Tesis: Requerimientos De Parámetros Para  Transporte De Redes LTE
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El objetivo del presente trabajo, es obtener información de la tecnología LTE, ...

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.

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    Tesis: Requerimientos De Parámetros Para  Transporte De Redes LTE Tesis: Requerimientos De Parámetros Para Transporte De Redes LTE Document Transcript

    • REQUERIMIENTOS DE PARÁMETROS PARATRANSPORTE DE REDES LTE.GERSON RAMÓN CHAVARRÍA VERA.UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILEFACULTAD TECNOLOGICADEPARTAMENTO DE TECNOLOGIAS INDUSTRIALESProfesor Guía: Ariel ContrerasIngeniero Civil ElectrónicoMemoria para obtener el TítuloProfesional de Tecnólogo enTelecomunicaciones con GradoAcadémico de Bachiller enTecnologías.Santiago - Chile2011
    • IIDerechos de AutorSe autoriza la reproducción parcial o total de esta obra, con finesacadémicos, por cualquier forma, medio o procedimiento, siempre y cuandose incluya la cita bibliográfica del documento.© Gerson Chavarría Vera.
    • IIIHoja de Calificación
    • IVAgradecimientosQuiero agradecer, cada una de las personas que me apoyaron y memotivaron a la realización de esta tesis, a familia, en especial a mi hermanoFrancisco, por su apoyo y motivación. Además a mis amigos de launiversidad y del colegio.A cada uno de los profesores de la carrera, que con paciencia meentregaron las herramientas más importantes para mi futuro, como tambiénsus experiencias en el mundo laboral.Un agradecimiento en especial, a la gente del departamento de IngenieríaEléctrica de la Universidad de Chile, por la invitación al seminario de LTE.
    • VTabla de contenidosDerechos de Autor......................................................................................... IIHoja de Calificación ...................................................................................... IIIAgradecimientos ........................................................................................... IVTabla de contenidos....................................................................................... VÍndice de tabla............................................................................................... XIÍndice de ilustración ..................................................................................... XIIÍndice de esquemas....................................................................................XIVÍndice de gráficos.........................................................................................XVResumen ....................................................................................................XVIIntroducción ...............................................................................................XVIIIntroducción general ...............................................................................XVIIObjetivo General....................................................................................XVIIIObjetivos Específicos ............................................................................XVIIIProblema existente................................................................................XVIIIMetodología.............................................................................................XIXCapítulo I: Marco teórico................................................................................ 11. Marco Teórico: Sistema de telefonía celular ........................................ 11.1 Concepto de teléfono celular ............................................................ 21.2 Arquitectura general de una red telefónica móvil.............................. 21.2.1 Funcionamiento del esquema de telefonía móvil ....................... 31.3 Concepto de celda............................................................................ 31.3.1 Geometría de la celda................................................................ 41.3.2 Tipos de celda............................................................................ 61.3.3 Radio (longitud) de la Celda....................................................... 71.3.4 División de celdas ...................................................................... 81.4 Administración de frecuencias.......................................................... 91.4.1 Re-uso de frecuencia ................................................................. 91.4.2 Distancia de re-uso de frecuencia.............................................. 9
    • VI1.5 Asignación de canales.................................................................... 101.6 Conceptos de movilidad.................................................................. 101.6.1 Localización ............................................................................. 101.6.2 Handover en la red................................................................... 111.6.2.1 Tipos de handover ................................................................ 121.6.2.1.1 Desde el punto de vista de usuario.................................... 121.6.2.1.2 Desde el punto de vista de red .......................................... 13Capitulo II: Estandarización de las redes móviles........................................ 152. Organismo ......................................................................................... 152.1 3GPP........................................................................................... 152.1.1 Forma de operar de 3GPP ....................................................... 172.1.2 Revisiones realizadas por 3GPP.............................................. 18Capítulo III: Contexto evolutivo de 3G a 4G................................................. 213. Motivos del origen de la evolución ..................................................... 213.1 Los ejes evolutivos ......................................................................... 233.1.1 Necesidades de los clientes..................................................... 233.1.1 Necesidades de los operadores............................................... 243.2 Revisión de tecnologías.................................................................. 263.2.1 UMTS/WCDMA ........................................................................ 263.2.1.1 Funcionamiento de WCDMA................................................. 273.2.1.2 Arquitectura de la red WCDMA............................................. 283.2.2 HSDPA ........................................................................................ 283.2.2.1 Características principales de HSDPA.................................. 293.2.2.2 Arquitectura de HSDPA ........................................................ 293.2.3 HSPA+......................................................................................... 29Capítulo IV: Long Term Evolution (LTE) ...................................................... 314. Contexto de LTE ................................................................................ 314.1 Arquitectura general de LTE........................................................... 324.1.1 Arquitectura E-UTRAN y EPC.................................................. 354.1.1.1 Arquitectura de la red de acceso E-UTRAN.......................... 354.1.1.1.1 Interfaz de radio................................................................. 36
    • VII4.1.1.1.2 Interfaz S1 ......................................................................... 374.1.1.1.3 Interfaz X2 ......................................................................... 404.1.2 Arquitectura de la red troncal EPC........................................... 414.2 Protocolos en la red LTE ................................................................ 424.2.1 Stacks del protocolo en el plano de usuario de LTE ................ 424.2.2 Stacks del protocolo en el plano de control de LTE ................. 444.3 Movilidad en LTE ............................................................................ 484.3.1 Gestión de handover................................................................ 504.3.1.1 Ejecución de handover.......................................................... 514.3.1.2 Handover intra-LTE............................................................... 524.3.1.3 Handover con soporte de la interfaz X2................................ 524.3.1.4 Handover sin soporte de la interfaz X2 ................................. 53Capítulo V: Red de transporte ..................................................................... 555. Topología de un backhaul LTE .......................................................... 575.1 Soluciones tecnológicas en la red de transporte. ........................ 575.1.1 Tecnologías en el Backhaul de LTE......................................... 585.1.1.1 Ethernet ................................................................................ 585.1.1.2 IP/MPLS................................................................................ 595.2 Escenarios del backhaul en LTE .................................................... 615.2.1 Escenario con Carrier Ethernet ................................................ 625.2.1.1 Aplicabilidad.......................................................................... 625.2.1.2 Stack de protocolos .............................................................. 635.2.2 Escenario 2 Acceso con MPLS más VPN en L2/L3 ................. 645.2.2.1 Aplicabilidad.......................................................................... 655.2.2.2 Stack de protocolos .............................................................. 65Capítulo VI: Requerimientos técnicos de LTE y de la red de transporte(backhaul) .................................................................................................... 676. Performance en LTE.......................................................................... 676.1 Performance en perspectiva del usuario y operador ...................... 696.1.1 Performance en perspectiva del usuario.................................. 696.1.2 Performance en perspectiva del operador ............................... 706.2 Calidad de servicio (QoS)............................................................... 71
    • VIII6.2.1 Mecanismos de QoS en LTE ................................................... 726.2.1.1 Control de QoS a nivel de portadora..................................... 726.2.1.1.1 Parámetros de QoS........................................................... 746.2.1.1.2 Iniciación de la red en base al QoS ................................... 756.2.1.2 Control de QoS en el nivel de servicio de flujo de datos....... 776.2.1.2.1 La política y la Regla de Control de Carga ........................ 796.2.1.3 Control de QoS en el plano de control y de usuario.............. 796.3 Performance de LTE definido por 3GPP......................................... 806.3.1 Tasa de bit máximo en capa 1 ................................................. 826.3.2 Categorías de las UE ............................................................... 856.3.3 Performance a nivel de enlace................................................. 866.3.3.1 Performance en el enlace descendente................................ 866.3.3.2 Performance en el enlace ascendente.................................. 886.3.3.2.1 Impacto de ancho de banda de transmisión ...................... 886.3.3.2.2 Impacto del terminal móvil en movimiento......................... 896.3.3.3 Administración del enlaces ................................................... 916.3.3.3.1 Parámetros propuestos en el UL y DL a baja frecuencia... 926.3.3.3.2 Perdidas de trayectoria...................................................... 946.3.3.3.3 Rango de la celda.............................................................. 956.3.4 Eficiencia espectral .................................................................. 956.3.5 Latencia.................................................................................... 966.3.5.1 Latencia en el plano usuario ................................................. 966.3.5.2 Latencia en el plano de control ............................................. 976.3.6 Capacidad en el plano de control............................................. 996.3.7 Flexibilidad del espectro........................................................... 996.3.7.1 Flexibilidad en la disposición dúplex ..................................... 996.3.7.1.1 Frequency Division Duplex .............................................. 1006.3.7.1.2 Time Division Duplex....................................................... 1016.3.7.1.3 Ventajas y desventajas de la transmisión en FDD y TDD 1026.3.7.2 Flexibilidad en la banda de frecuencia................................ 1046.3.7.3 Flexibilidad en el ancho de banda....................................... 105
    • IX6.3.8 Cobertura ............................................................................... 1056.3.9 Complejidad ........................................................................... 1076.3.10 Retardo en el handover....................................................... 1076.3.11 Performance en la red Backhaul de LTE ............................ 1086.3.11.1 Tipo de tráfico en función clase de servicio. ....................... 1096.3.11.2 Recomendaciones del Throughput ..................................... 110Capítulo VII: Simulaciones e implementaciones en LTE............................ 1157. Introducción ..................................................................................... 1157.1 Simulación con LTE-Simulator...................................................... 1157.1.1 Parámetros de simulación...................................................... 1157.1.2 Resultados de la simulación................................................... 1167.1.2.1 Paquetes perdidos.............................................................. 1167.1.2.2 Retardo ............................................................................... 1177.1.2.3 Rendimiento........................................................................ 1187.1.2.4 Eficiencia en la celda .......................................................... 1197.2 Prueba de campo del performance en FDD ................................. 1207.2.1 Parámetros de la prueba de campo ....................................... 1207.2.2 Resultados de la prueba de campo........................................ 1227.2.2.1 Rendimiento para un usuario en el DL................................ 1227.2.2.2 Rendimiento en el UL para un solo usuario ........................ 1257.2.2.3 Rendimiento para múltiples UE........................................... 1257.2.2.4 Rendimiento del Handover en las bandas 2 GHz y 700 MHz ............................................................................................... 1267.3 Medición de LTE en aplicaciones de Gaming............................... 1277.3.1 First Person Shooter (FPS) y Racing ..................................... 1287.3.2 Estrategia en Tiempo Real (RTS) o Simulaciones ................. 1287.3.3 Multijugador Masivo Online juegos de rol (MMORPG)........... 1287.3.4 Juegos en tiempo no real (NRTG).......................................... 1287.4 Entorno de prueba LTE en la Universidad de Chile...................... 1307.4.1 Entorno de prueba y parámetros............................................ 131Capítulo VIII: Hardware de LTE ................................................................. 1338.1 Hardware en E-UTRAN ................................................................ 133
    • X8.2 Hardware en el EPC ..................................................................... 1408.3 Hardware en el backhaul .............................................................. 142Capítulo IX: Panorama de LTE en Chile .................................................... 145Capítulo X: Conclusiones........................................................................... 149Bibliografía................................................................................................. 152Referencias digitales. ............................................................................. 152Libros...................................................................................................... 154Manuales de proveedores ...................................................................... 154Journals.................................................................................................. 155Tesis....................................................................................................... 155
    • XIÍndice de tablaTabla 2.1 Revisiones de 3GPP.................................................................... 19Tabla 6.1 Estandarizadas características de QCI........................................ 75Tabla 6.2 Baseline del performance de LTE en el TR25.913 ...................... 82Tabla 6.3 Tasa de velocidad máxima en DL (Mbps).................................... 83Tabla 6.4 Tasa de velocidad máxima en UL (Mbps).................................... 83Tabla 6.5 Tasa de velocidad máxima en DL considerando el tamaño de losbloques de transporte .................................................................................. 84Tabla 6.6 Tasa de velocidad máxima en UL considerando el tamaño de losbloques de transporte .................................................................................. 84Tabla 6.7 Categorías de las UE................................................................... 86Tabla 6.8 Eficiencia en el ancho de banda de LTE en el DL utilizando 10MHz ............................................................................................................. 87Tabla 6.9 Beneficio de 900 MHz frente a 2600MHz..................................... 92Tabla 6.10 Datos del enlace ascendente..................................................... 93Tabla 6.11 Datos del enlace descendente................................................... 93Tabla 6.12 Elementos de la latencia............................................................ 97Tabla 6.13 Numero de banda de FDD en LTE .......................................... 101Tabla 6.14 Numero de banda de TDD en LTE .......................................... 102Tabla 6.15 Ventaja y desventaja de FDD y TDD en LTE........................... 103Tabla 6.16 Clase de tráfico en base a la prioridad..................................... 110Tabla 7.1 Parámetros de LTE en el simulador........................................... 116Tabla 7.2 Parámetros de las pruebas de campo ....................................... 121Tabla 7.3 Asignación de variables ............................................................. 123Tabla 7.4 Rendimiento para varias UE ...................................................... 125Tabla 7.5 Rendimiento del handover ......................................................... 127Tabla 7.6 Parámetro de configuración....................................................... 132
    • XIIÍndice de ilustraciónIlustración 1.1 Esquema general de un sistema de telefonía móvil ............... 3Ilustración 1.2 Geometría de la celda ............................................................ 4Ilustración 1.3 Celda hexagonal, clúster K=4................................................. 5Ilustración 1. 4 Mapa de radiación de una antena omnidireccional................ 6Ilustración 1.5 Establecimiento de una celda en base a la distribuciónpoblacional..................................................................................................... 7Ilustración 1.6 Proceso de handover entre las celdas.................................. 12Ilustración 2.1 Evolución de las tecnologías móviles ................................... 15Ilustración 2.2 Ejemplo de estandarización.................................................. 18Ilustración 3.1 Relación de las tramas de radio con los chips en WCDMA.. 27Ilustración 3.2 Arquitectura de la red WCDMA............................................. 28Ilustración 3.3 Arquitectura en la red HSDPA .............................................. 29Ilustración 3.4 Actualización de SW y HW en HSPA+ ................................. 30Ilustración 4.1 Arquitectura de la red LTE.................................................... 33Ilustración 4.2 Arquitectura E-UTRAN ......................................................... 35Ilustración 4.3 Mecanismos de la interfaz aérea para transmitir datos ........ 36Ilustración 4.4 Red de acceso E-UTRAN..................................................... 38Ilustración 4.5 Control de establecimiento de los servicios portadores........ 39Ilustración 4.6 Arquitectura EPC.................................................................. 41Ilustración 4.7 Procedimiento de handover basado en X2........................... 53Ilustración 4.8 Procedimiento de handover no basado en X2...................... 54Ilustración 5.1 Red típica del backhaul ........................................................ 55Ilustración 5.2 Tipos de topologías .............................................................. 57Ilustración 5.3 Carrier Ethernet .................................................................... 59Ilustración 5.4 Principio de conmutación en la red IP/MPLS........................ 60Ilustración 5.5 Convergencia de la red de transporte................................... 61Ilustración 5.6 Escenario de ethernet........................................................... 62Ilustración 5.7 Stack de protocolos con IEEE 802.1AD ............................... 63Ilustración 5.8 Stack de protocolos que soportan SDH................................ 64Ilustración 5.9 Escenario con MPLS, en una VPN L2/L3 ............................. 64Ilustración 5.10 Stack de protocolos en la VPN L2 ...................................... 65Ilustración 5.11 Stack de protocolos en la VPN L3 ...................................... 66Ilustración 6.1 Definición de la taza de datos requeridos en el Performancede LTE ......................................................................................................... 69Ilustración 6.2 Procedimiento de activación de la portadora dedicada ........ 76Ilustración 6.3 Arquitectura lógica de la PCC............................................... 78Ilustración 6.4 Arquitectura del servicio con portadora en EPS ................... 80Ilustración 6.5 Pérdidas de trayectoria en distintas tecnologías .................. 94Ilustración 6.6 Rango de celdas................................................................... 95
    • XIIIIlustración 6.7 Tiempo de ida y vuelta, en la red.......................................... 96Ilustración 6.8 Estados de transición ........................................................... 98Ilustración 6.9 Tecnología FDD y TDD ...................................................... 100Ilustración 6.10 Radio de la BS en la zona rural de Australia .................... 106Ilustración 6.11 Rendimiento máximo en el DL diferentes antenas UE ..... 107Ilustración 6.12 Red backhaul genérica en la telefonía móvil .................... 109Ilustración 6.13 Características del modelo cliente servidor ...................... 112Ilustración 6.14 Comunicación Peer-to-Peer ............................................. 112Ilustración 6.15 Velocidad de transmisión versus el tiempo de ida y vuelta........................................................................................................................ 114Ilustración 7.1 Zonas de pruebas, modelada con la aplicación TEMS....... 121Ilustración 7.2 Localización de la UE (estacionaria y en movimiento)........ 123Ilustración 7.3 Esquema de la arquitectura montada................................. 131Ilustración 7.4 Montaje de los equipos....................................................... 132Ilustración 8.1 Estación base de cualquier sitio de LTE............................. 134Ilustración 8.2 RBS Ericsson 6102............................................................. 134Ilustración 8.3 Radio Shelf en el RBS........................................................ 135Ilustración 8.4 Unidad digital...................................................................... 135Ilustración 8.5 Esquema de modulación y demodulación de la Unidad deRadio ......................................................................................................... 136Ilustración 8.6 Conexiones de cables ópticos ............................................ 137Ilustración 8.7 Antena SkyCross instalada en Estados Unidos.................. 138Ilustración 8.8 Tablet con soporte a LTE ................................................... 139Ilustración 8.9 Smathphone con soporte a LTE ......................................... 139Ilustración 8.10 Mobile Hotspot de Verizon LTE ........................................ 140Ilustración 8.11 Modem USB ..................................................................... 140Ilustración 8.12 Nodos de la puerta de enlace........................................... 141Ilustración 8.13 Nodos de control............................................................... 141Ilustración 8.14 Evolve Packet Core .......................................................... 142Ilustración 8.15 Red MPLS-TP implementadas con los equipos TN700.... 143Ilustración 8.16 Switch de Transporte Ethernet “BlackDiamond 8800”...... 144Ilustración 9.1 Conteiner de LTE perteneciente a Ericsson ....................... 145Ilustración 9.2 Modem 4G de Ericsson Chile ............................................. 146Ilustración 9.3 Inauguración del laboratorio de LTE................................... 147Ilustración 9.4 Evolve Packet Core instalado en el laboratorio .................. 148
    • XIVÍndice de esquemasEsquema 2.1 Entidades de 3GPP ............................................................... 16Esquema 2.2 Sub-división de RAN TSG ..................................................... 16Esquema 2.3 Proceso de estandarización................................................... 18Esquema 3.1 Evolución de servicios 2G a 4G............................................. 22Esquema 4.1 Protocolo entre la UE y la P-GW en E-UTRAN...................... 42Esquema 4.2 Stacks de protocolos entre el eNodoB y la S-GW ................. 43Esquema 4.3 Stacks de protocolos con acceso 2G por la interfaz S-4........ 43Esquema 4.4 Stacks de protocolos con acceso 3G por la interfaz S-12...... 44Esquema 4.5 Stacks de protocolos con acceso 3G por la interfaz S-4........ 44Esquema 4.6 Stack de protocolos entre el eNodoB y MME ........................ 45Esquema 4.7 Stacks de protocolos entre la UE y MME............................... 45Esquema 4.8 Stack de protocolos entre la UE y MME ................................ 46Esquema 4.9 Stacks de protocolos entre SGSN y S-GW............................ 46Esquema 4.10 Stacks de protocolos entre S-GW y P-GW .......................... 47Esquema 4.11 Stacks de protocolos entre la MME y MME ......................... 47Esquema 4.12 Stacks de protocolos la MME y S-GW ................................. 48Esquema 4.13 Stacks de protocolos entre la MME y HSS .......................... 48Esquema 4.15 Funcionamiento de la conectividad en LTE ......................... 49Esquema 4.16 Fases de función de transferencia....................................... 50
    • XVÍndice de gráficosGráfico 3.1 Penetrabilidad de la banda ancha móvil con la banda ancha fija..................................................................................................................... 23Gráfico 3.2 Tráfico de datos vs tráfico de voz en una red HSPA ................. 24Gráfico 3.3 Volumen de tráfico vs costos de la red...................................... 26Gráfico 6.1 Sensibilidad del eNodoB en LTE en función de la potenciarecibida con distintos anchos de banda entre 360 kHz, 1.08MHz y 4.5MHz 89Gráfico 6.2 Rendimiento del eNodoB en LTE, en función de la SNR con laUE en movimiento a diferentes velocidades ................................................ 90Gráfico 6.3 Valores requeridos para SNR, para diferentes eficienciasespectrales con la UE en movimiento.......................................................... 90Gráfico 6.4 Tiempos de entrega del handover........................................... 108Gráfico 7.1 Pérdida de paquetes en video................................................. 117Gráfico 7.2 Retardo en la transmisión de video ......................................... 118Gráfico 7.3 Rendimiento experimentado en la transmisión de video ......... 119Gráfico 7.4 Eficiencia espectral.................................................................. 120Gráfico 7.5 Escenario de los distintos videos juegos ................................. 130
    • XVIResumenLa tecnología LTE, correspondiente a la cuarta generación de la telefoníamóvil se convirtió en el estándar ya definido para las empresas operadoras,que buscan aprovechar la gran potencialidad en la transmisión de datos amúltiples usuarios a una alta tasa de transferencia, compitiendo con las ISPtradicionales.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 delos 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 latelefonía móvil. Comparando cada una de estas fuentes, se estableció undefinición única para poder responder, a los requerimientos distintas sePor último se establecieron ejemplos de implementación de redes LTE, parapoder comprender cuanto difiere los valores propuestos teóricamente conrespecto a una red gestionada a gran escala, como también se estableció unescenario de rendimiento en gaming, caracterizado por el alto rendimiento yun tratamiento especial en el QoS, para garantizar una mejor experiencia enel servicio hacia el usuario.
    • XVIIIntroducciónIntroducción generalActualmente la telefonía móvil busca romper el paradigma instaurado pormás de quince años en el inconsciente colectivo de los usuarios, de que, losteléfonos celulares solo sirve para poder llamar y recibir datos de voz, muypropio de los sistemas GSM (2G). Pero con la llegada del protocolo IP en lasredes de datos, el uso de aquel protocolo comenzó a crecer, convirtiéndoseen el protocolo por excelencia en la transmisión de redes no conectadasdirectamente. Para los sistemas móviles integrar no solo voz, sino quetambién datos e Internet, con la ayuda de IP, se convirtió en una nuevaaventura por parte de las operadoras en ofrecer este servicio, pero seaprontaba un problema dentro de la implementación, pero no eran losequipos móviles, ya que, la alta integración de la electrónica de lossemiconductores permitió lanzar al mercado celulares muy similares a loscomputadores 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 velocidadespara acceder a Internet, y este problema fue una falla multisistema, departida la tecnología de acceso del celular hacia la Internet, GRPS y EDGE(2.5G), entregaba velocidades muy bajas en comparación con la velocidadde acceso de Internet por ADSL, lo que no representaba una alta vialidadeconómica para la operadora móvil. La otra problemática era la arquitecturaofrecida por las tecnologías 2.5G, puesto que, el protocolo IP trabaja enbase a la conmutación de paquetes, así la red se deberían establecer dosposibles rutas, una red de conmutación de circuito para la voz y laconmutación de paquete para los datos que trabajan en función de IP, estoocasionaba un alto costo de operación y mantenimiento.La llegada de la nueva arquitectura UTRAN 3G, permitió soportar Internetdentro de las redes, pero las velocidades que ofrecía WCDMA y HSDPA, noentregaba una alta velocidad, como las ISP, de hecho, las ISP emigraron asistemas ópticos mucho más rentables como por ejemplo DWDM. Perocuando la entidad 3GPP lanzó HSPA+, les significo una gran motivaciónpara continuar con los servicios de Banda Ancha Móvil a los usuarios, así la3GPP en conjunto con los operadores, decidieron crear un nuevo estándarque corresponde a LTE o Long Term Evolution, estas permite entregar aaltas velocidades de transmisión, capaz de superar a las velocidadesofrecidas por las ISP en el mercado.
    • XVIIILa convergencia tecnología, en donde un dispositivo es capaz de soportarmúltiples servicios facilitó la necesidad de entrar con LTE como medio únicopara cumplir las exigencias del mercado. Además los usuarios empezaron ahacerse mucho más exigente en la calidad de servicio, quienes deseabantener una mejor cobertura, el servicio de Internet sea continuo, sumado conun precio accesible.El despliegue de 4G, permitiría poder suplir las desventajas de 3G y 3.5Gcon respecto a la utilización del protocolo IP dentro de sus redes detransporte, 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, serácapaz de transmitir velocidades teóricas de un máximo de 100Mbps, con unaarquitectura de red capaz de soportar plenamente IP, así entregandotiempos de latencia menores que HSDPA.Objetivo GeneralConocer, investigar, y analizar los requerimientos técnicos necesario, en lacual opera una red que trabaja con el estándar LTE, conociendo el altoimpacto que genera LTE tanto para los operadores como a los usuarios deesta tecnología de 4G y como la red de transporte influye en el cumplimientode dicho estándar.Objetivos Específicos Mencionar a las tecnologías móviles antecesoras que fundamentarona 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 susrespectivas mediciones.Problema existenteActualmente las operadoras deben cumplir las necesidades de los usuariosen cuanto a la conectividad, las redes ADSL que proveen Internet a susclientes y muchas veces por factibilidad técnica, entre ellas, la zonageográfica, que no pueden entregar dichos servicios. Por ello el acceso aInternet móvil, se convierte en una posible solución ante este problema de
    • XIXconectividad. Pero las tecnologías de acceso a Internet móvil, presentandeficiencias en lo referente al rendimiento de la velocidad que se les otorga alos usuarios finales. Pero para suplir estas falencias, la red de transporte decumplir ciertos parámetros de técnicos.De esta manera, la solución a este problema es LTE, quien propone soluciónen cuanto a la conectividad y a la velocidad de transmisión. Y es por estemotivo, que el presente trabajo de título necesita conocer a cabalidad losrequerimientos técnicos de una red LTE, junto con la red de transporte obackhaul.MetodologíaLa metodología a utilizar para poder conseguir el objetivo general de estetrabajo, se fundamenta en la recopilación exhaustiva de información, parapoder tener un amplio espectro de conocimiento sobre LTE. Dentro de lasfuentes 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 deesta, para tener los la información más acertada, que permita elcumplimiento del objetivo general.Como tercer paso se planteará un marco teórico de la telefonía móvilgeneral, con el fin de comprender ciertos detalles que rigen a los sistemasmóviles, como handover, celda, arquitectura, entre otros. Luego semencionarán las tecnologías antecesoras, que a sus constantes evolucionesy desarrollo permitieron definir a la LTE. Así el siguiente paso, corresponde adefinir los elementos que conforman una red LTE, luego se estudiarán lasfunciones y características de las redes de transporte en LTE. Permitiendoentender como dichos elementos influyen en el rendimiento. Para luegodefinir los requerimientos técnicos de LTE tanto en la red aérea de acceso ytransporte, soportado con ejemplos de implementación y sus respectivasmediciones.Por último se formularán las conclusiones pertinentes, sobre losrequerimientos de LTE, que influyen en el rendimiento del transporte dedatos dentro de dicha red.
