por ejemplo, la ejecución del handover,
establecimiento de las señales, paging, entre otras funciones, para esta
interfaz se denomina S1-C o S1-MME
Ilustración 4.4 Red de acceso E-UTRAN
Exponer sobre las cualidades que presenta la interfaz S1-U, solo se puede
mencionar que no realiza actividades de control o control de flujo, por lo
tanto, solo permite construir los servicios portadores de radio, enviando
tráfico IP. Esto ocurre porque se encuentra influenciado por la presencia del
protocolo UDP, ya que, este es un protocolo sencillo a nivel de capa de
transporte fundamentado en el modelo OSI.
Para la interfaz S1-C, el MME juega un papel muy importante, ya que,
permite realizar el control en la red troncal, teniendo la capacidad de
establecimiento, modificación y liberación de recursos de los servicios
portadores en la interfaz radio y en la interfaz S1. Por ello, el eNB y la UE no
puede iniciar por su cuenta el establecimiento de un servicio portador radio.
39
Ilustración 4.5 Control de establecimiento de los servicios portadores
También destaca la cualidad de establecer las reglas de handover entre los
eNodoB. Para poder entender dicha cualidad debemos ponernos en el caso
de que la red E-UTRAN decida que una UE debe cambiar de eNodoB en el
transcurso de una conexión, y no existe una interfaz X2 (revisar en el
capítulo 4.1.1.1.3 Interfaz X2) entre los dos eNodoB involucrados, la interfaz
S1-MME se encarga de generar el handover. De esta forma, a través de la
interfaz S1-MME, la entidad MME puede establecer un nuevo contexto en el
eNodoB destino asociado al UE que va a realizar el cambio con toda la
información relativa a la configuración de los servicios portadores que tiene
establecidos el usuario así como las claves de seguridad.
Por último el Paging, que en palabras sencillas es un procedimiento de
aviso, que utiliza la MME para establecer la localización de los equipos de
usuario en la red. La gestión de localización permite conocer con cierta
resolución en qué eNodoB o conjunto de eNodoB (denominados áreas de
seguimiento o Tracking areas) puede ser localizado un usuario que se
encuentre en modo idle, es decir, que no tenga establecida una conexión de
control RRC con ningún eNodoB. Por ello, cuan do el MME quiere forzar que
un usuario en modo Idle pase a modo activo, a través de la interfaz S1-MME
se ordena la ejecución del mecanismo de aviso en todos los posibles
eNodoB en los que espera encontrar al terminal. El tema del handover se
tomará a cabalidad en el capítulo 4.3.1, puesto que, compone una alta
complejidad.
40
4.1.1.1.3 Interfaz X2
La Interfaz X2, corresponde al Plano de Usuario, entregando la transmisión
de datos, entre las partes del usuario y el eNodoB, muy similar a los
servicios de la Interfaz S1, pero con la particularidad, de entregar los datos
no orientados a la conexión (Best Effort) ni la presencia de mecanismos de
control de errores y de control de flujo. La transferencia de los datos de
usuario entre el eNodoB se realiza únicamente durante los procedimientos
de handover en los que los paquetes de usuario almacenados en el eNodoB
antiguo se transfieren al eNodoB nuevo. De esta forma, el cambio de
eNodoB asociado a un procedimiento de handover puede resultar más
transparente al usuario ya que se reduce la posible pérdida de paquetes
durante el proceso.
Nótese que, sobre todo en servicios de datos, el eNodoB antiguo podría
tener acumulados en su buffer de transmisión paquetes IP del usuario en el
momento del cambio. Dichos paquetes, cuando el usuario deja de estar
accesible a través del eNodoB antiguo, podrían simplemente descartarse,
generando retardo y una posible reducción en la tasa de transferencia del
servicio asociado, ya que. la recuperación de dicha información recaería en
la operación de las capas superiores (protocolo TCP en la capa de
transporte). En cambio, si la propia red es capaz de transferir los paquetes
IP del eNodoB antiguo al eNodoB nuevo, el impacto en el servicio puede
reducirse notablemente. Respecto al plano de control, entre las funciones y
procedimientos soportados en la interfaz X2 destacan:
• Soporte del mecanismo de handover entre eNodoB. En concreto, a través
del plano de control se realiza la transferencia del contexto de un usuario del
eNB antiguo al nuevo y se controla el mecanismo de transferencia de
paquetes IP en el plano de usuario de X2. El contexto de usuario contiene
información relativa a los servicios portadores radio que tiene establecidos el
usuario, claves de seguridad así como los datos sobre las capacidades del
terminal.
• Indicación del estado de carga del eNodoB. A través de dicha interfaz,
eNodoB que tengan celdas vecinas pueden transferirse información para
llevar a cabo funciones de gestión de recursos radio como la coordinación de
interferencias entre celdas que operen en el mismo canal.
41
4.1.2 Arquitectura de la red troncal EPC
La red troncal EPC, es un gran núcleo, que tiene como objetivo proporcionar
el soporte y la utilización de los servicios IP, entregando la conectividad
mediante una arquitectura de red optimizada, capaz de interactuar de la
mejor manera con la red de acceso E-UTRAN, junto con la ayuda de otras
interfaces, logrando realizar funciones de control del servicio de
conectividad, tal como, la calidad de servicio y de los métodos de tarificación
hacia el cliente. Como también es la encargada de mantener el acceso a las
otras redes de acceso como GERAN y UTRAN (redes de accesos de 2G y
3G respectivamente).
En cuanto a los componentes que integra la red troncal EPC, está formada
por tres elementos de red, que son:
Mobility Management Entity (MME).
Serving Gateway (S-GW).
Packet Data Network Gateway (P-GW).
Cada uno de estos tres elementos de red, se acoplan directamente con el
Home Subscriber Server (HSS), que es una base de datos de la 3GPP. Tal
como en la arquitectura E-UTRAN, EPC, también posee interfaces que
permiten interconectar y entregar servicios dentro de toda la red de telefonía
móvil.
Ilustración 4.6 Arquitectura EPC
42
4.2 Protocolos en la red LTE
Dentro del mundo de las telecomunicaciones, muchos sistemas de
transmisión se encuentran definidos por un stack o una suite de protocolos,
como por ejemplo TCP/IP. La tecnología de la interfaz aérea de LTE,
también se encuentra definida por una pila de protocolos, sobre
determinadas capas, de las cuales, las podemos diferenciarlas en el Control
Plane o Plano de Control y por el User Plane o Plano de Usuario.
4.2.1 Stacks del protocolo en el plano de usuario de LTE
Protocolo entre la UE y la P-GW en E-UTRAN
Aquí podemos observar una gran cantidad de protocolos, que permiten el
funcionamiento óptimo de la red LTE. El GPRS Tunneling Protocol for the
user plane o GTP-U, corresponde a un protocolo de túneles de datos de
usuario entre eNodoB y el S-GW, así como también entre la S-GW y la P-
GW en la red troncal. Además el protocolo GTP, permite encapsular todos
los paquetes IP del usuario final.
Los controles de la MME del plano de usuario establecimiento del túnel,
permite establecer los servicios de portadoras del plano usuario entre
eNodoB y S-GW. El protocolo UDP/IP, son los protocolos de red troncal
utilizados para encaminar los datos del usuario, junto con el control de
señalización.
Cabe mencionar que el LTE-UU, corresponde al conjunto de los protocolos
de la E-UTRAN, que interactúan entre la UE y eNodoB y dichos se
especifican en el TS 36.300.
Esquema 4.1 Protocolo entre la UE y la P-GW en E-UTRAN
43
Protocolos entre el eNodoB y S-GW
Esquema 4.2 Stacks de protocolos entre el eNodoB y la S-GW
Protocolos entre la UE y la PDN-GW en el plano de usuario, con
acceso 2G por la interfaz S-4
Esquema 4.3 Stacks de protocolos con acceso 2G por la interfaz S-4
44
Protocolos entre la UE y la PDN-GW en el plano de usuario, con
acceso 3G por la interfaz S-12
Esquema 4.4 Stacks de protocolos con acceso 3G por la interfaz S-12
Protocolos entre la UE y la PDN-GW en el plano de usuario, con
acceso 3G por la interface S-4
Esquema 4.5 Stacks de protocolos con acceso 3G por la interfaz S-4
4.2.2 Stacks del protocolo en el plano de control de LTE
Protocolos entre el eNodoB y MME
Dentro de los protocolos del plano de control entre el eNodoB y la MME, se
encuentra el S1 Application Protocol (S1-AP), que es protocolo de capa de
aplicación entre el eNodoB y el MME. También se encuentra el protocolo
SCTP, que permite garantizar la entrega de mensajes de señalización entre
MME y eNodoB (S1), aquel protocolo se estableció en el RFC 2960.
45
Esquema 4.6 Stack de protocolos entre el eNodoB y MME
Protocolos entre la UE y MME
El protocolo NAS, es compatible con la funcionalidad de gestión de la
movilidad y el plano del usuario portador de la activación, desactivación y
modificación. También es responsable de cifrado y protección de la
integridad de los NAS de señalización.
Esquema 4.7 Stacks de protocolos entre la UE y MME
46
Protocolos entre SGSN y la MME
El GPRS Tunneling Protocol for the control plane (GTP-C), el funcionamiento
es similar al GTP-U, pero la diferencia, es la señalización de los mensajes
entre SGSN y el MME (S3).
Esquema 4.8 Stack de protocolos entre la UE y MME
Protocolos entre SGSN y S-GW
Esquema 4.9 Stacks de protocolos entre SGSN y S-GW
47
Protocolos entre la S-GW y P-GW
Los protocolos que se comunican entre la S-GW y la P-GW, lo puede hacer
mediante las interfaces S-5 o S-8.
Esquema 4.10 Stacks de protocolos entre S-GW y P-GW
Protocolos entre la MME y MME
Esquema 4.11 Stacks de protocolos entre la MME y MME
48
Protocolos entre la MME y S-GW
Esquema 4.12 Stacks de protocolos la MME y S-GW
Protocolos entre MME y HSS
El protocolo Diámetro, permite la transferencia de datos de suscripción y
autenticación para la autorización del usuario para el acceso usuario al
sistema evolucionado entre MME y HSS (S6A). El protocolo Diámetro se
definió en el RFC 3588.
Esquema 4.13 Stacks de protocolos entre la MME y HSS
4.3 Movilidad en LTE
Para cualquier sistema telefónico móvil, entiéndase cualquier tecnología, la
movilidad corresponde a un factor clave, como requerimiento de la red,
específicamente en el QoS, entregando una alta complejidad en su
planificación. Como toda característica de LTE, esta también se encuentra
fundamentada por la 3GPP, en el cual, define un marco de apoyo a la
49
gestión de la movilidad incluyendo la gestión de entrega (handover) y la
localización.
Cuando nos referimos a la gestión de entrega, los usuarios se encuentran
conectados al sistema a través de una determinado eNodoB, irradiando una
zona específica (celda), pero muchas veces los usuarios no se encuentran
detenidos en una celda. De esta forma la red debe capaz de mantener todas
conexiones activas, aun cuando el dispositivo móvil se encuentre en
movimiento y deba cambiar de celda, sin perder el servicio al momento de
generar este cambio.
En cuanto a la localización, es un método de seguimiento que le permite a la
red encontrar una UE dentro de la zona de cobertura entregada por una
estación base. El mecanismo utilizado para entregar envío de avisos
(paging) a las UE de manera selectiva donde existan estaciones bases
capaces de manera probabilística encontrar a un usuario.
Esquema 4.14 Funcionamiento de la conectividad en LTE
Desde la perspectiva de la movilidad, la UE puede estar en uno de los tres
estados, LTE_ DETACHED, LTE_IDLE, y LTE_ACTIVE como se muestra en
Esquema 4.14. Estado LTE_DETACHED es normalmente un estado
transitorio en el que la UE está activada, pero está en el proceso de
búsqueda y registro de con la red. En el estado LTE_ACTIVE, la UE está
registrada en la red y tiene una conexión RRC con el eNodoB, así la red
conoce la celda a la que pertenece la UE y puede transmitir y/o recibir datos
desde el mismo equipo. El estado LTE_IDLE es un estado “stand-by” para la
UE, donde normalmente la UE no está transmitiendo o recibiendo datos.
Además en este estado, la ubicación de la UE sólo se conoce en el MME y
50
sólo en el nivel de detalle de un área de seguimiento (TA), que consiste en
eNBs múltiples. El MME conoce la asistencia técnica en la que la UE registró
por última vez y el paging es necesario localizar la UE a una celda.
4.3.1 Gestión de handover
En este capítulo hablar de manera general sobre el handover, no es
necesario, ya que, se realizó una revisión completa en el capítulo 1, la
función que cumple en el LTE es mantener la conexión de tráfico para el
movimiento de una UE, en presencia de la función de transferencia. Aquel
concepto de función de transferencia funciona cuando la UE se mueve
desde el área de cobertura de una celda a otra, se debe generar una nueva
conexión con la nueva celda, una vez que la conexión se ha establecida con
la nueva celda, la celda antigua es liberada. En general, la función de
transferencia se desglosa en tres etapas o fases principales, Fase de
Medición, Fase de Decisión y Fase de Ejecución, tal como se muestra en el
Esquema 4.15.
Esquema 4.15 Fases de función de transferencia
En la Fase de medición cobra un papel fundamental, si lo miramos del punto
de vista de rendimiento, porque la intensidad de la señal del canal de radio
puede variar drásticamente debido a los fenómenos de “fading” y la perdida
de trayectoria, entre el entorno de la celda y la movilidad del usuario, a esto
se le llama, criterio de medición. Dentro de este mismo enfoque sobre el
rendimiento, puede ser una ejecución de un exceso de informes de
medición de la UE o la llegada de una señalización por la red lo que
aumenta.
51
La fase de decisión está sujeta a múltiples parámetros, tales como el ancho
de banda, delay, jitter, potencia de transmisión, el estado actual de la batería
del celular, y las preferencias del usuario (en que red le acomoda el
servicio). Durante la fase de ejecución de la entrega, conexiones deben ser
re-enviadas desde la red ya existente hacia la nueva red de manera sencilla
(sin excesos de protocolos). Esta fase también incluye la autenticación y
autorización y la transferencia de información del usuario.
4.3.1.1 Ejecución de handover
El mecanismo de handover especificado en LTE se controla desde la red (la
red decide el cambio de estación base) teniendo en cuenta medidas
enviadas desde los equipos de usuario (handover controlado por la red y
asistido por el terminal). Concretamente, la decisión de llevar a cabo un
cambio de eNodoB de un terminal en modo conectado, la toma el propio
eNodoB con el que el equipo de usuario mantiene una conexión RRC activa.
El control del mecanismo de handover, se establece en base a criterios y
algoritmos de decisión, atendiendo a que la función que controla las
decisiones de handover constituye una de las funciones clave para la gestión
eficiente de los recursos radio en E-UTRAN.
Una vez tomada la decisión sobre la necesidad de realizar un handover, la
propia red se encarga de reservar los recursos necesarios en el eNodoB
destino, para reducir el tiempo de interrupción (durante este tiempo de
preparación el terminal sigue conectado al eNodoB antiguo) así como el
número de intentos de handover fallidos. Una vez la red garantiza, que el
terminal puede ser traspasado al nuevo eNodoB, la red ordena al terminal
que ejecute el cambio. Este planteamiento se conoce popularmente como
“Make Before Break”, en contraposición a otro planteamiento denominado
“Break Before Make” donde el terminal realizaría el cambio de eNodoB sin
haberse efectuado ninguna reserva de recursos en el eNodoB de destino.
Durante la realización del proceso de handover, la propia red dispone de
mecanismos para transferir los paquetes del usuario pendientes de
transmisión en el viejo eNodoB hacia el eNodoB destino, mediante la
utilización de la interfaz X2. Este planteamiento permite reducir el número de
paquetes perdidos durante la ejecución de un handover.
52
4.3.1.2 Handover intra-LTE
El handover entre eNodoB conectados mediante una interfaz X2,
estableciendo un plano de usuario entre eNodoB para el envío de datos
durante el proceso de handover. Además, a través de X2, la señalización del
procedimiento así como la transferencia del contexto de datos asociado al
equipo terminal puede llevarse a cabo directamente entre el eNodoB, sin
pasar por el nodo MME de la red troncal.
También se puede dar el caso de un handover entre eNodoB que no
disponen de la interfaz X2. En este caso, no es posible el envío de paquetes
de usuario entre los eNodoB y la señalización de handover debe articularse
necesariamente a través de la entidad MME.
En el último caso de handover, es el handover entre eNodoB, soporten o no
soporten la interfaz X2, que requiera la reubicación de alguno de los nodos
de la troncal EPC. En este caso, el cambio de eNodoB podría conllevar el
cambio de la pasarela S-GW a través de la cual está establecido el plano de
usuario o bien del nodo MME que termina el plano de control con el equipo
de usuario. El caso más complejo sería el de un handover donde se
cambiaran ambos, S-GW y MME.
4.3.1.3 Handover con soporte de la interfaz X2
Este procedimiento es utilizado para transferir la conexión de un equipo de
usuario entre dos eNodoB que se encuentren conectados entre ellos
mediante una interfaz X2. El procedimiento se muestra en la Ilustración 4.7,
para el caso en que las entidades de la red troncal MME y S-GW no cambian
en el proceso. El punto de partida del procedimiento representado es el de
un terminal UE que mantiene una conexión RRC (el terminal se encuentra
en modo RRC_CONNECTED, y por extensión, en modo ECM-Connected)
con el eNodoB de origen y tiene activado uno o varios servicios portadores
EPS con la red LTE.
53
Ilustración 4.7 Procedimiento de handover basado en X2
4.3.1.4 Handover sin soporte de la interfaz X2
Este procedimiento de handover, denominado como handover basado en
S1, se utiliza en caso de que las estaciones bases de origen y destino no
estén conectadas mediante una interfaz X2. La Ilustración 4.8 muestra la
operativa de este procedimiento en el mismo escenario planteado para el
análisis del handover basado en X2. Para poder facilitar la comparación de
ambos procedimientos, los mensajes nuevos necesarios en el handover
basado en S1 se resaltan en color rojo en la Ilustración 4.8.
54
Ilustración 4.8 Procedimiento de handover no basado en X2
55
Capítulo V: Red de transporte
En este capítulo, se conocerá las características de una red backhaul o red
de transporte, la que tiene como objetivo, facilitar el transporte para una red
de acceso de radio móvil (RAN) y permitiendo conectar las estaciones bases
con sus correspondientes controladores. El término de controladores, se
utiliza en el contexto de la EPC (Evolved Packet Core), incluyendo MME y
S/P-GW. En esencia, una red típica construida para backhaul, se compone
de tres ejes: Core, Aggregation y Access, como se muestra en la Ilustración
5.1. Los límites del dominio son en su mayoría, definidas por la tecnología y
la topología utilizada en la red y los nodos de la radio desplegados.
La red de acceso proporciona la conectividad a la BS en los sitios, con una
determinada celda, basados en una topología de tipo árbol o cadena,
estructuradas con enlaces de radio, pero así también se emplean enlaces
fibra y pares de cobre.
A partir de la red de agregación (Aggregation), se utiliza muy a menudo la
topología de anillo y de malla, empleando la fibra óptica. La red de
agregación termina, normalmente, en el área de control. Los sitios de control
se conectan a los otros sitios del controlador, en cambio, la red del núcleo,
corresponde a la red principal, que es casi en todos los casos una red de
conmutación de paquetes IP/MPLS.
Ilustración 5.1 Red típica del backhaul
La red de backhaul, trabaja sólo en las redes de acceso y agregación. La
cual, la red de acceso puede estar compuesto en varios sub-dominios, como
lo muestra la Ilustración 5.1 (“First mile” y “Second mile”), a esto se debe, a
56
que el operador móvil puede considerar, múltiples tecnologías físicas, como
también, topologías alternativas. El “First mile”, se conecta con un dispositivo
de demarcación, que por lo general, se despliega un lugar de la celda, aquí
los datos se concentración. En el “Second mile”, el tráfico de la red de
acceso se suma a los de la red agregado, adaptando los datos a cualquier
cambio de tecnología y así proporciona el punto de entrega a una red de
metro/agregación. Otro dispositivo de demarcación existe en el borde
derecho de la red de agregación, en donde, la conexión de la red de retorno,
es acoplada directamente a un controlador del núcleo de red.
Los nodos que forman parte de una red de transporte son:
Puerta de enlace del sitio de la celda (CSG), normalmente se
despliega en un sitio de una celda.
Nodos de paquetes, que pertenecen a la red de acceso o de
agregación.
