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System Architecture Evolution (SAE). Resumen

1. Historia

En un comienzo SAE solo era un proyecto de estandarización del grupo 3GPP, basado en la evolución de GSM y cuya red de acceso giraba en torno a las tecnologías de acceso de radio como FDD y TDD. Se denomina a la evolución de GSM, es decir, a los sistemas de Tercera Generación, como Servicio Universal de Telecomunicaciones Móviles UMTS. SAE buscaba la coexistencia de las tecnologías inalámbricas de telecomunicaciones y volverlos procesos transparentes al usuario, en cuestión de utilidad. Sin embargo, por ser SAE una norma, se le debe asociar una tecnología, entonces la tecnología asociada a SAE es LTE, que es la evolución de las redes y telecomunicaciones inalámbricas. Actualmente se tiene un gran número de operadores alrededor del mundo que utilizan 3GPP LTE/SAE y están comprometidos con el desarrollo del proyecto.

Figura 1. Operadores que utilizan 3GPP.

2. Características

Una red a nivel general funciona de la siguiente manera:

Las estaciones base se disponen creando una gran malla con forma de

célula o celda, conectando mediante ondas de radio dos terminales con

los controladores de dichas estaciones base. Esta disposición en forma de

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panal no es algo casual, sino que responde a un esquema que permite la

reutilización de un determinado conjunto de frecuencias asignadas en

distintas celdas, siempre que estas no sean adyacentes, aumentando el

rendimiento de la red por un lado (el número de frecuencias que se

dispone es limitado) y economizado por otro.

Figura 2. Disposición de las celdas en una red.

Una red se constituye básicamente en torno a dos tipos de elementos y una adecuada combinación de estos, posibilitando la comunicación tanto entre teléfonos móviles, como entre un teléfono móvil y un teléfono fijo. Estos elementos son:

Estación base: Son las encargadas de transmitir y recibir la señal.

Centrales de conmutación: Permiten la conexión entre dos terminales

concretos.

3. Arquitectura. El término SAE se utiliza en lo que concierne al estudio de las especificaciones de una red troncal evolucionada de conmutación de paquetes, dicha red troncal se denomina EPC, por lo que es común encontrar el término de SAE como un sinónimo de EPC. LTE en un principio se planteó en 3GPP para el estudio de la evolución de la red de acceso UMTS, denominada como E-UTRAN. Así la combinación de la red de acceso E-UTRAN y la red troncal EPC constituyen la nueva UMTS evolucionada la cual recibe el nombre de EPS (Envolved Packet System). En la figura 3 se muestra una representación de la combinación E-UTRAN y EPC (EPS).

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Figura 3. Arquitectura básica EPS.

Como se puede observar en la figura anterior, existe una interfaz la cual conecta E-UTRAN y la EPC, a ésta interfaz se le denomina S1, su función es conectarlos eNB a la EPC. En realidad S1 se subdivide en dos interfaces: S1-MME y S1-U para sustentar el plano de control y como soporte del plano de usuario respectivamente. El soporte del plano de usuarios es utilizado para el envío del tráfico de usuario, el plano de control se utiliza para sustentar los procedimientos y funciones que son necesarios en la gestión de las operaciones de las entidades correspondientes. La separación de la interfaz S1 en dos para sustentar ya sea el plano de control y/o de usuario es una característica principal de LTE 3.1. Componentes deEPC.

Principios: Un nodo de pasarela común y punto de anclaje para todas las tecnologías.

Una arquitectura optimizada para el plano de usuario con sólo dos tipos de nodo.

Todo un sistema basado en IP con protocolos basados en el mismo, se

utilizan en todas las interfaces.

Una división en el plano de control/usuario entre la entidad de gestión de movilidad MME y la puerta de enlace.

Una división funcional de la red de acceso de radio/núcleo similar a la utilizada en WCDMA/HSPA.

La integración de las tecnologías de acceso no 3GPP (por ejemplo, CDMA2000, WiMAX, etc) utilizando cliente, así como de la red móvil basada en IP.

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Figura 4. Elementos de EPC.

Mobility Management Entity (MME, Entidad de gestión de movilidad): Opera solo en el plano de control (CP).

Serving Gateway (SGW, Servidor Gateway):Es un elemento plano de datos de la EPS, su principal función es gestionar la movilidad del plano de usuario y actuar como frontera entre la red de acceso de radio y la red central.

PDN Gateway (PGW, Pasarela PDN): Es una pasarela que proporciona conectividad a los UE a las redes de paquete externas. Es considerado como un punto de entrada y salida del tráfico desde y hacia el usuario.

Policy and Charging Resource Function (PCRF, Función de Políticas y Tarificación de Recursos): Detecta el flujo de servicio.