    • 1Capítulo I: Marco teórico1. Marco Teórico: Sistema de telefonía celularEn este capítulo abordaremos de manera teórica, los conceptos másgenerales de la telefonía móvil, en base a cómo opera dicha tecnologíautilizando las ciencias físicas para explicar por ejemplo las propagaciones deondas entre una antena y el equipo del usuario, la administración de lasfrecuencia o la arquitectura que tiene la red, tomando en cuenta la delproveedor de servicio y del usuario. Es cierto que el avance de la telefoníamóvil ha sido vertiginoso en estos veintiún años, si tomamos comoreferencia el lanzamiento de la segunda generación de telefonía móvilconocida como 2G, la cual presentaba una diversidad de protocolos en laque regían cada zona geográfica (Norte América, Europa, Asia, entre otros),tales como GSM, Cellular PCS/IS-136 o IS-95/cdmaONE, lo que a futuroempezaron a evolucionar en función a los requerimientos del clientes y unanecesidad tecnológica en la integración de IP dentro de sus redes, por ello lacomplejidad aumentaba lo que implicaba una nueva arquitectura dentro de lared, pero para poder entender cada protocolo o arquitectura debemosanalizar sus componentes que lo integran.Dentro de los objetivo que presenta el sistema de telefonía celular, elacadémico de la Universidad Nacional de Rosario, Renzo Mare, definió losobjetivos en el cual motivo al desarrollo de las comunicaciones, tales como: Alta capacidad de servicio, capacidad para dar servicio de tráfico avarios millones dentro de una zona determinada y con un espectroasignado. Uso eficiente del espectro, uso eficiente de un recurso muy limitadocomo es el espectro de radio asignado al uso público. Adaptabilidad a la densidad de tráfico, la densidad de tráfico varia enlos distintos puntos de un área de servicio, el sistema se tiene queadaptar a estas variaciones. Compatibilidad, seguir estándar, de forma tal de proveer el mismoservicio básico, con las mismas normas de operación a lo largo detodo país. Facilidad de extensión, se trata que un usuario pueda cambiar deárea de servicio pasando a una distinta y tener la posibilidad decomunicarse (Roaming). Servicio a vehículos y portátiles. Calidad de servicio, implica seguir niveles estándares de bloqueo ycalidad de voz.
    • 2 Accesible al usuario, el costo del servicio pueda ser pagado por ungran número de personas.1.1 Concepto de teléfono celularEl teléfono celular es importante tenerlo en cuenta, ya que, es la interfazentre 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 frecuenciaseparada para escuchar, es decir, que ambas personas en la conversaciónpueden hablar a la vez.1.2 Arquitectura general de una red telefónica móvilDentro 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. Loscomponentes que lo definen son: Estaciones móviles (MS). Son los equipos que prestan el servicioconcreto en el lugar, instante y formato (voz, datos o imágenes). Cadaestación móvil puede actuar como emisor, receptor o ambos modos. Estaciones base (BS). Se encargan de mantener el enlaceradioeléctrico entre la estación móvil y la estación de control durantela comunicación. Atiende a una o varias estaciones móviles. Estaciones de control (BSC). Realiza las funciones de gestión ymantenimiento 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 redespúblicas y privadas con la red de comunicaciones móviles y lainterconexión entre estaciones móviles localizadas en distintas áreasgeográficas de la red móvil.
    • 3Ilustración 1.1 Esquema general de un sistema de telefonía móvil1.2.1 Funcionamiento del esquema de telefonía móvilPara poder entender este esquema, debemos ubicarnos en el plano de unusuario emisor, en la cual, desea realizar una llamada a un receptor ya seafijo o dinámico. La señal que envía hacia la antena solicitandoestablecimiento de la conexión de un determinado número (señal digitalcodificada), para luego enviar la señal a un “switch” o conmutador.1.3Concepto de celdaA grandes rasgos la idea de celda corresponde al “área en el cual un sitio detransmisión particular es el más probable de servir llamadas telefónicasmóviles”, para el operador de la red telefónica móvil, corresponde a la zonade cobertura que posee una transmisor (antena) o una estación base. Ahorabien, el área en que entrega la cobertura, está sujeta a un amplio espectrode 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.
    • 41.3.1 Geometría de la celdaLa geometría es un factor delimitador que utilizan las operadoras paradeterminar qué zonas van a transmitir el servicio en cada canal usado,siendo importante para evitar interferencias de co-canal1. Dentro de lageometría de la celda, se puede apreciar tres tipos de celda, estas son laficticia, ideal y real, tal como se puede apreciar en la siguiente imagen.Ilustración 1.2 Geometría de la celdaLa celda ficticia esta representa por su figura geométrica en base dehexágonos, de igual forma a los hexágonos de un panal de abeja, aqueldiseño fue definido por los ingenieros del Laboratorio Bell, por la razón deque las relaciones geométricas que presenta el hexágono, al agruparlos enla misma proporción las celdas no presentan espacios vacíos nitransposiciones entre otras celdas. Ahora bien, un conjunto de celdas se ledenomina, grupo o “cluster”.1El concepto de co-canal, se refiere a dos señales, de las cuales sus portadoras ocupan unmismo canal.2UTRAN (UMTS Terrestrial Radio Access Network) o en español Red de Acceso Radio
    • 5Ilustración 1.3 Celda hexagonal, clúster K=4En cambio la celda ideal toma la forma de circunferencia, puesto que, lasantenas que tiene cada celda, corresponden a la clase de antena isotrópicaposicionada en el centro de la celda. Importante recordar que una antenaisotrópica, teóricamente presenta una radiación esférico perfecto y unaganancia lineal unitaria.Por último la geometría real de una celda, corresponde a la forma real quetienen las antenas, ya que, agrandes rasgos una antena celular son antenasdireccionales que para lograr la geometría ideal, se instalan antenassectoriales para lograr la forma de una antena omnidireccional.
    • 6Ilustración 1. 4 Mapa de radiación de una antena omnidireccional1.3.2 Tipos de celdaLa empresas operadoras de servicios móviles, al momento de definir el tipode celda, el planificador de la red, debe prestar atención a la densidaddemográfica, ya que, cada zona es muy variada de acuerdo a la distribuciónde las personas. Es importante destacar que el planificador de red no solo sepreocupa de la densidad, también del tráfico que realizan los usuarios(Erlang) y de la topografía, pero para poder determinar el tipo de celda solose necesita tener en consideración la densidad poblacional de un área enespecífico.
    • 7Ilustración 1.5 Establecimiento de una celda en base a la distribuciónpoblacional Macro celdas, son celdas grandes para áreas con población dispersa. Micro celdas, las celdas se particionan para aumentar ladisponibilidad de los canales, además presenta una potencia detransmisión menor. Este tipo de celda se utiliza mucho en zonaspoblacionales densas. Celdas Selectivas, tiene que ver con la limitación de la zona decobertura, por ejemplo, el túnel del Metro de Santiago, tener unacelda que su cobertura sea 360º es algo ineficiente.1.3.3 Radio (longitud) de la CeldaEl radio de máximo está determinado por la relación señal a ruido (S/N), laseñal mayor a los 18 dB, otorga una calidad de servicio satisfactoria, pero enla práctica, la longitud se encuentra limitada por la topografía, producto de laexistencias de obstáculos naturales o artificiales, las propiedades físicas dela antena, como valores de configuración de inclinación de la antena, comotambién la potencia entregada por el equipo.
    • 81.3.4 División de celdasDentro de la literatura técnica, la división de la celda es conocida tambiéncomo “cell splitting”, el objetivo que tiene la división de las celdas, serelaciona con la eficiencia del espectro, pero a grandes rasgos este conceptose refiere al proceso de subdividir una celda congestionada (alta demandade tráfico) en otras celdas más pequeñas, y estas poseen sus propiasestaciones bases, como también, su reducción en la altura de la antena y supotencia de transmisión. Con ello permite incrementar la capacidad de unsistema telefónico móvil, dado que incrementa el número de veces que sereutilizan los canales (en el tema 1.4, se acotara a cabalidad), estableciendonuevas celdas más pequeña que las celdas originales, instalando estaspequeñas 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 canalesde frecuencia en cada celda, que no pueden entregar las correspondientesllamadas realizadas por el usuario, la celda original se divide en celdas máspequeñas, con la mitad del radio de la celda original. Para lograr la divisiónde la celda se realiza mediante una ecuación.Ecuación 1.1 Establecimiento del radio de la nueva celdaEn base a la Ecuación 1.1 Establecimiento del radio de la nueva celda, sedetermina otra ecuación.Ecuación 1.2 Establecimiento de nueva área de la celdaEn teoría vemos que cada celda lleva la misma carga de trafico cargado dela celda original, matemáticamente determinado.Ecuación 1.3 Relación de las nuevas celdas con la carga de tráfico
    • 91.4 Administración de frecuenciasComo se mencionó anteriormente, los sistemas de telefonía móvil poseendos frecuencias, una para transmitir y la otra para recibir, simultáneamente lavoz, pero este recurso no es infinito, al contrario, es escaso. Una forma deoptimizar los recursos (frecuencia), se instauró el concepto de re-uso defrecuencias, en la que define el uso de las mismas frecuencias portadoraspara establecer distintas áreas separadas por una longitud extensa, paraevitar el problema de interferencia de co-canal. Una forma de reducir dichainterferencia, es el establecimiento de una separación geográfica.1.4.1 Re-uso de frecuenciaEste concepto es considerado, el más importante dentro de los sistemas detelefonía móvil, ya que, permite a los usuarios que están ubicados en celdasdistintas pudiendo utilizar la misma frecuencia simultáneamente, porconsiguiente, puede ser utilizado tanto en el dominio del tiempo y espacio.Cuando nos referimos al dominio del tiempo, se ocupa la misma frecuenciapero en diferentes espacios de tiempo (time slots); a esto se le llamamultiplexación por división de tiempo o anglosajonamente “time divisionmultiplexing” (TDM).En cambio cuando nos referimos al re-uso de frecuencia, mirado desde eldominio del espacio, es posible encontrar dos condiciones. La primeracondición, se refiere cuando una misma frecuencia asignada en dos áreasgeográficas distintas. La segunda condición, establece una mismafrecuencia usada reiteradamente en una misma zona.1.4.2 Distancia de re-uso de frecuenciaEste concepto se encuentra designado por muchas variables, tales como, laaltura de la antena, transmisión de la potencia en las celdas, zona geográficay el número de celdas co-canales en la vecindad de la celda central. Usandolas matemáticas uno puede determinar la distancia de re-uso de frecuencia.Ecuación 1.4 Distancia de re-uso de frecuencia√
    • 101.5 Asignación de canalesPara la utilización eficiente del espectro de radio, se requiere un sistema dereutilización de frecuencias que aumente la capacidad y minimice lasinterferencias. Se han desarrollado una gran variedad de estrategias deasignación de canales para llevar a cabo estos objetivos. Las estrategias deasignación de canales se pueden clasificar en fijas o dinámicas. La elecciónde la estrategia de asignación de canales va a imponer las característicasdel sistema, particularmente, en cómo se gestionan las llamadas cuando unusuario 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 unconjunto predeterminado de canales. Cualquier llamada producida dentro dela celda, sólo puede ser recibida por los canales inutilizados dentro de esacelda en particular. Si todos los canales de esa celda están ocupados, lallamada se bloquea y el usuario no recibe servicio. Existen algunas variantesde ésta estrategia. Una de ellas permite que una celda vecina le prestecanales, si tiene todos sus canales ocupados. El Centro de ConmutaciónMóvil ("Mobile Switching Center" ó MSC) supervisa que estos mecanismosde presta canales, no interfieran ninguna de las llamadas en progreso de lacelda donadora.En una estrategia de asignación de canales dinámicos, los canales no sefijan en diferentes celdas permanentemente. En su lugar, cada vez que seproduce un requerimiento de llamada, la estación base servidora pide uncanal al MSC. Éste entonces coloca un canal en la celda que lo pidió,siguiendo un algoritmo que toma en cuenta diversos factores, como son lafrecuencia del canal, su distancia de reutilización, y otras funciones. Lasestrategias de asignación dinámicas aumentan las prestaciones del sistema,pero requieren por parte del MSC una gran cantidad de cómputo en tiemporeal.1.6 Conceptos de movilidad1.6.1 LocalizaciónLa movilidad de los usuarios en un sistema celular, es una de las mayoresdiferencias con la telefonía fija, en particular con las llamadas recibidas. Unared fija, puede encaminar una llamada hacia un usuario fijo simplementesabiendo su dirección de red (número de teléfono), dado que el conmutadorlocal, al cual se conecta directamente la línea del abonado, no cambia. Sin
    • 11embargo en un sistema celular la celda en la que se debe establecer elcontacto con el usuario cambia cuando éste se mueve. Para recibirllamadas, primero se debe localizar al usuario móvil, y después el sistemadebe determinar en qué celda está actualmente.En la práctica se usan tres métodos diferentes para tener que cumplir elconcepto de movilidad. En el primer método, el equipo móvil indica cadacambio de celda a la red, la cual, se le llama actualización sistemática de lalocalización al nivel de celda. Cuando llega una llamada, se necesita enviarun mensaje de búsqueda sólo a la celda donde está el dispositivo móvil, yaque, ésta es conocida. Un segundo método sería enviar un mensaje depágina a todas las celdas de la red cuando llega una llamada, evitándonosasí la necesidad de que el móvil esté continuamente avisando a la red de suposición. El tercer método es un compromiso entre los dos primerosintroduciendo el concepto de área de localización.Un área de localización, es un grupo de celdas en que cada una de ellaspertenecientes a un área de localización simple. La identidad del área delocalización a la que una celda pertenece se les envía a través de un canalde difusión ("broadcast"), permitiéndoles a los equipos móviles saber el áreade localización en la que están en cada momento. Cuando un equipo móvilcambia de celda se pueden dar dos casos: ambas celdas están en la mismaárea de localización: el equipo móvil no envía ninguna información a la red.Las celdas pertenecen a diferentes áreas de localización: el equipo móvilinforma a la red de su cambio de área de localización.1.6.2 Handover en la redEn el apartado anterior se trataron las consecuencias de la movilidad en el“modo idle”. En el “modo dedicado”, y en particular cuando una llamada estáen progreso, la movilidad del usuario puede inducir a la necesidad decambiar de celda servidora, en particular cuando la calidad de la transmisióncae por debajo de un umbral previamente definido.Con un sistema basado en células grandes, la probabilidad de que ocurraesto es baja y la pérdida de una llamada podría ser aceptable. Sin embargo,si queremos lograr grandes capacidades tenemos que reducir el tamaño dela celda, con lo que el mantenimiento de las llamadas es una tarea esencialpara evitar un alto grado de insatisfacción en los abonados.
    • 12Ilustración 1.6 Proceso de handover entre las celdasAl proceso de la transferencia automática de una comunicación (de voz odatos) en progreso de una celda a otra para evitar los efectos adversos delos movimientos del usuario se le llama "handover" (o "handoff"). Esteproceso requiere, primero algunos medios para detectar la necesidad decambiar de celda mientras estamos en el “modo dedicado” (preparación delhandover), y después se requieren los medios para conmutar unacomunicación de un canal en una celda dada a otro canal en otra celda, deuna forma que no sea apreciable por el usuario.1.6.2.1 Tipos de handoverEl handover se puede producir de diferentes maneras, por ello en términosgenerales se clasifica en dos categorías, desde el punto de vista del usuarioy de red. A continuación se hace una breve descripción de los distintos tiposde handover.1.6.2.1.1 Desde el punto de vista de usuarioEl proceso de traspaso se realiza de forma transparente al usuario, de modoque las transiciones entre una célula y otra, sean suficientemente pequeñascomo para pasar desapercibidas por los usuarios. Hard-Handover, antes del proceso de traspaso, el móvil estáconectado a su estación base origen. Durante el proceso deHandover, se desconecta de ésta y durante un tiempo (del orden demilisegundos) no está conectada a ninguna otra BS. Mediante esteprocedimiento, se usa por lo tanto, un solo canal. De éste modo la
    • 13conexión con la BS original se corta antes de realizar la nuevaconexión a la nueva BS.Es el método más utilizado (por ejemplo en GSM) a pesar de sermenos fiable que el siguiente caso que se explica, soft-handover.Fundamentalmente, se usa hard-handover en FDMA y TDMA cuandose usan diferentes rangos de frecuencias en canales adyacentes paraminimizar las interferencias de canal. De esta forma MS se mueve dela una BS a otra BS, ya que es imposible la comunicación con ambasBS (desde diferentes frecuencias). Soft-Handover, en este caso, durante el proceso de traspaso el móvilestará conectado mediante un canal a la BS origen y mediante otrocanal a la BS destino. Durante dicho proceso, la transmisión serealiza en paralelo por los dos canales, es decir, no se produceinterrupción del enlace. Con dicho sistema se asegura una conexióncon la estación base de la nueva celda antes de cortar con laconexión antigua. Éste es el sistema que proporciona muchafiabilidad, a pesar de tener, por el contrario, una difícil implementación(sólo en CDMA ONE ).Los estándares CDMA y WCDMA utilizan softhandover. Sin handover: en el caso de que no se realice handover, no se realizatraspaso entre BSs. Simplemente el MS establece una nueva llamadaal salir del área de cobertura de la BS. Ello presenta una gran ventaja,la de poseer un procedimiento mucho más simple, lo que conlleva, porotro lado necesita una gran velocidad de establecimiento de llamada.1.6.2.1.2 Desde el punto de vista de redDesde el punto de vista de red encontramos diferentes clasificaciones sisuponemos 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 serealiza intra-cell handover cuando la calidad de conexión de un canalfísico (que ha sido medido por la misma BS) está por encima del niveldeseado. De tal manera que intra-cell handover puede realizar uncambio de slot en la misma frecuencia (TDMA), un cambio defrecuencia (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 pordebajo del nivel deseado por la BS, especialmente cuando las
    • 14conexiones colindantes están también por debajo del nivel deseado(por ejemplo cuando un inter-cell handover no proporciona ningunasalida que mejore la calidad). Inter-Cell Handover, este es el tipo de handover más simple. Seránecesario cuando la señal de la conexión de un canal físico sea baja.Para evaluar la calidad de la conexión, el móvil constantementetransmite los valores de las medidas RXLev (nivel recibido medido porel teléfono) y las RXQual(el radio del error de bit determinado) a laBS. Si la BS quiere entregar el teléfono a otro canal, lo que necesitaes informar al teléfono sobre el número del nuevo canal y su nuevaconfiguración. El teléfono cambia directamente al nuevo canal ypuede mantener ambas configuraciones para la sincronización de laBS. El proceso de Intra cell handover es posible realizarlo entrediferentes bandas de GSM.Caso para soft-handover: Softer handover, en este caso, la BS recibe dos señales separadas através del canal de propagación. Debido a las reflexiones sobreedificios o barreras naturales, la señal enviada desde las MS llega ados sectores distintos de la BS. Las señales recibidas durante elproceso de softer handover se tratan de una manera semejante a lasseñales muli-path. Soft handover, este caso es muy similar al caso anterior de softerhandover pero en éste caso las celdas pertenecen a más de un nodo.Para ello se realiza una combinación mediante RNC. Es posiblerealizar simultáneamente soft y softer handover.
    • 15Capitulo II: Estandarización de las redes móviles2. Organismo2.1 3GPPEs un grupo fundado en 1998, con la finalidad de desarrollarespecificaciones técnicas de las redes móviles, basándose en la tecnologíapadre, GSM, para luego formar el estándar UMTS, correspondiente a 3G,llegando actualmente a definir la estandarización LTE, como tecnología de4G, dejando atrás a WCDMA, HSDPA y HSPA+. El impacto que tuvo GSM anivel mundial, incluyendo a nuestro país, permitió el mejoramiento yconstante actualizamiento, logrando que muchas empresas operadoras deservicios de telefonía móvil adoptaran los estándares impulsados por 3GPPactualmente, tal como lo muestra la imagen presentada a continuación.Ilustración 2.1 Evolución de las tecnologías móvilesEl génesis de esta organización se estableció mediante la fusión de otrasentidades estandarizadoras, tales como ARIB (Japón), ETSI (Europa), T1P1(EEUU), pero a futuro la T1P1 se pasó a llamar ATIS. Luego en 1999 laentidad 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 tiempola 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 losmiembros actuales que conforman la 3GPP.
    • 16Esquema 2.1 Entidades de 3GPPLa organización 3GPP, inició actividades a finales de 1998, ademásrealizaron 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 lasredes de telefonía 3G. Este lanzamiento, fue la que sentó las bases de lasfuturas redes telefónicas (HSPA, HSPA+ y LTE) basadas en GSM, tomandoen cuenta la transferencia de tráfico de alta velocidad en la conmutación decircuitos y conmutación de paquetes.Dentro de 3GPP, existen cuatro grupos de especificación técnica o TSG,proveniente del inglés “Technical Specification Groups”, dicho grupo sedefinen como: “Radio Access Network TSG”, “Core Network TSG”, “Serviceand System Aspects TSG” y “Terminal TSG”. Dentro de la tecnologíaWCDMA, correspondiente a la tercera generación, toma importancia el grupo“Radio Access Network TSG”, dicha TSG fue nuevamente dividida en cincosub-grupos de trabajadores o “working groups”, como se aprecia en elsiguiente esquema.Esquema 2.2 Sub-división de RAN TSG3GPPETSI ARIB TTA ATIS CCSA TTCRadio Access Network TSGWG 1Radio Layer 1WG 2Radio Layer 2/3WG 3Architectute andInterfaceWG 4RadioPerformance andRF ParametersWG 5TerminalConformanceTesting
    • 17El RAN TSG, fue considerado dentro del lanzamiento “Release 99” en laespecificación de la interface aérea UTRAN2, así los miembros de laorganización asumieron individualmente en desarrollar estándares, tomandoen cuenta las especificaciones realizadas por 3GPP. Un ejemplo de esto, esel caso de la organización ETSI, realizó un lanzamiento llamado “Release-99”3sobre 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 vozy datos. Por norma UMTS trabaja con WCDMA, como tecnología de accesoal medio, basándose en el ensanchamiento del ancho de banda, permitiendola eficiencia del espectro radioeléctrico.2.1.1 Forma de operar de 3GPPEsta organización se define en “work ítems” o elementos de trabajo, de loscuales definen un motivo y objetivo para una nueva característica dentro deuna determinada tecnología. Los elementos de trabajo, a menudo contienelas especificaciones para ser implementadas y ser agendadas para suejecución; también necesitan ser apoyadas por las cuatro TSG pero enrealidad necesitaban contar con algún motivo que puedan ser acordadosen los respectivos cuatro grupos de especificación técnica del nivel RAN.No obstante, cada “work ítem” es designado un relator, que tiene comoobjetivo de coordinar todo el trabajo y procurar de informar a los TSG todoslos progresos realizados por parte de los “working group”. Por consiguientelos cuatro TSG, concretan reuniones cada tres meses para supervisar dichosavances. Cuando todos los “working group” terminan el “work item” se creanlas solicitudes de cambio o “change requests”, estos contienen todos loscambios necesarios en cada especificación en particular. Una vez que esaprobado por todos los niveles de la TSG, la estandarización es actualizadaen una nueva versión con todos los cambios realizados.Para resumir y quedar más claro, el proceso que tiene la 3GPP deimplementar una nueva estandarización, se mostrará acontiación elEsquema 2.3, además un ejemplo de las fases de estudios que realizan los“working group” hasta llegar a la fase de estandarización en una tecnologíadeterminada.2UTRAN (UMTS Terrestrial Radio Access Network) o en español Red de Acceso RadioTerrestre 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 NetworkControllers). (Fuente Wikipedia)3Se puso un guión para diferenciar el “Release-99” de ETSI con el “Release 99” de 3GPP
    • 18Esquema 2.3 Proceso de estandarizaciónIlustración 2.2 Ejemplo de estandarización2.1.2 Revisiones realizadas por 3GPPLos procesos de estandarización se establecen en una revisión anualdenominado “Release”, ofreciendo a los desarrolladores una plataformaestable para la implementación y para permitir la adición de nuevascaracterísticas que requiere el mercado.Actualmente los documentos están disponibles gratuitamente en el sitioweb de la 3GPP, en donde se encuentran todos losestándares 3GPP descritos. La información que contiene los “Release”, soncompletos y detallados para dar una idea de cómo funciona la industria dela telefonía móvil. Dentro de la información que contienen, abarcan desde lainterfaz área, la red central, codificación de voz, entre otras características.
    • 19Tabla 2.1 Revisiones de 3GPPVersiónAño delanzamientoDescripciónRelease992000Especifica la primera red 3G UMTS,incorporando una interfaz de aire CDMARelease 4 2001Se incorpora nuevas características, comosoporte de servicios de mensajería multimedia,como también en la red del núcleo (CoreNetwork) pasa ser todo IP (Internet Protocol)Release 5 2002Se introduce el concepto de IMS (IPMultimedia Subsistem), el permite latransmisión eficiente de IP en los datos demultimedia en las redes móviles, empleando laconmutación de paquete de IP y el protocoloSIP. Se introdujo la tecnología HSDPA, quepermite la optimización del espectro en el canaldescendente, con el objetivo de alcanzarvelocidades de baja hasta 14 Mbps (valorteórico máximo)Release 6 2004Se agrega la tecnología HSUPA (Hight SpeedUplink Packet Access) que ofrece una mejorasustancial en la velocidad para el tramo desubida, desde el terminal móvil hacia la red,entregando una alta tasa de transferencia desubida hasta 7.2 Mbps. También se adiciona elservicio MBMS (Multimedia BroadcastMulticast Service), permite la entrega eficientede los servicios de broadcast y multicast parala difusión en varias celdas en una frecuenciaúnica, logrando asi la entrega de servicios deradiodifusión (Push To Talk) y TVMovil.Release 7 2007Se centra en la disminución de la latencia,mejora de calidad de servicio y aplicaciones entiempo real como VoIP. Esta especificacióntambién se centran en HSPA + (Evolved HighSpeed Packet Access), el protocolo SIM dealta velocidad.Release 8 2008Corresponde al primer lanzamiento oficial deLTE, utilizando una red 100% IP. Se agregannuevas características, como la multiplexaciónpor OFDMA. Se suma la mejora de antenasmúltiples. Aparece una nueva arquitectura,formada por EPS (Evolved Packet System),RNC (Radio Network Controller) y el eNodeB.Release 9 2009Mejoras en el SAE (System ArchitectureEvolution). Se define la interoperabilidad
    • 20WiMAX y LTE. Se establece el Dual-celularHSDPA con MIMO.Release102011LTE Advanced cumplimiento de los requisitosde IMT 4G avanzada. Compatible con laversión 8 (LTE). Multi-celular HSDPA (4 operadores).Release112012La interconexión IP avanzado de losServicios. Servicio de interconexión entre losoperadores nacionales capa / operadores, asícomo otros proveedores de aplicaciones deotros fabricantes. Contenido sigue abierta (apartir de abril de 2011).