Gateway de agregación del sitio móvil (MASG), que actúa como
contraparte de la CSG.
El término de “Physical Connectivity” o Conectividad Física, se utiliza para
representar cualquier tipo de tecnología, empleada para conectar los nodos,
así en la parte superior de la capa física de la capa de red se pueden
encontrar estos tipos de nodos. El objetivo de la Conectividad Física, se
aplica para abarcar todas las posibles arquitecturas lógicas necesarias para
dirigir el tráfico y las aplicaciones de LTE.
La capa más alta se encuentra representada por el servicio, se aplica a las
interfaces de S1 y X2, el transporte de datos en las interfaces S1 y X2 se
basa en el envío de datagramas IP. Con esto permite cumplir el requisito
fundamental de una red de transporte o backhaul, dar apoyo a LTE, basados
en los siguientes puntos:
La red de retorno está basada de paquetes IP.
Proporciona el ancho de banda requerido.
Los nodos de red se caracterizan por el uso de interfaces de alta
capacidad y realizar la agregación de tráfico con su respectivo QoS.
Permite la Operación, Administración y Mantenimiento (OAM) de
extremo a extremo de la red.
Un menor en el TCO o Costo Total de Propiedad, que los sistemas
tradicionales de TDM o híbrida (TDM y Ethernet), exigían un mayor
costo.
57
5. Topología de un backhaul LTE
La topología de la red de transporte entre los eNodoB y la EPC puede ser
representadas por una estructura de red en forma de cadena, anillo, estrella,
malla o mixtas. De manera que, la configuración utilizada red, dependerá de
la capacidad de los nodos, elegidos por la operadora para mantener una
seguridad en la red ante cualquier catástrofe necesaria. Las estaciones base
pueden actuar como concentrador de tráfico, si trabajamos con la topología
de estrella, donde todo el tráfico, pasa por un solo nodo. Las infraestructuras
de interconexión utilizadas en la red de transporte pueden ser propias del
operador o arrendadas a otros operadores, como lo que ocurre con Entel
PCS que paga un arriendo a Entel Datos por el uso del backhaul de las
redes. Por otra parte la selección del medio de transmisión a usar el
backhaul depende de las necesidades del operador y su costo, pares de
cobre, fibra óptica y radioenlaces de microondas.
Ilustración 5.2 Tipos de topologías
5.1 Soluciones tecnológicas en la red de transporte.
Dependiendo de los proveedores de las tecnologías de transmisión física,
han permitido desplegar cada una de estas tecnologías por separado o de
forma combinada, permitiendo formar una red de backhaul bastante robusta.
58
Las tecnologías más usadas en la capa física del backhaul, corresponde que
se mencionan a continuación:
Enlace de microondas, punto a punto.
Enlace de microondas, punto a multipunto.
DSL.
GPON.
Red Ethernet o fibra punto a punto.
Red de anillo o malla, ya sea, Ethernet, NG-SDH o DWDM.
5.1.1 Tecnologías en el Backhaul de LTE
La evolución a un backhaul IP para redes móviles tiene dos posibles
soluciones tecnológicas, por medio de Ethernet (capa 2), a través de MPLS
(capa 2-3). Cada una de estas tecnologías deben lo sufrientemente capaz de
cumplir los requerimientos de la 3GPP en la red de transporte. Pero 3GPP,
no especifica la tecnología, por lo tanto, cae en el criterio del operador. Las
más utilizadas dentro de LTE, son las que se nombrarán a continuación.
5.1.1.1 Ethernet
Establecer una solución en capa dos del modelo OSI es rentable, sin
embargo carece de fiabilidad, escalabilidad y manejabilidad. Esta red troncal
de transporte basada en Ethernet reemplaza la tecnología de aprendizaje de
direcciones MAC por un sistema centralizado de administración de red
(NMS) para gestionar la ruta de transmisión. Esta solución combina la
estructura simple y de bajo costo de Ethernet junto con la administración
centralizada y las capacidades de configuración de los actuales sistemas
SDH. No obstante, cabe destacar que esta solución carece del soporte de
las distintas empresas de la industria ya que como principal desventaja no
presenta calidad de servicio para los distintos servicios que una red de
nueva tecnología soporta.
59
Ilustración 5.3 Carrier Ethernet
5.1.1.2 IP/MPLS
La tecnología MPLS o también conocida como, Multiprotocol Label
Switching, es un mecanismo de transmisión que transporta los datos de un
nodo de red a otro con la ayuda de las etiquetas. MPLS hace que sea fácil
en crear "vínculos virtuales" entre los nodos distantes. Se pueden
encapsular los paquetes de protocolos de red diferentes. MPLS se ubica
entre la capa 3 de Red y capa 2 de Enlace de Datos del modelo OSI.
MPLS ofrece una arquitectura de red orientada a conexión, la cual utiliza
túneles estáticos llamados LSP (Label Switch Path) para establecer una
conexión fija. Luego de define la trayectoria del paquete y se agrega una
etiqueta a la entrada de la red MPLS, el cual posee la trayectoria que seguirá
el paquete. Cada router de la red MPLS tiene conocimiento de la ruta a
seguir de manera que podrá enrutarlo hacia el siguiente nodo. Por último el
router del borde de la red MPLS retira la etiqueta para que siga su
trayectoria final.
60
Ilustración 5.4 Principio de conmutación en la red IP/MPLS
MPLS soporta múltiples tecnologías (ATM, TDM, SDH). Así, también incluye
la tecnología “Pseudo Wire” (PW) que permite la compatibilidad con el
servicio tradicional de TDM y ATM. Incluso integra un NMS (Network
Management System) centralizado para poder provisionar, gestionar los
túneles y provee el servicio monitoreo similar a SDH.
MPLS es la solución que está creciendo como la tecnología principal de
transporte en un futuro cercano. Sin embargo tiene muchas extensiones que
poseen dificultades para ser implementado como OAM (Operation,
Administration, Management) a diferencia de SDH. Afortunadamente existe
una nueva característica llamada MPLS “Transport Profile” (MPLS-TP) que
se está desarrollando para evitar estos problemas.
5.1.1.3 MPLS-TP (MPLS Traffic Profile)
La principal característica de esta tecnología es de extender MPLS cuando
sea necesario agregándole herramientas de OAM. MPLS-TP puede ser
comparado con SDH en términos de fiabilidad y capacidad de
monitoreo. Esta estrictamente orientado a conexión y provee el transporte de
paquetes y servicios de TDM sobre redes ópticas. Asegura que el tráfico sea
transportado de manera fiable a través de un monitoreo “end to end” con el
mejor rendimiento. Además permite la ingeniería de tráfico y reserva de
recurso si es necesario.
Es una tecnología altamente escalable que tiene la habilidad de soportar
varios clientes con diferentes tráficos. Además puede trabajar sobre otras
tecnologías como Ethernet, SDH, ATM, entre otras, pudiendo soportar
multiservicios que permiten transportar cualquier tipo de tráfico de los
clientes.
61
Ilustración 5.5 Convergencia de la red de transporte
5.2 Escenarios del backhaul en LTE
Este capítulo se mencionará dos escenarios, en las cuales, se han
implementado una serie de tecnologías más comunes que ofrecen los
proveedores en la red. Cada uno de estos análisis de la arquitectura
orientada desde L2 hasta L3, junto con los respectivos protocolos
encapsulados en la red.
En cada uno de los dos escenarios que se han definido, se mostrara el uso
de la tecnología Ethernet (estandarizada por IEEE 802.3), puesto que, se
espera que dicha tecnología de transporte sea la dominante en el futuro. El
uso de las interfaces de Ethernet ha sido también asumido por todas las
estaciones base y por todos los tipos de controlador.
Otra tecnología a destacar es MPLS-TP y IP/MPLS, ambas tienen su propia
aplicación en los escenarios se presentan a continuación, con su propia
62
especificaciones. El uso de MPLS en el backhaul, se basa en que permite
una la combinación de distintos protocolos. Los que IP/MPLS puede ser
utilizado para la implementación de protocolos en L2 y L3 VPN. Para MPLS-
TP tiene su aplicación, para los servicios de transporte punto a punto, en el
caso de L2 VPN (VPWS), que se puede extender también a la red de
agregación.
5.2.1 Escenario con Carrier Ethernet
El primer escenario se caracteriza por tener Ethernet, en la capa de servicio,
la cual, transporta el tráfico de las interfaces S1 y X2, en la parte superior de
cualquier red de transporte utilizado, ya sea en el acceso y agregación. El
escenario 1 se representa en la siguiente Ilustración 5.6
La dirección del tráfico se basa en una VLAN, se establecen las conexiones
de la Ethernet virtual entre eNodoB y MME o S/P-GW. La capa de servicios
puede basarse en cualquiera de los modelos MEF (E-Line, E-LAN, E-Tree),
según corresponda.
Para la operadora, puede optar a favor de una menor latencia (manteniendo
el punto de conexión cerca del eNodoB) o un mayor control del tráfico (lo
que mueve el punto de conexión X2 cerca de la EPC).
Ilustración 5.6 Escenario de ethernet
5.2.1.1 Aplicabilidad
Este escenario no se encuentra implementada la tecnología IP/MPLS para la
redundancia y protección. Es más la confiabilidad de Carrier Ethernet, es
proporcionada por los mecanismos de protección en la transmisión de la
capa física, por ejemplo, microondas 1+1 hot-standby, las líneas arrendadas
63
en los LAG, entre otras. De extremo a extremo OAM se encuentra en el nivel
Ethernet (802.1AG, 802.3AH, Y.1731 son ejemplos de herramientas
disponibles).
5.2.1.2 Stack de protocolos
Algunos stacks de protocolos que soportan esta arquitectura lógica se
muestra en la Ilustración 5.1. Como se mencionó anteriormente, la atención
se centra en Ethernet como capa de transporte, pero no se debe confundir el
concepto de capa de transporte del modelo OSI, son muy distintos, común
en la parte superior de cualquier tecnología de transmisión, pero otras
soluciones también pueden ser consideradas, como por ejemplo SDH.
El primer ejemplo es un escenario, como base el protocolo IEEE 802.1AD.
La VLAN de servicio (S-VLAN) se utiliza para llevar a VLANs de cliente (C-
VLAN) en el dominio Ethernet. Uno o más C-VLAN que se pueden usar, por
el eNodoB o VLANs por los diferentes flujos. El plano de control de Ethernet
está representado, por protocolos como G.8031 (Ethernet Protección de
línea), G.8032 (Protección Ethernet Ring) o los algoritmos del Spanning Tree
Protocol.
Ilustración 5.7 Stack de protocolos con IEEE 802.1AD
En el segundo ejemplo de Carrier Ethernet, se muestra en la Ilustración 5.8,
en ella se utiliza una red de transporte de tipo SDH, empleada en la red de
acceso y agregación, a esto también se le conoce como Modelo de Ethernet
sobre SDH.
64
Ilustración 5.8 Stack de protocolos que soportan SDH
5.2.2 Escenario 2 Acceso con MPLS más VPN en L2/L3
Este escenario se centra principalmente en la capacidad de transporte de
MPLS, que también se utiliza en la red de acceso. Específicamente MPLS o
MPLS-TP es considera para la construcción de enlaces punto-a-punto en el
dominio de acceso como una forma de solución para el ingreso de la VPN en
el dominio de agregación.
Ilustración 5.9 Escenario con MPLS, en una VPN L2/L3
65
5.2.2.1 Aplicabilidad
Aquí se utiliza el transporte de MPLS/MPLS-TP, incluso en el dominio de
acceso. Al transportar el tráfico relevante a través de la red de acceso hasta
el primer nodo de agregación, donde el tráfico entra en L2 o L3 VPN. De
extremo a extremo el OAM se puede activar a través de mecanismos
estándar como VCCV ping, trace-route o BFD.
5.2.2.2 Stack de protocolos
Tal como en el escenario anterior, se presentan aquí dos ejemplos de los
protocolos asociados en una determinada red de backhaul. El primer
ejemplo se basa en una VPN L2 en el dominio de agregación (H-VPLS).
Ilustración 5.10 Stack de protocolos en la VPN L2
Los ejemplos en segundo lugar solamente diferencian por tener un VPN L3
en la agregación.
66
Ilustración 5.11 Stack de protocolos en la VPN L3
67
Capítulo VI: Requerimientos técnicos de LTE y de la red de
transporte (backhaul)
6. Performance en LTE
En este capítulo analizaremos los requerimientos de una red LTE, definidas
en el Release 8, aquellos requerimientos permiten que la red funcione
satisfactoriamente en función a la calidad de servicio. Por ello la 3GPP
definió cada una de estas variables, como por ejemplo latencia, handover,
throughput (rendimiento), entre otras. Cada una estas características al ser
mencionadas no cobran mucho sentido por sí solas, no obstante, si a estas
variables las comparamos con otra tecnología de acceso, establecer
simulaciones de la red o mostrar escenarios en donde LTE haya sido
desplegado.
Las simulaciones de los sistemas móviles, corresponde a una herramienta
muy poderosa e importante a la hora de evaluar el rendimiento de la red, el
despliegue de una red en la vida real, está siempre sujeta a mediciones y
evaluación en el campo de un sistema ya implementado y sus valores tales,
representan un válido ejemplo de rendimiento para una configuración de
sistema determinado. Sin embargo, al realizar prueba de campo, la calidad
se ve opacada, puesto que, las modificaciones de la red alteran el servicio,
muy parecido a la telefonía fija, en la cual los técnicos interrumpen el
servicios a los abonados para realizar las pruebas, así si un usuario desea
utilizar el servicio se encontrará con la sorpresa de que no podrá realizar una
llamada como tampoco recibir una. La utilización de simuladores cobra
mucho más sentido para evitar la interrupción del servicio, sin afectando al
usuario y obtener resultados cuantificables por parte de la operadora, dentro
de las ventajas del uso de simuladores son:
Permite la evaluación de los conceptos de un sistema que no se han
implementado o están todavía en desarrollo, como por ejemplo LTE-
Advanced10.
Existe un control total del medio, incluidos los parámetros de
propagación, el tráfico y la trazabilidad completa de todos los
parámetros que afectan el resultado.
Los experimentos que se realizan, están bien controlados para poder
comparar las impresiones similares del sistema o de partes de las
impresiones que se puede hacer bajo condiciones repetibles.
10
Apunta a convertirse en el sucesor de LTE
68
Cualquier simulación realizada en base a su “performance” o rendimiento, se
debe considerar el contexto real del rendimiento de la red y esta depende de
muchos parámetros que son difíciles de controlar, tales como:
El entorno móvil, incluyendo las condiciones del canal, que se
extiende al tipo de desorden, las velocidades de móviles, el uso de
interior/exterior, y las brechas de la cobertura.
Los usuarios relacionados con el comportamiento, tales como, la
actividad de voz, la distribución del tráfico, y el servicio de distribución.
Regulación del sistema de calidad de servicio y la calidad de la red.
Los aspectos de implementación, como los tipos de sitios, la altura de
la antena y sus clases, y el plan de reutilización de frecuencias.
Los parámetros adicionales que no se suele seguir el patrón, como
señalización de la capacidad y el rendimiento y la calidad de la
medición.
No existe una medida única y estándar de funcionamiento para un sistema
de telecomunicaciones determinado, a raíz de esto, la calidad de servicio y
la calidad de experiencia, entre los usuarios y las operadoras, difieren
demasiado al momento de definir el buen desempeño del servicio. Por
ejemplo, si observamos, el punto de vista de los usuarios, ellos desean
experimentar el nivel más alto posible de calidad. En cambio, los operadores
desean obtener los máximos ingresos, tal es el caso, de tener una gran
cantidad de usuarios inmersos en un sistema de telecomunicación
determinado.
Ahora el dilema, ante este problema es ¿Cómo puedo considerar un
funcionamiento óptimo de la red, en contraste a la visión del usuario y
operador? La respuesta se conjuga con la evolución de 3G a 4G, más
específico, HSPA+ y LTE, las cuales tienen el potencial de hacer ambas
cosas, si lo comparación con versiones anteriores de WCDMA, la evolución
se hace necesaria para obtener mejores velocidades en la transmisión de
datos, sumado con un menor retardo, en palabras más sencilla, LTE busca
mejorar tanto el servicio de experiencia (el punto de vista del usuario final) y
la capacidad del sistema (punto de vista del operador). En este contexto,
también es fundamental tener en cuenta que el rendimiento del sistema y la
capacidad será función de su diseño. Esta característica de diseño puede
ser por ejemplo, MIMO u otras técnicas de antena avanzadas que se
introducen en los sistemas 3G y fue evolucionado.
69
6.1 Performance en perspectiva del usuario y operador
6.1.1 Performance en perspectiva del usuario
Para el usuario, en el momento de acceder cualquier servicio de Internet, ya
sea, ver una página web o ver un video online, esto se logra con la
conmutación de paquetes de datos, aquí los usuarios, describen la calidad
del servicio en función al retardo que se experimenta desde el instante de
iniciar la descarga hasta que la página web o el video online se muestre en
la pantalla del usuario. Lo que sí es importante, mencionar que los recursos
asignados a los usuarios no son de carácter discreto, como ocurre en la
telefonía fija, donde la operadora le asigna un recurso fijo en el instante en
que los usuarios establezcan la ruta de comunicación. En cambio, las
operadoras de la telefonía móvil los recursos de la red que le asignan a los
usuarios son dinámicos, ya que, los recursos de la red no están reservados
para cada usuario, así el retardo aumenta con el tamaño de la información a
descargar.
Ilustración 6.1 Definición de la taza de datos requeridos en el Performance de LTE
Si existe único usuario acoplado en la red LTE, será capaz de experimentar
excelentes condiciones de radio, pudiendo disfrutar de la velocidad peak de
70
la interfaz de radio, como la Ilustración 6.1. Pero de que exista solo un
usuario conectado a la red es una condición utópica, ya que, normalmente
los recursos de radio se comparten con otros usuarios. Debemos agregar
que si las condiciones de radio no son las más óptimas o existe la
interferencia de otros usuarios, la tasa de datos de interfaz de radio, será
mucho menor que la tasa máxima de la velocidad de datos. Además,
algunos paquetes de datos se pueden perder, en cuyo caso, los datos que
faltan deben ser retransmitidos, reduciendo aún más la tasa de datos desde
los protocolos de las capas superiores, sumado a esto, la tasa efectiva de
datos disminuye aún más la distancia de la celda aumentada, debido a las
pobres condiciones de radio en los bordes de la celda.
El protocolo TCP, es un protocolo correspondiente a la capa cuatro del
modelo OSI, en el área del Networking, es muy usado junto con el protocolo
IP, porque le entrega la confiabilidad que no es capaz de entregar IP. Sin
embargo, TCP es un protocolo demasiado complejo y esto hace que la red
sea muy sensible en cuanto al retardo que produce el algoritmo de inicio de
comunicación o también conocido como el hand-shack de tres vías. Aquel
algoritmo de inicio de la comunicación, tiene como finalidad, de garantizar
que la transmisión de la tasa de paquetes del emisor, la cual, no exceda la
capacidad de los nodos de la red ni las interfaces. Por último la latencia de
red, es una medida del tiempo que define, cuánto tarda un paquete en viajar
desde un usuario al servidor de la aplicación y viceversa, dentro del
protocolo TCP tiene un impacto directo en el rendimiento, debido al control
de flujo que realiza este. Por lo tanto, un objetivo importante en el diseño, en
LTE, es reducir la latencia de la red. Otro criterio relacionado con la calidad,
pero este está más enfocado para el usuario final o receptor y este se refiere
al tiempo de preparación para iniciar, por ejemplo, una sesión de web-
browsing.
6.1.2 Performance en perspectiva del operador
Como vimos anteriormente, los recursos de radio deben ser compartidos
cuando varios usuarios se conectan de la red, lo que provocan como
resultado, que todos los datos que desean enviar los usuarios estos se
quedan en cola antes de que se puedan transmitir, obviamente, esto limita la
tasa de datos para cada usuario. Para poder evitar esto, las operadoras se
encargan del “scheduling” de los recursos de radio, permitiendo así, mejorar
el rendimiento del sistema o el número total de bits por segundo transmitidos
a través de la interfaz de radio. Una medida común de rendimiento del
sistema es "la eficiencia del espectro", que es el rendimiento del sistema por
MHz de espectro en cada sector del sistema.
71
Una medida importante del rendimiento de los operadores es el número de
usuarios activos que se pueden conectar simultáneamente, dado que los
recursos del sistema son limitados, entregando un equilibrio entre el número
de usuarios activos y la calidad percibida del servicio en términos de
rendimiento por parte del usuario.