3.2. Componentes lógicos deLTE/SAE (EPS):

Home Subscription Server (HSS, Servidor de Suscripción Local): Se encarga de almacenar y administrar los datos de suscripción del usuario.

User Equipment (UE, Equipo de Usuario): Plataforma para aplicaciones de comunicaciones.

Evolved Node B (eNB, NodoB Evolucionado): Estación base, posee todas las funciones radio.

4. Funcionamiento

4.1. Movilidad y manejo de sesiones 4.1.1. Movilidad

Hay 3 niveles de movilidad dentro de la red LTE/SAE:

Movilidad a nivel de Radio: se da cuando el celular está en la celda con

mejor tecnología. Un equipo de usuario puede estar en 3 estados:

LTE_DETACHED, LTE ACTIVE y LTE IDLE.

Movilidad IP: Sucede cuando la red de core redirecciona los paquetes IP

destinados al móvil.

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Movilidad en las Aplicaciones: La capa de aplicaciones redireccionará los

paquetes IP al mejor terminal basado en la naturaleza del servicio.

4.1.2. Manejo de sesiones

Gracias al dispositivo “Bearer”, LTE puede acceder a la red SAE. El bearer proporciona un canal de transporte lógico entre el UE y la red de paquetes (PDN, Packet Data Node) en la que se pueda enviar el tráfico IP. Todos los bearers que pertenezcan a la conexión con el mismo PDN comparten la misma dirección lógica (Dirección IP). Se definen dos tipos de bearers:

Default Bearer: permanece activo durante todo el tiempo en que la conexión esté activa y por lo general no require un tratamiento específico de QoS.

Dedicated Bearer: son bearers adicionales que pueden ser activados o desactivados cuando sea necesario.

Se pueden usar dos protocolos para encapsular el bearer. Uno es GTP-U o el protocolo PMIP dependiendo de las interfaces.

5. Ventajas

Capacidad de datos mejorada: Con los datos que ofrece 3G LTE la tasa de

descarga es de 100 Mbps.

Toda la arquitectura es IP: Cuando 3G fue desarrollada por primera vez, la

voz se realizó como dato de circuito conmutado. Desde entonces, ha

habido un movimiento incesante de datos IP. En consecuencia, el nuevo

sistema SAE ha adoptado una configuración de toda la red IP.

Reducción de latencia: Los nuevos conceptos SAE han evolucionado para

garantizar que los niveles de latencia se hayan reducido alrededor de 10

ms. Esto asegura que las aplicaciones que utilizan 3G LTE serán lo

suficientemente sensibles.

Reducción de OPEX y CAPEX: Un elemento clave para cualquier operador

es reducir los costos. Por tanto, es esencial que cualquier nuevo diseño

reduzca tanto los gastos de capital (CAPEX) como los gatos operativos

(OPEX). Esta nueva arquitectura plana, que se utiliza para SAE, significa

que solo dos tipos de nodos se utilizan, y además un alto nivel de

configuración automática se introduce y esto reduce la configuración y el

tiempo de puesta en marcha.

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GLOSARIO.

3GPP: 3rd Generation Partnership Project

3GPP2: 3rd Generation Partnership Project 2

AAA: Protocolo - Autenticación, Autorización y Contabilidad

ARIB: Association of Radio Industries and Businesses

CDMA: Code Division Multiple Access

CDMA2000: Code Division Multiple Access 2000

E-UTRAN: evolved Universal Terrestrial Radio Access Network

ETSI: European Telecommunications Standards Institute

EV-DO: Evolved Data Optimized

FDD: Frequency Division Duplex

GERAN: GSM EDGE Radio Access Network

GPRS: General Packet Radio Services

GSM: Global System for Mobile communication

GTP: GPRS Tunneling Protocol

HPLMN: Home Public Land Mobile Network

HSPA: High Speed Packet Access

HSS: Home Subscriber Server

LTE: Long Term Evolution

MIMO: Multiple Input Multiple Output

MIP: Mobile IP

OFDM: Orthogonal Frequency Division Multiplexing

PCEF: Charging Enforcement Funtion

PCRF: Policing and Charging Rules Function

PDN: Packet Data Node

PLMN: Public Land Mobile Network

PMIP: Proxy Mobile IP

QoS: Quality of Service

RAN: Radio Access Network

RTT: Radio Transmission Technology

SAE: System Architecture Evolution

SC-FDMA: Single Carrier Frequency Division Multiple Access

SDMA: Space-Division Multiple Access

SGSN: Serving GPRS Support Node

TDD: Time Division Duplex

UMTS: Universal Mobile Telecommunications System

UTRA: Universal Terrestrial Radio Access

UTRAN: Universal Terrestrial Radio Access Network

VPLM: Visited Public Land Mobile Network.

WCDMA: Wideband Code Division Multiple Access

WLAN: Wireless Local Area Network