    • 21Capítulo III: Contexto evolutivo de 3G a 4G3. Motivos del origen de la evoluciónLa importancia de entender la evolución de las distintas tecnologías descritaen cada una de las generaciones de la telefonía móvil, radica en lanecesidad de comprender LTE, por lo tanto, se hace indispensable realizaruna revisión de las tecnologías antecesoras, recordando que en el Capítulo2, vimos las regulaciones y muchas de estas son mejoras en los sistemas,con la finalidad de adaptar las necesidades del cliente, para justificar laexistencia de las empresas proveedoras como las operadoras.Partiremos definiendo las tecnologías de la tercera generación hasta llegar ala cuarta generación, para luego describir detallamente las característicastécnicas y operacionales de LTE (4G). Es importante destacar que LTE esuna evolución en base a GSM (2G) y no describiremos ninguna tecnologíaen base a 2G, ya que, estas redes están pensadas principalmente al tráficode voz, en cambio 3G el tráfico está orientado a datos, principalmente alacceso de internet en los equipos móviles, permitiendo a las operadorascompetir con otro nicho dentro del negocio de las telecomunicaciones, lainternet fija o de acceso a ADSL. Así lo confirma la empresa Bytemobile,encargada de optimizar el tráfico a los operadores, quien afirma “hasta un 60por ciento del tráfico de datos del móvil lo generan los consumidores que venvídeos en sus teléfonos”4, a esto se debe a que existe actualmente unaconvergencia del protocolo IP, permitiendo la transmisión múltiples servicioscomo imágenes, música, video y datos.4Extraído del reportaje “Estadística tráfico de datos móviles”. Fuentehttp://www.nuevastecnologias.com/estadisticas-trafico-de-datos-moviles-21-06-2011/
    • 22Esquema 3.1 Evolución de servicios 2G a 4GAsí parte UTMS en año 2000, estableciendo como WCDMA como interfaceaérea para la utilización eficiente del espectro, estableciendo un puenteentre 2G y 3G, para el cual entrega una velocidad máxima de 2 Mbps.Durante Marzo del 2004, se realiza una evolución de la especificación deUMTS, la cual se integra TD-SCDMA, conocida como tecnología CDMAsíncrona por división en el tiempo; dicha especificación se denominó“Release 4”.Durante el 2002 se instaura el “Release 5”, agregado paquetes de datos alos servicios UMTS, alcanzando una tasa transmisión de 14 Mbps, dichatecnología fue un hito para las operadoras, puesto que, lograron integrarservicios de voz y datos dentro de la redes de telefonía móvil, siendo unarevolución dentro del mercado sumando, al ingreso teléfonos inteligentes o“smartphones” y módems USB. Esta tecnología de optimización se conociócomo 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 año2006.En el lanzamiento del “Release 6” se establece una mejora con un enlace desubida dedicado (E-DCH), pero manteniendo el fundamento de latransmisión de paquetes de HSDPA, logrando en el UL una tasa detransferencia máxima de 7.2 Mbps. Esta tecnología es conocida comoHSUPA y se relaciona como la generación 3.75G. Ya en Diciembre del 2007se estable un nuevo estándar definido en el “Release 7”, esta tecnología sellamó HSPA+ o HSPA Plus, otorgando velocidades de hasta 84 Mbps debajada y 22 Mbps de subida.
    • 23Ya así en el “Release 8” aparece la tecnología LTE o Long Term Evolution(Evolución a Largo Plazo), tema central de este trabajo. Esta especificaciónse convierte en la evolución de UMTS (3G), para convertirse en la 4G,siendo fundamental para el despliegue definitivo de internet móvil, gracias aque su arquitectura “All IP”, que significa que la red soporta en un 100% elprotocolo IP. Sumado a que los “smartphones”, se están convirtiendo enverdaderos computadores, capaces de acceder a los datos alojados en laInternet, de esta manera, las operadoras deben preocuparse del QoS(calidad de servicio) de los usuarios. El servicio de LTE es capaz de entregardatos, especialmente servicios multimedia, soportando IP. Como también semejora las aplicaciones de datos avanzados de persona a persona otambién conocidos como Peer to Peer (P2P), con mayores y más simétricoslos ratios de datos, como por ejemplo la sincronización de e-mail en el móvilo juegos en tiempo real con otro jugador.3.1 Los ejes evolutivos3.1.1 Necesidades de los clientesHoy en día Internet es un medio muy masivo, lo que en el futuro, losabonados a los servicios de banda ancha, alcanzarán a 3400 millones en2014 y alrededor del 80% de los usuarios, comenzarán a utilizar la bandaancha móvil, como se muestra en la Gráfico 3.1. Los consumidores soncapaces de entender y apreciar los beneficios que entrega la banda anchamóvil, uno de estos beneficios es la gran portabilidad que presenta el dichoservicio, ya que, la mayoría de los usuarios, poseen teléfonos móviles conacceso a internet móvil, como también tiene la ventaja de entregar serviciosa los notebooks a través de dispositivos USB.Gráfico 3.1 Penetrabilidad de la banda ancha móvil con la banda ancha fija
    • 24Haciendo énfasis en el tráfico de información, cuando se implementó latecnología HSPA, la experiencia de servicio o el QoE (Quality of Experience)por parte del usuario, fue muy alta, por la excelente cobertura que entregabalos 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 tráficode voz, creciendo en la demanda de manera exponencial, lo que a futuro, elancho de banda de las redes de HSPA no dará abasto para soportar la grandemanda de datos con respecto a la voz.Gráfico 3.2 Tráfico de datos vs tráfico de voz en una red HSPA3.1.1 Necesidades de los operadoresLos operadores de los servicios móviles realizan negocios en un entornocada vez más competitivo, ya que, el mercado ofrece una gran cantidad deproveedores como lo son, Ericsson, Nokia-Siemens, ZTE, Huawei, Motorola,y la lista continua. Dentro de la gran competitividad, los operadores no sólocompiten con otros operadores, sino también con nuevos actores y nuevosmodelos de negocio. Un ejemplo de esto sería el caso actual de Chile,donde los operadores móviles como Entel, Movistar y Claro, compiten entreellos, en el 2012 se agrega al mercado el operador VTR/Nextel,amenazando a las tres operadoras actuales; pero también se ha introducidoun nuevo modelo de negocio en el ámbito de las comunicaciones móviles,que son las MVNO5u Operadores Móviles Virtuales, como lo es GTD Móvil6.5Mobile Virtual Network Operator, a punta a una compañía que no posee una concesión deespectro de frecuencia para ofrecer el servicio de telefonía móvil en una red propia, demodo que, sino que revende servicios de telefonía móvil bajo su propia marca usando la redde otra operadora de servicio móvil.
    • 25Para las operadoras invertir en redes mucho más eficientes, es un grandesafío para ellas por el alto costo capital y costo operacional, así lasoperadoras buscan la formulación de estrategias de mercado y tecnológica,junto a la eficiencia del espectro radioeléctrico, definidos por organismos deestandarización y normalización. Para lograr el beneficio anhelado, lasoperadoras establecen sinergias entre los proveedores e institutos deinvestigación, En Chile se generó una sinergia entre la operadora (Entel),proveedora (Ericsson) y Universidad (Facultad de Ciencias Físicas yMatemáticas de la Universidad de Chile) en 2007 para la implementación deun laboratorio 3G7. El programa de Redes de Próxima Generación Móvil(NGMN), busca que la tecnología sucesora de HSPA o sea, 4G, debecumplir: 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 unamejor 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 mayortransparencia y previsibilidad del costo total de derechos de propiedadintelectual para operadores, proveedores de infraestructura y eldispositivo de fábrica.Dentro de 4G existe una gran variedad de tecnologías que aspiran aconvertirse en la tecnología más ad-hoc a las necesidades de lasoperadoras. Entre las tecnologías que están en el nicho de la cuartageneración, se encuentra, WiMax, LTE, UMB. Pero por un tema se confianzamuchas operadoras a nivel mundial están aceptando oficialmente a LTEcomo la tecnología que satisface las necesidades de las operadoras, comolo muestra el Gráfico 3.3, donde cada año el consumo del volumen de IP porparte 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, loscostos son bastante bajos a lo largo del tiempo y capaz de soportar el granvolumen de tráfico IP.6Fuente http://w2.df.cl/grupo-gtd-lanzara-comercialmente-telefonia-movil-a-fines-de-este-mes/prontus_df/2011-07-04/213843.html7http://boletin.ing.uchile.cl/~boletin/boletin/noticia.php%3Fid%3D9058
    • 26Gráfico 3.3 Volumen de tráfico vs costos de la red3.2 Revisión de tecnologías3.2.1UMTS/WCDMAEs un estándar correspondiente a la tercera generación de tecnologías de latelefonía móvil, en la cual, fue propuesto por la entidad 3GPP en el año1999. WCDMA, es un acrónimo que significa, “Wide-band Code DivisionMultiple Access” (Acceso Múltiple por División de Código de banda ancha),la información que entrega el usuario es difundida a través de un ancho debanda amplio, multiplexando una unidad básica de información o chips8derivados de los “spreading codes” de CDMA con la finalidad de soportaruna alta tasa de transmisión máxima de 2Mbps. El uso de esta interfaz aéreapermite que la información fluya a 3.84 Mega chips por segundo, llevando elancho de banda de la portadora a un valor aproximado a los 5MHz. Loschips puede ser divididos dentro de 10 ms tramas de radio, cada una deestas 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 soncodificadas por cada número variable de chips.8Dentro del estándar W-CDMA, chips se refiere a la unidad básica de información, endonde, cada chip depende del canal
    • 27Ilustración 3.1 Relación de las tramas de radio con los chips en WCDMADe esta manera WCDMA, permite entregar ciertos beneficios en cuanto alrendimiento de la red de la telefonía móvil, así el operador de la red (telco)puede implementar múltiples portadoras para aumentar la capacidad de lainformación que entregan los usuarios, como también, el uso de antenasadaptativas y la aplicación de detección de multiusuario, permitiendoenglobar un nuevo concepto en 3G llamado “conceptos receptor”. Esta ideade concepto receptor era imposible establecerla en la segunda generación(2G) o sólo se puede aplicar bajo restricciones severas a incrementoslimitados en el desempeño. Lo que a futuro permitió el desarrollo de 3G, enuna arquitectura mucho más robusta, denominada RAN9, permitiendocontrolar el tráfico de los usuarios a través de la conmutación de paquetes.3.2.1.1 Funcionamiento de WCDMALa tecnología WCDMA trabaja con dos tipos de tecnologías de Existen dosmodos de funcionamiento para WCDMA en UMTS, uno es el FrequencyDivision Duplex (FDD) y el Time Division Duplex (TDD). Las característicasde cada uno de ellos son Modo FDD. Cada transmisión se identifica por laportadora y por el código seudo aleatorio WCDMA. Se utiliza una portadoradiferente 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 ambosenlaces, tanto ascendente como descendente, dentro de la banda“desapareada”. Los intervalos de tiempo pueden ser repartidos de forma9Acrónimo, que significa Radio Access Network, esto forma parte de los operadores o de latelco, compuesta por la estación de radio base (RBS) y el control de nodo (RNC)
    • 28dinámica entre el enlace descendente y el ascendente. Este modo es idóneopara aplicaciones de tráfico asimétrico como puede ser el acceso a Internet.3.2.1.2 Arquitectura de la red WCDMADicha arquitectura está basada en las dos tecnologías anteriores, que son,principalmente GSM y en una menor esencia GRPS, de esta manera, losoperadores tienen la ventaja ahorrar el costo de implementar una nuevatopología, ya que, es una evolución de 2G logrando la interoperabilidad entrelas dos tecnologías y toda la capa física, según el modelo OSI, no requiereun mayor cambio de hardware, entregándole una gran flexibilidad deservicios, permitiendo al usuario acceder a datos o voz, en una determinadazona o celda.Ilustración 3.2 Arquitectura de la red WCDMAEsta red de acceso, está compuesta por las estaciones base, el nombre quese le entrega en 3G es RBS (Radio Base Station) o nodoB.3.2.2 HSDPALa red HSDPA o conocida como, High Speed Dowmlink Packet Access,corresponde al Release 5 de 3GPP, que permite establecerse como laevolución de la tecnología WCDMA, anteriormente descrita. La cualidad quepresenta HSDPA, es la mejora en el enlace descendente, permitiendoentregar 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
    • 29Mbps, es importante agregar que HSDPA, solo contempla mejoras a nivel deDL.3.2.2.1 Características principales de HSDPALa característica principal que tiene HSDPA, es la capacidad de trabajar enbase a la adaptación del enlace o también conocido como modulaciónadaptativa. Aquella técnica permite adaptar una velocidad de transmisión alas condiciones del canal, tomando como criterio, el tipo de modulación ycodificación a emplear.La técnica de modulación que utiliza es QPSK y 16QAM, esto implica quepuede transmitir de a dos bits por símbolo a cuatro bits por símbolo, esteaumento de bits por símbolo, permite entregar una menor inmunidad alruido.3.2.2.2 Arquitectura de HSDPALa arquitectura que rige en esta tecnología, es la misma en dondeconvergen 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 HSDPA3.2.3 HSPA+La tecnología HSPA+ o también conocida como HSPA Pluss, se basa enuna sinergia entre HSDPA y HSUPA, permitiendo mejorar el servicio entre elDL y UL, además está pensado para coexistir con las redes de LTE,mediante la actualización se software o hardware dentro de la RBS o NodoBy de la RNC, como se muestra en la Ilustración 3.4
    • 30Ilustración 3.4 Actualización de SW y HW en HSPA+
    • 31Capítulo IV: Long Term Evolution (LTE)4. Contexto de LTECon el fin de desarrollar mejores capacidades en la transmisión de paquetesen las redes WCDMA/HSPA, 3GPP se encargó de gestionar una evolución,que pudiera mejorar la tecnología de acceso de radio, la cual, se denominóLong Term Evolution o Evolución a Largo Plazo (LTE). Para ello, el núcleode la red o Core, también va a evolucionar, dicha mejora se conoce comoSistema de Evolución de la arquitectura (SAE). Estos nuevos requisitos sondefinidos 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 SAEapoyará el uso de las NGN “IP Multimedia Subsystem” (IMS).LTE, es conocido como una de las tecnologías que se encuentra en la cuartageneración o 4G, cuya finalidad es entregar grandes velocidades máximasde 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 unmismo objetivo en común, aumentar la eficiencia espectral, con un ancho debanda (BW) más amplio para lograr las máximas velocidades en un usuario.Para que LTE consiga una mejor eficiencia espectral, debe recurrir al uso deesquemas de modulación de orden superior y junto con la tecnología demúltiples antenas o MIMO.La comercialización de LTE comenzó en diciembre de 2009 con ellanzamiento de redes en dos ciudades escandinavas, incluyendo los costosde despliegue y puesta en marcha del servicio de Internet móvil. Dentro delos costos asociados a la implementación, incluyendo la migración de lasredes UMTS a los nuevos requerimientos, puesto que los cambios son anivel del nucleo o “Core”.LTE, por ser una evolución de las tecnologías en GSM, es capaz de utilizaralgunas de las características de HSPA, específicamente a lo que leconcierne sobre planificación de algoritmos, canales de datos compartidos,HARQ, entre otras funciones. De esta manera LTE presenta ciertosobjetivos, que desembocaron en la creación de su respectivaestandarización, en distintas categorías, tales como: Requisitos de Velocidad de datos. La bajada y subida de datos picorequerimientos de velocidad son de 100 Mbps y 50 Mbps,respectivamente. Esto es suponiendo un ancho de banda de 20 MHzde espectro. Soporte para sistemas FDD y TDD.
    • 32 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 configuracionesde BW. El despliegue flexible del espectro utilizando una variedad defrecuencias bandas. Mejora de la cobertura. Aumento de la seguridad. Aumento de la capacidad del sistema.4.1 Arquitectura general de LTELa arquitectura de red en LTE se basa en una serie de característicasrequeridas, que se descomponen en elementos funcionales específicos enlas aplicaciones de las entidades de la red física. Esta es la razón por la que3GPP especifica un Núcleo Paquete Evolucionado o Evolved Packet Core(EPC), que es la arquitectura de red para apoyar la E-UTRAN, a través deuna reducción en el número de elementos de red, permitiendo unafuncionalidad más simple, también se le agrega una mayor redundancia,sobre todo, teniendo en cuenta las conexiones a la línea fija y otrastecnologías de acceso inalámbrico, lo que las operadoras, tendrán lacapacidad de ofrecer una mejor experiencia de movilidad en la red.
    • 33Ilustración 4.1 Arquitectura de la red LTECada uno de los elementos correspondientes a la arquitectura ha sidopensado 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 lainfraestructura de una red LTE, incluyendo la red toncal EPC y la red deacceso E-UTRAN, se pueden encontrar con elementos propios de las redesIP, tales como, routers, servidores DHCP (Dynamic Host ConfigurationProtocol) para la configuración automática de las direcciones IP de losequipos de la red LTE y servidores DNS (Domain Name Server) para asociarlos nombres de los equipos con sus direcciones IP.Es necesario agregar que la arquitectura LTE, también es capaz de dar losajustes necesarios para la entrega de la calidad de servicios (QoS), así lasoperadoras son capaces de entregar servicios a la necesidad de losusuarios. Además todas las transmisiones de datos que realiza LTE entreUE y una red externa se denominan, Servicio de Portadora EPS (EPSBearer Service), en contraste, a la transmisión de datos otorgada por la redde 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 unasinergia entre estas dos arquitecturas, se encargan de la entrega de lospaquetes 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 estasarquitecturas serán definidas en el capítulo 4.1.1.1 y 4.1.2. Los elementos amodo 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 decontacto para la UE y termina en la interfaz de aire. Estableciendo unnodo lógico en el E-UTRAN, lo que incluye algunas de las funcionespreviamente definidas en la “Convención Nacional Republicana de laUTRAN”, como portador de radio gestión, enlace ascendente ydescendente de radio dinámico de gestión de recursos y datos depaquetes de programación y gestión de la movilidad. Mobility Management Entity (MME), permite gestionar la movilidadaspectos en materia de acceso a los servidores de la 3GPP, como laselección de puerta de enlace y seguimiento de la gestión de área dela lista. Servering GateWay (S-GW), es el punto de anclaje de la movilidadlocal para la entrega de datos entre varios eNodoB y tambiénproporciona un la movilidad entre los servidores 3GPP. También tienela responsabilidad, de cobrar y algunas la aplicaciones de políticas deservicio. El S-GW y la MME pueden ser implementado en un nodofísico o por nodos físicos separados. Packet Data Network Gateway (P-GW), La GW PDN termina la SGIinterfaz hacia la red de paquetes de datos (PDN). Que las rutas de lospaquetes de datos entre el CPE y la PDN externa, y es el nodo clavepara la aplicación de políticas y la carga de recopilación de datos.También proporciona el punto de anclaje para la movilidad con no3GPP accesos. El PDN externa puede ser cualquier tipo de red IP, asícomo el IP Multimedia Subsystem (IMS) de dominio. El PDN-GW y elS-GW puede ser implementado en un nodo físico o por nodos físicosseparados. Interfaz de S1, es la interfaz que separa los E-UTRAN y el EPC. Sedivide en dos partes, el S1-U, que lleva los datos de tráfico entre eleNodoB y el P-GW. La S1-MME, que es una interfaz de señalizaciónde sólo entre los eNodoB y el MME. Interfaz de X2, es la interfaz entre eNodoB, que consiste en dospartes: la X2-C es la interfaz entre el plano de control y el eNodoB. LaX2-U es la interfaz entre el plano de usuario y el eNodoB. Tambiénexiste una interfaz entre el X2 eNode-B que necesitan comunicarseentre sí.
    • 354.1.1 Arquitectura E-UTRAN y EPC4.1.1.1 Arquitectura de la red de acceso E-UTRANLa definición a grandes rasgos de E-UTRAN, se remonta en los sistemas3G, donde UTRAN, correspondía a la UE, que podía acceder al núcleo dered, mediante el uso de determinadas interfaces, de esta manera, LTE utilizael mismo criterio, pero está tiene un carácter evolutivo, ya que, en 3G la redde acceso estaba compuesta por la estación base (RBS o nodoB) y con losequipos controladores, como el RNC. En cambió en LTE, existe un únicoelemento, el eNodoB, siendo una evolución que permitió integrar doselementos que se encontraban separado físicamente, de ahí viene elnombre, Evolve-UTRAN o simplemente E-UTRAN. La organización 3GPP,definió la arquitectura detalladamente en la especificación TS 36.300 y TS36.401.Como se mencionó anteriormente la red de acceso está compuesta por unsolo elemento activo, que es el “evolved-NodoB”, que cumple con lafinalidad, de entregar la conectividad entre la UE junto la red troncal EPC. EleNodoB, 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-UTRANSegún TR 25.912 de 3GPP, menciona “el eNBs están interconectados entresí por medio de las interfaces de X2. Se supone que siempre existe unainterfaz entre el X2 eNBs que necesitan comunicarse entre sí, por ejemplo,para el apoyo de la entrega de UEs en LTE_ACTIVE. Los eNBs tambiénestán conectados por medio de la interfaz S1 de la EPC (Evolved Packet
    • 36Core). La interfaz S1 es compatible con una relación de muchos a muchosentre 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 serviciosportadores radio, control de movilidad (realizar un handover), asignacióndinámica de los recursos radio tanto en el enlace ascendente comodescendente (funciones de scheduling o programación), control deinterferencias entre estaciones base, control de la realización y del envío demedidas desde los equipos de usuario que puedan ser útiles en la gestión derecursos.4.1.1.1.1 Interfaz de radioLa función que entrega la interfaz radio, es definir los mecanismos detransferencia de información, dichos mecanismos están fundamentados enla difusión de señalización de control, envío de paquetes IP y transferenciade señalización de control entre un UE y el eNodoB, como se puede apreciaren la Ilustración 4.3.Ilustración 4.3 Mecanismos de la interfaz aérea para transmitir datosEl concepto de Difusión de Señalización de Control, permite que el eNodoBenvíe un aviso a todas las UE contenidas en la celda, indicando la presenciadel eNodoB junto con los requerimientos de operación de la red. Ademáspresenta la función de forzar una determinada UE a que no tenga unaconexión de control establecida con el eNodoB, inicie un acceso a la red(función de aviso o paging). La información difundida, puede correspondertanto a información específica de la red de acceso (denominada información
    • 37del Access Stratum, AS) como de la red troncal (denominada información delNon Access Stratum, NAS).Otro mecanismo, es el envío de paquetes IP de los usuarios a través delcanal radio y aquí hay que ser enfático, la arquitectura de LTE soportaexclusivamente paquetes IP, de esta manera no admite, paquetes X.25,paquetes Frame Relay, tramas Ethernet, entre otras. Con ayuda de ciertosprotocolos, permiten la eficiencia y optimización del envío de tráfico IP através de la interfaz radio, los servicios portadores albergan funciones comola compresión de cabeceras de los paquetes IP que permiten reducir elnúmero de bytes enviados por la interfaz radio, los headers IPpertenecientes a un mismo tipo de tráfico contienen un gran número deparámetros idénticos, tales como, direcciones origen y destino, por lo que noresulta necesario enviar todos los bytes del header IP en cada uno de lospaquetes.Por último la señalización de control dedicada entre el eNodoB y un equipode usuario, se inicia con una conexión de control, que es soportadamediante el protocolo Radio Resource Control (RRC). Aquel protocolo,permite se gestionan, además del establecimiento, modificación y liberaciónde 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 radiodesde los terminales hacía el eNodoB y el mecanismo de handover, quepermite que un equipo de usuario cambie de celda manteniendo activostanto la conexión de control como los posibles servicios portadores radio queesté utilizando.Es importante destacar el funcionamiento óptimo de la interfaz de radio, seadquiere mediante el uso de ciertos protocolos que designan la calidad deservicio hacia los usuarios. Dichos protocolos de la interfaz de radio serándescritos en el capítulo 4.2 Protocolos en la red LTE.4.1.1.1.2 Interfaz S1Para poder a empezar a definir la interfaz S1, debemos comprender queesta interfaz, se encuentra divida por el User Plane o Plano de Usuario y elControl Plane o Plano Control, para ello, debemos prestar atención en laIlustración 4.4, toda la trasferencia de datos que ocurre entre el eNB yServing Gateway (S-GW), se le denomina Plano de Usuario, puesto que,toda la información es transmitida por el usuario, a esta interfaz de le llamaS1-U. En cambio el Plano de Control, se le atribuye a la comunicaciónexistente con el eNB y el Mobility Management Entity (MME), asignándole
    • 38las funciones de control, como por ejemplo, la ejecución del handover,establecimiento de las señales, paging, entre otras funciones, para estainterfaz se denomina S1-C o S1-MMEIlustración 4.4 Red de acceso E-UTRANExponer sobre las cualidades que presenta la interfaz S1-U, solo se puedemencionar que no realiza actividades de control o control de flujo, por lotanto, solo permite construir los servicios portadores de radio, enviandotráfico IP. Esto ocurre porque se encuentra influenciado por la presencia delprotocolo UDP, ya que, este es un protocolo sencillo a nivel de capa detransporte 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 deestablecimiento, modificación y liberación de recursos de los serviciosportadores en la interfaz radio y en la interfaz S1. Por ello, el eNB y la UE nopuede iniciar por su cuenta el establecimiento de un servicio portador radio.