6.2 Calidad de servicio (QoS)
El termino de calidad de servicio o quality of service (QoS), es muy utilizado
en telecomunicaciones, que permite describir la experiencia de un usuario o
de una aplicación recibida dentro de la red. A modo general, la calidad de
servicio consiste en una amplia gama de tecnologías, arquitectura y
protocolos, en el caso de LTE, podemos encontrar, MIMO, arquitectura de la
interfaz aérea, protocolo RRC, entre otras características, por esta razón, los
operadores de las redes móviles ocupan cada una de estas características
para lograr QoS óptimo de extremo a extremo dentro de la red.
En cuanto a LTE, este debe entregar un mayor rendimiento, baja latencia,
tecnología FDD y TDD en una misma plataforma, permitiendo entregar una
mejor calidad y una mejor experiencia para los usuarios, lo que a priori,
entrega una mejor capacidad de ofrecer servicios sofisticados y aplicaciones,
tales como, VoIP, streaming de alta definición de vídeo, gaming con una baja
latencia, transferencias de archivos peer-to-peer. Ahora bien, para poder
lograr que LTE entregue todos los beneficios mencionados anteriormente, se
requiere una red de backhaul eficiente que debe ser compatible con los
grandes anchos de banda que requieren los servicios, logrando así,
garantizar la calidad, pero la tecnología del backhaul debe ser compatible
con cualquier servicio desde cualquier extremo de la red, manteniendo un
menor costo.
Dentro de una red, por lo general lleva muchos servicios y solicitudes de
servicio de muchos usuarios al mismo tiempo y cada uno de estos servicios
tiene sus propios requisitos, pero los recursos dentro de la red son limitados,
por consiguiente, saturaría la red afectando la transmisión de datos. Ante
este problema LTE introduce un concepto de calidad de servicio
relativamente simple, que consta de clases de tráfico y algunos de los
atributos de QoS para definir las características de tráfico. La diferenciación
de calidad de servicio se convierte muy útil para la eficiencia de la red
durante una alta carga de datos cuando existen muchos servicios, y cada
uno de estos servicios contiene distintos retardos. Como también la interfaz
aérea posee conocimiento sobre el retardo de los distintos servicios que
utiliza el usuario, por consiguiente, será capaz de priorizar los servicios y en
consecuencia mejorar la eficiencia de la utilización de la red.
72
6.2.1 Mecanismos de QoS en LTE
Para poder entregar una calidad de servicio de extremo a extremo, se
requiere una serie de mecanismos, tanto en el plano de control, como en el
plano de usuario. Los mecanismos del plano de control, son necesarios para
permitir a los usuarios y a la misma red, de negociar y ponerse de acuerdo
sobre las especificaciones necesarias del QoS, para poder identificar a los
usuarios y las aplicaciones, a qué tipo de calidad de servicio tiene como
derecho, lo que, permite dejar a la red lo más adecuada, en relación a la
asignación de recursos a cada uno de los servicio. En cambio, los
mecanismos del plano usuario, están obligados a cumplir el acuerdo sobre
las necesidades de calidad de servicio mediante el control de la cantidad de
recursos de la red, en que cada usuario de la aplicación puede consumir.
Dentro de estos mecanismos podemos diferenciar tres tipos de control de
calidad de servicio
Control de QoS a nivel de portadora.
Control de QoS en el nivel de servicio de flujo de datos.
Control de QoS en el plano de control y de usuario.
6.2.1.1 Control de QoS a nivel de portadora
El comportamiento esperable en términos de prestaciones del QoS en un
servicio portador EPS depende del tipo de servicio final que se curse a
través de dicho servicio portador. Por ejemplo, la implementación de un
servicio P2P, el comportamiento del QoS que tendrá dicho servicio, será
muy distinto en caso de trabajar con un servicio de VoIP o un servicio de
navegación HTTP, tanto en la cantidad de recursos de transmisión y la
constante de asignación dinámica de los mismos, también será
completamente diferente en ambos casos. Sumado a esto, los parámetros
de QoS exigibles al servicio portador pueden también fijarse en función del
tipo de usuario. De este modo, los envíos de cada servicio, tendrán un
tratamiento especial para que una misma portadora reciba el reenvió de
paquetes, de acuerdo a una política de planificación, la política de gestión de
colas, la tasa de formación de la política, y la configuración de la capa de
enlace. Para poder proporcionar el reenvío de diferentes paquetes, este
requiere un tratamiento de portadoras por separado, lo que en LTE es
compatible con dos tipos de portadoras:
Garantiza la tasa de bit (GBR), se encuentra dedicado a los recursos
de la red, relacionando con un valor GBR con el portador asignado de
73
manera permanente cuando el portador llega hacer establecido o
modificado.
No garantiza la tasa de bits (non-GBR), se utiliza una portadora por
defecto, que también se utiliza para establecer la conectividad IP.
Cualquier portadora adicional se conoce como “portadora dedicada” y
puede ser GBR o non-GBR.
El operador tiene la facultad de poder controlar los envíos de paquetes que
se asignan al portador dedicado, así como el nivel de calidad de servicio del
portador dedicado a través de políticas que se aprovisionan en la red, la
Función de Recursos de Tarificación y Política o en inglés, Policy and
Charging Resource Funtion (PCRF). El PCRF define los flujos de paquetes
específicos para ser enviadas en un portador dedicado y por lo general, se
les definen con una IP de cinco tuplas11, aquel valor utilizado en la tupla de
cinco, se origina en la señalización de capa de aplicación, por ejemplo,
Session Initiation Protocol (SIP) en el caso de un subsistema de multimedia
IP.
Cada portador de EPS (GBR y no GBR) está asociado con un nivel de
portadora con parámetros de calidad de servicio:
Identificador de clase de QoS: QCI es un escalar que se utiliza como
una referencia a los parámetros de acceso a un nodo específico, que
controlan a nivel del portador en relación al tratamiento de reenvío de
paquetes, por ejemplo, la programación del tamaño, límites de
admisión, gestión de archivos en colados y la configuración del
protocolo a nivel de capa de enlace. Cada una de estas variables se
encuentran configuradas por la operadora de la red en el eNodoB.
Prioridad de asignación y retención (ARP), el objetivo principal de
ARP es comprobar si una portadora puede establecer o modificar una
petición, pudiendo ser aceptada o debe ser rechazada, según la
disponibilidad de los recursos en la red. Además, el ARP puede ser
utilizado por el eNodoB para decidir que portadora va a caer en las
limitaciones de recursos excepcionales, por ejemplo el handover.
Tasa de bits máxima (MBR), la tasa máxima de tráfico sufrido por la
portadora no podrá exceder y sólo es válida para las portadoras de
GBR.
Tasa de Bit Garantizado (GBR), es la tasa mínima de tráfico
reservado y esta es sólo válida para las portadoras de tipo GBR.
11
Una tupla, en matemáticas, es una secuencia ordenada de objetos, esto es, una lista con un número limitado de objetos (una secuencia infinita se denomina en matemática como una familia). Fuente wikipedia
74
Agregado MBR (AMBR), es la cantidad total de la tasa de bits de un
grupo de portadoras non-GBR. El AMBR puede ayudar al operador a
distinguir entre sus abonados mediante la asignación de los valores
más altos de AMBR a sus clientes de mayor prioridad en comparación
con los de menor prioridad. En el 3GPP Release 8, el MBR debe ser
igual a GBR, pero para las futuras versiones de 3GPP un MBR puede
ser mayor que un GBR.
6.2.1.1.1 Parámetros de QoS
LTE especifica una serie de valores de QCI, que se encuentran
estandarizados y dichos valores están preconfigurados para todos los
elementos de la red, asegurado la implementación de los múltiples
proveedores, como también, el establecimiento de la función roaming. El
mapeo de los valores estandarizados del QCI, se muestra en la Tabla 6.1 y
estas corresponden a las características del estándar o Release 8,
relacionadas con los valores del QCI.
Dentro de esta tabla, presenta una serie de características, como por
ejemplo la función Tipo de recursos, esta característica se refiere a que si los
recursos dedicados de red, se encuentra relacionada con un servicio de una
portadora a nivel de Bit Rate Guaranteed (GBR) o Non Bit Rate Guaranteed
(Non-GBR), cuyo valor son asignados de manera permanente, tal es el caso
de la función de control de admisión en una estación base de radio. GBR
agregados SDF, por lo tanto, son generalmente autorizados "a la demanda",
que requiere una política dinámica y el control de carga. En cambio, en los
servicios non-GBR, el QCI debe estar preparado para experimentar caídas,
que se encuentran relacionadas con la congestión de paquetes, el 98% de
los paquetes que no han sido retirados debido a la congestión no se debe
experimentar un retraso superior a la PDB de la QCI. Esto puede ser, por
ejemplo, que se producen durante los peaks de carga de tráfico o cuando la
UE se convierte en una cobertura limitada.
75
Tabla 6.1 Estandarizadas características de QCI
QCI Tipo de recursos
Prioridad Perdida de paquetes
estimado (ms)
Tasa de paquetes perdidos
Ejemplos de servicios
1 GBR 2 100 10-2 Voz en tiempo real
2 GBR 4 15 10-3 Video en tiempo real (live streaming)
3 GBR 3 50 10-3 Juegos en tiempo real (gaming)
4 GBR 5 300 10-6 Video no en tiempo real (buffering)
5 Non-GBR 1 100 10-6 Señalización IMS
6 Non-GBR 6 300 10-6 Video con buffering, en aplicaciones TCP
7 Non-GBR 7 100 10-3 Voz, video, juegos interactivos
8 Non-GBR 8 300 10-6 Video con buffering, en aplicaciones TCP
9 Non-GBR 9 300 10-6 Video con buffering, en aplicaciones TCP
6.2.1.1.2 Iniciación de la red en base al QoS
El concepto de iniciación de la red con control de QoS, la red se inicia con él
envió de una señal para establecer una portadora dedicada con una calidad
de servicio específica, hacia la UE y la RAN. Esto es provocado por la
función de aplicación (AF) o una función de Inspección de Paquetes
Profunda (DPI), sin embargo, se usa el método de iniciación del terminal,
donde el terminal envía una señal para establecer una portadora dedicada
con una calidad de servicio determinada dentro de la red, la cual, es activada
con un comando de la RAN.
76
Ilustración 6.2 Procedimiento de activación de la portadora dedicada
Cuando se trabaja con el método de iniciación de la red por el control de
QoS, se reduce al mínimo, la participación de la calidad de servicio y la
política de control de los terminales, ya que, dentro de las recomendaciones
de la 3GPP en LTE, indica la activación de la portadora dedicada, como
también una portadora de activación por defecto.
Dentro de la Ilustración 6.2, el PCRF envía una política de control y carga
(PCC), que es un mensaje que indica la calidad de servicio necesaria para la
portadora de la P-GW. A su vez, el P-GW utiliza esta política de QoS para
asignar los parámetros del QoS a nivel de la portadora, enviando una
solicitud de “Create Dedicated Bearer Request”. A nivel del enlace
ascendente se envía el UL TFT, que es utilizado por la UE a la S-GW, luego
la S-GW recibe la solicitud de “Create Dedicated Bearer Request”, junto con
la portadora de QoS, el UL TFT y la identificación de la portadora-S1, para
luego enviarlo a la MME, como lo muestra Ilustración 6.2, en la flecha
número 3.
77
El MME construye un conjunto de configuraciones sobre la administración de
sesiones, tomando la información de la UL TFT y la identidad de la portadora
EPS, para dar paso a la solicitud “Bearer Setup Request”, que se lo envía al
eNodoB (Ilustración 6.2, en la flecha número 4). La solicitud “Bearer Setup
Request”, también proporciona la calidad de servicio de la portadora hacia el
eNodoB, a su vez el eNodoB utiliza esta solicitud para poder controlar las
llamadas entrantes, como también, garantiza la calidad de servicio, en base,
a una correcto “scheduling” de los paquetes IP del usuario.
En el plano del eNodoB, la portadora EPS del QoS, la portadora del radio, la
solicitud de conexión del RRC Mensaje de reconfiguración (incluyendo la
calidad de servicio de radio al portador, la gestión de sesiones solicitud, y la
identidad de EPS de radio al portador) a la UE para establecer la portadora
de radio (flecha 5 en la Ilustración 6.2). La conexión RRC, envía un mensaje
de reconfiguración, la cual contiene toda la configuración de parámetros para
la interfaz de radio, principalmente de la configuración de la capa 2 (el
PDCP, RLC, y los parámetros de MAC), como también, contienen los
parámetros necesarios para que la UE permita inicializar la dichos stacks de
protocolos. Las flechas 10 y 6, son los mensajes de respuesta
correspondientes para confirmar que las portadoras han sido correctamente
establecidas.
6.2.1.2 Control de QoS en el nivel de servicio de flujo de datos.
Los retos que tiene LTE en cuanto al QoS, como todos los servicios,
incluyendo voz, se ejecutan en la red IP. Así las diferentes necesidades de
los usuarios, difieren significativamente en la medida en que exige una
calidad de servicio, variando en gran medida de un servicio de otro. Por ello,
los diferentes Acuerdos de Nivel de Servicio (SLA) y los modos de carga,
puede responder a las necesidades individuales del usuario, lo que hace
QoS un elemento necesario para cada capa de carga.
Cada cambio de calidad de servicio, exige que la carga y el sistema de
facturación seleccionen el correspondiente modo de carga, que garantizan
una carga puntual, dinámica y precisa. Los operadores están deseosos de
adquirir la capacidad de percibir los diferentes servicios.
En la parte superior de la capa de sesión del modelo OSI, LTE puede hacer
uso de una amplia política de gestión arquitectura que ofrece a los
operadores un control más preciso sobre los usuarios y los servicios. La
arquitectura está integrada, a través de interfaces estándar, a la carga en
línea y fuera de línea sistemas y por lo tanto ofrece oportunidades de
monetización. Esto se hace por la introducción de la política y la carga de
78
Control (PCC) por el 3GPP, que consiste principalmente de la política y la
función de carga de Observancia (PCEF), el portador de unión y
presentación de informes de eventos de función (BBERF), la Política y el
Reglamento función de carga (PCRF), la función de aplicación (AF), el
sistema de cobro online, el fuera de línea Sistema de carga, y el repositorio
de Suscripción perfil. La arquitectura de la política se muestra en la
Ilustración 6.3. En un nivel básico, el PCEF interactúa con el PCRF para
proporcionar una clase de servicio para el abonado.
Ilustración 6.3 Arquitectura lógica de la PCC
La AF es un elemento que ofrecen las aplicaciones que requieren una
política dinámica y/o control por sobre el comportamiento del usuario. La AF
se comunicará con el PCRF a través de Rx, en un punto de referencia para
la transferencia de información de la sesión dinámica, requerida para las
decisiones PCRF, así como a recibir información específica y notificaciones
acerca de eventos a nivel de portador.
El PCRF incluye las funciones de control de decisiones políticas. Se
implementa la detección de servicios basada en el flujo, control de acceso, la
autorización del QoS y basadas en el flujo de carga en el PCEF. Los
controles PCRF en la AF de servicios de información, es coherente con la
política predefinida de un operador y con la información del suscripción de
un usuario derivados del repositorio de perfil de suscripción (SPR) (la SPR
contiene todos los abonados y suscripciones relacionadas con la información
necesaria para la suscripción basada en políticas). El PCRF debe generar
las reglas de acuerdo a una determinada información, para luego enviarlos a
la PCEF. El PCRF también debe ofrecer calidad de servicio para la
autorización de servicios de información del AF.
79
El PCEF permite las funciones de la política de ejecución y se encuentra en
PDN-GW. La PCEF controla el tráfico del plano de usuario y QoS, detecta y
mide los flujos de datos de los servicios, como también interactúa con el
sistema de cobro online (OCS), que es un sistema de gestión de crédito para
el servicio de pre-pago y el método de carga de informes del uso de los
recursos del sistema de carga fuera de línea (SCFO). Ejecuta la calidad de
servicio y el control de acceso para el servicio de datos de acuerdo a los
flujos del PCC que se encuentran relacionados con el servicio de los datos
del flujo a la PCRF.
El BBERF realiza un procesamiento similar a la PCEF, pero este, no realiza
el procesamiento de la carga. Además realiza cualquier procesamiento
necesario para colaborar con el acceso al Sistema Específico de Gestión de
Calidad de Servicio. El BBERF controla la calidad de servicio que se
proporciona a un conjunto combinado de datos de flujos de los servicios,
asegurando que los recursos pueden ser utilizados por un conjunto
autorizado de los datos.
6.2.1.2.1 La política y la Regla de Control de Carga
La Política del Control de Carga (PCC), comprenden la información que se
requiere para poder detectar el plano del usuario de la política de control y la
carga apropiada para un flujo de servicios de datos. Los paquetes
detectados mediante la aplicación del servicio de datos de plantilla de flujo
de una regla de PCC se designaron un flujo de datos de servicio.
Dos tipos de normas existen en el PCC, reglas dinámicas y reglas
predefinidas. Las reglas dinámicas del PCC son suministrados por el PCRF
a través del punto de referencia, mientras que las reglas predefinidas del
PCC están directamente provisionados en el PCEF y sólo hace referencia al
PCRF. El uso de reglas predefinidas PCC para control de calidad de servicio
es posible si la BBF permanece al PCEF durante una sesión de IP-CAN.
Además, las reglas predefinidas del PCC se puede utilizar en una situación
de no itinerancia, pudiendo garantizar las correspondientes reglas
predefinidas del QoS, que se configuran en la BBF.
6.2.1.3 Control de QoS en el plano de control y de usuario.
La política y la función de carga de recursos en la red, determinan la forma
en que cada flujo de paquetes de cada usuario debe ser manejado en
función en los parámetros del QoS, junto con el tratamiento de aquel flujo de
paquetes. El PCC define las reglas de la puerta de enlace, que es utilizado
como un originador para poder establecer una nueva portadora o modificar
80
una portadora ya existente, lo cual, permite manejar un flujo de paquetes
específicos o para modificar el manejo de un flujo de paquetes.
El QoS en el Plano usuario, las funciones relacionadas con la calidad de
servicio, las lleva a cabo por la configuración de los nodos de la red a través
de una señalización, junto con una operación y mantenimiento (O&M) del
sistema, la cual fue debidamente especificada por la 3GPP. Estas funciones
se clasifican en, operaciones a nivel de paquetes de flujo, nivel de portadora
y nivel de DSCP, como muestra la Ilustración 6.4.
Ilustración 6.4 Arquitectura del servicio con portadora en EPS
6.3 Performance de LTE definido por 3GPP
Los objetivos sobre el performance o rendimiento del sistema LTE fueron
definidos por el 3GPP en 2005 y documentado en el 3GPP TR25.913, junto
con los objetivos de capacidad, complejidad, implementación y la
arquitectura. Para poder cuantificar el rendimiento de LTE, se establecieron
las siguientes medidas:
Rendimiento del usuario promedio, se refiere al promedio de todos los
usuarios en la red. Medido en MHz
Rendimiento del usuario en el borde de la celda (Cell-Edge),
corresponde al quinto percentil en la distribución de los usuarios (95%
de los usuarios presentan un mejor rendimiento). Medido en MHz
La eficiencia del espectro, se refiere al rendimiento del sistema por
sectores en bps/s/Hz
Cobertura, es el rendimiento en celdas de mayor tamaño.
81
Como lo hemos mencionado anteriormente el objetivo de las operadoras es,
tener la mejor calidad de servicio pero a bajo costo, de esta manera, las
soluciones tecnológicas descritas por LTE no debe ser una base para los
requisitos de rendimiento, porque toda nueva tecnología implica un costo de
implementación, como también, LTE no busca generar un cambio radical
dentro de las redes, al contrario, busca la interoperabilidad dentro de las
redes. Así LTE, define el número de antenas destinadas en la transmisión y
recepción, basados en la configuración entre la BS y la UE, y estas deben
ser acordadas como requisitos básicos para cumplir los objetivos de
rendimiento. La justificación de aquel enunciado se basa en que, al
aumentar en el número de antenas también puede ser visto como una
limitación para la solución elegida por el aumento de la complejidad, pero en
teoría es posible obtener grandes ganancias reales, al momento de asumir
un número irreal de antenas. De modo que las configuraciones del enlace
descendente y ascendente se eligen en LTE con los siguientes objetivos:
Un enlace descendente LTE con un máximo de 2 antenas Tx en el
Nodo B y dos antenas Rx en la UE.
Un LTE enlace ascendente con un máximo de una sola antena Tx en
la UE y 2 antenas Rx en el Nodo B.
Lo cual el desempeño se evalúa en el enlace ascendente y descendente por
separado, para luego, establecer los objetivos en relación al rendimiento
como referencia de un Release anterior, en el caso de LTE, se compara
generalmente con HSDPA o HSPA+, tomando el baseline de uno de ellos.
Para este caso tomaremos como referencia el baseline del Release 6
(HSDPA), en dicho Release, el enlace descendente, está compuesto de una
sola antena Tx en el NodoB. En cambio en el enlace ascendente con una
sola antena Tx en la UE y 2 antenas Rx en el NodoB.
Así los objetivos definidos por LTE en cuanto al performance, se muestran
en la Tabla 6.2. Ya que se espera que tanto rendimiento para el usuario
promedio y la eficiencia del espectro se beneficiarán del aumento de 1 a 2
antenas Tx en el enlace descendente, que es el objetivo de aumentar el
rendimiento del usuario celular de última generación que sería el desafío en
el enlace descendente.
82
Tabla 6.2 Baseline del performance de LTE en el TR25.913
Medición de rendimiento
DL con el baseline Rel-6
UL con el baseline Rel-6
Rendimiento promedio del usuario
3-4x 2-3x
Rendimiento del usuario en el borde de
la celda 2-3x 2-3x
Eficiencia del espectro 3-4x 2-3x
Cobertura
Cumple con los objetivos por
encima los 5 Km del rango máximo
de celda.
Cumple con los objetivos por
encima los 5 Km del rango máximo
de celda.
6.3.1 Tasa de bit máximo en capa 1
LTE proporciona una alta velocidad de transmisión de datos, mediante el uso
de un gran ancho de banda (BW) máximo de 20 MHz, utilizando la
modulación 64QAM y las antenas múltiples entradas y salidas, denominado
MIMO. La modulación de cuadratura por desplazamiento de fase lleva 2 bits
por símbolo, 16QAM y 64QAM bits 4 bits 6. Junto con la configuración 2×2
MIMO, duplica la tasa de bits máxima de hasta 12 bits por símbolo. Por lo
tanto, la codificación QPSK 1/2, corresponde a la tasa de 1 bps/Hz, mientras
que 64QAM sin ningún tipo de codificación y con 2×2 MIMO lleva 12 bps/Hz.
Ahora bien, el ancho de banda está incluido en el cálculo, tomando el
número correspondiente de bloques de recursos para cada opción de ancho
de banda: 6 de 1.4MHz y 15 de ancho de banda de 3 MHz. El número de
bloques de recursos para los anchos de banda de 5, 10, 15 y 20 MHz son
25, 50, 75 y 100, respectivamente.
Las tasas máximas alcanzables de bits se muestran en la Tabla 6.3,
teniendo la mayor tasa de datos teórica es de aproximadamente 172 Mbps,
referida en el enlace descendente (DL). Si la opción 4×4 MIMO se aplica, la
tasa máxima teórica de datos aumenta a 325 Mbps, cada una de las escalas
de la tasa de bit, trabaja en función del ancho de banda. La tasa máxima de
bit es de 42.5Mbps, corresponde a un BW de 5 MHz, además con 8.8Mbps
de 1.4 MHz, ambas características presentan una configuración 2×2 MIMO.
83
Tabla 6.3 Tasa de velocidad máxima en DL (Mbps)
Bloques de recursos 1.4
MHz 3.0
MHz 5.0
MHz 10
MHz 15
MHz 20
MHz
Modulación y
codificación
Bits/Símbolo Configuración
MIMO 6 15 25 50 75 100
QPSK 1/2 1.0 Single stream 0.8 2.2 3.7 7.4 11.2 14.9
16QAM 1/2 2.0 Single stream 1.5 4.4 7.4 14.9 22.4 29.9
16QAM 3/4 3.0 Single stream 2.3 6.6 11.1 22.3 33.6 44.8
64QAM 3/4 4.5 Single stream 3.5 9.9 16.6 33.5 50.4 67.2
64QAM 1/1 6.0 Single stream 4.6 13.2 22.2 44.7 67.2 89.7
64QAM 3/4 9.0 2×2 MIMO 6.6 18.9 31.9 64.3 96.7 129.1
64QAM 1/1 12.0 2×2 MIMO 8.8 25.3 42.5 85.7 128.9 172.1
64QAM 1/1 24.0 4×4 MIM0 16.6 47.7 80.3 161.9 243.5 325.1
En el enlace de subida, la tasa máxima de datos, se muestran en la Tabla
6.4, en la que, tiene 86 Mbps con 64QAM y hasta 57 Mbps con 16 QAM con
20 MHz. Las tasas máximas de bits son más bajas en el enlace ascendente
que en el enlace descendente desde un solo usuario con MIMO, ahora bien,
la 3GPP en el Release 8, no especifica MIMO en el UL. Un solo usuario con
MIMO en el enlace ascendente se requieren dos amplificadores de potencia
en el terminal. Lo interesante que tiene MIMO en el enlace ascendente,
permite aumentar la capacidad de la celda, pero no aumenta las tasas
máximas de datos de un solo usuario. El nivel de celda de MIMO en enlace
ascendente, se llama Virtual MIMO (V-MIMO), donde la transmisión de dos
terminales, cada una sola antena, es organizada de manera que, el
rendimiento del nivel de la celda máxima, se puede duplicar.
Tabla 6.4 Tasa de velocidad máxima en UL (Mbps)
Bloques de recursos 1.4
MHz 3.0
MHz 5.0
MHz 10
MHz 15
MHz 20
MHz
Modulación y codificación
Bits/Símbolo Configuración
MIMO 6 15 25 50 75 100
QPSK 1/2 1.0 Single stream 0.9 2.2 3.6 7.2 10.8 14.4
16QAM 1/2 2.0 Single stream 1.7 4.3 7.2 14.4 21.6 28.8
16QAM 3/4 3.0 Single stream 2.6 6.5 10.8 21.6 32.4 43.2
16QAM 1/1 4.0 Single stream 3.5 8.6 14.4 28.8 43.2 57.6
64QAM 3/4 4.5 Single stream 3.9 9.7 16.2 32.4 48.6 64.8
64QAM 1/1 6.0 Single stream 5.2 13.0 21.6 43.2 64.8 86.4
84
El tamaño de los bloques de transporte se ha definido como, la transmisión
no codificada posible y esta depende de los recursos actuales disponibles en
la UE, eNodoB, como también de la modulación utilizada. La máxima tasa de
bits alcanzable, se logra tomando en cuenta el tamaño de los bloques de
transporte como se muestra en Tabla 6.5, para el enlace descendente, en
cambio, Tabla 6.6, es para el enlace ascendente, junto con diferentes
esquemas de modulación.
Si analizamos las dos tablas mencionadas anteriormente, la tasa máxima de
bits con una configuración 2×2 MIMO en el DL, la velocidad sube a 150
Mbps y la velocidad en el UL corresponde a 75Mbps. Los cálculos suponen
que la subida 16QAM utiliza un tamaño de los bloques transporte, con índice
de 21, para el enlace ascendente QPSK utiliza un tamaño de los bloques
transporte índice de 10, para 16 QAM en el enlace descendente utiliza un
tamaño de los bloques transporte índice de 15 y por último, en QPSK para el
enlace descendente utiliza un tamaño de los bloques transporte índice 9. El
objetivo inicial de LTE, era establecer velocidades de datos máximos de 100
Mbps en el DL y 50 Mbps en el UL, que se cumplen claramente con el 3GPP
Release 8 de la capa física.
Tabla 6.5 Tasa de velocidad máxima en DL considerando el tamaño de los bloques de transporte
Bloques de recursos 1.4
MHz 3.0
MHz 5.0
MHz 10
MHz 15
MHz 20
MHz
Modulación y codificación
Configuración MIMO
6 15 25 50 75 100
QPSK Single stream 0.9 2.3 4.0 8.0 11.8 15.8
16QAM Single stream 1.8 4.6 7.7 15.3 22.9 30.6
64QAM Single stream 4.4 11.1 18.3 36.7 55.1 75.4
64QAM 2×2 MIMO 8.8 22.2 36.7 73.7 110.1 149.8
Tabla 6.6 Tasa de velocidad máxima en UL considerando el tamaño de los bloques de transporte
Bloques de recursos 1.4
MHz 3.0
MHz 5.0
MHz 10
MHz 15
MHz 20
MHz
Modulación y codificación
Configuración MIMO
6 15 25 50 75 100
QPSK Single stream 1.0 2.7 4.4 8.8 13.0 17.6
16QAM Single stream 3.0 7.5 12.6 25.5 37.9 51.0
64QAM Single stream 4.4 11.1 18.3 36.7 55.1 75.4
85
6.3.2 Categorías de las UE
En Release 8 de la 3GPP, se definieron cinco categorías para los teléfonos
móviles, con diferentes de velocidad de transmisión, referidas en bits. La
categoría 1 es la más baja capacidad para transmitir velocidades máximas
de 10 Mbps de bajada y 5 Mbps de subida, mientras que la categoría 5,
corresponde a velocidades de trasmisión sumamente alta, del orden de los
300 Mbps en bajada y 75 Mbps de subida. En teoría, la capacidad de
velocidad de transmisión, se define como el tamaño máximo del bloque de
transporte que una UE, puede procesar en 1ms.
Por norma, todas las categorías deben ser compatibles con todas las
opciones del ancho de banda, que va de 1.4MHz a 20 MHz, junto con una
modulación 64QAM en la bajada y 1-4 en las ramas de transmisión en
eNodoB. La diversidad de la antena de recepción es un requisito de
desempeño (performance), de esta forma el soporte que entrega MIMO en la
transmisión, depende mucho de la categoría. Dentro de la categoría 1 puede
dar soporte para cualquier tipo MIMO, mientras que las categorías 2, 3 y 4
dan soporte en MIMO de tipo 2×2 y la categoría 5 entrega soporte en MIMO
de 4×4. La modulación de enlace ascendente es de hasta 16 QAM en las
categorías 1, 2, 3 y 4, mientras que 64QAM en la categoría 5.
Todas las categorías de los terminales móviles se muestran resumidas en la
Tabla 6.7. Actualmente se han añadido nuevas categorías de terminales que
se encuentran definidas en las últimas versiones del 3GPP, pero esas
corresponden a LTE-Advance. La fase inicial de implementación de LTE se
espera que tenga dos categorías de terminales, 3 y 4 disponibles
descendente proporcionar velocidades de hasta 150 Mbps y el apoyo de 2×2
MIMO.
86
Tabla 6.7 Categorías de las UE
Categoría
1 Categoría
2 Categoría
3 Categoría
4 Categoría
5
Tasa máxima de bits en DL
10 Mbps 50 Mbps 100 Mbps 150 Mbps 300 Mbps
Tasa máxima de bits en UL
5 Mbps 25 Mbps 50 Mbps 50 Mbps 75 Mbps
Máximo de bits
recibidos con TTI12
10296 51024 102048 149776 299552
Máximo de bits
enviados con TTI
5160 25456 51024 51024 75376
Ancho de banda
20 MHz 20 MHZ 20 MHz 20 MHz 20 MHz
Modulación en DL
64QAM 64QAM 64QAM 64QAM 64QAM
Modulación en UL
16QAM 16QAM 16QAM 16QAM 64QAM
Diversidad en el
receptor Si Si Si Si Si
Diversidad en el
eNodoB 1-4 tx 1-4 tx 1-4 tx 1-4 tx 1-4 tx
MIMO en DL
Opcional 2×2 2×2 2×2 4×4
6.3.3 Performance a nivel de enlace
6.3.3.1 Performance en el enlace descendente
Las tasas máximas de datos, que hemos mencionado anteriormente, se
encuentran disponibles sólo en las condiciones ideales dentro del canal. La
velocidad de transmisión de datos en la práctica, se ve limitada por la
cantidad de interferencia y ruido dentro de la red. La tasa máxima de datos
teórica con la transmisión de una sola antena en el canal de estática puede
12
Transmission Time Interval
87
ser creada usando la fórmula de Shannon. La fórmula entrega la velocidad
de datos (bit rates) en función de dos parámetros, ancho de banda (BW) y la
relación señal a ruido en el receptor (SNR).
Ecuación 6.1 Capacidad de Shannon
[ ] [ ]
La ecuación anterior, no se puede aplicar en la práctica, ya que, debido a
varios problemas de implementación, por ejemplo, no contiene elementos
para poder modelar los fenómenos de perdidas, que están presentes en todo
sistema de transmisión, ya sea, alámbrico (Fibra óptica) o inalámbrico (LTE).
Así la ecuación de capacidad de Shannon, es modificada, agregando dos
variables más, BWeff, que corresponde a la eficiencia del ancho de banda en
LTE y SNReff, indicando la eficiencia de SNR en LTE.
Ecuación 6.2 Capacidad de Shannon en LTE
[ ] [ ]
La eficiencia de ancho de banda de LTE, puede está sujeta a deterioro como
se muestra en la Tabla 6.8. Debido a las exigencias de la Razón de Fuga del
Canal Adyacente (ACLR) y la aplicación práctica del filtro, la ocupación del
ancho de banda se reduce a 0,9. El prefijo cíclico es de aproximadamente el
7% y los gastos indirectos de la estimación de un canal piloto de asistencia
es de aproximadamente 6% para la transmisión de una sola antena. Para la
transmisión de antena dual, la sobrecarga es aproximadamente el doble al
11%. Este problema también afecta a la SNR_eff, el total de enlace a nivel
de eficiencia del ancho de banda es, por lo tanto, aproximadamente el 83%.
Tabla 6.8 Eficiencia en el ancho de banda de LTE en el DL utilizando 10 MHz
Deterioro Bweff en el enlace
Bweff en el sistema
Eficiencia en el BW
0.90 0.90
Prefijo Cíclico 0.93 0.93
Sobrecarga del piloto
- 0.94
Dedicado y común
- 0.715
Total 0.83 0.57
88
6.3.3.2 Performance en el enlace ascendente
6.3.3.2.1 Impacto de ancho de banda de transmisión
La cobertura de enlace ascendente se puede optimizar mediante la
selección de ancho de banda de LTE. La adaptación del ancho de banda
permite que la potencia de la UE emita un ancho de banda óptimo, lo que
amplía la cobertura en comparación con tener un ancho de banda de
transmisión fija. Un mayor número de los parámetros del canal deben ser
estimados para las transmisiones de banda ancha, lo que reduce la exactitud
de la estimación del canal debido al ruido. El ancho de banda de transmisión
optimizada en LTE, permite la estimación de los canales más precisos para
las velocidades de transmisión más bajos en comparación con
WCDMA/HSUPA.
En el Gráfico 6.1, se muestra el rendimiento en función de la SNR con la
asignación de un ancho de banda diferente. La asignación de un ancho de
banda más pequeño, 360 kHz, optimiza la cobertura de las tasas de bits
inferior a 100 kbps. La asignación de ancho de banda moderado, 1,08 MHz,
ofrece una mejor cobertura de las tasas de bits de 100 kbps a 360 kbps. La
estación de base asume una figura de ruido de 2 dB y sin margen de
interferencia está incluido.
89
Gráfico 6.1 Sensibilidad del eNodoB en LTE en función de la potencia recibida con distintos anchos de banda entre 360 kHz, 1.08MHz y 4.5MHz
6.3.3.2.2 Impacto del terminal móvil en movimiento
Dentro de las especificaciones de 3GPP de LTE, uno de los rendimientos
más importantes para las operadoras, es la velocidad de acceso cuando la
UE se encuentra en movimiento, ya que, no es lo mismo descargar
contenidos de la web, estando fijo, que en movimiento como en un auto o en
el metro. En el Gráfico 6.2 muestra la curva de adaptación de enlace
ascendente en LTE para las velocidades de la UE en 3, 50, 120 y 250 km/h.
El impacto que tiene la UE cuando está en movimiento a velocidades bajas,
el rendimiento de la transmisión de datos es imperceptible, mientras que a
mayores velocidades, como por ejemplo, a 250 km/h, se muestra el
rendimiento en la transmisión de datos decrece a un 30% en comparación
con la UE as 3 km/h.
En cambio, los valores de SNR requerido para la eficiencia en los diferentes
enlaces a una velocidad variable se aprecian en el Gráfico 6.3. El
rendimiento de LTE enlace ascendente se ve afectado, si se utilizan las
modulaciones, 16QAM y 64QAM, el impacto de la velocidad de la UE
alcanza afectar hasta 3 dB para la eficiencia de 2 bps/Hz/celda. En general,
90
enlace ascendente LTE, es robusto frente a cambios en la frecuencia
Doppler.
Gráfico 6.2 Rendimiento del eNodoB en LTE, en función de la SNR con la UE en movimiento a diferentes velocidades
Gráfico 6.3 Valores requeridos para SNR, para diferentes eficiencias espectrales con la UE en movimiento
91
6.3.3.3 Administración del enlaces
Los cálculos que se realizan para poder tener una noción de cómo
administrar los enlaces, se debe tomar en cuenta una serie de variables que
interactúan con el sistema inalámbrico de LTE, tales como, la máxima
atenuación permitida en la señal, perdida de trayectoria (path loss) entre la
UE y la antena de estación base. La pérdida de trayectoria máxima, permite
estimar el rango máximo de celdas máximo en un modelo de propagación,
tal como fue diseñado en el modelo Okumura-Hata13, así el rango de celdas,
da el número de emplazamientos para las estaciones bases necesarias para
cubrir un área geográfica determinada. El cálculo del enlace también se
puede utilizar para comparar la cobertura relativa de los diferentes sistemas,
indicando qué tan bien se comporta el nuevo sistema de radio de LTE, en
contraste, con las otras tecnologías como GSM o HSDPA, implementadas
en la misma estación base.
La cobertura se puede mejorar mediante el uso de una frecuencia más baja,
ya que, una frecuencia baja se propaga mejor que una frecuencia más alta y
este beneficio sobre el uso de la menor frecuencia depende del entorno,
como también su uso. De manera que en la Tabla 6.9, muestra los
beneficios del uso de una menor frecuencia, pero este beneficio se pierde,
ya que, la ganancia de antena, tienden a reducirse cuando se usa una banda
de frecuencia más baja. Pero para poder mantener la ganancia de la antena
a una frecuencia más baja, una posible solución, es implementar una antena
físicamente más grande, pero muchas veces no siempre es factible en las
estaciones base, ni en los terminales móviles. Los mayores beneficios de las
bajas frecuencias se pueden obtener cuando la estación base se puede
utilizar grandes antenas de 2,5 m de largo, donde la antena externa se
puede utilizar en el terminal, a esto se le llama despliegue de corrección
inalámbrica en la zona rural.
13
Es un modelo de propagación de radio utilizado para predecir el comportamiento de las transmisiones de celulares en zonas urbanas, mando los factores de cuenta de la difracción, reflexión y dispersión causada por las estructuras de la ciudad. Lo que busca este modelo es, predecir la pérdida total del enlace de terrestre. Este modelo es solo aplicable para enlace celulares o MMOO
92
Tabla 6.9 Beneficio de 900 MHz frente a 2600MHz
Características Zona urbana
[dB] Zona rural [dB]
Corrección inalámbrica en la zona rural
Perdida de propagación
14 14 14
Ganancia de la antena en la BS
-3 0 0
Perdida del cable en la BS
1 3 3
Ganancia de la antena en la UE
-5 -5 0
Sensibilidad en la UE
-1 -1 -1
Total 6 11 16
6.3.3.3.1 Parámetros propuestos en el UL y DL a baja frecuencia
Los parámetros propuestos para LTE en el enlace ascendente, se presenta
en la Tabla 6.10. El enlace se calcula para uno en 64 kbps, junto con dos
antenas de estaciones base de diversidad de recepción. También se ponen
como referencia, los enlaces de GSM en voz (recordar que GSM no
transmite datos multimedia) y HSPA. Ahora bien, el enlace ascendente, se
ha definido en 64 kbps, si se extrapola en la realidad, no satisficiera lo
suficientemente a la alta demanda de datos, pero como estamos trabajando
en una zona rural los requerimientos son otro. El enlace de LTE se puede
implementar mediante redes ya existentes, como GSM y HSPA. LTE no
proporciona ningún incremento importante en la cobertura
En el enlace descendente de LTE tiene muchas similitudes con HSPA, como
también la pérdida de trayectoria máxima es similar, en cambio, cuando
analizamos el enlace ascendente, podemos encontrar algunas diferencias,
tal es el caso, del pequeño margen de interferencia en LTE que no hay
ganancia de una macro diversidad en LTE, además no hay presencia del
fenómeno de desvanecimiento (fadding) en LTE.