    • 39Ilustración 4.5 Control de establecimiento de los servicios portadoresTambién destaca la cualidad de establecer las reglas de handover entre loseNodoB. Para poder entender dicha cualidad debemos ponernos en el casode que la red E-UTRAN decida que una UE debe cambiar de eNodoB en eltranscurso de una conexión, y no existe una interfaz X2 (revisar en elcapítulo 4.1.1.1.3 Interfaz X2) entre los dos eNodoB involucrados, la interfazS1-MME se encarga de generar el handover. De esta forma, a través de lainterfaz S1-MME, la entidad MME puede establecer un nuevo contexto en eleNodoB destino asociado al UE que va a realizar el cambio con toda lainformación relativa a la configuración de los servicios portadores que tieneestablecidos el usuario así como las claves de seguridad.Por último el Paging, que en palabras sencillas es un procedimiento deaviso, que utiliza la MME para establecer la localización de los equipos deusuario en la red. La gestión de localización permite conocer con ciertaresolución en qué eNodoB o conjunto de eNodoB (denominados áreas deseguimiento o Tracking areas) puede ser localizado un usuario que seencuentre en modo idle, es decir, que no tenga establecida una conexión decontrol RRC con ningún eNodoB. Por ello, cuan do el MME quiere forzar queun usuario en modo Idle pase a modo activo, a través de la interfaz S1-MMEse ordena la ejecución del mecanismo de aviso en todos los posibleseNodoB en los que espera encontrar al terminal. El tema del handover setomará a cabalidad en el capítulo 4.3.1, puesto que, compone una altacomplejidad.
    • 404.1.1.1.3 Interfaz X2La Interfaz X2, corresponde al Plano de Usuario, entregando la transmisiónde datos, entre las partes del usuario y el eNodoB, muy similar a losservicios de la Interfaz S1, pero con la particularidad, de entregar los datosno orientados a la conexión (Best Effort) ni la presencia de mecanismos decontrol de errores y de control de flujo. La transferencia de los datos deusuario entre el eNodoB se realiza únicamente durante los procedimientosde handover en los que los paquetes de usuario almacenados en el eNodoBantiguo se transfieren al eNodoB nuevo. De esta forma, el cambio deeNodoB asociado a un procedimiento de handover puede resultar mástransparente al usuario ya que se reduce la posible pérdida de paquetesdurante el proceso.Nótese que, sobre todo en servicios de datos, el eNodoB antiguo podríatener acumulados en su buffer de transmisión paquetes IP del usuario en elmomento del cambio. Dichos paquetes, cuando el usuario deja de estaraccesible a través del eNodoB antiguo, podrían simplemente descartarse,generando retardo y una posible reducción en la tasa de transferencia delservicio asociado, ya que. la recuperación de dicha información recaería enla operación de las capas superiores (protocolo TCP en la capa detransporte). En cambio, si la propia red es capaz de transferir los paquetesIP del eNodoB antiguo al eNodoB nuevo, el impacto en el servicio puedereducirse notablemente. Respecto al plano de control, entre las funciones yprocedimientos soportados en la interfaz X2 destacan:• Soporte del mecanismo de handover entre eNodoB. En concreto, a travésdel plano de control se realiza la transferencia del contexto de un usuario deleNB antiguo al nuevo y se controla el mecanismo de transferencia depaquetes IP en el plano de usuario de X2. El contexto de usuario contieneinformación relativa a los servicios portadores radio que tiene establecidos elusuario, claves de seguridad así como los datos sobre las capacidades delterminal.• Indicación del estado de carga del eNodoB. A través de dicha interfaz,eNodoB que tengan celdas vecinas pueden transferirse información parallevar a cabo funciones de gestión de recursos radio como la coordinación deinterferencias entre celdas que operen en el mismo canal.
    • 414.1.2 Arquitectura de la red troncal EPCLa red troncal EPC, es un gran núcleo, que tiene como objetivo proporcionarel soporte y la utilización de los servicios IP, entregando la conectividadmediante una arquitectura de red optimizada, capaz de interactuar de lamejor manera con la red de acceso E-UTRAN, junto con la ayuda de otrasinterfaces, logrando realizar funciones de control del servicio deconectividad, tal como, la calidad de servicio y de los métodos de tarificaciónhacia el cliente. Como también es la encargada de mantener el acceso a lasotras redes de acceso como GERAN y UTRAN (redes de accesos de 2G y3G respectivamente).En cuanto a los componentes que integra la red troncal EPC, está formadapor 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 elHome Subscriber Server (HSS), que es una base de datos de la 3GPP. Talcomo en la arquitectura E-UTRAN, EPC, también posee interfaces quepermiten interconectar y entregar servicios dentro de toda la red de telefoníamóvil.Ilustración 4.6 Arquitectura EPC
    • 424.2 Protocolos en la red LTEDentro del mundo de las telecomunicaciones, muchos sistemas detransmisión 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, sobredeterminadas capas, de las cuales, las podemos diferenciarlas en el ControlPlane 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-UTRANAquí podemos observar una gran cantidad de protocolos, que permiten elfuncionamiento óptimo de la red LTE. El GPRS Tunneling Protocol for theuser plane o GTP-U, corresponde a un protocolo de túneles de datos deusuario 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 todoslos 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 entreeNodoB y S-GW. El protocolo UDP/IP, son los protocolos de red troncalutilizados para encaminar los datos del usuario, junto con el control deseñalización.Cabe mencionar que el LTE-UU, corresponde al conjunto de los protocolosde la E-UTRAN, que interactúan entre la UE y eNodoB y dichos seespecifican 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-GWEsquema 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, conacceso 2G por la interfaz S-4Esquema 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, conacceso 3G por la interfaz S-12Esquema 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, conacceso 3G por la interface S-4Esquema 4.5 Stacks de protocolos con acceso 3G por la interfaz S-44.2.2 Stacks del protocolo en el plano de control de LTE Protocolos entre el eNodoB y MMEDentro de los protocolos del plano de control entre el eNodoB y la MME, seencuentra el S1 Application Protocol (S1-AP), que es protocolo de capa deaplicación entre el eNodoB y el MME. También se encuentra el protocoloSCTP, que permite garantizar la entrega de mensajes de señalización entreMME y eNodoB (S1), aquel protocolo se estableció en el RFC 2960.
    • 45Esquema 4.6 Stack de protocolos entre el eNodoB y MME Protocolos entre la UE y MMEEl protocolo NAS, es compatible con la funcionalidad de gestión de lamovilidad y el plano del usuario portador de la activación, desactivación ymodificación. También es responsable de cifrado y protección de laintegridad de los NAS de señalización.Esquema 4.7 Stacks de protocolos entre la UE y MME
    • 46 Protocolos entre SGSN y la MMEEl GPRS Tunneling Protocol for the control plane (GTP-C), el funcionamientoes similar al GTP-U, pero la diferencia, es la señalización de los mensajesentre SGSN y el MME (S3).Esquema 4.8 Stack de protocolos entre la UE y MME Protocolos entre SGSN y S-GWEsquema 4.9 Stacks de protocolos entre SGSN y S-GW
    • 47 Protocolos entre la S-GW y P-GWLos protocolos que se comunican entre la S-GW y la P-GW, lo puede hacermediante las interfaces S-5 o S-8.Esquema 4.10 Stacks de protocolos entre S-GW y P-GW Protocolos entre la MME y MMEEsquema 4.11 Stacks de protocolos entre la MME y MME
    • 48 Protocolos entre la MME y S-GWEsquema 4.12 Stacks de protocolos la MME y S-GW Protocolos entre MME y HSSEl protocolo Diámetro, permite la transferencia de datos de suscripción yautenticación para la autorización del usuario para el acceso usuario alsistema evolucionado entre MME y HSS (S6A). El protocolo Diámetro sedefinió en el RFC 3588.Esquema 4.13 Stacks de protocolos entre la MME y HSS4.3 Movilidad en LTEPara cualquier sistema telefónico móvil, entiéndase cualquier tecnología, lamovilidad corresponde a un factor clave, como requerimiento de la red,específicamente en el QoS, entregando una alta complejidad en suplanificación. Como toda característica de LTE, esta también se encuentrafundamentada por la 3GPP, en el cual, define un marco de apoyo a la
    • 49gestión de la movilidad incluyendo la gestión de entrega (handover) y lalocalización.Cuando nos referimos a la gestión de entrega, los usuarios se encuentranconectados al sistema a través de una determinado eNodoB, irradiando unazona específica (celda), pero muchas veces los usuarios no se encuentrandetenidos en una celda. De esta forma la red debe capaz de mantener todasconexiones activas, aun cuando el dispositivo móvil se encuentre enmovimiento y deba cambiar de celda, sin perder el servicio al momento degenerar este cambio.En cuanto a la localización, es un método de seguimiento que le permite a lared encontrar una UE dentro de la zona de cobertura entregada por unaestación base. El mecanismo utilizado para entregar envío de avisos(paging) a las UE de manera selectiva donde existan estaciones basescapaces de manera probabilística encontrar a un usuario.Esquema 4.14 Funcionamiento de la conectividad en LTEDesde la perspectiva de la movilidad, la UE puede estar en uno de los tresestados, LTE_ DETACHED, LTE_IDLE, y LTE_ACTIVE como se muestra enEsquema 4.14. Estado LTE_DETACHED es normalmente un estadotransitorio en el que la UE está activada, pero está en el proceso debúsqueda y registro de con la red. En el estado LTE_ACTIVE, la UE estáregistrada en la red y tiene una conexión RRC con el eNodoB, así la redconoce la celda a la que pertenece la UE y puede transmitir y/o recibir datosdesde el mismo equipo. El estado LTE_IDLE es un estado “stand-by” para laUE, 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
    • 50sólo en el nivel de detalle de un área de seguimiento (TA), que consiste eneNBs múltiples. El MME conoce la asistencia técnica en la que la UE registrópor última vez y el paging es necesario localizar la UE a una celda.4.3.1 Gestión de handoverEn este capítulo hablar de manera general sobre el handover, no esnecesario, ya que, se realizó una revisión completa en el capítulo 1, lafunción que cumple en el LTE es mantener la conexión de tráfico para elmovimiento de una UE, en presencia de la función de transferencia. Aquelconcepto de función de transferencia funciona cuando la UE se muevedesde el área de cobertura de una celda a otra, se debe generar una nuevaconexión con la nueva celda, una vez que la conexión se ha establecida conla nueva celda, la celda antigua es liberada. En general, la función detransferencia se desglosa en tres etapas o fases principales, Fase deMedición, Fase de Decisión y Fase de Ejecución, tal como se muestra en elEsquema 4.15.Esquema 4.15 Fases de función de transferenciaEn la Fase de medición cobra un papel fundamental, si lo miramos del puntode vista de rendimiento, porque la intensidad de la señal del canal de radiopuede variar drásticamente debido a los fenómenos de “fading” y la perdidade trayectoria, entre el entorno de la celda y la movilidad del usuario, a estose le llama, criterio de medición. Dentro de este mismo enfoque sobre elrendimiento, puede ser una ejecución de un exceso de informes demedición de la UE o la llegada de una señalización por la red lo queaumenta.
    • 51La fase de decisión está sujeta a múltiples parámetros, tales como el anchode banda, delay, jitter, potencia de transmisión, el estado actual de la bateríadel celular, y las preferencias del usuario (en que red le acomoda elservicio). Durante la fase de ejecución de la entrega, conexiones deben serre-enviadas desde la red ya existente hacia la nueva red de manera sencilla(sin excesos de protocolos). Esta fase también incluye la autenticación yautorización y la transferencia de información del usuario.4.3.1.1 Ejecución de handoverEl mecanismo de handover especificado en LTE se controla desde la red (lared decide el cambio de estación base) teniendo en cuenta medidasenviadas desde los equipos de usuario (handover controlado por la red yasistido por el terminal). Concretamente, la decisión de llevar a cabo uncambio de eNodoB de un terminal en modo conectado, la toma el propioeNodoB con el que el equipo de usuario mantiene una conexión RRC activa.El control del mecanismo de handover, se establece en base a criterios yalgoritmos de decisión, atendiendo a que la función que controla lasdecisiones de handover constituye una de las funciones clave para la gestióneficiente de los recursos radio en E-UTRAN.Una vez tomada la decisión sobre la necesidad de realizar un handover, lapropia red se encarga de reservar los recursos necesarios en el eNodoBdestino, para reducir el tiempo de interrupción (durante este tiempo depreparación el terminal sigue conectado al eNodoB antiguo) así como elnúmero de intentos de handover fallidos. Una vez la red garantiza, que elterminal puede ser traspasado al nuevo eNodoB, la red ordena al terminalque 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 sinhaberse efectuado ninguna reserva de recursos en el eNodoB de destino.Durante la realización del proceso de handover, la propia red dispone demecanismos para transferir los paquetes del usuario pendientes detransmisión en el viejo eNodoB hacia el eNodoB destino, mediante lautilización de la interfaz X2. Este planteamiento permite reducir el número depaquetes perdidos durante la ejecución de un handover.
    • 524.3.1.2 Handover intra-LTEEl handover entre eNodoB conectados mediante una interfaz X2,estableciendo un plano de usuario entre eNodoB para el envío de datosdurante el proceso de handover. Además, a través de X2, la señalización delprocedimiento así como la transferencia del contexto de datos asociado alequipo terminal puede llevarse a cabo directamente entre el eNodoB, sinpasar por el nodo MME de la red troncal.También se puede dar el caso de un handover entre eNodoB que nodisponen de la interfaz X2. En este caso, no es posible el envío de paquetesde usuario entre los eNodoB y la señalización de handover debe articularsenecesariamente a través de la entidad MME.En el último caso de handover, es el handover entre eNodoB, soporten o nosoporten la interfaz X2, que requiera la reubicación de alguno de los nodosde la troncal EPC. En este caso, el cambio de eNodoB podría conllevar elcambio de la pasarela S-GW a través de la cual está establecido el plano deusuario o bien del nodo MME que termina el plano de control con el equipode usuario. El caso más complejo sería el de un handover donde secambiaran ambos, S-GW y MME.4.3.1.3 Handover con soporte de la interfaz X2Este procedimiento es utilizado para transferir la conexión de un equipo deusuario entre dos eNodoB que se encuentren conectados entre ellosmediante 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 cambianen el proceso. El punto de partida del procedimiento representado es el deun terminal UE que mantiene una conexión RRC (el terminal se encuentraen modo RRC_CONNECTED, y por extensión, en modo ECM-Connected)con el eNodoB de origen y tiene activado uno o varios servicios portadoresEPS con la red LTE.
    • 53Ilustración 4.7 Procedimiento de handover basado en X24.3.1.4 Handover sin soporte de la interfaz X2Este procedimiento de handover, denominado como handover basado enS1, se utiliza en caso de que las estaciones bases de origen y destino noestén conectadas mediante una interfaz X2. La Ilustración 4.8 muestra laoperativa de este procedimiento en el mismo escenario planteado para elanálisis del handover basado en X2. Para poder facilitar la comparación deambos procedimientos, los mensajes nuevos necesarios en el handoverbasado en S1 se resaltan en color rojo en la Ilustración 4.8.
    • 54Ilustración 4.8 Procedimiento de handover no basado en X2
    • 55Capítulo V: Red de transporteEn este capítulo, se conocerá las características de una red backhaul o redde transporte, la que tiene como objetivo, facilitar el transporte para una redde acceso de radio móvil (RAN) y permitiendo conectar las estaciones basescon sus correspondientes controladores. El término de controladores, seutiliza en el contexto de la EPC (Evolved Packet Core), incluyendo MME yS/P-GW. En esencia, una red típica construida para backhaul, se componede tres ejes: Core, Aggregation y Access, como se muestra en la Ilustración5.1. Los límites del dominio son en su mayoría, definidas por la tecnología yla 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 unadeterminada celda, basados en una topología de tipo árbol o cadena,estructuradas con enlaces de radio, pero así también se emplean enlacesfibra y pares de cobre.A partir de la red de agregación (Aggregation), se utiliza muy a menudo latopología de anillo y de malla, empleando la fibra óptica. La red deagregación termina, normalmente, en el área de control. Los sitios de controlse 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 deconmutación de paquetes IP/MPLS.Ilustración 5.1 Red típica del backhaulLa red de backhaul, trabaja sólo en las redes de acceso y agregación. Lacual, la red de acceso puede estar compuesto en varios sub-dominios, comolo muestra la Ilustración 5.1 (“First mile” y “Second mile”), a esto se debe, a
    • 56que el operador móvil puede considerar, múltiples tecnologías físicas, comotambién, topologías alternativas. El “First mile”, se conecta con un dispositivode demarcación, que por lo general, se despliega un lugar de la celda, aquílos datos se concentración. En el “Second mile”, el tráfico de la red deacceso se suma a los de la red agregado, adaptando los datos a cualquiercambio de tecnología y así proporciona el punto de entrega a una red demetro/agregación. Otro dispositivo de demarcación existe en el bordederecho 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 sedespliega en un sitio de una celda. Nodos de paquetes, que pertenecen a la red de acceso o deagregación. Gateway de agregación del sitio móvil (MASG), que actúa comocontraparte de la CSG.El término de “Physical Connectivity” o Conectividad Física, se utiliza pararepresentar cualquier tipo de tecnología, empleada para conectar los nodos,así en la parte superior de la capa física de la capa de red se puedenencontrar estos tipos de nodos. El objetivo de la Conectividad Física, seaplica para abarcar todas las posibles arquitecturas lógicas necesarias paradirigir el tráfico y las aplicaciones de LTE.La capa más alta se encuentra representada por el servicio, se aplica a lasinterfaces de S1 y X2, el transporte de datos en las interfaces S1 y X2 sebasa en el envío de datagramas IP. Con esto permite cumplir el requisitofundamental de una red de transporte o backhaul, dar apoyo a LTE, basadosen 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 altacapacidad y realizar la agregación de tráfico con su respectivo QoS. Permite la Operación, Administración y Mantenimiento (OAM) deextremo a extremo de la red. Un menor en el TCO o Costo Total de Propiedad, que los sistemastradicionales de TDM o híbrida (TDM y Ethernet), exigían un mayorcosto.
    • 575. Topología de un backhaul LTELa topología de la red de transporte entre los eNodoB y la EPC puede serrepresentadas por una estructura de red en forma de cadena, anillo, estrella,malla o mixtas. De manera que, la configuración utilizada red, dependerá dela capacidad de los nodos, elegidos por la operadora para mantener unaseguridad en la red ante cualquier catástrofe necesaria. Las estaciones basepueden actuar como concentrador de tráfico, si trabajamos con la topologíade estrella, donde todo el tráfico, pasa por un solo nodo. Las infraestructurasde interconexión utilizadas en la red de transporte pueden ser propias deloperador o arrendadas a otros operadores, como lo que ocurre con EntelPCS que paga un arriendo a Entel Datos por el uso del backhaul de lasredes. Por otra parte la selección del medio de transmisión a usar elbackhaul depende de las necesidades del operador y su costo, pares decobre, fibra óptica y radioenlaces de microondas.Ilustración 5.2 Tipos de topologías5.1 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 deforma combinada, permitiendo formar una red de backhaul bastante robusta.
    • 58Las tecnologías más usadas en la capa física del backhaul, corresponde quese 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 LTELa evolución a un backhaul IP para redes móviles tiene dos posiblessoluciones tecnológicas, por medio de Ethernet (capa 2), a través de MPLS(capa 2-3). Cada una de estas tecnologías deben lo sufrientemente capaz decumplir 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. Lasmás utilizadas dentro de LTE, son las que se nombrarán a continuación.5.1.1.1 EthernetEstablecer una solución en capa dos del modelo OSI es rentable, sinembargo carece de fiabilidad, escalabilidad y manejabilidad. Esta red troncalde transporte basada en Ethernet reemplaza la tecnología de aprendizaje dedirecciones MAC por un sistema centralizado de administración de red(NMS) para gestionar la ruta de transmisión. Esta solución combina laestructura simple y de bajo costo de Ethernet junto con la administracióncentralizada y las capacidades de configuración de los actuales sistemasSDH. No obstante, cabe destacar que esta solución carece del soporte delas distintas empresas de la industria ya que como principal desventaja nopresenta calidad de servicio para los distintos servicios que una red denueva tecnología soporta.
    • 59Ilustración 5.3 Carrier Ethernet5.1.1.2 IP/MPLSLa tecnología MPLS o también conocida como, Multiprotocol LabelSwitching, es un mecanismo de transmisión que transporta los datos de unnodo de red a otro con la ayuda de las etiquetas. MPLS hace que sea fácilen crear "vínculos virtuales" entre los nodos distantes. Se puedenencapsular los paquetes de protocolos de red diferentes. MPLS se ubicaentre 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 utilizatúneles estáticos llamados LSP (Label Switch Path) para establecer unaconexión fija. Luego de define la trayectoria del paquete y se agrega unaetiqueta a la entrada de la red MPLS, el cual posee la trayectoria que seguiráel paquete. Cada router de la red MPLS tiene conocimiento de la ruta aseguir de manera que podrá enrutarlo hacia el siguiente nodo. Por último elrouter del borde de la red MPLS retira la etiqueta para que siga sutrayectoria final.
    • 60Ilustración 5.4 Principio de conmutación en la red IP/MPLSMPLS soporta múltiples tecnologías (ATM, TDM, SDH). Así, también incluyela tecnología “Pseudo Wire” (PW) que permite la compatibilidad con elservicio tradicional de TDM y ATM. Incluso integra un NMS (NetworkManagement System) centralizado para poder provisionar, gestionar lostúneles y provee el servicio monitoreo similar a SDH.MPLS es la solución que está creciendo como la tecnología principal detransporte en un futuro cercano. Sin embargo tiene muchas extensiones queposeen dificultades para ser implementado como OAM (Operation,Administration, Management) a diferencia de SDH. Afortunadamente existeuna nueva característica llamada MPLS “Transport Profile” (MPLS-TP) quese 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 cuandosea necesario agregándole herramientas de OAM. MPLS-TP puede sercomparado con SDH en términos de fiabilidad y capacidad demonitoreo. Esta estrictamente orientado a conexión y provee el transporte depaquetes y servicios de TDM sobre redes ópticas. Asegura que el tráfico seatransportado de manera fiable a través de un monitoreo “end to end” con elmejor rendimiento. Además permite la ingeniería de tráfico y reserva derecurso si es necesario.Es una tecnología altamente escalable que tiene la habilidad de soportarvarios clientes con diferentes tráficos. Además puede trabajar sobre otrastecnologías como Ethernet, SDH, ATM, entre otras, pudiendo soportarmultiservicios que permiten transportar cualquier tipo de tráfico de losclientes.
    • 61Ilustración 5.5 Convergencia de la red de transporte5.2 Escenarios del backhaul en LTEEste capítulo se mencionará dos escenarios, en las cuales, se hanimplementado una serie de tecnologías más comunes que ofrecen losproveedores en la red. Cada uno de estos análisis de la arquitecturaorientada desde L2 hasta L3, junto con los respectivos protocolosencapsulados en la red.En cada uno de los dos escenarios que se han definido, se mostrara el usode la tecnología Ethernet (estandarizada por IEEE 802.3), puesto que, seespera que dicha tecnología de transporte sea la dominante en el futuro. Eluso de las interfaces de Ethernet ha sido también asumido por todas lasestaciones base y por todos los tipos de controlador.Otra tecnología a destacar es MPLS-TP y IP/MPLS, ambas tienen su propiaaplicación en los escenarios se presentan a continuación, con su propia
    • 62especificaciones. El uso de MPLS en el backhaul, se basa en que permiteuna la combinación de distintos protocolos. Los que IP/MPLS puede serutilizado 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 elcaso de L2 VPN (VPWS), que se puede extender también a la red deagregación.5.2.1 Escenario con Carrier EthernetEl 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 decualquier red de transporte utilizado, ya sea en el acceso y agregación. Elescenario 1 se representa en la siguiente Ilustración 5.6La dirección del tráfico se basa en una VLAN, se establecen las conexionesde la Ethernet virtual entre eNodoB y MME o S/P-GW. La capa de serviciospuede 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 (manteniendoel punto de conexión cerca del eNodoB) o un mayor control del tráfico (loque mueve el punto de conexión X2 cerca de la EPC).Ilustración 5.6 Escenario de ethernet5.2.1.1 AplicabilidadEste escenario no se encuentra implementada la tecnología IP/MPLS para laredundancia y protección. Es más la confiabilidad de Carrier Ethernet, esproporcionada por los mecanismos de protección en la transmisión de lacapa física, por ejemplo, microondas 1+1 hot-standby, las líneas arrendadas
    • 63en los LAG, entre otras. De extremo a extremo OAM se encuentra en el nivelEthernet (802.1AG, 802.3AH, Y.1731 son ejemplos de herramientasdisponibles).5.2.1.2 Stack de protocolosAlgunos stacks de protocolos que soportan esta arquitectura lógica semuestra en la Ilustración 5.1. Como se mencionó anteriormente, la atenciónse centra en Ethernet como capa de transporte, pero no se debe confundir elconcepto de capa de transporte del modelo OSI, son muy distintos, comúnen la parte superior de cualquier tecnología de transmisión, pero otrassoluciones 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, porel eNodoB o VLANs por los diferentes flujos. El plano de control de Ethernetestá representado, por protocolos como G.8031 (Ethernet Protección delínea), G.8032 (Protección Ethernet Ring) o los algoritmos del Spanning TreeProtocol.Ilustración 5.7 Stack de protocolos con IEEE 802.1ADEn 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 deacceso y agregación, a esto también se le conoce como Modelo de Ethernetsobre SDH.
    • 64Ilustración 5.8 Stack de protocolos que soportan SDH5.2.2 Escenario 2 Acceso con MPLS más VPN en L2/L3Este escenario se centra principalmente en la capacidad de transporte deMPLS, que también se utiliza en la red de acceso. Específicamente MPLS oMPLS-TP es considera para la construcción de enlaces punto-a-punto en eldominio de acceso como una forma de solución para el ingreso de la VPN enel dominio de agregación.Ilustración 5.9 Escenario con MPLS, en una VPN L2/L3
    • 655.2.2.1 AplicabilidadAquí se utiliza el transporte de MPLS/MPLS-TP, incluso en el dominio deacceso. Al transportar el tráfico relevante a través de la red de acceso hastael primer nodo de agregación, donde el tráfico entra en L2 o L3 VPN. Deextremo a extremo el OAM se puede activar a través de mecanismosestándar como VCCV ping, trace-route o BFD.5.2.2.2 Stack de protocolosTal como en el escenario anterior, se presentan aquí dos ejemplos de losprotocolos asociados en una determinada red de backhaul. El primerejemplo se basa en una VPN L2 en el dominio de agregación (H-VPLS).Ilustración 5.10 Stack de protocolos en la VPN L2Los ejemplos en segundo lugar solamente diferencian por tener un VPN L3en la agregación.