93
Tabla 6.10 Datos del enlace ascendente
Enlace de subida Voz en GSM
HSPA LTE
Tasa de datos (kbps) 12,2 64 64
Perdida de trayectoria máxima 162,0 161,6 163,4
Terminal móvil como transmisor
Max potencia de tx [dBm] 33,0 23,0 23,0
Ganancia de antena de tx [dBi]
0,0 0,0 0,0
Perdida [dB] 3,0 0,0 0,0
PIRE [dBm] 30,0 23,0 23,0
Estación Base como receptor
Ruido en el BS [dB] - 2,0 2,0
Ruido térmico [dB] -119,7 -108,2 -118,4
Ruido del receptor [dBm] - -106,2 -116,4
SINIR [dB] - -17,3 -7,0
Sensibilidad del receptor [dB] - -123,4 -123,4
Interferencia [dB] -114,0 3,0 1,0
Perdida en el cable [dB] 0,0 0,0 0,0
Ganancia de antena de rx [dBi]
18,0 18,0 18,0
Desvanecimiento [dB] 0,0 1,8 0,0
Ganancia del soft handover [dB]
0,0 2,0 0,0
Tabla 6.11 Datos del enlace descendente
Enlace de bajada Voz en GSM
HSPA LTE
Tasa de datos (kbps) 12,2 1024 1024
Perdida de trayectoria maxima
161,5 163,6 163,5
Terminal móvil como transmisor
Max potencia de tx [dBm] 44,5 46,0 46,0
Ganancia de antena de tx [dBi]
18,0 18,0 18,0
Perdida [dB] 2,0 2,0 2,0
PIRE [dBm] 60,5 62,0 62,0
Estación Base como receptor
Ruido en el BS [dB] - 7,0 7,0
Ruido termico [dB] -119,7 -108,2 -104,5
Ruido del receptor [dBm] - -101,2 -97,5
SINIR [dB] - -5,2 -9,0
Sencibilidad del receptor -104 -106,4 -106,5
94
[dB]
Interferencia [dB] 0,0 4,0 4,0
Canal de contro [%] 0,0 20,0 20,0
Ganancia de antena de rx [dBi]
0,0 0,0 0,0
Perdida generada por la voz [dB]
3,0 0,0 0,0
6.3.3.3.2 Perdidas de trayectoria
Los valores de las pérdidas de trayectorias máximas se muestran en la
Ilustración 6.5. Los niveles de potencia de transmisión y las cifras de ruido
en las tecnologías de RF también son similares en las tecnologías GSM y
HSPA, y el rendimiento del enlace en bajas tasas de datos no es muy
diferente en LTE que en HSPA. LTE no proporciona ningún incremento
importante en la cobertura. Esto se debe a los niveles de potencia de
transmisión y las cifras de ruido de las RF también son similares en las
tecnologías GSM y HSPA, y el rendimiento del enlace en bajas tasas de
datos no es muy diferente en LTE que en HSPA.
Ilustración 6.5 Pérdidas de trayectoria en distintas tecnologías
95
6.3.3.3.3 Rango de la celda
Rangos de ejemplo de células se muestran en la Ilustración 6.6, dichos
rango de celdas se aprecian con variadas frecuencias que comprenden entre
los 900 MHz, 1800 MHz, 2100 MHz y 2600MHz. Los rangos de celdas se
calculan utilizando el modelo de propagación de Okumura-Hata con los
parámetros mostrados en la Tabla 10.12. El rango de celdas urbana varía de
0,6 km a 1,4 km y suburbanas de 1,5 km a 3,4 km. Tales rangos de celdas
también se encuentran normalmente en las redes GSM y UMTS. Los datos
enunciados en este tópico, corresponden claramente las zonas rurales con
un alto rango de celdas, 26 km para la cobertura de los móviles al aire libre e
incluso hasta 50 km para la instalación fija rural a 900 MHz.
Ilustración 6.6 Rango de celdas
6.3.4 Eficiencia espectral
Los operadores de telefonía móvil, les genera una gran expectación con el
despliegue de LTE, ya que, pueden beneficiarse de la eficiencia espectral
que ofrece LTE, la cual les permite tener una mayor cantidad de usuarios y
tasas de transmisión elevadas. Así en el Release 8 de LTE, específica que la
eficiencia espectral en el enlace descendente corresponde a 10 bits/s/Hz y
en el canal ascendente 5 bits/s/Hz.
Teóricamente el concepto de eficiencia espectral (E [bits/s/Hz]), permite a las
operadoras tener un sistema de referencia, sobre cómo se comporta un
determinada tecnología, para luego establecer comparaciones con respecto
a las otras tecnologías móviles.
96
6.3.5 Latencia
6.3.5.1 Latencia en el plano usuario
La latencia en el plano usuario, es muy relevante para el desempeño de
muchas aplicaciones dentro de la red LTE, puesto que, existen varias
aplicaciones que no requieren una velocidad de datos muy alta, pero
requieren una latencia muy baja, como lo son las aplicaciones de voz, juegos
en tiempo real y otras aplicaciones interactivas. La latencia puede ser
medida por el tiempo que tarda un paquete IP en viajar desde la UE a través
de la red hacia un servidor de internet y que de vuelta, también se le conoce
ping, como se aprecia en la Ilustración 6.7. Dentro del Reléase 8 de la
3GPP, la latencia del plano usuario, lo define con un valor menor o igual a 10
ms.
Ilustración 6.7 Tiempo de ida y vuelta, en la red
Para poder establecer el valor del retardo dentro del plano usuario, debe
tomar las variables que se muestran en la Tabla 6.12. Con el objetivo de
poder cumplir el valor deseado de la 3GPP en cuanto a la latencia, el
tamaño de una trama, entrega un tiempo de transmisión muy bajo del orden
de los 1 ms, puesto que, en promedio un paquete tiene que esperar un
tiempo de 0.5 ms para el inicio de la siguiente trama. Existen aplicaciones
que trabajan con TCP (capa cuatro de OSI), lo cual, las retransmisiones en
el mejor de los casos debe tomar un tiempo de 8 ms con una probabilidad
de retransmisión del 10%. Además, debemos suponer que existe retardo en
el procesamiento de la UE de 4 ms, un retardo de procesamiento del
eNodoB de 4 ms y un retardo en la red principal o del núcleo de 1 ms.
97
Tabla 6.12 Elementos de la latencia
Componentes del retardo Valor del retardo
Tiempo de la tx en el UL+DL 2 ms
Tiempo de almacenamiento (Buffering) 1.6 ms
Retransmisión 10% 4 ms
Retardo estimado en el eNodoB 4 ms
Red del núcleo (Core) 1 ms
Retardo total con los recursos 13,6 ms
La transmisión promedio incluyendo la retransmisión puede ser claramente
inferior a 15 ms. El tiempo de la latencia en la práctica, no solo puede ser
influenciado por las aplicaciones o los elementos mencionados
anteriormente, también dependen mucho de la trayectoria, tal es el caso, si
un servidor está muy lejos de la central de la red. A menudo, el tiempo de ida
de extremo a extremo viaje puede ser dominado por un retardo de “no radio”,
por ejemplo por la distancia y por los otros elementos en la Internet, que el
tiempo de propagación de 5000 kilómetros es de más de 20 ms.
6.3.5.2 Latencia en el plano de control
Latencia del plano de control tiene que ver con los estados de transición,
donde se puede apreciar un retardo en los cambios de estado, tal como, se
muestra en la Ilustración 6.8. El tiempo de transición entre el estado inactivo
(CELL_PCH) y el estado activo (CELL_DCH), la 3GPP definió, que la
latencia de debe llegar a menos, 50 ms. El otro tiempo de transición,
corresponde al estado fijo (Idle Mode) y al estado activo (CELL_DCH), en
donde el plano usuario es establecido, excluyendo el retardo del “paging” en
el DL y el retardo en la señalización NAS, asumiendo que el retardo debe ser
menor de 100 ms. Los elementos contribuyen a la latencia del plano de
control son:
Transmisión de retraso.
Las retransmisiones para la transferencia fiable.
eNodoB/UE y L1/L2/L3.
98
Ilustración 6.8 Estados de transición
La latencia total para el cambio en el estado de LTE_IDLE a LTE_ACTIVE,
se ven afectados por la reducción de número de mensajes intercambiados
entre la UE y NW antes que pueda ser iniciada de la transferencia de datos.
Existen dos posibles optimizaciones para LTE, incluyendo la idea de la
transferencia “Piggy Back” de los mensajes NAS, permitiendo reducir
significativamente la latencia en general; el segundo concepto de
optimización de la latencia, es la Portadora de Radio por Defecto. Teniendo
en cuenta esto, una posible secuencia resultante del flujo de mensajes
podría ser el siguiente (UE iniciar la transferencia de datos):
La UE transmite la solicitud de conexión RRC.
Los resultados de solicitud de conexión en el B eNode solicitando la
transferencia de la transferencia de contexto de la UE relacionados
con la A-GW.
El A-GW responde con la iniciación de los procedimientos de
seguridad y transferencia de contexto.
La UE envía el ACK L3 junto con el mensaje de seguridad completa
que se remitirá a la A-GW. Habrá un retraso finito procedentes de la
acción antes de que el programador de la UE es programada y es
capaz de transmitir o recibir datos.
El procedimiento de acceso aleatorio puede ser un importante contribuyente
a la demora de acceso. Para el estado de LTE_IDLE y LTE_ACTIVE, sólo
hay un procedimiento de acceso aleatorio que debe ser iniciado la
transferencia del mensaje de solicitud de conexión del RRC desde el
99
principio, con un retraso de 10 ms en teoria. La demora real será dictada por
la persistencia, el diseño del canal RACH y otros parámetros.
6.3.6 Capacidad en el plano de control
La capacidad de plano de control, se define como la capacidad máxima de
un sistema de comunicación o medio de transmisión, con el objetivo de
configurar y controlar los dispositivos de comunicación o servicios, que en
este caso son los teléfonos móviles. La capacidad del plano de control en
LTE debe ser capaz de dar soporte por lo menos 200 terminales móviles en
el estado activo cuando se opera en 5 MHz.
6.3.7 Flexibilidad del espectro
La flexibilidad del espectro es una de las principales características del
acceso de radio en LTE, haciendo muy interesante con respecto a otras
tecnologías 4G. El objetivo de la flexibilidad espectro, es permitir el
despliegue del acceso de radio de LTE con un espectro diverso con
diferentes características, tales como, la disposición dúplex, diferentes
bandas de frecuencia en la operación y disponibilidad del espectro de
acuerdo a diferentes tamaños de ancho de banda.
6.3.7.1 Flexibilidad en la disposición dúplex
Una parte importante de los requisitos de LTE en cuanto a los términos de la
flexibilidad del espectro, es la posibilidad de desplegar LTE basado en el
acceso de radio, tanto en los espectros pares e impares, es decir, LTE debe
soportar sistemas por división de frecuencia y por división de tiempo basado
en la disposición dúplex. A esto se llama tecnología FDD o Frequency
Division Duplex, lo que implica, que la bajada y subida de transmisión tendrá
lugar en diferentes bandas de frecuencia suficientemente separadas. La otra
tecnología corresponde a TDD o Time Division Duplex, (TDD), donde la
bajada y subida de transmisión tienen lugar en espacios diferentes, no existe
traslape en los espacios de tiempo. De esta manera, TDD opera en el
espectro impar y FDD trabaja en el espectro par.
100
Ilustración 6.9 Tecnología FDD y TDD
En la Ilustración 6.9, se muestra que una UE tendrá que detectar que tipo de
transmisión será, FDD o TDD. Así las UE que se encuentran censando la
red pudiendo encontrar los dos tipos de transmisión en la misma banda. Por
lo tanto, tendrán que detectar qué tipo de transmisión se está haciendo en
esa banda. Las diferentes asignaciones de frecuencias o bandas de LTE se
les asignan números. En la actualidad las bandas de LTE entre 1 y 22 son
para el espectro pares y las bandas de LTE entre 33 y 41 son para el
espectro impar.
6.3.7.1.1 Frequency Division Duplex
En Tabla 6.13, a simple vista se puede observar un gran número de
asignaciones del espectro radioeléctrico, de las cuales se han reservado
para FDD, para su aplicación en LTE. Las bandas de frecuencia FDD en
LTE se emparejan para permitir la transmisión simultánea en dos
frecuencias, por ejemplo, la banda 1, transmite dos frecuencias la del UL
(1920 MHz – 1980 MHz) y en DL (2110 MHz – 2170 MHz). Pero también, las
bandas poseen una separación, lo suficiente para que las señales
transmitidas no afecten indebidamente el funcionamiento del receptor. Si las
señales están muy cerca el receptor puede ser "bloqueado". La separación
debe ser suficiente para que el roll-off de la antena, pueda dar una
atenuación suficiente en la señal transmitida en la banda del receptor.
101
Tabla 6.13 Numero de banda de FDD en LTE
Numero de banda en LTE
Uplink (MHz) Downlink (MHz) Las regiones
principales donde se usa
1 1920 - 1980 2110 - 2170 Asia, Europa
2 1850 - 1910 1930 - 1990 América, Asia
3 1710 - 1785 1805 -1880 América, Asia,
Europa
4 1710 - 1755 2110 - 2155 América
5 824 - 849 869 - 894 América
6 830 - 840 875 - 885 Japón
7 2500 - 2570 2620 - 2690 Asia, Europa
8 880 - 915 925 - 960 Asia, Europa
9 1749.9 - 1784.9
1844.9 - 1879.9 Japón
10 1710 - 1770 2110 - 2170 América
11 1427.9 - 1452.9
1475.9 - 1500.9 Japón
12 698 - 716 728 - 746 EEUU
13 777 - 787 746 - 756 EEUU
14 788 - 798 758 - 768 EEUU
17 704 - 716 734 - 746 EEUU
18 815 - 830 860 - 875 Japón
19 830 - 845 875 - 890 Japón
20 832 - 862 791 - 821 Europa
21 1447.9 - 1462.9
1495.5 - 1510.9 Japón
22 3410 - 3500 3510 - 3600 No asignado
6.3.7.1.2 Time Division Duplex
El interés que tiene LTE sobre TDD, subyace en las varias atribuciones de
las frecuencias impares que se están preparando para la LTR con uso en
TDD. Las asignaciones de TDD en LTE son impares, porque el enlace
ascendente y descendente comparte la misma frecuencia, siendo el tiempo
multiplexado.
102
Tabla 6.14 Numero de banda de TDD en LTE
Numero de banda en LTE
Asignación (MHz) Las regiones principales
donde se usa
33 1900 - 1920 Asia (no incluyendo Japón),
Europa
34 2010 - 2025 Asia, Europa
35 1850 - 1910 América
36 1930 - 1990 América
37 1910 - 1930 No asignado
38 2570 - 2620 Europa
39 1880 - 1920 China
40 2300 - 2400 Asia, Europa
41 2496 - 2690 EEUU
6.3.7.1.3 Ventajas y desventajas de la transmisión en FDD y TDD
En principio, cualquier sistema de telecomunicaciones basado en la telefonía
celular, debe ser capaz de transmitir en ambas direcciones simultáneamente
(tal como se revisó en el capítulo de marco teórico). Esto permite que las
conversaciones puedan hacer que lo extremos de sean capaces de hablar y
escuchar al mismo tiempo. De modo que, uno tiene la facultad de poder
identificar los enlaces en los cuales se trabaja, ya sea, en el enlace
ascendente o descendente, así uno puede distinguir una gran variedad de
diferencias entre los dos enlaces que van desde la cantidad de datos
transmitidos en el formato de transmisión y la implementación de los
canales.
Para poder transmitir los datos en ambas direcciones, el equipo del usuario o
la estación base, deben trabajar en un esquema dúplex. Como lo vimos
anteriormente los esquemas dúplex corresponden a FDD (división de
frecuencia dúplex) y TDD (división de tiempo dúplex). Estas tecnologías,
presentan una serie de ventajas y desventajas tanto en FDD y TDD,
convirtiéndose en el centro de interés para las operadoras de telefonía
móviles al momento de trabajar con LTE. Cada una de estas ventajas y
desventajas se muestran a continuación en la tabla Tabla 6.15.
103
Tabla 6.15 Ventaja y desventaja de FDD y TDD en LTE
Parámetro LTE-FDD LTE-TDD
Espectro par
Requiere de un espectro emparejado con una
separación de frecuencia lo suficiente para poder
permitir la transmisión y recepción simultánea.
No requiere de espectro par, tanto en la transmisión y en la recepción, ya que, se producen en el mismo
canal.
Costo del hardware
Se requiere un Diplexor, este presenta un costo
mayor.
No existe un Diplexor para poder aislar el transmisor y
el receptor, lo que se reduce el costo de dicho
HW. Esto permite mitigar el costo de la UE debido a la
gran cantidad que se producen, este es un
aspecto clave.
Reciprocidad del canal
Diferentes características del canal en ambas direcciones, como
consecuencia del uso de distintas frecuencias.
Canal de propagación es la misma en ambas
direcciones, que permite transmitir y recibir.
Asimetría en el UL y DL
La capacidad del UL y DL, está determinada por la
asignación de frecuencias establecidas por las
autoridades reguladoras. Por ello no es posible
realizar cambios dinámicos para que coincida con la
capacidad.
Es posible cambiar dinámicamente el UL y el
DL en relación a la capacidad para satisfacer la
demanda.
banda de custodia/Periodo
de custodia
Banda de custodia son necesarias para
proporcionar un aislamiento suficiente entre enlace
ascendente y descendente. Dichas banda de custodia no influye en la capacidad.
Período de guardia, es necesario para garantizar
las transmisiones de enlace ascendente y descendente
no entren en conflicto. Período de protección será
de gran límite de capacidad. Mayor período de protección se requiere
normalmente si las distancias se han
incrementado para incluir mayores tiempos de
propagación.
104
Transmisión discontinua
Transmisión continua es necesaria.
Transmisión discontinua es necesaria para permitir las transmisiones tanto en el
enlace ascendente y descendente. Esto puede atenuar el rendimiento del
amplificador de potencia de RF en el transmisor.
Interferencia del cruce de la
ranura No es aplicable
Las estaciones base deben estar sincronizadas en los
tiempos de transmisión con respecto a la subida y
bajada. Si las estaciones de base vecinas, utilizan
diferentes asignaciones de enlace ascendente como
descendente y compartir el mismo canal, entonces
pueden producir interferencias entre las
celdas.
6.3.7.2 Flexibilidad en la banda de frecuencia
LTE está previsto para ser implementado en el caso de ser necesario,
cuando el espectro pueda estar disponible en los siguientes casos: mediante
la asignación de nuevo espectro para las comunicaciones móviles, tales
como la banda de 2,6 GHz, por la migración a LTE del espectro actualmente
utilizado para los demás servicios móviles por la comunicación, como la
segunda generación de sistemas GSM. Por consecuencia de esto, LTE
requiere que el acceso de radio deba ser capaz de operar en una amplia
gama de bandas de frecuencia, desde un mínimo de la banda de 450 MHz
hasta 2,6 GHz.
La posibilidad de trabajar con una tecnología de acceso radio en diferentes
bandas de frecuencia, en sí mismo, no es nada nuevo. Porque la triple
banda de los terminales GSM son comunes, capaces de funcionar en el 900,
1800 y las bandas de 1900 MHz. Desde la perspectiva de la funcionalidad de
acceso de radio, esto tiene un impacto limitado o nulo, la cual, las
especificaciones de LTE de la capa física no asumen ninguna banda
específica. Lo que puede diferir, en términos de especificaciones, entre las
diferentes bandas de frecuencia que son los requisitos de los sistemas de
RF, como el máximo permitido de potencia de transmisión. Una de las
105
razones de esto es que las restricciones externas son impuestas por los
organismos reguladores y pueden variar entre diferentes bandas de
frecuencia.
6.3.7.3 Flexibilidad en el ancho de banda
Dicha flexibilidad apunta a que la E-UTRAN debe ser capaz de utilizar un
ancho de banda variable tanto en UL y DL: 1,25 MHz, 1.6 MHz, 2.5 MHz, 5
MHz, 10 MHz, 15 MHz y 20 MHz, dando soporte para las bandas de
frecuencia, par e impar, dando la posibilidad no solo el soporte de la
flexibilidad en los recursos, sino que también incluyen la potencia de
transmisión, la modulación y trabajar con una sola banda o varias.