    • 66Ilustración 5.11 Stack de protocolos en la VPN L3
    • 67Capítulo VI: Requerimientos técnicos de LTE y de la red detransporte (backhaul)6. Performance en LTEEn este capítulo analizaremos los requerimientos de una red LTE, definidasen el Release 8, aquellos requerimientos permiten que la red funcionesatisfactoriamente en función a la calidad de servicio. Por ello la 3GPPdefinió cada una de estas variables, como por ejemplo latencia, handover,throughput (rendimiento), entre otras. Cada una estas características al sermencionadas no cobran mucho sentido por sí solas, no obstante, si a estasvariables las comparamos con otra tecnología de acceso, establecersimulaciones de la red o mostrar escenarios en donde LTE haya sidodesplegado.Las simulaciones de los sistemas móviles, corresponde a una herramientamuy poderosa e importante a la hora de evaluar el rendimiento de la red, eldespliegue de una red en la vida real, está siempre sujeta a mediciones yevaluación en el campo de un sistema ya implementado y sus valores tales,representan un válido ejemplo de rendimiento para una configuración desistema determinado. Sin embargo, al realizar prueba de campo, la calidadse ve opacada, puesto que, las modificaciones de la red alteran el servicio,muy parecido a la telefonía fija, en la cual los técnicos interrumpen elservicios a los abonados para realizar las pruebas, así si un usuario deseautilizar el servicio se encontrará con la sorpresa de que no podrá realizar unallamada como tampoco recibir una. La utilización de simuladores cobramucho más sentido para evitar la interrupción del servicio, sin afectando alusuario y obtener resultados cuantificables por parte de la operadora, dentrode las ventajas del uso de simuladores son: Permite la evaluación de los conceptos de un sistema que no se hanimplementado o están todavía en desarrollo, como por ejemplo LTE-Advanced10. Existe un control total del medio, incluidos los parámetros depropagación, el tráfico y la trazabilidad completa de todos losparámetros que afectan el resultado. Los experimentos que se realizan, están bien controlados para podercomparar las impresiones similares del sistema o de partes de lasimpresiones que se puede hacer bajo condiciones repetibles.10Apunta a convertirse en el sucesor de LTE
    • 68Cualquier simulación realizada en base a su “performance” o rendimiento, sedebe considerar el contexto real del rendimiento de la red y esta depende demuchos parámetros que son difíciles de controlar, tales como: El entorno móvil, incluyendo las condiciones del canal, que seextiende al tipo de desorden, las velocidades de móviles, el uso deinterior/exterior, y las brechas de la cobertura. Los usuarios relacionados con el comportamiento, tales como, laactividad 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 dela antena y sus clases, y el plan de reutilización de frecuencias. Los parámetros adicionales que no se suele seguir el patrón, comoseñalización de la capacidad y el rendimiento y la calidad de lamedición.No existe una medida única y estándar de funcionamiento para un sistemade telecomunicaciones determinado, a raíz de esto, la calidad de servicio yla calidad de experiencia, entre los usuarios y las operadoras, difierendemasiado al momento de definir el buen desempeño del servicio. Porejemplo, si observamos, el punto de vista de los usuarios, ellos deseanexperimentar el nivel más alto posible de calidad. En cambio, los operadoresdesean obtener los máximos ingresos, tal es el caso, de tener una grancantidad de usuarios inmersos en un sistema de telecomunicacióndeterminado.Ahora el dilema, ante este problema es ¿Cómo puedo considerar unfuncionamiento óptimo de la red, en contraste a la visión del usuario yoperador? La respuesta se conjuga con la evolución de 3G a 4G, másespecífico, HSPA+ y LTE, las cuales tienen el potencial de hacer ambascosas, si lo comparación con versiones anteriores de WCDMA, la evoluciónse hace necesaria para obtener mejores velocidades en la transmisión dedatos, sumado con un menor retardo, en palabras más sencilla, LTE buscamejorar tanto el servicio de experiencia (el punto de vista del usuario final) yla capacidad del sistema (punto de vista del operador). En este contexto,también es fundamental tener en cuenta que el rendimiento del sistema y lacapacidad será función de su diseño. Esta característica de diseño puedeser por ejemplo, MIMO u otras técnicas de antena avanzadas que seintroducen en los sistemas 3G y fue evolucionado.
    • 696.1 Performance en perspectiva del usuario y operador6.1.1 Performance en perspectiva del usuarioPara el usuario, en el momento de acceder cualquier servicio de Internet, yasea, ver una página web o ver un video online, esto se logra con laconmutación de paquetes de datos, aquí los usuarios, describen la calidaddel servicio en función al retardo que se experimenta desde el instante deiniciar la descarga hasta que la página web o el video online se muestre enla pantalla del usuario. Lo que sí es importante, mencionar que los recursosasignados a los usuarios no son de carácter discreto, como ocurre en latelefonía fija, donde la operadora le asigna un recurso fijo en el instante enque los usuarios establezcan la ruta de comunicación. En cambio, lasoperadoras de la telefonía móvil los recursos de la red que le asignan a losusuarios son dinámicos, ya que, los recursos de la red no están reservadospara cada usuario, así el retardo aumenta con el tamaño de la información adescargar.Ilustración 6.1 Definición de la taza de datos requeridos en el Performancede LTESi existe único usuario acoplado en la red LTE, será capaz de experimentarexcelentes condiciones de radio, pudiendo disfrutar de la velocidad peak de
    • 70la interfaz de radio, como la Ilustración 6.1. Pero de que exista solo unusuario conectado a la red es una condición utópica, ya que, normalmentelos recursos de radio se comparten con otros usuarios. Debemos agregarque si las condiciones de radio no son las más óptimas o existe lainterferencia de otros usuarios, la tasa de datos de interfaz de radio, serámucho menor que la tasa máxima de la velocidad de datos. Además,algunos paquetes de datos se pueden perder, en cuyo caso, los datos quefaltan deben ser retransmitidos, reduciendo aún más la tasa de datos desdelos protocolos de las capas superiores, sumado a esto, la tasa efectiva dedatos disminuye aún más la distancia de la celda aumentada, debido a laspobres condiciones de radio en los bordes de la celda.El protocolo TCP, es un protocolo correspondiente a la capa cuatro delmodelo OSI, en el área del Networking, es muy usado junto con el protocoloIP, porque le entrega la confiabilidad que no es capaz de entregar IP. Sinembargo, TCP es un protocolo demasiado complejo y esto hace que la redsea muy sensible en cuanto al retardo que produce el algoritmo de inicio decomunicación o también conocido como el hand-shack de tres vías. Aquelalgoritmo de inicio de la comunicación, tiene como finalidad, de garantizarque la transmisión de la tasa de paquetes del emisor, la cual, no exceda lacapacidad de los nodos de la red ni las interfaces. Por último la latencia dered, es una medida del tiempo que define, cuánto tarda un paquete en viajardesde un usuario al servidor de la aplicación y viceversa, dentro delprotocolo TCP tiene un impacto directo en el rendimiento, debido al controlde flujo que realiza este. Por lo tanto, un objetivo importante en el diseño, enLTE, 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 refiereal tiempo de preparación para iniciar, por ejemplo, una sesión de web-browsing.6.1.2 Performance en perspectiva del operadorComo vimos anteriormente, los recursos de radio deben ser compartidoscuando varios usuarios se conectan de la red, lo que provocan comoresultado, que todos los datos que desean enviar los usuarios estos sequedan en cola antes de que se puedan transmitir, obviamente, esto limita latasa de datos para cada usuario. Para poder evitar esto, las operadoras seencargan del “scheduling” de los recursos de radio, permitiendo así, mejorarel rendimiento del sistema o el número total de bits por segundo transmitidosa través de la interfaz de radio. Una medida común de rendimiento delsistema es "la eficiencia del espectro", que es el rendimiento del sistema porMHz de espectro en cada sector del sistema.
    • 71Una medida importante del rendimiento de los operadores es el número deusuarios activos que se pueden conectar simultáneamente, dado que losrecursos del sistema son limitados, entregando un equilibrio entre el númerode usuarios activos y la calidad percibida del servicio en términos derendimiento por parte del usuario.6.2 Calidad de servicio (QoS)El termino de calidad de servicio o quality of service (QoS), es muy utilizadoen telecomunicaciones, que permite describir la experiencia de un usuario ode una aplicación recibida dentro de la red. A modo general, la calidad deservicio consiste en una amplia gama de tecnologías, arquitectura yprotocolos, en el caso de LTE, podemos encontrar, MIMO, arquitectura de lainterfaz aérea, protocolo RRC, entre otras características, por esta razón, losoperadores de las redes móviles ocupan cada una de estas característicaspara 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 unamejor 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 bajalatencia, transferencias de archivos peer-to-peer. Ahora bien, para poderlograr que LTE entregue todos los beneficios mencionados anteriormente, serequiere una red de backhaul eficiente que debe ser compatible con losgrandes anchos de banda que requieren los servicios, logrando así,garantizar la calidad, pero la tecnología del backhaul debe ser compatiblecon cualquier servicio desde cualquier extremo de la red, manteniendo unmenor costo.Dentro de una red, por lo general lleva muchos servicios y solicitudes deservicio de muchos usuarios al mismo tiempo y cada uno de estos serviciostiene sus propios requisitos, pero los recursos dentro de la red son limitados,por consiguiente, saturaría la red afectando la transmisión de datos. Anteeste problema LTE introduce un concepto de calidad de serviciorelativamente simple, que consta de clases de tráfico y algunos de losatributos de QoS para definir las características de tráfico. La diferenciaciónde calidad de servicio se convierte muy útil para la eficiencia de la reddurante una alta carga de datos cuando existen muchos servicios, y cadauno de estos servicios contiene distintos retardos. Como también la interfazaérea posee conocimiento sobre el retardo de los distintos servicios queutiliza el usuario, por consiguiente, será capaz de priorizar los servicios y enconsecuencia mejorar la eficiencia de la utilización de la red.
    • 726.2.1 Mecanismos de QoS en LTEPara poder entregar una calidad de servicio de extremo a extremo, serequiere una serie de mecanismos, tanto en el plano de control, como en elplano de usuario. Los mecanismos del plano de control, son necesarios parapermitir a los usuarios y a la misma red, de negociar y ponerse de acuerdosobre las especificaciones necesarias del QoS, para poder identificar a losusuarios y las aplicaciones, a qué tipo de calidad de servicio tiene comoderecho, lo que, permite dejar a la red lo más adecuada, en relación a laasignación de recursos a cada uno de los servicio. En cambio, losmecanismos del plano usuario, están obligados a cumplir el acuerdo sobrelas necesidades de calidad de servicio mediante el control de la cantidad derecursos de la red, en que cada usuario de la aplicación puede consumir.Dentro de estos mecanismos podemos diferenciar tres tipos de control decalidad 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 portadoraEl comportamiento esperable en términos de prestaciones del QoS en unservicio portador EPS depende del tipo de servicio final que se curse através de dicho servicio portador. Por ejemplo, la implementación de unservicio P2P, el comportamiento del QoS que tendrá dicho servicio, serámuy distinto en caso de trabajar con un servicio de VoIP o un servicio denavegación HTTP, tanto en la cantidad de recursos de transmisión y laconstante de asignación dinámica de los mismos, también serácompletamente diferente en ambos casos. Sumado a esto, los parámetrosde QoS exigibles al servicio portador pueden también fijarse en función deltipo de usuario. De este modo, los envíos de cada servicio, tendrán untratamiento especial para que una misma portadora reciba el reenvió depaquetes, de acuerdo a una política de planificación, la política de gestión decolas, la tasa de formación de la política, y la configuración de la capa deenlace. Para poder proporcionar el reenvío de diferentes paquetes, esterequiere un tratamiento de portadoras por separado, lo que en LTE escompatible con dos tipos de portadoras: Garantiza la tasa de bit (GBR), se encuentra dedicado a los recursosde la red, relacionando con un valor GBR con el portador asignado de
    • 73manera permanente cuando el portador llega hacer establecido omodificado. No garantiza la tasa de bits (non-GBR), se utiliza una portadora pordefecto, que también se utiliza para establecer la conectividad IP.Cualquier portadora adicional se conoce como “portadora dedicada” ypuede ser GBR o non-GBR.El operador tiene la facultad de poder controlar los envíos de paquetes quese asignan al portador dedicado, así como el nivel de calidad de servicio delportador dedicado a través de políticas que se aprovisionan en la red, laFunción de Recursos de Tarificación y Política o en inglés, Policy andCharging Resource Funtion (PCRF). El PCRF define los flujos de paquetesespecíficos para ser enviadas en un portador dedicado y por lo general, seles definen con una IP de cinco tuplas11, aquel valor utilizado en la tupla decinco, se origina en la señalización de capa de aplicación, por ejemplo,Session Initiation Protocol (SIP) en el caso de un subsistema de multimediaIP.Cada portador de EPS (GBR y no GBR) está asociado con un nivel deportadora con parámetros de calidad de servicio: Identificador de clase de QoS: QCI es un escalar que se utiliza comouna referencia a los parámetros de acceso a un nodo específico, quecontrolan a nivel del portador en relación al tratamiento de reenvío depaquetes, por ejemplo, la programación del tamaño, límites deadmisión, gestión de archivos en colados y la configuración delprotocolo a nivel de capa de enlace. Cada una de estas variables seencuentran configuradas por la operadora de la red en el eNodoB. Prioridad de asignación y retención (ARP), el objetivo principal deARP es comprobar si una portadora puede establecer o modificar unapetición, pudiendo ser aceptada o debe ser rechazada, según ladisponibilidad de los recursos en la red. Además, el ARP puede serutilizado por el eNodoB para decidir que portadora va a caer en laslimitaciones de recursos excepcionales, por ejemplo el handover. Tasa de bits máxima (MBR), la tasa máxima de tráfico sufrido por laportadora no podrá exceder y sólo es válida para las portadoras deGBR. Tasa de Bit Garantizado (GBR), es la tasa mínima de tráficoreservado y esta es sólo válida para las portadoras de tipo GBR.11Una tupla, en matemáticas, es una secuencia ordenada de objetos, esto es, una lista conun número limitado de objetos (una secuencia infinita se denomina en matemática comouna familia). Fuente wikipedia
    • 74 Agregado MBR (AMBR), es la cantidad total de la tasa de bits de ungrupo de portadoras non-GBR. El AMBR puede ayudar al operador adistinguir entre sus abonados mediante la asignación de los valoresmás altos de AMBR a sus clientes de mayor prioridad en comparacióncon los de menor prioridad. En el 3GPP Release 8, el MBR debe serigual a GBR, pero para las futuras versiones de 3GPP un MBR puedeser mayor que un GBR.6.2.1.1.1 Parámetros de QoSLTE especifica una serie de valores de QCI, que se encuentranestandarizados y dichos valores están preconfigurados para todos loselementos de la red, asegurado la implementación de los múltiplesproveedores, como también, el establecimiento de la función roaming. Elmapeo de los valores estandarizados del QCI, se muestra en la Tabla 6.1 yestas 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 porejemplo la función Tipo de recursos, esta característica se refiere a que si losrecursos dedicados de red, se encuentra relacionada con un servicio de unaportadora a nivel de Bit Rate Guaranteed (GBR) o Non Bit Rate Guaranteed(Non-GBR), cuyo valor son asignados de manera permanente, tal es el casode la función de control de admisión en una estación base de radio. GBRagregados SDF, por lo tanto, son generalmente autorizados "a la demanda",que requiere una política dinámica y el control de carga. En cambio, en losservicios non-GBR, el QCI debe estar preparado para experimentar caídas,que se encuentran relacionadas con la congestión de paquetes, el 98% delos paquetes que no han sido retirados debido a la congestión no se debeexperimentar un retraso superior a la PDB de la QCI. Esto puede ser, porejemplo, que se producen durante los peaks de carga de tráfico o cuando laUE se convierte en una cobertura limitada.
    • 75Tabla 6.1 Estandarizadas características de QCIQCITipo derecursosPrioridadPerdida depaquetesestimado (ms)Tasa depaquetesperdidosEjemplos deservicios1 GBR 2 100 10-2Voz en tiempo real2 GBR 4 15 10-3 Video en tiempo real(live streaming)3 GBR 3 50 10-3 Juegos en tiemporeal (gaming)4 GBR 5 300 10-6 Video no en tiemporeal (buffering)5 Non-GBR 1 100 10-6Señalización IMS6 Non-GBR 6 300 10-6 Video con buffering,en aplicaciones TCP7 Non-GBR 7 100 10-3 Voz, video, juegosinteractivos8 Non-GBR 8 300 10-6 Video con buffering,en aplicaciones TCP9 Non-GBR 9 300 10-6 Video con buffering,en aplicaciones TCP6.2.1.1.2 Iniciación de la red en base al QoSEl concepto de iniciación de la red con control de QoS, la red se inicia con élenvió de una señal para establecer una portadora dedicada con una calidadde servicio específica, hacia la UE y la RAN. Esto es provocado por lafunción de aplicación (AF) o una función de Inspección de PaquetesProfunda (DPI), sin embargo, se usa el método de iniciación del terminal,donde el terminal envía una señal para establecer una portadora dedicadacon una calidad de servicio determinada dentro de la red, la cual, es activadacon un comando de la RAN.
    • 76Ilustración 6.2 Procedimiento de activación de la portadora dedicadaCuando se trabaja con el método de iniciación de la red por el control deQoS, se reduce al mínimo, la participación de la calidad de servicio y lapolítica de control de los terminales, ya que, dentro de las recomendacionesde la 3GPP en LTE, indica la activación de la portadora dedicada, comotambién 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 laportadora de la P-GW. A su vez, el P-GW utiliza esta política de QoS paraasignar los parámetros del QoS a nivel de la portadora, enviando unasolicitud de “Create Dedicated Bearer Request”. A nivel del enlaceascendente se envía el UL TFT, que es utilizado por la UE a la S-GW, luegola S-GW recibe la solicitud de “Create Dedicated Bearer Request”, junto conla portadora de QoS, el UL TFT y la identificación de la portadora-S1, paraluego enviarlo a la MME, como lo muestra Ilustración 6.2, en la flechanúmero 3.
    • 77El MME construye un conjunto de configuraciones sobre la administración desesiones, tomando la información de la UL TFT y la identidad de la portadoraEPS, para dar paso a la solicitud “Bearer Setup Request”, que se lo envía aleNodoB (Ilustración 6.2, en la flecha número 4). La solicitud “Bearer SetupRequest”, también proporciona la calidad de servicio de la portadora hacia eleNodoB, a su vez el eNodoB utiliza esta solicitud para poder controlar lasllamadas 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, lasolicitud de conexión del RRC Mensaje de reconfiguración (incluyendo lacalidad de servicio de radio al portador, la gestión de sesiones solicitud, y laidentidad de EPS de radio al portador) a la UE para establecer la portadorade radio (flecha 5 en la Ilustración 6.2). La conexión RRC, envía un mensajede reconfiguración, la cual contiene toda la configuración de parámetros parala interfaz de radio, principalmente de la configuración de la capa 2 (elPDCP, RLC, y los parámetros de MAC), como también, contienen losparámetros necesarios para que la UE permita inicializar la dichos stacks deprotocolos. Las flechas 10 y 6, son los mensajes de respuestacorrespondientes para confirmar que las portadoras han sido correctamenteestablecidas.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 delos usuarios, difieren significativamente en la medida en que exige unacalidad 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 haceQoS un elemento necesario para cada capa de carga.Cada cambio de calidad de servicio, exige que la carga y el sistema defacturación seleccionen el correspondiente modo de carga, que garantizanuna carga puntual, dinámica y precisa. Los operadores están deseosos deadquirir la capacidad de percibir los diferentes servicios.En la parte superior de la capa de sesión del modelo OSI, LTE puede haceruso de una amplia política de gestión arquitectura que ofrece a losoperadores un control más preciso sobre los usuarios y los servicios. Laarquitectura está integrada, a través de interfaces estándar, a la carga enlínea y fuera de línea sistemas y por lo tanto ofrece oportunidades demonetización. Esto se hace por la introducción de la política y la carga de
    • 78Control (PCC) por el 3GPP, que consiste principalmente de la política y lafunción de carga de Observancia (PCEF), el portador de unión ypresentación de informes de eventos de función (BBERF), la Política y elReglamento función de carga (PCRF), la función de aplicación (AF), elsistema de cobro online, el fuera de línea Sistema de carga, y el repositoriode Suscripción perfil. La arquitectura de la política se muestra en laIlustración 6.3. En un nivel básico, el PCEF interactúa con el PCRF paraproporcionar una clase de servicio para el abonado.Ilustración 6.3 Arquitectura lógica de la PCCLa AF es un elemento que ofrecen las aplicaciones que requieren unapolítica dinámica y/o control por sobre el comportamiento del usuario. La AFse comunicará con el PCRF a través de Rx, en un punto de referencia parala transferencia de información de la sesión dinámica, requerida para lasdecisiones PCRF, así como a recibir información específica y notificacionesacerca de eventos a nivel de portador.El PCRF incluye las funciones de control de decisiones políticas. Seimplementa la detección de servicios basada en el flujo, control de acceso, laautorización del QoS y basadas en el flujo de carga en el PCEF. Loscontroles PCRF en la AF de servicios de información, es coherente con lapolítica predefinida de un operador y con la información del suscripción deun usuario derivados del repositorio de perfil de suscripción (SPR) (la SPRcontiene todos los abonados y suscripciones relacionadas con la informaciónnecesaria para la suscripción basada en políticas). El PCRF debe generarlas reglas de acuerdo a una determinada información, para luego enviarlos ala PCEF. El PCRF también debe ofrecer calidad de servicio para laautorización de servicios de información del AF.
    • 79El PCEF permite las funciones de la política de ejecución y se encuentra enPDN-GW. La PCEF controla el tráfico del plano de usuario y QoS, detecta ymide los flujos de datos de los servicios, como también interactúa con elsistema de cobro online (OCS), que es un sistema de gestión de crédito parael servicio de pre-pago y el método de carga de informes del uso de losrecursos del sistema de carga fuera de línea (SCFO). Ejecuta la calidad deservicio y el control de acceso para el servicio de datos de acuerdo a losflujos del PCC que se encuentran relacionados con el servicio de los datosdel flujo a la PCRF.El BBERF realiza un procesamiento similar a la PCEF, pero este, no realizael procesamiento de la carga. Además realiza cualquier procesamientonecesario para colaborar con el acceso al Sistema Específico de Gestión deCalidad de Servicio. El BBERF controla la calidad de servicio que seproporciona a un conjunto combinado de datos de flujos de los servicios,asegurando que los recursos pueden ser utilizados por un conjuntoautorizado de los datos.6.2.1.2.1 La política y la Regla de Control de CargaLa Política del Control de Carga (PCC), comprenden la información que serequiere para poder detectar el plano del usuario de la política de control y lacarga apropiada para un flujo de servicios de datos. Los paquetesdetectados mediante la aplicación del servicio de datos de plantilla de flujode una regla de PCC se designaron un flujo de datos de servicio.Dos tipos de normas existen en el PCC, reglas dinámicas y reglaspredefinidas. Las reglas dinámicas del PCC son suministrados por el PCRFa través del punto de referencia, mientras que las reglas predefinidas delPCC están directamente provisionados en el PCEF y sólo hace referencia alPCRF. El uso de reglas predefinidas PCC para control de calidad de servicioes posible si la BBF permanece al PCEF durante una sesión de IP-CAN.Además, las reglas predefinidas del PCC se puede utilizar en una situaciónde no itinerancia, pudiendo garantizar las correspondientes reglaspredefinidas 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 formaen que cada flujo de paquetes de cada usuario debe ser manejado enfunción en los parámetros del QoS, junto con el tratamiento de aquel flujo depaquetes. El PCC define las reglas de la puerta de enlace, que es utilizadocomo un originador para poder establecer una nueva portadora o modificar
    • 80una portadora ya existente, lo cual, permite manejar un flujo de paquetesespecíficos o para modificar el manejo de un flujo de paquetes.El QoS en el Plano usuario, las funciones relacionadas con la calidad deservicio, las lleva a cabo por la configuración de los nodos de la red a travésde una señalización, junto con una operación y mantenimiento (O&M) delsistema, la cual fue debidamente especificada por la 3GPP. Estas funcionesse clasifican en, operaciones a nivel de paquetes de flujo, nivel de portadoray nivel de DSCP, como muestra la Ilustración 6.4.Ilustración 6.4 Arquitectura del servicio con portadora en EPS6.3 Performance de LTE definido por 3GPPLos objetivos sobre el performance o rendimiento del sistema LTE fuerondefinidos por el 3GPP en 2005 y documentado en el 3GPP TR25.913, juntocon los objetivos de capacidad, complejidad, implementación y laarquitectura. Para poder cuantificar el rendimiento de LTE, se establecieronlas siguientes medidas: Rendimiento del usuario promedio, se refiere al promedio de todos losusuarios 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 porsectores en bps/s/Hz Cobertura, es el rendimiento en celdas de mayor tamaño.
    • 81Como lo hemos mencionado anteriormente el objetivo de las operadoras es,tener la mejor calidad de servicio pero a bajo costo, de esta manera, lassoluciones tecnológicas descritas por LTE no debe ser una base para losrequisitos de rendimiento, porque toda nueva tecnología implica un costo deimplementación, como también, LTE no busca generar un cambio radicaldentro de las redes, al contrario, busca la interoperabilidad dentro de lasredes. Así LTE, define el número de antenas destinadas en la transmisión yrecepción, basados en la configuración entre la BS y la UE, y estas debenser acordadas como requisitos básicos para cumplir los objetivos derendimiento. La justificación de aquel enunciado se basa en que, alaumentar en el número de antenas también puede ser visto como unalimitación para la solución elegida por el aumento de la complejidad, pero enteoría es posible obtener grandes ganancias reales, al momento de asumirun número irreal de antenas. De modo que las configuraciones del enlacedescendente y ascendente se eligen en LTE con los siguientes objetivos: Un enlace descendente LTE con un máximo de 2 antenas Tx en elNodo B y dos antenas Rx en la UE. Un LTE enlace ascendente con un máximo de una sola antena Tx enla UE y 2 antenas Rx en el Nodo B.Lo cual el desempeño se evalúa en el enlace ascendente y descendente porseparado, para luego, establecer los objetivos en relación al rendimientocomo referencia de un Release anterior, en el caso de LTE, se comparageneralmente 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 unasola antena Tx en el NodoB. En cambio en el enlace ascendente con unasola antena Tx en la UE y 2 antenas Rx en el NodoB.Así los objetivos definidos por LTE en cuanto al performance, se muestranen la Tabla 6.2. Ya que se espera que tanto rendimiento para el usuariopromedio y la eficiencia del espectro se beneficiarán del aumento de 1 a 2antenas Tx en el enlace descendente, que es el objetivo de aumentar elrendimiento del usuario celular de última generación que sería el desafío enel enlace descendente.
    • 82Tabla 6.2 Baseline del performance de LTE en el TR25.913Medición derendimientoDL con el baselineRel-6UL con el baselineRel-6Rendimiento promediodel usuario3-4x 2-3xRendimiento delusuario en el borde dela celda2-3x 2-3xEficiencia del espectro 3-4x 2-3xCoberturaCumple con losobjetivos porencima los 5 Kmdel rango máximode celda.Cumple con losobjetivos porencima los 5 Kmdel rango máximode celda.6.3.1 Tasa de bit máximo en capa 1LTE proporciona una alta velocidad de transmisión de datos, mediante el usode un gran ancho de banda (BW) máximo de 20 MHz, utilizando lamodulación 64QAM y las antenas múltiples entradas y salidas, denominadoMIMO. La modulación de cuadratura por desplazamiento de fase lleva 2 bitspor símbolo, 16QAM y 64QAM bits 4 bits 6. Junto con la configuración 2×2MIMO, duplica la tasa de bits máxima de hasta 12 bits por símbolo. Por lotanto, la codificación QPSK 1/2, corresponde a la tasa de 1 bps/Hz, mientrasque 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 elnúmero correspondiente de bloques de recursos para cada opción de anchode banda: 6 de 1.4MHz y 15 de ancho de banda de 3 MHz. El número debloques de recursos para los anchos de banda de 5, 10, 15 y 20 MHz son25, 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, latasa máxima teórica de datos aumenta a 325 Mbps, cada una de las escalasde la tasa de bit, trabaja en función del ancho de banda. La tasa máxima debit es de 42.5Mbps, corresponde a un BW de 5 MHz, además con 8.8Mbpsde 1.4 MHz, ambas características presentan una configuración 2×2 MIMO.
    • 83Tabla 6.3 Tasa de velocidad máxima en DL (Mbps)Bloques de recursos1.4MHz3.0MHz5.0MHz10MHz15MHz20MHzModulaciónycodificaciónBits/SímboloConfiguraciónMIMO6 15 25 50 75 100QPSK 1/2 1.0 Single stream 0.8 2.2 3.7 7.4 11.2 14.916QAM 1/2 2.0 Single stream 1.5 4.4 7.4 14.9 22.4 29.916QAM 3/4 3.0 Single stream 2.3 6.6 11.1 22.3 33.6 44.864QAM 3/4 4.5 Single stream 3.5 9.9 16.6 33.5 50.4 67.264QAM 1/1 6.0 Single stream 4.6 13.2 22.2 44.7 67.2 89.764QAM 3/4 9.0 2×2 MIMO 6.6 18.9 31.9 64.3 96.7 129.164QAM 1/1 12.0 2×2 MIMO 8.8 25.3 42.5 85.7 128.9 172.164QAM 1/1 24.0 4×4 MIM0 16.6 47.7 80.3 161.9 243.5 325.1En el enlace de subida, la tasa máxima de datos, se muestran en la Tabla6.4, en la que, tiene 86 Mbps con 64QAM y hasta 57 Mbps con 16 QAM con20 MHz. Las tasas máximas de bits son más bajas en el enlace ascendenteque 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 conMIMO en el enlace ascendente se requieren dos amplificadores de potenciaen el terminal. Lo interesante que tiene MIMO en el enlace ascendente,permite aumentar la capacidad de la celda, pero no aumenta las tasasmáximas de datos de un solo usuario. El nivel de celda de MIMO en enlaceascendente, se llama Virtual MIMO (V-MIMO), donde la transmisión de dosterminales, cada una sola antena, es organizada de manera que, elrendimiento del nivel de la celda máxima, se puede duplicar.Tabla 6.4 Tasa de velocidad máxima en UL (Mbps)Bloques de recursos1.4MHz3.0MHz5.0MHz10MHz15MHz20MHzModulación ycodificaciónBits/SímboloConfiguraciónMIMO6 15 25 50 75 100QPSK 1/2 1.0 Single stream 0.9 2.2 3.6 7.2 10.8 14.416QAM 1/2 2.0 Single stream 1.7 4.3 7.2 14.4 21.6 28.816QAM 3/4 3.0 Single stream 2.6 6.5 10.8 21.6 32.4 43.216QAM 1/1 4.0 Single stream 3.5 8.6 14.4 28.8 43.2 57.664QAM 3/4 4.5 Single stream 3.9 9.7 16.2 32.4 48.6 64.864QAM 1/1 6.0 Single stream 5.2 13.0 21.6 43.2 64.8 86.4
    • 84El tamaño de los bloques de transporte se ha definido como, la transmisiónno codificada posible y esta depende de los recursos actuales disponibles enla UE, eNodoB, como también de la modulación utilizada. La máxima tasa debits alcanzable, se logra tomando en cuenta el tamaño de los bloques detransporte como se muestra en Tabla 6.5, para el enlace descendente, encambio, Tabla 6.6, es para el enlace ascendente, junto con diferentesesquemas de modulación.Si analizamos las dos tablas mencionadas anteriormente, la tasa máxima debits con una configuración 2×2 MIMO en el DL, la velocidad sube a 150Mbps y la velocidad en el UL corresponde a 75Mbps. Los cálculos suponenque la subida 16QAM utiliza un tamaño de los bloques transporte, con índicede 21, para el enlace ascendente QPSK utiliza un tamaño de los bloquestransporte índice de 10, para 16 QAM en el enlace descendente utiliza untamaño de los bloques transporte índice de 15 y por último, en QPSK para elenlace descendente utiliza un tamaño de los bloques transporte índice 9. Elobjetivo inicial de LTE, era establecer velocidades de datos máximos de 100Mbps en el DL y 50 Mbps en el UL, que se cumplen claramente con el 3GPPRelease 8 de la capa física.Tabla 6.5 Tasa de velocidad máxima en DL considerando el tamaño de losbloques de transporteBloques de recursos1.4MHz3.0MHz5.0MHz10MHz15MHz20MHzModulación ycodificaciónConfiguraciónMIMO6 15 25 50 75 100QPSK Single stream 0.9 2.3 4.0 8.0 11.8 15.816QAM Single stream 1.8 4.6 7.7 15.3 22.9 30.664QAM Single stream 4.4 11.1 18.3 36.7 55.1 75.464QAM 2×2 MIMO 8.8 22.2 36.7 73.7 110.1 149.8Tabla 6.6 Tasa de velocidad máxima en UL considerando el tamaño de losbloques de transporteBloques de recursos1.4MHz3.0MHz5.0MHz10MHz15MHz20MHzModulación ycodificaciónConfiguraciónMIMO6 15 25 50 75 100QPSK Single stream 1.0 2.7 4.4 8.8 13.0 17.616QAM Single stream 3.0 7.5 12.6 25.5 37.9 51.064QAM Single stream 4.4 11.1 18.3 36.7 55.1 75.4
    • 856.3.2 Categorías de las UEEn Release 8 de la 3GPP, se definieron cinco categorías para los teléfonosmóviles, con diferentes de velocidad de transmisión, referidas en bits. Lacategoría 1 es la más baja capacidad para transmitir velocidades máximasde 10 Mbps de bajada y 5 Mbps de subida, mientras que la categoría 5,corresponde a velocidades de trasmisión sumamente alta, del orden de los300 Mbps en bajada y 75 Mbps de subida. En teoría, la capacidad develocidad de transmisión, se define como el tamaño máximo del bloque detransporte que una UE, puede procesar en 1ms.Por norma, todas las categorías deben ser compatibles con todas lasopciones del ancho de banda, que va de 1.4MHz a 20 MHz, junto con unamodulación 64QAM en la bajada y 1-4 en las ramas de transmisión eneNodoB. La diversidad de la antena de recepción es un requisito dedesempeño (performance), de esta forma el soporte que entrega MIMO en latransmisión, depende mucho de la categoría. Dentro de la categoría 1 puededar soporte para cualquier tipo MIMO, mientras que las categorías 2, 3 y 4dan soporte en MIMO de tipo 2×2 y la categoría 5 entrega soporte en MIMOde 4×4. La modulación de enlace ascendente es de hasta 16 QAM en lascategorías 1, 2, 3 y 4, mientras que 64QAM en la categoría 5.Todas las categorías de los terminales móviles se muestran resumidas en laTabla 6.7. Actualmente se han añadido nuevas categorías de terminales quese encuentran definidas en las últimas versiones del 3GPP, pero esascorresponden a LTE-Advance. La fase inicial de implementación de LTE seespera que tenga dos categorías de terminales, 3 y 4 disponiblesdescendente proporcionar velocidades de hasta 150 Mbps y el apoyo de 2×2MIMO.
    • 86Tabla 6.7 Categorías de las UECategoría1Categoría2Categoría3Categoría4Categoría5Tasamáxima debits en DL10 Mbps 50 Mbps 100 Mbps 150 Mbps 300 MbpsTasamáxima debits en UL5 Mbps 25 Mbps 50 Mbps 50 Mbps 75 MbpsMáximo debitsrecibidoscon TTI1210296 51024 102048 149776 299552Máximo debitsenviadoscon TTI5160 25456 51024 51024 75376Ancho debanda20 MHz 20 MHZ 20 MHz 20 MHz 20 MHzModulaciónen DL64QAM 64QAM 64QAM 64QAM 64QAMModulaciónen UL16QAM 16QAM 16QAM 16QAM 64QAMDiversidaden elreceptorSi Si Si Si SiDiversidaden eleNodoB1-4 tx 1-4 tx 1-4 tx 1-4 tx 1-4 txMIMO enDLOpcional 2×2 2×2 2×2 4×46.3.3 Performance a nivel de enlace6.3.3.1 Performance en el enlace descendenteLas tasas máximas de datos, que hemos mencionado anteriormente, seencuentran disponibles sólo en las condiciones ideales dentro del canal. Lavelocidad de transmisión de datos en la práctica, se ve limitada por lacantidad de interferencia y ruido dentro de la red. La tasa máxima de datosteórica con la transmisión de una sola antena en el canal de estática puede12Transmission Time Interval
    • 87ser creada usando la fórmula de Shannon. La fórmula entrega la velocidadde datos (bit rates) en función de dos parámetros, ancho de banda (BW) y larelación 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 avarios problemas de implementación, por ejemplo, no contiene elementospara poder modelar los fenómenos de perdidas, que están presentes en todosistema de transmisión, ya sea, alámbrico (Fibra óptica) o inalámbrico (LTE).Así la ecuación de capacidad de Shannon, es modificada, agregando dosvariables más, BWeff, que corresponde a la eficiencia del ancho de banda enLTE 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 comose muestra en la Tabla 6.8. Debido a las exigencias de la Razón de Fuga delCanal Adyacente (ACLR) y la aplicación práctica del filtro, la ocupación delancho de banda se reduce a 0,9. El prefijo cíclico es de aproximadamente el7% y los gastos indirectos de la estimación de un canal piloto de asistenciaes de aproximadamente 6% para la transmisión de una sola antena. Para latransmisión de antena dual, la sobrecarga es aproximadamente el doble al11%. Este problema también afecta a la SNR_eff, el total de enlace a nivelde 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 10MHzDeterioroBweff enel enlaceBweff en elsistemaEficiencia en elBW0.90 0.90Prefijo Cíclico 0.93 0.93Sobrecarga delpiloto- 0.94Dedicadoy común- 0.715Total 0.83 0.57
    • 886.3.3.2 Performance en el enlace ascendente6.3.3.2.1 Impacto de ancho de banda de transmisiónLa cobertura de enlace ascendente se puede optimizar mediante laselección de ancho de banda de LTE. La adaptación del ancho de bandapermite que la potencia de la UE emita un ancho de banda óptimo, lo queamplía la cobertura en comparación con tener un ancho de banda detransmisión fija. Un mayor número de los parámetros del canal deben serestimados para las transmisiones de banda ancha, lo que reduce la exactitudde la estimación del canal debido al ruido. El ancho de banda de transmisiónoptimizada en LTE, permite la estimación de los canales más precisos paralas velocidades de transmisión más bajos en comparación conWCDMA/HSUPA.En el Gráfico 6.1, se muestra el rendimiento en función de la SNR con laasignación de un ancho de banda diferente. La asignación de un ancho debanda más pequeño, 360 kHz, optimiza la cobertura de las tasas de bitsinferior 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. Laestación de base asume una figura de ruido de 2 dB y sin margen deinterferencia está incluido.
    • 89Gráfico 6.1 Sensibilidad del eNodoB en LTE en función de la potenciarecibida con distintos anchos de banda entre 360 kHz, 1.08MHz y 4.5MHz6.3.3.2.2 Impacto del terminal móvil en movimientoDentro de las especificaciones de 3GPP de LTE, uno de los rendimientosmás importantes para las operadoras, es la velocidad de acceso cuando laUE se encuentra en movimiento, ya que, no es lo mismo descargarcontenidos de la web, estando fijo, que en movimiento como en un auto o enel metro. En el Gráfico 6.2 muestra la curva de adaptación de enlaceascendente 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 amayores velocidades, como por ejemplo, a 250 km/h, se muestra elrendimiento en la transmisión de datos decrece a un 30% en comparacióncon la UE as 3 km/h.En cambio, los valores de SNR requerido para la eficiencia en los diferentesenlaces a una velocidad variable se aprecian en el Gráfico 6.3. Elrendimiento de LTE enlace ascendente se ve afectado, si se utilizan lasmodulaciones, 16QAM y 64QAM, el impacto de la velocidad de la UEalcanza afectar hasta 3 dB para la eficiencia de 2 bps/Hz/celda. En general,
    • 90enlace ascendente LTE, es robusto frente a cambios en la frecuenciaDoppler.Gráfico 6.2 Rendimiento del eNodoB en LTE, en función de la SNR con laUE en movimiento a diferentes velocidadesGráfico 6.3 Valores requeridos para SNR, para diferentes eficienciasespectrales con la UE en movimiento
    • 916.3.3.3 Administración del enlacesLos cálculos que se realizan para poder tener una noción de cómoadministrar los enlaces, se debe tomar en cuenta una serie de variables queinteractúan con el sistema inalámbrico de LTE, tales como, la máximaatenuación permitida en la señal, perdida de trayectoria (path loss) entre laUE y la antena de estación base. La pérdida de trayectoria máxima, permiteestimar 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 paracubrir un área geográfica determinada. El cálculo del enlace también sepuede utilizar para comparar la cobertura relativa de los diferentes sistemas,indicando qué tan bien se comporta el nuevo sistema de radio de LTE, encontraste, con las otras tecnologías como GSM o HSDPA, implementadasen 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 yeste beneficio sobre el uso de la menor frecuencia depende del entorno,como también su uso. De manera que en la Tabla 6.9, muestra losbeneficios del uso de una menor frecuencia, pero este beneficio se pierde,ya que, la ganancia de antena, tienden a reducirse cuando se usa una bandade frecuencia más baja. Pero para poder mantener la ganancia de la antenaa una frecuencia más baja, una posible solución, es implementar una antenafísicamente más grande, pero muchas veces no siempre es factible en lasestaciones base, ni en los terminales móviles. Los mayores beneficios de lasbajas frecuencias se pueden obtener cuando la estación base se puedeutilizar grandes antenas de 2,5 m de largo, donde la antena externa sepuede utilizar en el terminal, a esto se le llama despliegue de correccióninalámbrica en la zona rural.13Es un modelo de propagación de radio utilizado para predecir el comportamiento de lastransmisiones 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 modeloes, predecir la pérdida total del enlace de terrestre. Este modelo es solo aplicable paraenlace celulares o MMOO
    • 92Tabla 6.9 Beneficio de 900 MHz frente a 2600MHzCaracterísticasZona urbana[dB]Zona rural [dB]Corrección inalámbricaen la zona ruralPerdida depropagación14 14 14Ganancia de laantena en la BS-3 0 0Perdida delcable en la BS1 3 3Ganancia de laantena en la UE-5 -5 0Sensibilidad enla UE-1 -1 -1Total 6 11 166.3.3.3.1 Parámetros propuestos en el UL y DL a baja frecuenciaLos parámetros propuestos para LTE en el enlace ascendente, se presentaen la Tabla 6.10. El enlace se calcula para uno en 64 kbps, junto con dosantenas de estaciones base de diversidad de recepción. También se ponencomo referencia, los enlaces de GSM en voz (recordar que GSM notransmite datos multimedia) y HSPA. Ahora bien, el enlace ascendente, seha definido en 64 kbps, si se extrapola en la realidad, no satisficiera losuficientemente a la alta demanda de datos, pero como estamos trabajandoen una zona rural los requerimientos son otro. El enlace de LTE se puedeimplementar mediante redes ya existentes, como GSM y HSPA. LTE noproporciona ningún incremento importante en la coberturaEn el enlace descendente de LTE tiene muchas similitudes con HSPA, comotambién la pérdida de trayectoria máxima es similar, en cambio, cuandoanalizamos el enlace ascendente, podemos encontrar algunas diferencias,tal es el caso, del pequeño margen de interferencia en LTE que no hayganancia de una macro diversidad en LTE, además no hay presencia delfenómeno de desvanecimiento (fadding) en LTE.
    • 93Tabla 6.10 Datos del enlace ascendenteEnlace de subidaVoz enGSMHSPA LTETasa de datos (kbps) 12,2 64 64Perdida de trayectoria máxima 162,0 161,6 163,4Terminal móvil como transmisorMax potencia de tx [dBm] 33,0 23,0 23,0Ganancia de antena de tx[dBi]0,0 0,0 0,0Perdida [dB] 3,0 0,0 0,0PIRE [dBm] 30,0 23,0 23,0Estación Base como receptorRuido en el BS [dB] - 2,0 2,0Ruido térmico [dB] -119,7 -108,2 -118,4Ruido del receptor [dBm] - -106,2 -116,4SINIR [dB] - -17,3 -7,0Sensibilidad del receptor [dB] - -123,4 -123,4Interferencia [dB] -114,0 3,0 1,0Perdida en el cable [dB] 0,0 0,0 0,0Ganancia de antena de rx[dBi]18,0 18,0 18,0Desvanecimiento [dB] 0,0 1,8 0,0Ganancia del soft handover[dB]0,0 2,0 0,0Tabla 6.11 Datos del enlace descendenteEnlace de bajadaVoz enGSMHSPA LTETasa de datos (kbps) 12,2 1024 1024Perdida de trayectoriamaxima161,5 163,6 163,5Terminal móvil como transmisorMax potencia de tx [dBm] 44,5 46,0 46,0Ganancia de antena de tx[dBi]18,0 18,0 18,0Perdida [dB] 2,0 2,0 2,0PIRE [dBm] 60,5 62,0 62,0Estación Base como receptorRuido en el BS [dB] - 7,0 7,0Ruido termico [dB] -119,7 -108,2 -104,5Ruido del receptor [dBm] - -101,2 -97,5SINIR [dB] - -5,2 -9,0Sencibilidad del receptor -104 -106,4 -106,5
    • 94[dB]Interferencia [dB] 0,0 4,0 4,0Canal de contro [%] 0,0 20,0 20,0Ganancia de antena de rx[dBi]0,0 0,0 0,0Perdida generada por lavoz [dB]3,0 0,0 0,06.3.3.3.2 Perdidas de trayectoriaLos valores de las pérdidas de trayectorias máximas se muestran en laIlustración 6.5. Los niveles de potencia de transmisión y las cifras de ruidoen las tecnologías de RF también son similares en las tecnologías GSM yHSPA, y el rendimiento del enlace en bajas tasas de datos no es muydiferente en LTE que en HSPA. LTE no proporciona ningún incrementoimportante en la cobertura. Esto se debe a los niveles de potencia detransmisión y las cifras de ruido de las RF también son similares en lastecnologías GSM y HSPA, y el rendimiento del enlace en bajas tasas dedatos no es muy diferente en LTE que en HSPA.Ilustración 6.5 Pérdidas de trayectoria en distintas tecnologías
    • 956.3.3.3.3 Rango de la celdaRangos de ejemplo de células se muestran en la Ilustración 6.6, dichosrango de celdas se aprecian con variadas frecuencias que comprenden entrelos 900 MHz, 1800 MHz, 2100 MHz y 2600MHz. Los rangos de celdas secalculan utilizando el modelo de propagación de Okumura-Hata con losparámetros mostrados en la Tabla 10.12. El rango de celdas urbana varía de0,6 km a 1,4 km y suburbanas de 1,5 km a 3,4 km. Tales rangos de celdastambién se encuentran normalmente en las redes GSM y UMTS. Los datosenunciados en este tópico, corresponden claramente las zonas rurales conun alto rango de celdas, 26 km para la cobertura de los móviles al aire libre eincluso hasta 50 km para la instalación fija rural a 900 MHz.Ilustración 6.6 Rango de celdas6.3.4 Eficiencia espectralLos operadores de telefonía móvil, les genera una gran expectación con eldespliegue de LTE, ya que, pueden beneficiarse de la eficiencia espectralque ofrece LTE, la cual les permite tener una mayor cantidad de usuarios ytasas de transmisión elevadas. Así en el Release 8 de LTE, específica que laeficiencia espectral en el enlace descendente corresponde a 10 bits/s/Hz yen el canal ascendente 5 bits/s/Hz.Teóricamente el concepto de eficiencia espectral (E [bits/s/Hz]), permite a lasoperadoras tener un sistema de referencia, sobre cómo se comporta undeterminada tecnología, para luego establecer comparaciones con respectoa las otras tecnologías móviles.
    • 966.3.5 Latencia6.3.5.1 Latencia en el plano usuarioLa latencia en el plano usuario, es muy relevante para el desempeño demuchas aplicaciones dentro de la red LTE, puesto que, existen variasaplicaciones que no requieren una velocidad de datos muy alta, perorequieren una latencia muy baja, como lo son las aplicaciones de voz, juegosen tiempo real y otras aplicaciones interactivas. La latencia puede sermedida por el tiempo que tarda un paquete IP en viajar desde la UE a travésde la red hacia un servidor de internet y que de vuelta, también se le conoceping, como se aprecia en la Ilustración 6.7. Dentro del Reléase 8 de la3GPP, la latencia del plano usuario, lo define con un valor menor o igual a 10ms.Ilustración 6.7 Tiempo de ida y vuelta, en la redPara poder establecer el valor del retardo dentro del plano usuario, debetomar las variables que se muestran en la Tabla 6.12. Con el objetivo depoder cumplir el valor deseado de la 3GPP en cuanto a la latencia, eltamaño de una trama, entrega un tiempo de transmisión muy bajo del ordende los 1 ms, puesto que, en promedio un paquete tiene que esperar untiempo de 0.5 ms para el inicio de la siguiente trama. Existen aplicacionesque trabajan con TCP (capa cuatro de OSI), lo cual, las retransmisiones enel mejor de los casos debe tomar un tiempo de 8 ms con una probabilidadde retransmisión del 10%. Además, debemos suponer que existe retardo enel procesamiento de la UE de 4 ms, un retardo de procesamiento deleNodoB de 4 ms y un retardo en la red principal o del núcleo de 1 ms.
    • 97Tabla 6.12 Elementos de la latenciaComponentes del retardo Valor del retardoTiempo de la tx en el UL+DL 2 msTiempo de almacenamiento (Buffering) 1.6 msRetransmisión 10% 4 msRetardo estimado en el eNodoB 4 msRed del núcleo (Core) 1 msRetardo total con los recursos 13,6 msLa transmisión promedio incluyendo la retransmisión puede ser claramenteinferior a 15 ms. El tiempo de la latencia en la práctica, no solo puede serinfluenciado por las aplicaciones o los elementos mencionadosanteriormente, también dependen mucho de la trayectoria, tal es el caso, siun servidor está muy lejos de la central de la red. A menudo, el tiempo de idade 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 eltiempo de propagación de 5000 kilómetros es de más de 20 ms.6.3.5.2 Latencia en el plano de controlLatencia 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, semuestra 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 lalatencia de debe llegar a menos, 50 ms. El otro tiempo de transición,corresponde al estado fijo (Idle Mode) y al estado activo (CELL_DCH), endonde el plano usuario es establecido, excluyendo el retardo del “paging” enel DL y el retardo en la señalización NAS, asumiendo que el retardo debe sermenor de 100 ms. Los elementos contribuyen a la latencia del plano decontrol son: Transmisión de retraso. Las retransmisiones para la transferencia fiable. eNodoB/UE y L1/L2/L3.
    • 98Ilustración 6.8 Estados de transiciónLa latencia total para el cambio en el estado de LTE_IDLE a LTE_ACTIVE,se ven afectados por la reducción de número de mensajes intercambiadosentre la UE y NW antes que pueda ser iniciada de la transferencia de datos.Existen dos posibles optimizaciones para LTE, incluyendo la idea de latransferencia “Piggy Back” de los mensajes NAS, permitiendo reducirsignificativamente la latencia en general; el segundo concepto deoptimización de la latencia, es la Portadora de Radio por Defecto. Teniendoen cuenta esto, una posible secuencia resultante del flujo de mensajespodría 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 latransferencia de la transferencia de contexto de la UE relacionadoscon la A-GW. El A-GW responde con la iniciación de los procedimientos deseguridad y transferencia de contexto. La UE envía el ACK L3 junto con el mensaje de seguridad completaque se remitirá a la A-GW. Habrá un retraso finito procedentes de laacción antes de que el programador de la UE es programada y escapaz de transmitir o recibir datos.El procedimiento de acceso aleatorio puede ser un importante contribuyentea la demora de acceso. Para el estado de LTE_IDLE y LTE_ACTIVE, sólohay un procedimiento de acceso aleatorio que debe ser iniciado latransferencia del mensaje de solicitud de conexión del RRC desde el
    • 99principio, con un retraso de 10 ms en teoria. La demora real será dictada porla persistencia, el diseño del canal RACH y otros parámetros.6.3.6 Capacidad en el plano de controlLa capacidad de plano de control, se define como la capacidad máxima deun sistema de comunicación o medio de transmisión, con el objetivo deconfigurar y controlar los dispositivos de comunicación o servicios, que eneste caso son los teléfonos móviles. La capacidad del plano de control enLTE debe ser capaz de dar soporte por lo menos 200 terminales móviles enel estado activo cuando se opera en 5 MHz.6.3.7 Flexibilidad del espectroLa flexibilidad del espectro es una de las principales características delacceso de radio en LTE, haciendo muy interesante con respecto a otrastecnologías 4G. El objetivo de la flexibilidad espectro, es permitir eldespliegue del acceso de radio de LTE con un espectro diverso condiferentes características, tales como, la disposición dúplex, diferentesbandas de frecuencia en la operación y disponibilidad del espectro deacuerdo a diferentes tamaños de ancho de banda.6.3.7.1 Flexibilidad en la disposición dúplexUna parte importante de los requisitos de LTE en cuanto a los términos de laflexibilidad del espectro, es la posibilidad de desplegar LTE basado en elacceso de radio, tanto en los espectros pares e impares, es decir, LTE debesoportar sistemas por división de frecuencia y por división de tiempo basadoen la disposición dúplex. A esto se llama tecnología FDD o FrequencyDivision Duplex, lo que implica, que la bajada y subida de transmisión tendrálugar en diferentes bandas de frecuencia suficientemente separadas. La otratecnología corresponde a TDD o Time Division Duplex, (TDD), donde labajada y subida de transmisión tienen lugar en espacios diferentes, no existetraslape en los espacios de tiempo. De esta manera, TDD opera en elespectro impar y FDD trabaja en el espectro par.