La cantidad del espectro que se encuentra disponible en LTE, pueden variar
significativamente entre diferentes bandas de frecuencia, como también en
función del operador de la red desea utilizarla. Por otra parte, la posibilidad
de operar en distintas asignaciones de diferentes espectros, da la posibilidad
de la migración gradual del espectro hacia otras tecnologías de acceso radio
de LTE, ejemplo Femtocell.
LTE permite el funcionamiento en una amplia gama de atribuciones de las
frecuencias, alcanzado por un ancho de banda de transmisión flexible que
forma parte de las especificaciones de LTE. Obviamente el tamaño del
ancho de banda se ve afectado la velocidad de transmisión como se mostró
en los tópicos anteriores.
6.3.8 Cobertura
Los requisitos de cobertura se centran en el rango de celdas (radio), que es
la máxima distancia de la ubicación de la celda a un terminal móvil. El
requisito fundamental de la cobertura es cumplir con el rendimiento del
usuario, así utilizando 5 Km de radio, se logra una mejor eficiencia del
espectro y el rendimiento de la movilidad.
Para las celdas con hasta 30 Km de radio en la celda, presentan una ligera
degradación del rendimiento, que para el usuario es tolerada y una
degradación importante de la eficiencia del espectro son aceptables en
relación con los requisitos, como también las necesidades de la movilidad se
deben cumplir. No obstante, con un radio de 100 km no debe ser excluida
por las especificaciones, pero no los requisitos de rendimiento.
El radio de la celda que se trabaja en LTE puede ser utilizada de manera
eficiente para proporcionar servicios de banda ancha inalámbrica en zonas
106
rurales, donde las tecnologías de acceso alámbricos les he imposibles llegar.
El radio de la celda puede ser lo bastante grande si la propagación es
favorable por tener una alta cantidad antenas montadas en las estaciones
base, junto con el uso de antenas externas en la UE a una baja frecuencia.
Ejemplo de esto, es la implementación de un sector con las mismas
características mencionadas anterior, estableciendo un rango de la celda
con 75 km, todo esto fue montado en Australia, en una zona rural (Ilustración
6.10).
Ilustración 6.10 Radio de la BS en la zona rural de Australia
La zona de pruebas en Australia, se trabajó con frecuencia de 2600MHz,
para la estación base se ha configurado con 2x60 W de potencia y
amplificadores en la antenas de 18 dBi. Las mediciones se realizaron
mediante el uso de diversas antenas externas en el terminal: 25 dBi antena
de alta ganancia de la Directiva, la Directiva de 15 dBi de la antena y antena
interna UE. Las tasas máximas de datos se muestran en la Ilustración 6.11.
Las antenas de Directiva establecía la tasa peak de 100 Mbps, mientras que
la antena interna permite UE velocidad de datos de 20Mbps. Los datos
correspondientes a las tasas del enlace ascendente en las mediciones han
sido 15 a 30 Mbps.
107
Ilustración 6.11 Rendimiento máximo en el DL diferentes antenas UE
6.3.9 Complejidad
Los requisitos de complejidad en LTE son en esencia, los requisitos que
implican el número de opciones que debe ser minimizado, sin funciones
obligatorias redundante. Esto también conduce a un número mínimo de
casos de prueba necesarios. Como también deben soportar la coexistencia
de otras de las tecnologías de acceso de las redes en 3GPP, tales como
GERAN y UTRAN.
La capacidad de soportar las tecnologías de acceso anteriores a LTE, es
muy importante que cumpla dicha cualidad, ya que, LTE no es capaz de
transportar voz, solo transporta datos. Por lo tanto si una UE de sea
transmitir voz debe utilizar la red GSM (2G). Actualmente se están
desarrollando soluciones ante este problema, una de ellas es VoLTE, su
fundamente es similar a transportar VoIP.
6.3.10 Retardo en el handover
El rápido proceso de traspaso es esencial cuando, el nivel de la señal de la
celda de origen se desvanece rápidamente, y al mismo tiempo la señal de la
celda de destino aumenta, los niveles de señal se muestran en el Gráfico
6.4. Para poder lograr esto, la UE debe ser capaz de recibir la orden de
traspaso del eNodoB de origen antes de que la relación señal-interferencia
sea muy baja, a esto se le llama punto crítico. La fiabilidad de entrega en
este escenario puede ser mejorado por la ventana adecuada y los
parámetros promedio, así como por reducir al mínimo el retardo de la red.
108
Gráfico 6.4 Tiempos de entrega del handover
6.3.11 Performance en la red Backhaul de LTE
En la Ilustración 6.12 Red backhaul genérica en la telefonía móvilIlustración
6.12, se muestra una red backhaul, aplicado en la telefonía móvil, la cual, la
interconexión entre los distintos nodos de la telefonía móvil se utilizan
enlaces de fibra óptica o de microondas para llevar los datos de las celdas
distantes hasta la red núcleo del operador. Para LTE se han detallado los
requisitos para la interfaz de radio, añadiendo los requerimientos de la red
principal, pero en el Release 8, no se especifica ninguna recomendación
para la red backhaul, siendo que el backhaul permite enlazar la E-UTRAN y
la EPC. De esta forma, los proveedores forman parte de la solución en la
que 3GPP no se hace parte, desarrollando e implementando tecnologías de
accesos, algunas de estas empresas proveedoras son: HUAWEI, NEC,
Alcatel, entre otras.
109
Ilustración 6.12 Red backhaul genérica en la telefonía móvil
Para que LTE entregue una tecnología de acceso de radio optimizada para
el tráfico basado en IP, las redes de backhaul deben cumplir con los tres
siguientes requisitos:
Mayor capacidad, la red backhaul debe transportar datos en un valor
de 100 Mbps e incluso más allá.
Latencias más bajas, como se mencionó anteriormente que el
requisito de latencia en el plano usuario es de 10 ms de extremo a
extremo entregando una solución compatible a la latencia
extremadamente baja.
Cumplir con el concepto “All-IP”, todas las aplicaciones trabajan de
manera intrínseca con el protocolo IP a lo largo de la red.
Por consiguiente, los parámetros necesarios para poder cuantificar el
rendimiento del backhaul, serán mencionadas a continuación.
6.3.11.1 Tipo de tráfico en función clase de servicio.
Cada servicio que entrega la red, se le puede asignar a una clase específica
de tráfico y priorizar el servicio, utilizando un señalizador denominado CoS
(Class of Service), que en español significa Clase de Servicio y no se debe
confundir con el QoS. La red de backhaul de LTE debe ser capaz de
reconocer los valores asignados del CoS en el tráfico de datos. También el
backhaul, debe garantizar que las pérdidas de paquetes sean bajas.
110
Los estándares de la tecnología móvil, definir las clases que pueden ser
utilizados en la diferenciación de tráfico, pero no ordenan cómo muchas de
estas clases son en realidad para ser utilizado. Este número dependerá de la
implementación de la red y el perfil de tráfico. En general, la diferenciación
entre los tipos de tráfico se hace por definir y priorizar los paquetes, como
"Alta", "Media" o "Baja" y dicha prioridad depende del tipo de tráfico.
Tabla 6.16 Clase de tráfico en base a la prioridad
Clase de tráfico Clase de servicio Aplicaciones
Background Baja (tráfico sin
tiempo real) email
Interactivo Bajo (tráfico sin
tiempo real) HTTP
Streaming Media (tráfico en
tiempo real) Streaming de video
Conversación Alta (tráfico en
tiempo real) Video conferencia
6.3.11.2 Recomendaciones del Throughput
La velocidad máxima de 150 Mbps de bajada (64QAM 2×2 MIMO) y 75Mbps
de subida (64QAM sola corriente) están disponibles para una configuración
de 20MHz. Las transmisiones peak, son alcanzables sólo en condiciones
ideales de la interfaz aérea, entre las estación base, sin interferencia de las
otras celdas. El Promedio de eficiencia de las celdas en el enlace
descendente del espectro se ha determinado un valor que fluctúa entre 1,5
- 1,7 bit/s/Hz en el despliegue de una celda macro (tres sectores) y 2,4 - 2,9
bit/s/Hz en las células de micro (un sector).
6.3.11.3 Variación del retardo (jitter)
Los requerimientos de la variación del retardo, se basan en los servicios del
usuario o Plano Usuario, que se caracteriza con un retardo de extremo a
extremo, aquí la variación del retardo (jitter), se aplica para los servicios
VoIP, navegación web, transferencia de archivos, gaming y envío de correo
electrónico, y así sucesivamente. Para el Plano de Control, se relaciona con
el retardo de los protocolos de la red de radio y el Plano de Sincronización
corresponde a la sincronización de los eNodoB principalmente.
Si nos vamos al detalle del Plano de Usuario, la latencia debe ser de 15 ms,
en cambio la variación del retardo (jitter) tiene que ser considerado en la
111
interfaz aérea de LTE, puesto que, las retransmisiones de TCP y la red de
transporte contribuyen a la fluctuación del retardo al usuario final.
Para las aplicaciones de tiempo real (VoIP, video streaming, gaming, entre
otras), el usuario final debe ser capaz de tolerar un jitter aproximado de entre
10 a 20 ms, utilizando un buffer correctamente dimensionado. Dicho
dimensionamiento de la red, como también los mecanismos de QoS han
permitido asegurar que el jitter de extremo a extremo, no se exceda en las
aplicaciones que trabajan en tiempo real. Se debe tomar en cuenta el jitter
de las interfaces S1-U y X2, ya que, si analizamos el DL que llega al eNodoB
de origen durante la transferencia, esta será remitida a la eNodoB de
destino, lo que en palabras más simples, tendrá que recorrer un camino
muchas más largo. Para la latencia X2, es significativamente menor que el
tiempo de interrupción en el enlace de radio (30 a 50 ms), y este no tendría
ningún beneficio, ya que, el eNodoB tiene que esperar dichos paquetes de
todos modos. Aun así, la mayoría de las aplicaciones del usuario deberá
tolerar un tiempo pequeño, un aumento en el retardo.
Para el Plano de Sincronización, el requerimiento del jitter, debe ser la
utilización del Precision Time Protocol (PTP), basado en IEEE1588-2008,
que se utiliza para la sincronización del eNodoB.
6.3.11.4 Retardo en la comunicación cliente y servidor
Cuando nos referimos al modelo cliente-servidor, debemos aterrizar este
concepto en LTE, de esta manera, el cliente corresponde a la UE, en cambio
el servidor, se refiere a cualquier aplicación almacenada en la red, por
ejemplo, los servicios web-browsing. Ahora el backhaul se asume que utiliza
hasta 20 ms en promedio, cuando la Policy and Charging Enforcement
Function (PCEF) se encuentra cerca del eNodoB, como se muestra en la
siguiente ilustración.
112
Ilustración 6.13 Características del modelo cliente servidor
6.3.11.5 Retardo en la comunicación Peer-to-Peer
Para la itinerancia internacional o roaming, el retardo puede ser de hasta
aproximadamente 50 ms. La demora en un switch L3 o router suele ser muy
pequeña, y las especificaciones de rendimiento a velocidad de cable coaxial,
por lo general es inferior a 0,1 ms en una red con poca carga. En cambio, en
una fibra óptica, entrega un valor de retardo sobre 1 ms por cada 200 km,
que esta relación, es utilizada para poder calcular el retardo introducido por
la fibra. Cada uno de estos valores de retardo de la comunicación Peer-to-
Peer está definido en la TS 23.303.
Ilustración 6.14 Comunicación Peer-to-Peer
113
6.3.11.6 TCP dentro del backhaul
6.3.11.6.1 Retransmisión
El diseño de la red tiene una fuerte influencia en las propiedades definidas
anteriormente. Además de las características de LTE, la tasa de pérdida de
paquetes en una red comercial depende en gran medida de la red en sí,
como también, de la red de radio, la red backbone y de la misma de Internet.
Muchas de las aplicaciones del usuario final, se encuentran basados en la
experiencia de la pérdida de paquetes, con la retransmisión y el retardo
asociado a TCP. Por otro lado, las aplicaciones UDP, de acuerdo a la
experiencia de la pérdida de paquetes, no presenta ningún efecto en relación
al retardo, puesto que es un protocolo sencillo que no realiza retransmisión,
por eso, UDP es muy utilizado en los servicio de streaming, por ejemplo la
radio-online. Los servicios de streaming pueden utilizar TCP y buffer de
memorias, para evitar la degradación de la calidad de la pérdida de
paquetes. Servicios de transmisión no está íntimamente unido a un cierto
tipo de protocolo y en el tráfico general de Internet hoy en día, TCP domina a
través de UDP, por ello en este capítulo conoceremos el rendimiento solo en
TCP.
En el peor de los casos a través de TCP, cada pérdida de paquetes reduce
temporalmente la tasa de enviar en un 50%. Después de esto, la tasa de
envío aumenta linealmente hasta la pérdida de paquetes se produzca la
velocidad máxima que alcanza TCP en los datos pendientes. Una excesiva
pérdida de datos, genera un rendimiento lento y requieren un procesamiento
adicional, lo que para el sistema LTE no se verían afectados, pero sí
afectaría al usuario final, logrando percibir que la conexión sea lenta.
6.3.11.6.2 Control de flujo y ventana deslizante
El TCP está diseñado para proporcionar un transporte confiable de los
paquetes de datos. Actualmente se utiliza TCP para el 80-90% de todo el
tráfico de paquetes en Internet, donde la fiabilidad de las aplicaciones es
importante, por ejemplo, la navegación web (HTTP), el correo electrónico
(SMTP) y transferencia de archivos (FTP). Debido al mecanismo de control
de flujo, una conexión TCP tiene una velocidad limitada por la relación entre
el tamaño de la ventana y por el RTT14.
Tomando en cuenta la especificación del RFC 793, en relación al tamaño de
la ventana en TCP, el tamaño mínimo corresponde a 64KB con 20 ms RTT,
14
RTT o Round-Trip delay Time, corresponde al tiempo que tarda un paquete enviado desde un host emisor en volver a este mismo emisor habiendo pasado por el host receptor de destino.
114
lo que limitaría el servicio de alcanzar velocidad de datos a 25 Mbps en un
solo puerto TCP en estado estacionario, debido al control del flujo de este
mismo, como se muestra en la Ilustración 6.15. Ante dicha falencia puede
ser mitigada con varias conexiones TCP de forma simultánea, que suelen
ser el caso para la navegación web. Otra medida es el uso de la ampliación
de la ventana de recepción a través la ventana TCP, que es usada
transferencia de archivos grandes, tales como, música, vídeo, software, la
cual se beneficiarán con dicha medida, si las altas tasas de servicios serían
ofrecidas por el operador.
Ilustración 6.15 Velocidad de transmisión versus el tiempo de ida y vuelta
Aparte del estado estacionario, la conexión TCP de inicio (comienzo lento) y
el comportamiento después de la pérdida de paquetes (para evitar la
congestión) también se ven afectadas por el RTT. Con los actuales
navegadores, los sitios web junto con un tamaño de página de media por
debajo de 1 MB, se puede suponer que la mayoría de tráfico web se
transfiere dentro de la fase de comienzo lento, por lo que se establece una
ventana deslizante. En cualquier caso, la red de transporte debe ser
diseñado para definir una latencia baja y una mayor velocidad de datos en
TCP en el estado estacionario para un inicio más rápido.
115
Capítulo VII: Simulaciones e implementaciones en LTE
7. Introducción
En este capítulo se pondrán casos del funcionamiento de LTE, ya sea, a
nivel de laboratorio utilizando simuladores o la implementación de la
arquitectura de LTE en la vida real, con el objetivo de poder entender mejor
las diferencias entre los valores teóricos definidos por la 3GPP y como en la
realidad estos varían.
7.1 Simulación con LTE-Simulator
El desarrollo de LTE Simulator o LTE-Sim, abarca varios aspectos de las
redes LTE, incluyendo tanto el acceso universal evolucionado Radio
Terrestre (E-UTRAN) y el Sistema de Paquetes Evolucionado (EPC). Aquel
simulador puede trabajar en la modelación de los entornos de una o varias
celdas, implementar sistemas en base al QoS, transmisión de datos en
múltiples usuarios acoplados en la red, la movilidad del usuario, los
procedimientos de entrega y las técnicas de reutilización de frecuencias.
7.1.1 Parámetros de simulación
Para esta simulación se tomaron los siguientes datos, que se muestra en la
Tabla 7.1, después de haber definido los parámetros, se comienza con la
simulación en el software. Cabe destacar que esta medición se está
realizando en el enlace descendente utilizando una transmisión de video con
242 kbps, en cambio, el servicio de VoIP (G.729) son con una transmisión de
datos sobre los 8,4 kbps).
Es importante tener en cuenta que en este software de simulación se trabaja
con tres algoritmos de planificación de paquetes, que tienen como objetivo,
cumplir el QoS en LTE, en base a un tráfico no real. Lograr una simulación
fiel de la realidad es muy difícil, puesto que en la red, existen muchas
variables que permiten determinar la perdida de paquetes, el jitter, el retardo,
entre otras, y muchas de estas variables son de carácter probabilístico. Los
tres algoritmos son:
Proportional Fairness (PF), corresponde a la programación del tráfico
en tiempo no real, que permite asignar los recursos de radio teniendo
en cuenta la experiencia de la calidad del canal y el rendimiento del
usuario. El objetivo de dicho algoritmo, consiste en maximizar el
rendimiento total de la red y garantizar la equidad entre los datos.
116
Maximum Largest Weighted Delay First (M-LWDF), M-LWDF es un
algoritmo diseñado para soportar múltiples usuarios en tiempo real de
datos en los sistemas CDMA/HDR. Permite adaptarse correctamente
con varios usuarios, a través de diferentes requisitos de QoS de cada
uno de los usuarios. Este algoritmo toma en cuenta las variaciones
de canal y los retardos, en el caso del servicio de video, tratando de
equilibrar los retardos de los paquetes y utilizar el conocimiento sobre
el estado del canal, para hacerlo más eficiente.
Exponential Proportional Fairness (EXP/PF), este algoritmo que ha
sido desarrollado para soportar aplicaciones multimedia en una
modulación adaptativa y codificación y multiplexación por división de
tiempo del sistema, esto significa que un usuario puede pertenecer a
un servicio en tiempo real o un servicio en tiempo no real. Este
algoritmo ha sido diseñado para aumentar la prioridad de las
transmisiones de datos en tiempo real con respecto a la en tiempo no
real.
Tabla 7.1 Parámetros de LTE en el simulador
Parámetro Valor
Duración de la simulación
150 s
Estructura de la trama
FDD
Radio de la celda 1 Km
Ancho de banda 10 MHz
Retardo máximo 0.1 s
Tasa de datos (videos)
242 kbps
Tasa de datos (VoIP)
8,4 kbps
7.1.2 Resultados de la simulación
7.1.2.1 Paquetes perdidos
En este experimento se medirá la pedida de paquetes en dos servicios muy
utilizados dentro del networking, un servicio de video. En el Gráfico 7.1, se
muestra la pérdida de paquetes en la transmisión de video, aquí la pérdida
de paquetes es directamente proporcional cuando se trabaja con el algoritmo
117
PF, dentro de la Gráfico 7.1, el PF se comporta muy bien con una cantidad
pequeña de 20 usuarios, acoplados en una celda. Para el algoritmo M-LWDF
muestra una pérdida de paquetes mucho más estable para el tráfico de
vídeo cuando hay menos de 32 usuarios. En cambio el algoritmo, EXP/PF
presenta un comportamiento óptimo y mejor que M-LWDF, donde la celda es
compatible con una pérdida de paquetes normal cuando hay menos de 38
usuarios.
Gráfico 7.1 Pérdida de paquetes en video
7.1.2.2 Retardo
El retardo experimentado por un video se muestra en el Gráfico 7.2, donde el
menor retardo se lleva a cabo por EXP/PF, M-LWDF presenta un retardo
estable, muy cercano a los resultados experimentados por EXP/PF, por
último, PF muestra un retraso estable cuando hay menos de 20 usuarios
acoplados dentro de la celda.
118
Gráfico 7.2 Retardo en la transmisión de video
7.1.2.3 Rendimiento
Aquí los algoritmos, M-LWDF y EXP/PF mostraron un mejor rendimiento que
el PF cuando la célula está cargada, esto es un comportamiento normal de
las transmisiones en tiempo real. Aunque M-LWDF muestra buen
rendimiento, EXP/PF expresa un mejor resultado.