    • 100Ilustración 6.9 Tecnología FDD y TDDEn la Ilustración 6.9, se muestra que una UE tendrá que detectar que tipo detransmisión será, FDD o TDD. Así las UE que se encuentran censando lared pudiendo encontrar los dos tipos de transmisión en la misma banda. Porlo tanto, tendrán que detectar qué tipo de transmisión se está haciendo enesa banda. Las diferentes asignaciones de frecuencias o bandas de LTE seles asignan números. En la actualidad las bandas de LTE entre 1 y 22 sonpara el espectro pares y las bandas de LTE entre 33 y 41 son para elespectro impar.6.3.7.1.1 Frequency Division DuplexEn Tabla 6.13, a simple vista se puede observar un gran número deasignaciones del espectro radioeléctrico, de las cuales se han reservadopara FDD, para su aplicación en LTE. Las bandas de frecuencia FDD enLTE se emparejan para permitir la transmisión simultánea en dosfrecuencias, por ejemplo, la banda 1, transmite dos frecuencias la del UL(1920 MHz – 1980 MHz) y en DL (2110 MHz – 2170 MHz). Pero también, lasbandas poseen una separación, lo suficiente para que las señalestransmitidas no afecten indebidamente el funcionamiento del receptor. Si lasseñales están muy cerca el receptor puede ser "bloqueado". La separacióndebe ser suficiente para que el roll-off de la antena, pueda dar unaatenuación suficiente en la señal transmitida en la banda del receptor.
    • 101Tabla 6.13 Numero de banda de FDD en LTENumero de bandaen LTEUplink (MHz) Downlink (MHz)Las regionesprincipales donde seusa1 1920 - 1980 2110 - 2170 Asia, Europa2 1850 - 1910 1930 - 1990 América, Asia3 1710 - 1785 1805 -1880América, Asia,Europa4 1710 - 1755 2110 - 2155 América5 824 - 849 869 - 894 América6 830 - 840 875 - 885 Japón7 2500 - 2570 2620 - 2690 Asia, Europa8 880 - 915 925 - 960 Asia, Europa91749.9 -1784.91844.9 - 1879.9 Japón10 1710 - 1770 2110 - 2170 América111427.9 -1452.91475.9 - 1500.9 Japón12 698 - 716 728 - 746 EEUU13 777 - 787 746 - 756 EEUU14 788 - 798 758 - 768 EEUU17 704 - 716 734 - 746 EEUU18 815 - 830 860 - 875 Japón19 830 - 845 875 - 890 Japón20 832 - 862 791 - 821 Europa211447.9 -1462.91495.5 - 1510.9 Japón22 3410 - 3500 3510 - 3600 No asignado6.3.7.1.2 Time Division DuplexEl interés que tiene LTE sobre TDD, subyace en las varias atribuciones delas frecuencias impares que se están preparando para la LTR con uso enTDD. Las asignaciones de TDD en LTE son impares, porque el enlaceascendente y descendente comparte la misma frecuencia, siendo el tiempomultiplexado.
    • 102Tabla 6.14 Numero de banda de TDD en LTENumero de bandaen LTEAsignación (MHz)Las regiones principalesdonde se usa33 1900 - 1920Asia (no incluyendo Japón),Europa34 2010 - 2025 Asia, Europa35 1850 - 1910 América36 1930 - 1990 América37 1910 - 1930 No asignado38 2570 - 2620 Europa39 1880 - 1920 China40 2300 - 2400 Asia, Europa41 2496 - 2690 EEUU6.3.7.1.3 Ventajas y desventajas de la transmisión en FDD y TDDEn principio, cualquier sistema de telecomunicaciones basado en la telefoníacelular, debe ser capaz de transmitir en ambas direcciones simultáneamente(tal como se revisó en el capítulo de marco teórico). Esto permite que lasconversaciones puedan hacer que lo extremos de sean capaces de hablar yescuchar al mismo tiempo. De modo que, uno tiene la facultad de poderidentificar los enlaces en los cuales se trabaja, ya sea, en el enlaceascendente o descendente, así uno puede distinguir una gran variedad dediferencias entre los dos enlaces que van desde la cantidad de datostransmitidos en el formato de transmisión y la implementación de loscanales.Para poder transmitir los datos en ambas direcciones, el equipo del usuario ola estación base, deben trabajar en un esquema dúplex. Como lo vimosanteriormente los esquemas dúplex corresponden a FDD (división defrecuencia 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 telefoníamóviles al momento de trabajar con LTE. Cada una de estas ventajas ydesventajas se muestran a continuación en la tabla Tabla 6.15.
    • 103Tabla 6.15 Ventaja y desventaja de FDD y TDD en LTEParámetro LTE-FDD LTE-TDDEspectro parRequiere de un espectroemparejado con unaseparación de frecuencia losuficiente para poderpermitir la transmisión yrecepción simultánea.No requiere de espectropar, tanto en la transmisióny en la recepción, ya que,se producen en el mismocanal.Costo delhardwareSe requiere un Diplexor,este presenta un costomayor.No existe un Diplexor parapoder aislar el transmisor yel receptor, lo que sereduce el costo de dichoHW. Esto permite mitigar elcosto de la UE debido a lagran cantidad que seproducen, este es unaspecto clave.Reciprocidad delcanalDiferentes característicasdel canal en ambasdirecciones, comoconsecuencia del uso dedistintas frecuencias.Canal de propagación es lamisma en ambasdirecciones, que permitetransmitir y recibir.Asimetría en elUL y DLLa capacidad del UL y DL,está determinada por laasignación de frecuenciasestablecidas por lasautoridades reguladoras.Por ello no es posiblerealizar cambios dinámicospara que coincida con lacapacidad.Es posible cambiardinámicamente el UL y elDL en relación a lacapacidad para satisfacer lademanda.banda decustodia/Periodode custodiaBanda de custodia sonnecesarias paraproporcionar un aislamientosuficiente entre enlaceascendente y descendente.Dichas banda de custodiano influye en la capacidad.Período de guardia, esnecesario para garantizarlas transmisiones de enlaceascendente y descendenteno entren en conflicto.Período de protección seráde gran límite decapacidad. Mayor períodode protección se requierenormalmente si lasdistancias se hanincrementado para incluirmayores tiempos depropagación.
    • 104TransmisióndiscontinuaTransmisión continua esnecesaria.Transmisión discontinua esnecesaria para permitir lastransmisiones tanto en elenlace ascendente ydescendente. Esto puedeatenuar el rendimiento delamplificador de potencia deRF en el transmisor.Interferencia delcruce de laranuraNo es aplicableLas estaciones base debenestar sincronizadas en lostiempos de transmisión conrespecto a la subida ybajada. Si las estaciones debase vecinas, utilizandiferentes asignaciones deenlace ascendente comodescendente y compartir elmismo canal, entoncespueden producirinterferencias entre lasceldas.6.3.7.2 Flexibilidad en la banda de frecuenciaLTE está previsto para ser implementado en el caso de ser necesario,cuando el espectro pueda estar disponible en los siguientes casos: mediantela asignación de nuevo espectro para las comunicaciones móviles, talescomo la banda de 2,6 GHz, por la migración a LTE del espectro actualmenteutilizado para los demás servicios móviles por la comunicación, como lasegunda generación de sistemas GSM. Por consecuencia de esto, LTErequiere que el acceso de radio deba ser capaz de operar en una ampliagama de bandas de frecuencia, desde un mínimo de la banda de 450 MHzhasta 2,6 GHz.La posibilidad de trabajar con una tecnología de acceso radio en diferentesbandas de frecuencia, en sí mismo, no es nada nuevo. Porque la triplebanda 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 deacceso de radio, esto tiene un impacto limitado o nulo, la cual, lasespecificaciones de LTE de la capa física no asumen ninguna bandaespecífica. Lo que puede diferir, en términos de especificaciones, entre lasdiferentes bandas de frecuencia que son los requisitos de los sistemas deRF, como el máximo permitido de potencia de transmisión. Una de las
    • 105razones de esto es que las restricciones externas son impuestas por losorganismos reguladores y pueden variar entre diferentes bandas defrecuencia.6.3.7.3 Flexibilidad en el ancho de bandaDicha flexibilidad apunta a que la E-UTRAN debe ser capaz de utilizar unancho de banda variable tanto en UL y DL: 1,25 MHz, 1.6 MHz, 2.5 MHz, 5MHz, 10 MHz, 15 MHz y 20 MHz, dando soporte para las bandas defrecuencia, par e impar, dando la posibilidad no solo el soporte de laflexibilidad en los recursos, sino que también incluyen la potencia detransmisión, la modulación y trabajar con una sola banda o varias.La cantidad del espectro que se encuentra disponible en LTE, pueden variarsignificativamente entre diferentes bandas de frecuencia, como también enfunción del operador de la red desea utilizarla. Por otra parte, la posibilidadde operar en distintas asignaciones de diferentes espectros, da la posibilidadde la migración gradual del espectro hacia otras tecnologías de acceso radiode LTE, ejemplo Femtocell.LTE permite el funcionamiento en una amplia gama de atribuciones de lasfrecuencias, alcanzado por un ancho de banda de transmisión flexible queforma parte de las especificaciones de LTE. Obviamente el tamaño delancho de banda se ve afectado la velocidad de transmisión como se mostróen los tópicos anteriores.6.3.8 CoberturaLos requisitos de cobertura se centran en el rango de celdas (radio), que esla máxima distancia de la ubicación de la celda a un terminal móvil. Elrequisito fundamental de la cobertura es cumplir con el rendimiento delusuario, así utilizando 5 Km de radio, se logra una mejor eficiencia delespectro y el rendimiento de la movilidad.Para las celdas con hasta 30 Km de radio en la celda, presentan una ligeradegradación del rendimiento, que para el usuario es tolerada y unadegradación importante de la eficiencia del espectro son aceptables enrelación con los requisitos, como también las necesidades de la movilidad sedeben cumplir. No obstante, con un radio de 100 km no debe ser excluidapor las especificaciones, pero no los requisitos de rendimiento.El radio de la celda que se trabaja en LTE puede ser utilizada de maneraeficiente para proporcionar servicios de banda ancha inalámbrica en zonas
    • 106rurales, donde las tecnologías de acceso alámbricos les he imposibles llegar.El radio de la celda puede ser lo bastante grande si la propagación esfavorable por tener una alta cantidad antenas montadas en las estacionesbase, 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 mismascaracterísticas mencionadas anterior, estableciendo un rango de la celdacon 75 km, todo esto fue montado en Australia, en una zona rural (Ilustración6.10).Ilustración 6.10 Radio de la BS en la zona rural de AustraliaLa zona de pruebas en Australia, se trabajó con frecuencia de 2600MHz,para la estación base se ha configurado con 2x60 W de potencia yamplificadores en la antenas de 18 dBi. Las mediciones se realizaronmediante el uso de diversas antenas externas en el terminal: 25 dBi antenade alta ganancia de la Directiva, la Directiva de 15 dBi de la antena y antenainterna 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 quela antena interna permite UE velocidad de datos de 20Mbps. Los datoscorrespondientes a las tasas del enlace ascendente en las mediciones hansido 15 a 30 Mbps.
    • 107Ilustración 6.11 Rendimiento máximo en el DL diferentes antenas UE6.3.9 ComplejidadLos requisitos de complejidad en LTE son en esencia, los requisitos queimplican el número de opciones que debe ser minimizado, sin funcionesobligatorias redundante. Esto también conduce a un número mínimo decasos de prueba necesarios. Como también deben soportar la coexistenciade otras de las tecnologías de acceso de las redes en 3GPP, tales comoGERAN y UTRAN.La capacidad de soportar las tecnologías de acceso anteriores a LTE, esmuy importante que cumpla dicha cualidad, ya que, LTE no es capaz detransportar voz, solo transporta datos. Por lo tanto si una UE de seatransmitir voz debe utilizar la red GSM (2G). Actualmente se estándesarrollando soluciones ante este problema, una de ellas es VoLTE, sufundamente es similar a transportar VoIP.6.3.10 Retardo en el handoverEl rápido proceso de traspaso es esencial cuando, el nivel de la señal de lacelda de origen se desvanece rápidamente, y al mismo tiempo la señal de lacelda de destino aumenta, los niveles de señal se muestran en el Gráfico6.4. Para poder lograr esto, la UE debe ser capaz de recibir la orden detraspaso del eNodoB de origen antes de que la relación señal-interferenciasea muy baja, a esto se le llama punto crítico. La fiabilidad de entrega eneste escenario puede ser mejorado por la ventana adecuada y losparámetros promedio, así como por reducir al mínimo el retardo de la red.
    • 108Gráfico 6.4 Tiempos de entrega del handover6.3.11 Performance en la red Backhaul de LTEEn la Ilustración 6.12 Red backhaul genérica en la telefonía móvilIlustración6.12, se muestra una red backhaul, aplicado en la telefonía móvil, la cual, lainterconexión entre los distintos nodos de la telefonía móvil se utilizanenlaces de fibra óptica o de microondas para llevar los datos de las celdasdistantes hasta la red núcleo del operador. Para LTE se han detallado losrequisitos para la interfaz de radio, añadiendo los requerimientos de la redprincipal, pero en el Release 8, no se especifica ninguna recomendaciónpara la red backhaul, siendo que el backhaul permite enlazar la E-UTRAN yla EPC. De esta forma, los proveedores forman parte de la solución en laque 3GPP no se hace parte, desarrollando e implementando tecnologías deaccesos, algunas de estas empresas proveedoras son: HUAWEI, NEC,Alcatel, entre otras.
    • 109Ilustración 6.12 Red backhaul genérica en la telefonía móvilPara que LTE entregue una tecnología de acceso de radio optimizada parael tráfico basado en IP, las redes de backhaul deben cumplir con los tressiguientes requisitos: Mayor capacidad, la red backhaul debe transportar datos en un valorde 100 Mbps e incluso más allá. Latencias más bajas, como se mencionó anteriormente que elrequisito de latencia en el plano usuario es de 10 ms de extremo aextremo entregando una solución compatible a la latenciaextremadamente baja. Cumplir con el concepto “All-IP”, todas las aplicaciones trabajan demanera intrínseca con el protocolo IP a lo largo de la red.Por consiguiente, los parámetros necesarios para poder cuantificar elrendimiento 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 específicade tráfico y priorizar el servicio, utilizando un señalizador denominado CoS(Class of Service), que en español significa Clase de Servicio y no se debeconfundir con el QoS. La red de backhaul de LTE debe ser capaz dereconocer los valores asignados del CoS en el tráfico de datos. También elbackhaul, debe garantizar que las pérdidas de paquetes sean bajas.
    • 110Los estándares de la tecnología móvil, definir las clases que pueden serutilizados en la diferenciación de tráfico, pero no ordenan cómo muchas deestas clases son en realidad para ser utilizado. Este número dependerá de laimplementación de la red y el perfil de tráfico. En general, la diferenciaciónentre 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 prioridadClase de tráfico Clase de servicio AplicacionesBackgroundBaja (tráfico sintiempo real)emailInteractivoBajo (tráfico sintiempo real)HTTPStreamingMedia (tráfico entiempo real)Streaming de videoConversaciónAlta (tráfico entiempo real)Video conferencia6.3.11.2 Recomendaciones del ThroughputLa velocidad máxima de 150 Mbps de bajada (64QAM 2×2 MIMO) y 75Mbpsde subida (64QAM sola corriente) están disponibles para una configuraciónde 20MHz. Las transmisiones peak, son alcanzables sólo en condicionesideales de la interfaz aérea, entre las estación base, sin interferencia de lasotras celdas. El Promedio de eficiencia de las celdas en el enlacedescendente 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 - 2,9bit/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 delusuario o Plano Usuario, que se caracteriza con un retardo de extremo aextremo, aquí la variación del retardo (jitter), se aplica para los serviciosVoIP, navegación web, transferencia de archivos, gaming y envío de correoelectrónico, y así sucesivamente. Para el Plano de Control, se relaciona conel retardo de los protocolos de la red de radio y el Plano de Sincronizacióncorresponde 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
    • 111interfaz aérea de LTE, puesto que, las retransmisiones de TCP y la red detransporte contribuyen a la fluctuación del retardo al usuario final.Para las aplicaciones de tiempo real (VoIP, video streaming, gaming, entreotras), el usuario final debe ser capaz de tolerar un jitter aproximado de entre10 a 20 ms, utilizando un buffer correctamente dimensionado. Dichodimensionamiento de la red, como también los mecanismos de QoS hanpermitido asegurar que el jitter de extremo a extremo, no se exceda en lasaplicaciones que trabajan en tiempo real. Se debe tomar en cuenta el jitterde las interfaces S1-U y X2, ya que, si analizamos el DL que llega al eNodoBde origen durante la transferencia, esta será remitida a la eNodoB dedestino, lo que en palabras más simples, tendrá que recorrer un caminomuchas más largo. Para la latencia X2, es significativamente menor que eltiempo de interrupción en el enlace de radio (30 a 50 ms), y este no tendríaningún beneficio, ya que, el eNodoB tiene que esperar dichos paquetes detodos modos. Aun así, la mayoría de las aplicaciones del usuario deberátolerar un tiempo pequeño, un aumento en el retardo.Para el Plano de Sincronización, el requerimiento del jitter, debe ser lautilización 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 servidorCuando nos referimos al modelo cliente-servidor, debemos aterrizar esteconcepto en LTE, de esta manera, el cliente corresponde a la UE, en cambioel servidor, se refiere a cualquier aplicación almacenada en la red, porejemplo, los servicios web-browsing. Ahora el backhaul se asume que utilizahasta 20 ms en promedio, cuando la Policy and Charging EnforcementFunction (PCEF) se encuentra cerca del eNodoB, como se muestra en lasiguiente ilustración.
    • 112Ilustración 6.13 Características del modelo cliente servidor6.3.11.5 Retardo en la comunicación Peer-to-PeerPara la itinerancia internacional o roaming, el retardo puede ser de hastaaproximadamente 50 ms. La demora en un switch L3 o router suele ser muypequeña, 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, enuna 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 porla 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
    • 1136.3.11.6 TCP dentro del backhaul6.3.11.6.1 RetransmisiónEl diseño de la red tiene una fuerte influencia en las propiedades definidasanteriormente. Además de las características de LTE, la tasa de pérdida depaquetes 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 laexperiencia de la pérdida de paquetes, con la retransmisión y el retardoasociado a TCP. Por otro lado, las aplicaciones UDP, de acuerdo a laexperiencia de la pérdida de paquetes, no presenta ningún efecto en relaciónal retardo, puesto que es un protocolo sencillo que no realiza retransmisión,por eso, UDP es muy utilizado en los servicio de streaming, por ejemplo laradio-online. Los servicios de streaming pueden utilizar TCP y buffer dememorias, para evitar la degradación de la calidad de la pérdida depaquetes. Servicios de transmisión no está íntimamente unido a un ciertotipo de protocolo y en el tráfico general de Internet hoy en día, TCP domina através de UDP, por ello en este capítulo conoceremos el rendimiento solo enTCP.En el peor de los casos a través de TCP, cada pérdida de paquetes reducetemporalmente la tasa de enviar en un 50%. Después de esto, la tasa deenvío aumenta linealmente hasta la pérdida de paquetes se produzca lavelocidad máxima que alcanza TCP en los datos pendientes. Una excesivapérdida de datos, genera un rendimiento lento y requieren un procesamientoadicional, lo que para el sistema LTE no se verían afectados, pero síafectaría al usuario final, logrando percibir que la conexión sea lenta.6.3.11.6.2 Control de flujo y ventana deslizanteEl TCP está diseñado para proporcionar un transporte confiable de lospaquetes de datos. Actualmente se utiliza TCP para el 80-90% de todo eltráfico de paquetes en Internet, donde la fiabilidad de las aplicaciones esimportante, por ejemplo, la navegación web (HTTP), el correo electrónico(SMTP) y transferencia de archivos (FTP). Debido al mecanismo de controlde flujo, una conexión TCP tiene una velocidad limitada por la relación entreel tamaño de la ventana y por el RTT14.Tomando en cuenta la especificación del RFC 793, en relación al tamaño dela ventana en TCP, el tamaño mínimo corresponde a 64KB con 20 ms RTT,14RTT o Round-Trip delay Time, corresponde al tiempo que tarda un paquete enviadodesde un host emisor en volver a este mismo emisor habiendo pasado por el host receptorde destino.
    • 114lo que limitaría el servicio de alcanzar velocidad de datos a 25 Mbps en unsolo puerto TCP en estado estacionario, debido al control del flujo de estemismo, como se muestra en la Ilustración 6.15. Ante dicha falencia puedeser mitigada con varias conexiones TCP de forma simultánea, que suelenser el caso para la navegación web. Otra medida es el uso de la ampliaciónde la ventana de recepción a través la ventana TCP, que es usadatransferencia de archivos grandes, tales como, música, vídeo, software, lacual se beneficiarán con dicha medida, si las altas tasas de servicios seríanofrecidas por el operador.Ilustración 6.15 Velocidad de transmisión versus el tiempo de ida y vueltaAparte del estado estacionario, la conexión TCP de inicio (comienzo lento) yel comportamiento después de la pérdida de paquetes (para evitar lacongestión) también se ven afectadas por el RTT. Con los actualesnavegadores, los sitios web junto con un tamaño de página de media pordebajo de 1 MB, se puede suponer que la mayoría de tráfico web setransfiere dentro de la fase de comienzo lento, por lo que se establece unaventana deslizante. En cualquier caso, la red de transporte debe serdiseñado para definir una latencia baja y una mayor velocidad de datos enTCP en el estado estacionario para un inicio más rápido.
    • 115Capítulo VII: Simulaciones e implementaciones en LTE7. IntroducciónEn este capítulo se pondrán casos del funcionamiento de LTE, ya sea, anivel de laboratorio utilizando simuladores o la implementación de laarquitectura de LTE en la vida real, con el objetivo de poder entender mejorlas diferencias entre los valores teóricos definidos por la 3GPP y como en larealidad estos varían.7.1 Simulación con LTE-SimulatorEl desarrollo de LTE Simulator o LTE-Sim, abarca varios aspectos de lasredes LTE, incluyendo tanto el acceso universal evolucionado RadioTerrestre (E-UTRAN) y el Sistema de Paquetes Evolucionado (EPC). Aquelsimulador puede trabajar en la modelación de los entornos de una o variasceldas, implementar sistemas en base al QoS, transmisión de datos enmúltiples usuarios acoplados en la red, la movilidad del usuario, losprocedimientos de entrega y las técnicas de reutilización de frecuencias.7.1.1 Parámetros de simulaciónPara esta simulación se tomaron los siguientes datos, que se muestra en laTabla 7.1, después de haber definido los parámetros, se comienza con lasimulación en el software. Cabe destacar que esta medición se estárealizando en el enlace descendente utilizando una transmisión de video con242 kbps, en cambio, el servicio de VoIP (G.729) son con una transmisión dedatos sobre los 8,4 kbps).Es importante tener en cuenta que en este software de simulación se trabajacon tres algoritmos de planificación de paquetes, que tienen como objetivo,cumplir el QoS en LTE, en base a un tráfico no real. Lograr una simulaciónfiel de la realidad es muy difícil, puesto que en la red, existen muchasvariables que permiten determinar la perdida de paquetes, el jitter, el retardo,entre otras, y muchas de estas variables son de carácter probabilístico. Lostres algoritmos son: Proportional Fairness (PF), corresponde a la programación del tráficoen tiempo no real, que permite asignar los recursos de radio teniendoen cuenta la experiencia de la calidad del canal y el rendimiento delusuario. El objetivo de dicho algoritmo, consiste en maximizar elrendimiento total de la red y garantizar la equidad entre los datos.
    • 116 Maximum Largest Weighted Delay First (M-LWDF), M-LWDF es unalgoritmo diseñado para soportar múltiples usuarios en tiempo real dedatos en los sistemas CDMA/HDR. Permite adaptarse correctamentecon varios usuarios, a través de diferentes requisitos de QoS de cadauno de los usuarios. Este algoritmo toma en cuenta las variacionesde canal y los retardos, en el caso del servicio de video, tratando deequilibrar los retardos de los paquetes y utilizar el conocimiento sobreel estado del canal, para hacerlo más eficiente. Exponential Proportional Fairness (EXP/PF), este algoritmo que hasido desarrollado para soportar aplicaciones multimedia en unamodulación adaptativa y codificación y multiplexación por división detiempo del sistema, esto significa que un usuario puede pertenecer aun servicio en tiempo real o un servicio en tiempo no real. Estealgoritmo ha sido diseñado para aumentar la prioridad de lastransmisiones de datos en tiempo real con respecto a la en tiempo noreal.Tabla 7.1 Parámetros de LTE en el simuladorParámetro ValorDuración de lasimulación150 sEstructura de latramaFDDRadio de la celda 1 KmAncho de banda 10 MHzRetardo máximo 0.1 sTasa de datos(videos)242 kbpsTasa de datos(VoIP)8,4 kbps7.1.2 Resultados de la simulación7.1.2.1 Paquetes perdidosEn este experimento se medirá la pedida de paquetes en dos servicios muyutilizados dentro del networking, un servicio de video. En el Gráfico 7.1, semuestra la pérdida de paquetes en la transmisión de video, aquí la pérdidade paquetes es directamente proporcional cuando se trabaja con el algoritmo
    • 117PF, dentro de la Gráfico 7.1, el PF se comporta muy bien con una cantidadpequeña de 20 usuarios, acoplados en una celda. Para el algoritmo M-LWDFmuestra una pérdida de paquetes mucho más estable para el tráfico devídeo cuando hay menos de 32 usuarios. En cambio el algoritmo, EXP/PFpresenta un comportamiento óptimo y mejor que M-LWDF, donde la celda escompatible con una pérdida de paquetes normal cuando hay menos de 38usuarios.Gráfico 7.1 Pérdida de paquetes en video7.1.2.2 RetardoEl retardo experimentado por un video se muestra en el Gráfico 7.2, donde elmenor retardo se lleva a cabo por EXP/PF, M-LWDF presenta un retardoestable, muy cercano a los resultados experimentados por EXP/PF, porúltimo, PF muestra un retraso estable cuando hay menos de 20 usuariosacoplados dentro de la celda.