119
Gráfico 7.3 Rendimiento experimentado en la transmisión de video
7.1.2.4 Eficiencia en la celda
El Gráfico 7.4 muestra la eficiencia espectral de la celda, obtenida para los
escenarios considerados LTE y se expresa como el rendimiento total
alcanzado por todos los usuarios, dividido por el ancho de banda disponible,
como fue mencionado en un capítulo anterior Como era de esperar, los
algoritmos, utilizados mostraron diferentes comportamientos dentro de la
celda. Cuando el número de usuarios en los aumentos de la célula, tratando
de garantizar el QoS de los usuarios de la celda.
120
Gráfico 7.4 Eficiencia espectral
7.2 Prueba de campo del performance en FDD
En esta prueba de campo, corresponde a un despliegue real, en el sentido
de que se utilizó el hardware necesario de LTE, como también la
implantación de las arquitecturas E-UTRAN y EPC. El desarrollo de esta
experiencia se logró con el aporte de Nokia Siemens, en conjunto con
Chalmers University of Technology. Aquí las pruebas se realizan en
múltiples sitios en un área determinada, además se consideraran los enlaces
ascendente y descendente.
7.2.1 Parámetros de la prueba de campo
La zonas de prueba se componen de dos áreas totalmente distintas, dichas
áreas se les denominó Cluster A y Cluster B, en la Ilustración 7.1, el Cluster
A corresponde a la zona delimitada con el color anaranjado y el Cluster B se
encuentra delimitado con el color negro.
Si nos vamos al detalle del Cluster A, la empresa proveedora Nokia
Siemens, desplegó seis eNodoB con tres sectores para iluminar (DX0350,
DX0309, DX4022, DX0115, DX4072 y DX0729) y un eNodoB (DX0389),
utilizando una banda de 2 GHz, en el UL y en el DL, operando con una
banda de 2 GHz. El sitio en donde se realizarán las mediciones, se
encuentra demarcado con el nombre DX0309_2.
121
Ilustración 7.1 Zonas de pruebas, modelada con la aplicación TEMS
Para el Cluster B, Nokia Siemens instala equipos que operan en la banda
700 MHz, en presencia de cuatros eNodoB (DX0043, DX4182, DX4133 y
DX4109), todos utilizan tres sectores para iluminar la zona. El sitio para
realizar las mediciones, es el DX4109, eligiendo uno de los tres sectores,
denominado DX4109_3). En total, hay doce sectores activamente irradiando
en este grupo.
Los parámetros a trabajar se muestran en la Tabla 7.2, lo bueno de este
experimento, se considera la arquitectura de red de transporte o el backhaul,
que permite el flujo de los datos en cada eNodoB, que son ruteados a través
de la tecnología MPLS (Multiprotocol Label Switching) de la red, mediante un
enlace de 100Mbps/GigE. Para la arquitectura EPC, se utiliza el laboratorio
de LTE 4G en Dallas, Texas, donde se emula la red central con los equipos
de Nokia Siemens.
Tabla 7.2 Parámetros de las pruebas de campo
Parámetro Valor
Potencia en la Tx referida en el DL
30 W
Máxima potencia de Tx en el UL
23 dBm
Ancho de banda 10 MHz
Categoría 2 de la UE
DL: 50 Mbps UL: 25 Mbps
122
Banda en DL (2 GHz)
2.110 - 2.155 GHz
Banda en UL (2 GHz)
1.710 - 1755 GHz
Banda en DL (700 MHz)
734 - 746 MHz
Banda en UL (700 MHz)
704 - 716 MHz
Estructura de la trama
FDD
Esquema de la antena en DL
2×2 MIMO, SIMO
Esquema de la antena en UL
SIMO
7.2.2 Resultados de la prueba de campo
7.2.2.1 Rendimiento para un usuario en el DL
El objetivo general de estas pruebas es medir el rendimiento de
procesamiento de bajada de un solo usuario en la utilización de adaptación
de 2×2 MIMO para una serie de pruebas de la UE, ya sea, estacionaria y en
movimiento, utilizando el protocolo TCP o UDP.
Los resultados de rendimiento para los casos se muestran en la Tabla 7.3,
definidos en THP, que es la abreviatura de Throughput (rendimiento),
referidos en L1 (Layer 1), así como la capa de transporte del modelo OSI
(TCP o UDP). Las ubicaciones de las pruebas estacionarias
correspondientes a la posición de cerca, mediana y lejana, que en la Tabla
7.3, las definen como, “near, mid, far”, en cambio la Tabla 7.3, las define con
las variables THP-001, THP-006, THP 009 y THP-014.
Tabla 7.3 Asignación de variables
Mbps
Posición: cerca Posición: media Posición: lejos Movilidad
Peak L1
Tput Prom L1
Tput Prom de aplic
de Tput Peak L1
Tput Prom L1
Tput Prom de aplic
de Tput Peak L1
Tput Prom L1
Tput Prom de aplic
de Tput Peak L1
Tput Prom L1
Tput Prom de aplic
de Tput
DL
T CP
No cargad
a
THP001 THP003 THP005 THP007
49.04 48.24 46.62 48.7 47.10 46.19 42.94 41.08 39.78 48.94 30.59 29.89
Cargada
THP009 THP011 THP013 THP015
48.99 48.18 46.56 37.00 35.00 31.80 19.94 17.55 16.93 48.99 26.71 26.58
UDP
No cargad
a
THP002 THP004 THP006 THP008
49.04 48.80 47.65 48.80 48.30 47.80 43.08 41.57 41.04 49.04 36.89 36.90
Cargada
THP010 THP012 THP014 THP016
49.04 48.50 47.80 27.88 25.43 24.91 18.64 13.65 13.35 49.04 27.40 26.69
DL
T CP
No cargad
a
THP017 THP019 THP021 THP023
18.89 18.83 18.23 18.89 18.53 17.93 4.30 3.70 3.60 18.99 12.88 17.93
Cargada
THP025 THP027 THP029 THP031
18.89 18.78 18.18 18.89 18.66 18.20 3.60 2.18 2.10 18.87 11.60 18.20
UDP
No cargad
a
THP018 THP020 THP022 THP024
18.89 18.86 18.39 18.89 18.55 18.30 5.10 4.07 4.00 18.99 12.10 11.88
Cargada
THP026 THP028 THP030 THP032
18.89 18.80 N-R 18.89 18.66 18.40 4.26 3.70 N-R 18.99 12.44 N-R
123
124
Ilustración 7.2 Localización de la UE (estacionaria y en movimiento)
La ruta de utilizada para las pruebas de la movilidad, corresponde a la
Ilustración 7.2, trayectoria trazada en color morado, para Tabla 7.3, hace
alusión a las variables THP 007, THP 008, THP 015 y THP 016. Como era
de esperar, la sobrecarga en la transmisión de datos, utilizando el protocolo
UDP es mínimo en comparación con TCP, puesto que, es un protocolo
mucho más complejo que UDP, recordando que TCP realiza control de flujo
y garantiza el envío de los segmentos. Así el rendimiento en las pruebas
realizadas en UDP (THP-002, THP-004, THP-006 y THP 008) es superior a
las pruebas realizadas a TCP (THP-001, THP 003, THP 005 y THP 007). Lo
interesante de esta prueba es que, la tasa máxima de los datos en L1
durante la ejecución de THP-001 y en THP-008, el resultado registra 49,04
Mbps muy cercano máximo teórico de 50 Mbps (que es impuesto por el uso
de la categoría 2, LTE UE).
En cuanto a la posición, se observa, que la carga tiene un impacto
significativo en el rendimiento del sistema cuando la UE se encuentra en la
posición del extremo, tiene menos impacto cuando se encuentra en la
posición media y un impacto menor en la posición cercana. Los resultados
muestran que el impacto de la introducción de la carga en la posición del
extremo es disminuir el rendimiento promedio de L1 en un 0,12% (THP-001
frente a 009 THP), una correspondiente disminución de 25,7% en la posición
media (THP-003 frente a THP-011) y una disminución de 57,2% en la
posición más lejana.
125
7.2.2.2 Rendimiento en el UL para un solo usuario
Las pruebas del rendimiento, se tomaron los datos en las posiciones de
cerca, medio y lejos. En la ubicación cerca (THP-017, THP-018, THP-025 y
THP 025), el rendimiento máximo L1 es 18,89 Mbps, lo que viene muy cerca
del máximo de 20.616 Mbps. Un resultado inesperado se encuentra en la
comparación directa de THP-019 y THP 027, donde se observa que el
rendimiento promedio de L1 para el caso sin carga es ligeramente inferior a
las mismas prestaciones medidas para el caso con carga (18,53 Mbps frente
a 18,66 Mbps). El rendimiento más bajo que parece deberse a las
variaciones de TCP, ya que, TCP está sujeto al control de flujo. En los casos
de la realización de la prueba en la ubicación de lejos (THP-021, THP-022,
THP-029 y THP 030), los rendimientos se registran a menos de 5 Mbps.
7.2.2.3 Rendimiento para múltiples UE
En la sección anterior, hemos informado sobre el desempeño de los casos
de prueba de un solo usuario el rendimiento, en donde un solo UE está en
pruebas en la celda. Sin embargo, nos centramos en varios escenarios de
múltiples usuarios, en el que cuatro UE están activos dentro de la celda. Los
casos de prueba relevantes son THP-033, THP 034, THP 037 y THP 038.
Los resultados se muestran en la Tabla 7.4.
Tabla 7.4 Rendimiento para varias UE
Estacionario En movimiento
Enlace Protocolo Carga Caso de prueba
Rendimiento promedio de la
celda
Caso de prueba
Rendimiento promedio de la
celda
DL
TCP Sin
carga THP 033
48.61 Mbps THP 035
No fue evaluado
TCP Con
carga THP 037
37.67 Mbps THP 039
44.99 Mbps
UDP Sin
carga THP 034
41.22 Mbps THP 036
39.30 Mbps
UDP Con
carga THP 038
29.64 Mbps THP 040
31.77 Mbps
UL
TCP Sin
carga THP 041
19.40 Mbps THP 043
17.91 Mbps
TCP Con
carga THP 045
17.68 Mbps THP 047
18.20 Mbps
UDP Sin
carga THP 042
19.43 Mbps THP 044
17.90 Mbps
UDP Con
carga THP 046
20.09 Mbps THP 048
18.29 Mbps
126
Para estas pruebas, UE1 se encuentra en la posición lejana al eNodoB, UE2
y UE4 se encuentran en la posición media y UE3 se encuentra en la posición
cercana. En todos estos casos de prueba, los cuatro a los usuarios
compartieron el ancho de banda de 10 MHz presente en LTE. Las
principales observaciones ocurrieron, al comparar los escenarios de TCP,
sin carga y con carga (THP-033 versus THP0-37), un reducción en la
transmisión del rendimiento promedio de la celda media, es debido a la
carga de un 19%, mientras que para los escenarios de UDP (THP-037
versus THP-038), la reducción en la transmisión del rendimiento promedio
de la celda media debido a la carga de un 28%.
7.2.2.4 Rendimiento del Handover en las bandas 2 GHz y 700 MHz
En esta última sección, se discuten los resultados de las pruebas de
rendimiento de procesamiento con entrega. Las pruebas se llevan a cabo
tanto sobre el 2 GHz y 700 MHz inferior dentro de la Categoría B. Los casos
de prueba relevantes son los siguientes: CC-021, CC-022, CC-0210, CC 022
y CC-052-. El objetivo de estas pruebas es la aplicación intra-e inter-eNodoB
entrega sobre la base de RRC (Radio Control de recursos) de mensajería al
tiempo que impone un impacto mínimo en la capa 1 y el rendimiento de la
capa de aplicación antes, durante y después de la entrega de terminación.
Además, la red debe ejecutar con éxito mensajes de plano de control,
mientras que la observación de un tiempo de interrupción que es inferior a
56 ms (un requisito sobre la base de las pruebas de laboratorio y la
especificación de producto).
En esta serie de pruebas, el éxito de la entrega se determina mediante la
comprobación de la secuencia de mensajes: Informe de Medición de la UE
envió indica un PCI (identificador de célula física) con una señal fuerte,
seguido de celda de origen enviar mensaje de conexión RRC
reconfiguración de Información de Control de Movilidad para el objetivo
celular y CRNTI (Radio celular identificador de red temporal) para el usuario.
Finalmente, esta secuencia debe ser seguida por un mensaje de
reconfiguración completa conexión RRC enviados desde la UE después de
que llegue a la célula diana.
El tiempo de interrupción se refiere al tiempo de interrupción del plano de
control durante la entrega. Se determina por el momento en que la UE recibe
el mensaje de conexión RRC reconfiguración en la celda de origen para el
momento en que envía el mensaje de conexión RRC reconfiguración
completa en la célula diana. En este punto, el portador de radio por defecto
se ha establecido y está disponible para la planificación del tráfico por la
celda central. A pesar de las pruebas de CC-022, señal del enlace
127
ascendente, presentó duraciones de tiempo en el que hubo un bajo
rendimiento, pero en general, los resultados son muy satisfactorios, con una
probabilidad de éxito del 100% en total de 397 intentos de entrega, para el
plano de control del handover, tuvo un promedio de tiempo de 21 ms es
mucho más rápido que el objetivo máximo, 56 ms.
Tabla 7.5 Rendimiento del handover
Banda Caso de prueba
Circuito Intentos de handover
Handover exitosos
Promedio de interrupción (ms)
2 GHz CC021 DL
1 28 28 21
2 30 30 21
3 29 29 22
2 GHz CC022 UL
1 31 31 Sin interrupción
2 28 28 Sin interrupción
3 35 35 Sin interrupción
700 MHz
CC210 DL
1 36 36 22
2 28 28 22
3 30 30 22
700 MHz
CC220 UL
1 34 34 21
2 28 28 21
3 34 34 21
700 MHz
CC052 DL 1 26 26 21
700 MHz
CC052 UL 1 26 26 21
7.3 Medición de LTE en aplicaciones de Gaming
Actualmente los servicios que entrega Internet, Gaming, presenta un gran
dolor de cabeza, para las operadoras, ya que los usuarios requieren una
latencia menor, para lograr una mejor QoE. Por ello, se emplearán tres
parámetros de medición de rendimiento, que han sido definidas para cumplir
los requisitos de rendimiento en los juegos en línea:
Retardo de extremo a extremo en la red.
Jitter.
Aplicación de la pérdida de paquetes.
Dada la amplia variedad de juegos disponibles, que pueden ser separados
en las siguientes cuatro categorías en las que han sido los resultados
correspondientes juegos tolerable descrito con el uso de los parámetros de
rendimiento por encima de propuestas:
128
7.3.1 First Person Shooter (FPS) y Racing
En esta clase de video juegos, requiere una respuesta rápida del usuario
para los otros jugadores que estén en línea. Además presenta un ambiente
muy dinámico, por la exigencia que requiere esta clase de juegos. Las
recomendaciones son:
Hasta 150 ms de extremo a extremo retraso puede ser aceptable.
El Jitter de 10 ms se puede esperar a ser críticos para FPS.
Hasta 5% de pérdida de paquetes es aceptable.
7.3.2 Estrategia en Tiempo Real (RTS) o Simulaciones
Aquí los juegos de esta clase requieren una respuesta ligeramente inferior,
más lenta el juego, un puñado de jugadores en un solo juego. Las
recomendaciones son:
Se presentó un retardo entre 250 ms y 500 ms de extremo a extremo
que fue bastante aceptable.
Requisitos para la fluctuación no están definidos.
La pérdida de un 1% de paquetes con retraso 150ms puede ser
aceptable
7.3.3 Multijugador Masivo Online juegos de rol (MMORPG)
Son juegos muy persistentes a la necesidad de tener mayor velocidad,
puesto que, consume escenarios muy variables a lo largo del juego, como
también existen cientos de jugadores interactuando al mismo tiempo. Las
recomendaciones son:
Envio de varios paquetes de cada ms, otorgando una latencia muy
menor a los 350 ms.
Según el contenido y el tiempo de juego, los rangos de los datos
requeridos tasa de entre 8 kbps-24kbps.
10% de pérdida de paquetes puede ser aceptable si la latencia es
baja.
7.3.4 Juegos en tiempo no real (NRTG)
Dentro de esta clasificación, los juegos no requieren de un gran rendimiento
como los anteriores, es más un retardo mayor no afectaría el QoE, un
ejemplo de estos juegos son, el ajedrez, backgammon, cartas, etcétera. La
recomendación es:
129
Cero pérdida de paquetes, lo cual, se puede lograr mediante métodos
de retransmisión.
Dentro de estas cuatro categorías de juego, los requisitos para el retardo,
jitter y la perdida de paquetes, son diferentes dependiendo de los juegos y
en las expectativas del jugador, pero el rango típico de los atributos de
requisito para los juegos en tiempo real se han observado lo siguiente:
Pérdida de paquetes del 0,1% al 5%.
Latencia (e2e) entre 75 ms y 250 ms.
Velocidad de datos entre los 5Kbps 60kbps.
Se desprende de los valores anteriores que la definición 3GPP es mucho
más estricta de lo necesario en relación a los términos de la pérdida de
paquetes en la mayoría de los casos. Sin embargo, en términos de latencia,
el requisitos en el retraso del RAB para un mejor desempeño son se
extendía desde los extremos de la red, con retardos mayores a 75 ms, lo
que dará una percepción de la caída en el rendimiento de los usuarios si el
juego requiere una respuesta más rápida. En el Gráfico 7.5, se muestra los
escenarios de todos los videos juegos mencionados anteriormente, en
función con la latencia. Para Mark Claypool y Kajal Claypool15, plantean que
el futuro de las redes en evolución (LTE), deben mejorar el comportamiento
de latencia, para lograr una experiencia de alta calidad en los juegos en
línea, por parte de los usuarios.
15
Fuente: “Latency and player actions in online games – M. Claypool and K. Claypool”.
130
Gráfico 7.5 Escenario de los distintos videos juegos
7.4 Entorno de prueba LTE en la Universidad de Chile
En el departamento de Ingeniería Eléctrica de la Universidad de Chile, en la
conferencia “Agenda de Transferencia Tecnológica LTE de ZTE”, se dieron a
conocer la importancia de la donación de un laboratorio de LTE por empresa
proveedora ZTE. Dentro de esta conferencia de enseño la arquitectura,
como el hardware a utilizar, mostrados en la Ilustración 7.3.
131
Ilustración 7.3 Esquema de la arquitectura montada
7.4.1 Entorno de prueba y parámetros
Los equipos se deben estructurar en el laboratorio para realizar las
mediciones, se deben armar como lo muestra en la Ilustración 7.4, pero por
un tema de tiempo las mediciones se hicieron enfocadas en la actividad “Lab
test” o prueba de laboratorio. Además es importante agregar que las
mediciones tuvieron un carácter demostrativo, para conocer las
generalidades de LTE. Los parámetros utilizados son los siguientes:
132
Ilustración 7.4 Montaje de los equipos
Tabla 7.6 Parámetro de configuración
Parámetro Valor
Banda de frecuencia
2.6 GHz
Ancho de banda
20 MHz
Configuración de antena
2×2 MIMO
Modulación en DL
64 QAM
Modulación en UL
64 QAM
En las pruebas realizadas se trabajó con él envió de un archivo por FTP,
aquí se observó una velocidad de transmisión de 25 Mbps en el DL 10 Mbps
10 en el UL, junto con una latencia de 15 ms.
133
Capítulo VIII: Hardware de LTE
En este capítulo está enfocado en la capa uno del modelo OSI, es decir a los
dispositivos físicos, en este nivel, se encarga de controlar las funciones
necesarias para poder transmitir el flujo de datos sobre un medio físico, que
en este caso son las antenas de microondas. Dentro de la capa física, se
definen los procedimientos y las funciones que los dispositivos físicos e
interfaces que deben cumplir el objetivo de transmitir la información.
Los encargados de distribuir el hardware necesario, son las empresas
proveedoras de LTE, como por ejemplo Ericsson, Nec, Huawei, ZTE, Allgon,
Motorola, Nokia-Siemens, SkyCross, Alcatel, entre otras. De esta forma nos
concentraremos en el proveedor Ericsson y SkyCross, puesto que, fue
mucho más fácil acceder a la información de los equipos que distribuyen
para las operadoras que trabajan con LTE.
8.1 Hardware en E-UTRAN
Como se ha mencionado en capitos anteriores el eNodoB corresponde a la
estación base, comprende desde las antenas utilizadas suelen situarse en lo
más alto de la torre, de edificios o colinas para dar una mejor cobertura y son
tipo dipolo. Normalmente, está compuesta por un mástil al cual están unidas
tres grupos de una o varias antenas equidistantes hasta el gabinete, quien
este contiene los equipos necesarios para realizar los procesos complejos
como por ejemplo, la modulación o también indicar las tarjetas que entregan
la capacidad de cuantas UE máximas puede soportar, en la Ilustración 8.1
se muestra de manera gráfica una estación base.
134
Ilustración 8.1 Estación base de cualquier sitio de LTE
Muchas veces los equipos que se muestra en la Ilustración 8.2 se pueden
encontrar en un conteiner o en la intemperie. Estos gabinetes se conoces
como RBS o Estaciones Bases de Radio, corresponde a la unidad central
(Main Unit), una arquitectura sólida, compuesta de una unidad refrigerante,
baterías de respaldo y destacan dos unidades muy importantes, la unidad de
radio y la unidad digital. Además la unidad central, permite entregar los
servicios de OSS, que permite monitorear los sitios de manera remota.
Ilustración 8.2 RBS Ericsson 6102
Tanto la unidad de radio y la unidad digital, se encuentran ubicadas dentro
en el radio shelf, que es un rack en donde aloja dichas unidades.
135
Ilustración 8.3 Radio Shelf en el RBS
La unidad digital tiene la función de control de procesamiento de las señales,
como también controla el reloj, permite la sincronización con RU y el
transporte de las señales hacia los otros dispositivos. Este dispositivo se
encarga de entregar las velocidades de transferencias que requiere LTE,
173 en DL, 56 en UP y establece las configuraciones MIMO, en este caso
2x2, junto con el soporte de 50 usuarios conectados en la red. Los valores
mencionados anteriormente los que entrega el equipo Digital Unit for LTE
(DUL).
Ilustración 8.4 Unidad digital
136
La unidad de radio, tiene dos funciones importantes, amplificación y filtrado
de la potencia de RF y la segunda función, permite realizar los procesos de
modulación y demodulación. Esta unidad trabaja en conjunto con la DU, para
contralar los procesos de RF dentro de la BS.
Ilustración 8.5 Esquema de modulación y demodulación de la Unidad de Radio
En la Ilustración 8.6, se muestran las posibles situaciones de conexión de
cables ópticos entre la unidad central acoplada con la RRU a través del
módulo SFP (Small Form-factor Pluggable). Así los cables de fibra óptica
están disponibles en longitudes estándar a partir de unos pocos metros
hasta varios cientos de metros. Para distancias más largas entre la unidad
principal y RRU, una red existente de transmisión óptica de fibra se puede
utilizar para aumentar la longitud total del cable óptico. Antiguamente en 2G
se utilizaban coaxiales, pero estos presentaban perdidas, lo que se le instaló
un amplificador denominado TMA, pero tanto en 3G y 4G, se reemplazó por
fibra óptica.
137
Ilustración 8.6 Conexiones de cables ópticos
Después sale otra conexión óptica entre la RRU y el RETU (Remote
Electrical Tilt Unit), el RETU es un dispositivo encargado de dar la inclinación
pero no de carácter mecánico sino eléctrico encargado de elegir el ángulo de
potencia para iluminar cierta zona. Luego el RETU se conecta directamente
con la antena. Existen casos en que la conexión entre el RRU y el RETU, se
utiliza coaxial, si bien, el coaxial genera pérdidas mayores que la fibra, pero
esto se compensa con la distancia entre dichos dispositivos, ya que a una
distancia menor no se justifica el uso de fibra, como se muestra en la
La instalación de la antena, debe cumplir requerimientos, que permitan
desenvolverse óptimamente dentro de la interfaz aérea, como también debe
cumplir los requisitos de una antena inteligente o MIMO. La operadora
Norteamérica Verizon16, catalogó a la empresa SkyCross, como la
proveedora de antenas capaz de cumplir los requerimientos de una antena
MIMO17
16
Es considerada como la operadora móvil en transmitir la primera señal de LTE a nivel mundial. 17
“SkyCross Announces 4G LTE MIMO Antenna Solution Design Win” Fuente: http://news.vzw.com/news/2011/01/pr2011-01-04n.html
138
Ilustración 8.7 Antena SkyCross instalada en Estados Unidos
Otro dispositivo dentro de la interfaz área de LTE, es la UE o conocida como
terminal de usuario, mencionado en el capítulo de la arquitectura de LTE.
Para la mayoría de las personas hace alusión a la UE como el teléfono
celular, pero la UE es mucho más que el teléfono, en una visión general
correspondería a cualquier equipo capaz de soportar o gestionar servicios de
LTE.
Haciendo referencia nuevamente a Verizon, dentro de los equipos terminales
de LTE que ofrecen, se encuentran, Smathphones (celulares), Tablet,
Notebook o Netbooks, Mobil Hotspot y Modem USB.
139
Ilustración 8.8 Tablet con soporte a LTE
Ilustración 8.9 Smathphone con soporte a LTE
140
Ilustración 8.10 Mobile Hotspot de Verizon LTE
Ilustración 8.11 Modem USB
8.2 Hardware en el EPC
El Evolved Packet Core es una arquitectura de la red principal basada en IP,
con el objetivo de dar apoyo a la próxima generación de banda ancha móvil
LTE. Las principales fuerzas impulsoras del Evolved Packet Core, son los
requisitos de los nuevos servicios multimedia, en conjunto con la migración
de tráfico de voz en el dominio de conmutación de paquetes es también una
consideración importante. La nueva arquitectura también permite a una red
central común, para la convergencia reduciendo significativamente el costo
141
de propiedad para los operadores con las ofertas de banda ancha, tanto fija
como móvil, aportando un mayor rendimiento y reducción de los retrasos.
Para conocer el hardware de la EPC, tomamos los catálogos del proveedor
Ericsson, que se encuentran relacionados con dicha arquitectura.
Ilustración 8.12 Nodos de la puerta de enlace
Ilustración 8.13 Nodos de control
142
Ilustración 8.14 Evolve Packet Core
8.3 Hardware en el backhaul
En este capítulo se mencionará algunos de los hardwares más utilizados en
las redes de transporte en LTE, que son MPLS-TP y Carrier Ethernet.
Obviamente existen otras tecnologías que cumplen la función de transporte,
pero la industria se ha concentrado esencialmente en estos dos sistemas.
Para poder abordar este tema, nos enfocaremos en dos proveedores de
dichas tecnologías de transporte, que son UTStarcom y Extreme Networks
(MPLS-TP y Carrier Ethernet, respectivamente).
UTStarcom, propone a los equipos TN700, de los cuales, proporciona un
soporte completo para la red del backhaul en LTE con VPLS basada L2 y
VPWS. Como se muestra en la Ilustración 8.15, la red de transporte se
143
conforma con los equipos TN703 para el borde de la red MPLS, en cambio,
los equipos TN705 y TN725, se despliegan en la red de agregación, para
entregar la función de distribución de datos. Esta red permite la conectividad
en la interface S1 (eNodoB a AGW) y la interface X2 (eNodoB a eNodoB).
Para proporcionar una alta disponibilidad, los switches de agregación
pueden ser distribuidos en una topología de malla, entregando fiabilidad,
rentabilidad y un bajo mantenimiento.
Ilustración 8.15 Red MPLS-TP implementadas con los equipos TN700
Estos equipos dan soporte para múltiples protocolos de transporte hacia
todas las distintas clases de estaciones base o también se pueden conectar
con otros equipos generadores de tráfico de más de 10GPOS (paquetes
sobre redes SDH/SONET) o enlaces Ethernet.
Para Extreme Networks, ofrece como solución al backhaul, Carrier Ethernet
que proporciona la flexibilidad que necesitan los operadores móviles para
satisfacer la creciente demanda de servicios IP y Ethernet dentro del
presupuesto y ofrece un amplio espacio para el crecimiento de la red, sin
reinversiones importantes.
La sencillez del transporte de Ethernet permite un ahorro sustancial tanto en
gastos de capital y los gastos operativos. El ahorro de los gastos capitales
se acumula al requerir menos equipo que el tráfico global de más servicios,
así como un modelo operativo simplificado. Se proporciona un cambio de
control del circuito reactivo a proactivo en la gestión de servicios.
Dentro de los equipos de Carrier Ethernet se encuentra el Switch de
Transporte Ethernet “BlackDiamond 8800”, que está diseñado para un alto
144
rendimiento y despliegue en la red de acceso hacia la red de agregación, de
las cuales, requieren hasta 10 GbE o 1.200 puertos Gigabit (cobre o fibra) en
un bastidor de dos metros. Dentro de las características más importantes
son:
Uso del protocolo IEEE 802.1ag, para la gestión de un servicio
proactivo, y soporte de hardware para la calidad de servicio de
multidifusión.
Sistema operativo ExtremeXOS.
Certificado MEF y aceptado por la USDA RUS.
Ilustración 8.16 Switch de Transporte Ethernet “BlackDiamond 8800”
145
Capítulo IX: Panorama de LTE en Chile
El despliegue de LTE en Chile no es un tema trivial, ya que Chile se convirtió
en el primer país de América Latina para probar dicha tecnología de 4G18,
que anteriormente sólo había sido probado en los principales países del
mundo en el avance tecnológico: Suecia, Noruega, Japón y los EE.UU. Así
La primera actividad de LTE se inició en 2009 en Chile, donde Entel realizó
ensayos con Ericsson y Movistar con Nokia Siemens, en cuanto a Claro, los
equipos de proveedores que utilizó nunca los mencionó. Las tres operadoras
se encontraban muy interesadas por LTE y se han llevado a cabo ensayos y
pruebas funcionales. En el caso de Entel, en ese mismo año, realizaron
pruebas en un conteiner, instalado por las personas que trabajan en
Ericsson Chile, que además gestionaron la red móvil y este conteiner fue
instalado en el patio de la Facultad de Ciencias Físicas y Matemáticas de la
Universidad de Chile.
Ilustración 9.1 Conteiner de LTE perteneciente a Ericsson
Dentro de los equipos que se instaló en el conteiner, contaba con una unidad
UE de tipo USB, como también se instalaron dos antenas, dentro de los
ensayos que se hicieron, realizaron una descarga de streaming de video, la
cual, alcanzó una velocidad de entre 40 y 50 Mbps en el Downlink, en
cambio en el Uplink se alcanzó a una velocidad de 6 Mbps, si bien es cierto,
las velocidad del DL es bastante baja si lo comparamos con lo que pide
18
Fuente extraída en: LTEPortal. “Chile First In Latin America With High-Speed Internet Breakthrough”. Enero de 2010
146
3GPP en LTE, la explicación a esto se debe a que las instalaciones de los
equipos presenta una baja capacidad, pero si lo comparamos con las
velocidades que entregan los operadores ADSL, es muy razonable lo que
mostro LTE. Mientras tanto para Movistar, en Julio de 2009, en el seminario
de Conecta 2009, Movistar demostró los equipos para LTE, pero no fue
enfático en mencionar sobre la llegada real de LTE a los usuarios, si no,
estuvo más preocupado sobre la licitación del espectro, puesto que, las
trabas legales de la concesión podrían retrasar el lanzamiento de LTE de
forma masiva.
Ilustración 9.2 Modem 4G de Ericsson Chile
El problema del espectro no solo afecta a Movistar, sino que a todas las
operadoras de red, ya que, las bandas para poder trabajar son arrendadas
por parte de la Subtel, quien define la concesión del espectro, recordando
que el espectro es un recurso limitado. De esta manera la Subtel ha
dictaminado que los operadores existentes, podrían participar en las
próximas subastas de 700MHz y 2.6GHz en julio de 2011, pero si algún
operador supera el límite de 60MHz sería obligado a devolver parte del
espectro para el Estado. Entel PCS ya cuenta con 60MHz en la combinación
de 800 MHz y 1,9 GHz, mientras que Movistar y Claro tienen 55MHz cada
uno. SUBTEL por su parte, se encarga de la subasta de la banda 2600Mhz
para hacer una parte 140MHz (70MHz para carga y descarga de 70MHz)
disponibles para los servicios de 4G, lo que significa que hasta cuatro
operadores podrían adquirir espectro LTE (35MHz cada uno). Entel está
buscando para lanzar LTE en la banda de 700 MHz, sin embargo, si
SUBTEL permitirá a los operadores existentes para obtener espectro
147
adicional en la parte superior de la que ya tienen 60MHz sigue siendo
incierto.
El Subsecretario de Telecomunicaciones Jorge Atton, definió que en
Diciembre 2010, se iniciará el proceso de licitación de la banda de espectro
de 2.6Ghz. Esta banda estará destinada para ofrecer servicios móviles de
banda ancha de próxima generación, que en este caso se tratará de LTE
(Long Term Evolution). Esta licitación durará cerca de 5 meses, por lo que,
se espera que en Junio del 2011, adamas coincidirá con la introducción de la
portabilidad numérica, facilitando la llegada de un cuarto operador de
telefonía móvil (VTR-Nextel). Con esto Jorge Atton, estima que para el año
2014 se estaría implementando la tecnología en el país, permitiendo que
LTE, para ese año la banda ancha alcance al 70 por ciento de los hogares.
En la actualidad, de acuerdo con cifras de la Subsecretaría de
Telecomunicaciones el 10,2% de la población tiene acceso a Internet de
banda ancha.
Por el lado de las universidades, hasta ahora la Universidad de Chile, ha
sido la universidad que está estudiando a fondo sobre LTE, la cual Facultad
de Ciencias Físicas y Matemáticas, en conjunto con la Corporación China
dedicada al desarrollo de tecnologías en el sector de las telecomunicaciones
de ZTE, inauguraron este laboratorio de LTE (Ilustración 9.3), en las
dependencias el Departamento de Ingeniería Eléctrica, de dicha casa de
estudio. El laboratorio fue inaugurado el 31 de marzo del 2011.
Ilustración 9.3 Inauguración del laboratorio de LTE
La importancia de este laboratorio, permitirá a los investigadores, profesores
y estudiantes de pregrado y postgrado, capacitarse y ejecutar trabajos y
ensayos en tecnologías de telecomunicaciones de última generación a nivel
mundial. Como también, profesionales de las empresas de
148
telecomunicaciones podrán incorporarse y participar en jornadas de
entrenamiento y pruebas prácticas.
Ilustración 9.4 Evolve Packet Core instalado en el laboratorio
Dentro las investigaciones que se están haciendo en el Departamento de
Ingeniería Eléctrica, se encuentra la implementación de VoLTE en la red, la
transmisión de datos en LTE de manera intercontinental entre la Universidad
de Chile con el Instituto Fraunhofer de Alemania. Cada una de estas
investigaciones fue mencionada por el PhD. Alfonso Ehijo (en cargado del
Centro de Transferencia Tecnológica e Innovación de la Universidad de
Chile), en la conferencia “Agenda de Transferencia Tecnológica LTE de
ZTE”.
149
Capítulo X: Conclusiones
La tecnología LTE, se encuentra estandarizada por la organización 3GPP en
el Release 8, que se encuentra disponible para cualquier persona que desea
interiorizarse en las normativas que propone, muy similar a que son los RFC
(Request For Comments) o las estandarizaciones de la IEEE.
LTE busca romper el paradigma de las operadoras móviles, no quieren ser
etiquetadas como un servicio exclusivo para entregar y recibir llamadas de
forma dinámica. Quieren utilizar esa ventaja de la movilidad de servicios
telefónicos, pero para transmitir datos, en otras palabras entregar servicios
de Internet móvil, si bien es cierto, las tecnologías anteriores a LTE también
realizaban este servició, pero las requerimientos y una arquitectura por
eficiente para transportar IP, lo que, no le permitían competir directamente
con una ISP un red mucho más sólida en transmisión usando coaxial o fibra.
Pero LTE demostró que si podía competir con cualquier ISP y así lo
demostró el departamento de ingeniería eléctrica de la Universidad de Chile,
junto con la empresa proveedora Ericcson-Chile, quienes lograron transmitir
un streaming de video con una tasa de transferencia de 50 Mbps, que es
una velocidad mucho mayor de lo que entrega una ISP en Chile, si se
compara con los planes actuales de Internet fija de nuestro país.
Para la operadoras de servicios móviles se convierte en un gran desafío,
puesto que, tienen que realizar un doble trabajo, en conocer cada una de los
puntos que exige 3GPP en los requerimientos técnicos, tanto en las
interfaces propias de LTE (interfaces aérea, X2 y S1) y en la red de
transporte, cada una de las variables que definen el requerimiento técnico
tienen un repercusión muy fuerte dentro del usuario final, ya que, este que
determina que servicio de transmisión de datos se adecua mejor a las
necesidades que exige. Esto tiene un impacto muy directo con el QoE del
cliente, por lo tanto, las políticas del QoS son definidas y diferenciadas por la
operadora
Otro trabajo que tienen que realizar las operadoras, es conocer cada una de
las tecnologías que ofrecen para poder cumplir los requerimientos del
backhaul, los proveedores poseen una gran cantidad de tecnologías, como
GPON, DWDM, Ethernet, Enlaces de microondas, MPLS, entre muchas.
Para que se elijan la tecnología de transporte correcta los operadores de
poner en equilibrio los costos de implementación y mantención, junto con los
requerimientos que pide 3GPP. Actualmente existen dos posibles
tecnologías que permita cumplir los objetivos que buscan los operadores,
estas son Carrier Ethernet y MPLS. Cada una de estos métodos de
150
transporte permite adaptarse mejor a las topologías ya existentes en las
redes de las operadoras o simplemente sale mucho mejor arrendar a algún
proveedor, dependiendo del criterio que desean trabajar. En el Release 8, no
expresa la topología adecuada para su uso, por lo tanto, las operadoras
seleccionan la topología correcta, a través de los estudios de tráficos dentro
de la red y cuan confiable debe ser la red (agregando redundancia en la red,
en anillo en una red óptica o una red enmallada).
LTE es una tecnología bastante flexible en cuanto a la velocidad de
transmisión, puesto que, puede transmitir datos en distintas velocidades,
teniendo una velocidad de 300 Mbps y la menor de Mbps. Cada una de
estas tasas de transferencias se encuentra clasificada en cinco categorías
como se muestra el 0
Categorías de las UE. Para el operador es muy importante que exista dicha
flexibilidad, ya que, la velocidad de transmisión depende mucho de la zona
geográfica y el tráfico de dicha área, por ejemplo en el capítulo 6.3.3.3.3, se
puso el caso de una zona rural en Australia, trabajar con una tasa de
transferencia de 300 Mbps no se justifica por el alto costo de
implementación, referidos en los equipos, tales como, antenas,
amplificadores de radio, unidades de radio, etcétera. Además si lo
analizamos desde el punto de vista del tráfico, en una zona rural existen muy
pocos usuarios acoplados en una celda, por lo tanto, los fenómenos de
latencia o jitter, son imperceptibles a velocidades bajas como la categoría 1,
así no afectan el QoE del usuario final.
En el capítulo de Implementación, se implementó un sistema real de LTE
cuya red de transporte fue un sistema MPLS entregado por el proveedor
Nokia-Siemens, si comparamos con cada uno de los requerimientos de LTE
de 3GPP con la Implantación realizada por la University of Chalmers. Los
datos entregados en la medición fueron muy satisfactorio no existió un gran
diferencia entre los datos teóricos con los prácticos.
Uno de los requerimientos más difíciles de controlar los efectos que se
producen por trabajar con TCP, a pesar que, TCP es un protocolo confiable
que permite garantizar la entrega de datos al receptor mediante un acuerdo
previo. El control de flujo, se torna crítico, ya que, el control de flujo permite
regular el tamaño de la ventana, permitiendo definir la cantidad de
segmentos que se intercambiaran, así el emisor no puede enviar más datos
y ese tiempo de espera genera un retardo dentro de la red, sumando a que
el time out, del emisor expira, este volverá a retransmitir los segmentos,
utilizando más el ancho de banda de la red.
151
Con la irrupción de LTE al mercado de las redes inalámbricas móviles, se
permitió no solo comercializar smathphones, si no, que también se integró la
comercialización de módems USB de Banda Ancha Movil, que permite a un
usuario acceder a Internet en cualquier espacio físico, siempre cuando, una
antena esté iluminando esa área. En cambió el Mobile Hotspot, permite
entregar una conexión a Internet móvil a múltiples usuarios, ideal para un
servicio enfocado al hogar.
La red de LTE no es capaz de transportar voz, puesto que, la arquitectura es
100% IP, una forma de transporta la voz es establecer una adyacencia en el
red con una tecnología anterior, es decir, dejar el tráfico de Internet para LTE
y el tráfico de voz, con GSM. Actualmente se está trabajando en el desarrollo
de encapsular la voz, para transportar la voz en LTE de la mejor manera
como lo es VoLTE, lo que para Chile, se convierte en un nicho posible de
investigación.
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