    • 118Gráfico 7.2 Retardo en la transmisión de video7.1.2.3 RendimientoAquí los algoritmos, M-LWDF y EXP/PF mostraron un mejor rendimiento queel PF cuando la célula está cargada, esto es un comportamiento normal delas transmisiones en tiempo real. Aunque M-LWDF muestra buenrendimiento, EXP/PF expresa un mejor resultado.
    • 119Gráfico 7.3 Rendimiento experimentado en la transmisión de video7.1.2.4 Eficiencia en la celdaEl Gráfico 7.4 muestra la eficiencia espectral de la celda, obtenida para losescenarios considerados LTE y se expresa como el rendimiento totalalcanzado por todos los usuarios, dividido por el ancho de banda disponible,como fue mencionado en un capítulo anterior Como era de esperar, losalgoritmos, utilizados mostraron diferentes comportamientos dentro de lacelda. Cuando el número de usuarios en los aumentos de la célula, tratandode garantizar el QoS de los usuarios de la celda.
    • 120Gráfico 7.4 Eficiencia espectral7.2 Prueba de campo del performance en FDDEn esta prueba de campo, corresponde a un despliegue real, en el sentidode que se utilizó el hardware necesario de LTE, como también laimplantación de las arquitecturas E-UTRAN y EPC. El desarrollo de estaexperiencia se logró con el aporte de Nokia Siemens, en conjunto conChalmers University of Technology. Aquí las pruebas se realizan enmúltiples sitios en un área determinada, además se consideraran los enlacesascendente y descendente.7.2.1 Parámetros de la prueba de campoLa zonas de prueba se componen de dos áreas totalmente distintas, dichasáreas se les denominó Cluster A y Cluster B, en la Ilustración 7.1, el ClusterA corresponde a la zona delimitada con el color anaranjado y el Cluster B seencuentra delimitado con el color negro.Si nos vamos al detalle del Cluster A, la empresa proveedora NokiaSiemens, 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 unabanda de 2 GHz. El sitio en donde se realizarán las mediciones, seencuentra demarcado con el nombre DX0309_2.
    • 121Ilustración 7.1 Zonas de pruebas, modelada con la aplicación TEMSPara el Cluster B, Nokia Siemens instala equipos que operan en la banda700 MHz, en presencia de cuatros eNodoB (DX0043, DX4182, DX4133 yDX4109), todos utilizan tres sectores para iluminar la zona. El sitio pararealizar las mediciones, es el DX4109, eligiendo uno de los tres sectores,denominado DX4109_3). En total, hay doce sectores activamente irradiandoen este grupo.Los parámetros a trabajar se muestran en la Tabla 7.2, lo bueno de esteexperimento, 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 travésde la tecnología MPLS (Multiprotocol Label Switching) de la red, mediante unenlace de 100Mbps/GigE. Para la arquitectura EPC, se utiliza el laboratoriode LTE 4G en Dallas, Texas, donde se emula la red central con los equiposde Nokia Siemens.Tabla 7.2 Parámetros de las pruebas de campoParámetro ValorPotencia en la Txreferida en el DL30 WMáxima potenciade Tx en el UL23 dBmAncho de banda 10 MHzCategoría 2 de laUEDL: 50 MbpsUL: 25 Mbps
    • 122Banda en DL (2GHz)2.110 - 2.155GHzBanda en UL (2GHz)1.710 - 1755GHzBanda en DL (700MHz)734 - 746 MHzBanda en UL (700MHz)704 - 716 MHzEstructura de latramaFDDEsquema de laantena en DL2×2 MIMO,SIMOEsquema de laantena en ULSIMO7.2.2 Resultados de la prueba de campo7.2.2.1 Rendimiento para un usuario en el DLEl objetivo general de estas pruebas es medir el rendimiento deprocesamiento de bajada de un solo usuario en la utilización de adaptaciónde 2×2 MIMO para una serie de pruebas de la UE, ya sea, estacionaria y enmovimiento, 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 estacionariascorrespondientes a la posición de cerca, mediana y lejana, que en la Tabla7.3, las definen como, “near, mid, far”, en cambio la Tabla 7.3, las define conlas variables THP-001, THP-006, THP 009 y THP-014.
    • Tabla 7.3 Asignación de variablesMbpsPosición: cerca Posición: media Posición: lejos MovilidadPeak L1TputProm L1TputProm de aplicde TputPeak L1TputProm L1TputProm de aplicde TputPeak L1TputProm L1TputProm de aplicde TputPeak L1TputProm L1TputProm de aplicde TputDLTCPNocargadaTHP001 THP003 THP005 THP00749.04 48.24 46.62 48.7 47.10 46.19 42.94 41.08 39.78 48.94 30.59 29.89CargadaTHP009 THP011 THP013 THP01548.99 48.18 46.56 37.00 35.00 31.80 19.94 17.55 16.93 48.99 26.71 26.58UDPNocargadaTHP002 THP004 THP006 THP00849.04 48.80 47.65 48.80 48.30 47.80 43.08 41.57 41.04 49.04 36.89 36.90CargadaTHP010 THP012 THP014 THP01649.04 48.50 47.80 27.88 25.43 24.91 18.64 13.65 13.35 49.04 27.40 26.69DLTCPNocargadaTHP017 THP019 THP021 THP02318.89 18.83 18.23 18.89 18.53 17.93 4.30 3.70 3.60 18.99 12.88 17.93CargadaTHP025 THP027 THP029 THP03118.89 18.78 18.18 18.89 18.66 18.20 3.60 2.18 2.10 18.87 11.60 18.20UDPNocargadaTHP018 THP020 THP022 THP02418.89 18.86 18.39 18.89 18.55 18.30 5.10 4.07 4.00 18.99 12.10 11.88CargadaTHP026 THP028 THP030 THP03218.89 18.80 N-R 18.89 18.66 18.40 4.26 3.70 N-R 18.99 12.44 N-R123
    • 124Ilustración 7.2 Localización de la UE (estacionaria y en movimiento)La ruta de utilizada para las pruebas de la movilidad, corresponde a laIlustración 7.2, trayectoria trazada en color morado, para Tabla 7.3, hacealusión a las variables THP 007, THP 008, THP 015 y THP 016. Como erade esperar, la sobrecarga en la transmisión de datos, utilizando el protocoloUDP es mínimo en comparación con TCP, puesto que, es un protocolomucho más complejo que UDP, recordando que TCP realiza control de flujoy garantiza el envío de los segmentos. Así el rendimiento en las pruebasrealizadas en UDP (THP-002, THP-004, THP-006 y THP 008) es superior alas pruebas realizadas a TCP (THP-001, THP 003, THP 005 y THP 007). Lointeresante de esta prueba es que, la tasa máxima de los datos en L1durante la ejecución de THP-001 y en THP-008, el resultado registra 49,04Mbps muy cercano máximo teórico de 50 Mbps (que es impuesto por el usode la categoría 2, LTE UE).En cuanto a la posición, se observa, que la carga tiene un impactosignificativo en el rendimiento del sistema cuando la UE se encuentra en laposición del extremo, tiene menos impacto cuando se encuentra en laposición media y un impacto menor en la posición cercana. Los resultadosmuestran que el impacto de la introducción de la carga en la posición delextremo es disminuir el rendimiento promedio de L1 en un 0,12% (THP-001frente a 009 THP), una correspondiente disminución de 25,7% en la posiciónmedia (THP-003 frente a THP-011) y una disminución de 57,2% en laposición más lejana.
    • 1257.2.2.2 Rendimiento en el UL para un solo usuarioLas pruebas del rendimiento, se tomaron los datos en las posiciones decerca, medio y lejos. En la ubicación cerca (THP-017, THP-018, THP-025 yTHP 025), el rendimiento máximo L1 es 18,89 Mbps, lo que viene muy cercadel máximo de 20.616 Mbps. Un resultado inesperado se encuentra en lacomparación directa de THP-019 y THP 027, donde se observa que elrendimiento promedio de L1 para el caso sin carga es ligeramente inferior alas mismas prestaciones medidas para el caso con carga (18,53 Mbps frentea 18,66 Mbps). El rendimiento más bajo que parece deberse a lasvariaciones de TCP, ya que, TCP está sujeto al control de flujo. En los casosde 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 UEEn la sección anterior, hemos informado sobre el desempeño de los casosde prueba de un solo usuario el rendimiento, en donde un solo UE está enpruebas en la celda. Sin embargo, nos centramos en varios escenarios demúltiples usuarios, en el que cuatro UE están activos dentro de la celda. Loscasos 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 UEEstacionario En movimientoEnlace Protocolo CargaCaso depruebaRendimientopromedio de laceldaCaso depruebaRendimientopromedio de laceldaDLTCPSincargaTHP03348.61 MbpsTHP035No fue evaluadoTCPConcargaTHP03737.67 MbpsTHP03944.99 MbpsUDPSincargaTHP03441.22 MbpsTHP03639.30 MbpsUDPConcargaTHP03829.64 MbpsTHP04031.77 MbpsULTCPSincargaTHP04119.40 MbpsTHP04317.91 MbpsTCPConcargaTHP04517.68 MbpsTHP04718.20 MbpsUDPSincargaTHP04219.43 MbpsTHP04417.90 MbpsUDPConcargaTHP04620.09 MbpsTHP04818.29 Mbps
    • 126Para estas pruebas, UE1 se encuentra en la posición lejana al eNodoB, UE2y UE4 se encuentran en la posición media y UE3 se encuentra en la posicióncercana. En todos estos casos de prueba, los cuatro a los usuarioscompartieron el ancho de banda de 10 MHz presente en LTE. Lasprincipales observaciones ocurrieron, al comparar los escenarios de TCP,sin carga y con carga (THP-033 versus THP0-37), un reducción en latransmisión del rendimiento promedio de la celda media, es debido a lacarga de un 19%, mientras que para los escenarios de UDP (THP-037versus THP-038), la reducción en la transmisión del rendimiento promediode la celda media debido a la carga de un 28%.7.2.2.4 Rendimiento del Handover en las bandas 2 GHz y 700 MHzEn esta última sección, se discuten los resultados de las pruebas derendimiento de procesamiento con entrega. Las pruebas se llevan a cabotanto sobre el 2 GHz y 700 MHz inferior dentro de la Categoría B. Los casosde prueba relevantes son los siguientes: CC-021, CC-022, CC-0210, CC 022y CC-052-. El objetivo de estas pruebas es la aplicación intra-e inter-eNodoBentrega sobre la base de RRC (Radio Control de recursos) de mensajería altiempo que impone un impacto mínimo en la capa 1 y el rendimiento de lacapa 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 a56 ms (un requisito sobre la base de las pruebas de laboratorio y laespecificación de producto).En esta serie de pruebas, el éxito de la entrega se determina mediante lacomprobación de la secuencia de mensajes: Informe de Medición de la UEenvió indica un PCI (identificador de célula física) con una señal fuerte,seguido de celda de origen enviar mensaje de conexión RRCreconfiguración de Información de Control de Movilidad para el objetivocelular y CRNTI (Radio celular identificador de red temporal) para el usuario.Finalmente, esta secuencia debe ser seguida por un mensaje dereconfiguración completa conexión RRC enviados desde la UE después deque llegue a la célula diana.El tiempo de interrupción se refiere al tiempo de interrupción del plano decontrol durante la entrega. Se determina por el momento en que la UE recibeel mensaje de conexión RRC reconfiguración en la celda de origen para elmomento en que envía el mensaje de conexión RRC reconfiguracióncompleta en la célula diana. En este punto, el portador de radio por defectose ha establecido y está disponible para la planificación del tráfico por lacelda central. A pesar de las pruebas de CC-022, señal del enlace
    • 127ascendente, presentó duraciones de tiempo en el que hubo un bajorendimiento, pero en general, los resultados son muy satisfactorios, con unaprobabilidad de éxito del 100% en total de 397 intentos de entrega, para elplano de control del handover, tuvo un promedio de tiempo de 21 ms esmucho más rápido que el objetivo máximo, 56 ms.Tabla 7.5 Rendimiento del handoverBandaCaso depruebaCircuitoIntentos dehandoverHandoverexitososPromedio deinterrupción (ms)2 GHz CC021 DL1 28 28 212 30 30 213 29 29 222 GHz CC022 UL1 31 31 Sin interrupción2 28 28 Sin interrupción3 35 35 Sin interrupción700MHzCC210 DL1 36 36 222 28 28 223 30 30 22700MHzCC220 UL1 34 34 212 28 28 213 34 34 21700MHzCC052 DL 1 26 26 21700MHzCC052 UL 1 26 26 217.3 Medición de LTE en aplicaciones de GamingActualmente los servicios que entrega Internet, Gaming, presenta un grandolor de cabeza, para las operadoras, ya que los usuarios requieren unalatencia menor, para lograr una mejor QoE. Por ello, se emplearán tresparámetros de medición de rendimiento, que han sido definidas para cumplirlos 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 separadosen las siguientes cuatro categorías en las que han sido los resultadoscorrespondientes juegos tolerable descrito con el uso de los parámetros derendimiento por encima de propuestas:
    • 1287.3.1 First Person Shooter (FPS) y RacingEn esta clase de video juegos, requiere una respuesta rápida del usuariopara los otros jugadores que estén en línea. Además presenta un ambientemuy dinámico, por la exigencia que requiere esta clase de juegos. Lasrecomendaciones 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 SimulacionesAquí los juegos de esta clase requieren una respuesta ligeramente inferior,más lenta el juego, un puñado de jugadores en un solo juego. Lasrecomendaciones son: Se presentó un retardo entre 250 ms y 500 ms de extremo a extremoque fue bastante aceptable. Requisitos para la fluctuación no están definidos. La pérdida de un 1% de paquetes con retraso 150ms puede seraceptable7.3.3 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, comotambién existen cientos de jugadores interactuando al mismo tiempo. Lasrecomendaciones son: Envio de varios paquetes de cada ms, otorgando una latencia muymenor a los 350 ms. Según el contenido y el tiempo de juego, los rangos de los datosrequeridos tasa de entre 8 kbps-24kbps. 10% de pérdida de paquetes puede ser aceptable si la latencia esbaja.7.3.4 Juegos en tiempo no real (NRTG)Dentro de esta clasificación, los juegos no requieren de un gran rendimientocomo los anteriores, es más un retardo mayor no afectaría el QoE, unejemplo de estos juegos son, el ajedrez, backgammon, cartas, etcétera. Larecomendación es:
    • 129 Cero pérdida de paquetes, lo cual, se puede lograr mediante métodosde 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 yen las expectativas del jugador, pero el rango típico de los atributos derequisito 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 muchomás estricta de lo necesario en relación a los términos de la pérdida depaquetes en la mayoría de los casos. Sin embargo, en términos de latencia,el requisitos en el retraso del RAB para un mejor desempeño son seextendía desde los extremos de la red, con retardos mayores a 75 ms, loque dará una percepción de la caída en el rendimiento de los usuarios si eljuego requiere una respuesta más rápida. En el Gráfico 7.5, se muestra losescenarios de todos los videos juegos mencionados anteriormente, enfunción con la latencia. Para Mark Claypool y Kajal Claypool15, plantean queel futuro de las redes en evolución (LTE), deben mejorar el comportamientode latencia, para lograr una experiencia de alta calidad en los juegos enlínea, por parte de los usuarios.15Fuente: “Latency and player actions in online games – M. Claypool and K. Claypool”.
    • 130Gráfico 7.5 Escenario de los distintos videos juegos7.4 Entorno de prueba LTE en la Universidad de ChileEn el departamento de Ingeniería Eléctrica de la Universidad de Chile, en laconferencia “Agenda de Transferencia Tecnológica LTE de ZTE”, se dieron aconocer la importancia de la donación de un laboratorio de LTE por empresaproveedora ZTE. Dentro de esta conferencia de enseño la arquitectura,como el hardware a utilizar, mostrados en la Ilustración 7.3.
    • 131Ilustración 7.3 Esquema de la arquitectura montada7.4.1 Entorno de prueba y parámetrosLos equipos se deben estructurar en el laboratorio para realizar lasmediciones, se deben armar como lo muestra en la Ilustración 7.4, pero porun tema de tiempo las mediciones se hicieron enfocadas en la actividad “Labtest” o prueba de laboratorio. Además es importante agregar que lasmediciones tuvieron un carácter demostrativo, para conocer lasgeneralidades de LTE. Los parámetros utilizados son los siguientes:
    • 132Ilustración 7.4 Montaje de los equiposTabla 7.6 Parámetro de configuraciónParámetro ValorBanda defrecuencia2.6 GHzAncho debanda20 MHzConfiguraciónde antena2×2 MIMOModulación enDL64 QAMModulación enUL64 QAMEn 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 Mbps10 en el UL, junto con una latencia de 15 ms.
    • 133Capítulo VIII: Hardware de LTEEn este capítulo está enfocado en la capa uno del modelo OSI, es decir a losdispositivos físicos, en este nivel, se encarga de controlar las funcionesnecesarias para poder transmitir el flujo de datos sobre un medio físico, queen este caso son las antenas de microondas. Dentro de la capa física, sedefinen los procedimientos y las funciones que los dispositivos físicos einterfaces que deben cumplir el objetivo de transmitir la información.Los encargados de distribuir el hardware necesario, son las empresasproveedoras de LTE, como por ejemplo Ericsson, Nec, Huawei, ZTE, Allgon,Motorola, Nokia-Siemens, SkyCross, Alcatel, entre otras. De esta forma nosconcentraremos en el proveedor Ericsson y SkyCross, puesto que, fuemucho más fácil acceder a la información de los equipos que distribuyenpara las operadoras que trabajan con LTE.8.1 Hardware en E-UTRANComo se ha mencionado en capitos anteriores el eNodoB corresponde a laestación base, comprende desde las antenas utilizadas suelen situarse en lomás alto de la torre, de edificios o colinas para dar una mejor cobertura y sontipo dipolo. Normalmente, está compuesta por un mástil al cual están unidastres grupos de una o varias antenas equidistantes hasta el gabinete, quieneste contiene los equipos necesarios para realizar los procesos complejoscomo por ejemplo, la modulación o también indicar las tarjetas que entreganla capacidad de cuantas UE máximas puede soportar, en la Ilustración 8.1se muestra de manera gráfica una estación base.
    • 134Ilustración 8.1 Estación base de cualquier sitio de LTEMuchas veces los equipos que se muestra en la Ilustración 8.2 se puedenencontrar en un conteiner o en la intemperie. Estos gabinetes se conocescomo 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 deradio y la unidad digital. Además la unidad central, permite entregar losservicios de OSS, que permite monitorear los sitios de manera remota.Ilustración 8.2 RBS Ericsson 6102Tanto la unidad de radio y la unidad digital, se encuentran ubicadas dentroen el radio shelf, que es un rack en donde aloja dichas unidades.
    • 135Ilustración 8.3 Radio Shelf en el RBSLa unidad digital tiene la función de control de procesamiento de las señales,como también controla el reloj, permite la sincronización con RU y eltransporte de las señales hacia los otros dispositivos. Este dispositivo seencarga de entregar las velocidades de transferencias que requiere LTE,173 en DL, 56 en UP y establece las configuraciones MIMO, en este caso2x2, junto con el soporte de 50 usuarios conectados en la red. Los valoresmencionados anteriormente los que entrega el equipo Digital Unit for LTE(DUL).Ilustración 8.4 Unidad digital
    • 136La unidad de radio, tiene dos funciones importantes, amplificación y filtradode la potencia de RF y la segunda función, permite realizar los procesos demodulación y demodulación. Esta unidad trabaja en conjunto con la DU, paracontralar los procesos de RF dentro de la BS.Ilustración 8.5 Esquema de modulación y demodulación de la Unidad deRadioEn la Ilustración 8.6, se muestran las posibles situaciones de conexión decables ópticos entre la unidad central acoplada con la RRU a través delmódulo SFP (Small Form-factor Pluggable). Así los cables de fibra ópticaestán disponibles en longitudes estándar a partir de unos pocos metroshasta varios cientos de metros. Para distancias más largas entre la unidadprincipal y RRU, una red existente de transmisión óptica de fibra se puedeutilizar para aumentar la longitud total del cable óptico. Antiguamente en 2Gse utilizaban coaxiales, pero estos presentaban perdidas, lo que se le instalóun amplificador denominado TMA, pero tanto en 3G y 4G, se reemplazó porfibra óptica.
    • 137Ilustración 8.6 Conexiones de cables ópticosDespués sale otra conexión óptica entre la RRU y el RETU (RemoteElectrical Tilt Unit), el RETU es un dispositivo encargado de dar la inclinaciónpero no de carácter mecánico sino eléctrico encargado de elegir el ángulo depotencia para iluminar cierta zona. Luego el RETU se conecta directamentecon la antena. Existen casos en que la conexión entre el RRU y el RETU, seutiliza coaxial, si bien, el coaxial genera pérdidas mayores que la fibra, peroesto se compensa con la distancia entre dichos dispositivos, ya que a unadistancia menor no se justifica el uso de fibra, como se muestra en laLa instalación de la antena, debe cumplir requerimientos, que permitandesenvolverse óptimamente dentro de la interfaz aérea, como también debecumplir los requisitos de una antena inteligente o MIMO. La operadoraNorteamérica Verizon16, catalogó a la empresa SkyCross, como laproveedora de antenas capaz de cumplir los requerimientos de una antenaMIMO1716Es considerada como la operadora móvil en transmitir la primera señal de LTE a nivelmundial.17“SkyCross Announces 4G LTE MIMO Antenna Solution Design Win” Fuente:http://news.vzw.com/news/2011/01/pr2011-01-04n.html
    • 138Ilustración 8.7 Antena SkyCross instalada en Estados UnidosOtro dispositivo dentro de la interfaz área de LTE, es la UE o conocida comoterminal de usuario, mencionado en el capítulo de la arquitectura de LTE.Para la mayoría de las personas hace alusión a la UE como el teléfonocelular, pero la UE es mucho más que el teléfono, en una visión generalcorrespondería a cualquier equipo capaz de soportar o gestionar servicios deLTE.Haciendo referencia nuevamente a Verizon, dentro de los equipos terminalesde LTE que ofrecen, se encuentran, Smathphones (celulares), Tablet,Notebook o Netbooks, Mobil Hotspot y Modem USB.
    • 139Ilustración 8.8 Tablet con soporte a LTEIlustración 8.9 Smathphone con soporte a LTE
    • 140Ilustración 8.10 Mobile Hotspot de Verizon LTEIlustración 8.11 Modem USB8.2 Hardware en el EPCEl 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 móvilLTE. Las principales fuerzas impulsoras del Evolved Packet Core, son losrequisitos de los nuevos servicios multimedia, en conjunto con la migraciónde tráfico de voz en el dominio de conmutación de paquetes es también unaconsideración importante. La nueva arquitectura también permite a una redcentral común, para la convergencia reduciendo significativamente el costo
    • 141de propiedad para los operadores con las ofertas de banda ancha, tanto fijacomo móvil, aportando un mayor rendimiento y reducción de los retrasos.Para conocer el hardware de la EPC, tomamos los catálogos del proveedorEricsson, que se encuentran relacionados con dicha arquitectura.Ilustración 8.12 Nodos de la puerta de enlaceIlustración 8.13 Nodos de control
    • 142Ilustración 8.14 Evolve Packet Core8.3 Hardware en el backhaulEn este capítulo se mencionará algunos de los hardwares más utilizados enlas 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 dedichas 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 unsoporte completo para la red del backhaul en LTE con VPLS basada L2 yVPWS. Como se muestra en la Ilustración 8.15, la red de transporte se
    • 143conforma 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, paraentregar la función de distribución de datos. Esta red permite la conectividaden la interface S1 (eNodoB a AGW) y la interface X2 (eNodoB a eNodoB).Para proporcionar una alta disponibilidad, los switches de agregaciónpueden ser distribuidos en una topología de malla, entregando fiabilidad,rentabilidad y un bajo mantenimiento.Ilustración 8.15 Red MPLS-TP implementadas con los equipos TN700Estos equipos dan soporte para múltiples protocolos de transporte haciatodas las distintas clases de estaciones base o también se pueden conectarcon otros equipos generadores de tráfico de más de 10GPOS (paquetessobre redes SDH/SONET) o enlaces Ethernet.Para Extreme Networks, ofrece como solución al backhaul, Carrier Ethernetque proporciona la flexibilidad que necesitan los operadores móviles parasatisfacer la creciente demanda de servicios IP y Ethernet dentro delpresupuesto y ofrece un amplio espacio para el crecimiento de la red, sinreinversiones importantes.La sencillez del transporte de Ethernet permite un ahorro sustancial tanto engastos de capital y los gastos operativos. El ahorro de los gastos capitalesse acumula al requerir menos equipo que el tráfico global de más servicios,así como un modelo operativo simplificado. Se proporciona un cambio decontrol del circuito reactivo a proactivo en la gestión de servicios.Dentro de los equipos de Carrier Ethernet se encuentra el Switch deTransporte Ethernet “BlackDiamond 8800”, que está diseñado para un alto
    • 144rendimiento y despliegue en la red de acceso hacia la red de agregación, delas cuales, requieren hasta 10 GbE o 1.200 puertos Gigabit (cobre o fibra) enun bastidor de dos metros. Dentro de las características más importantesson: Uso del protocolo IEEE 802.1ag, para la gestión de un servicioproactivo, y soporte de hardware para la calidad de servicio demultidifusión. Sistema operativo ExtremeXOS. Certificado MEF y aceptado por la USDA RUS.Ilustración 8.16 Switch de Transporte Ethernet “BlackDiamond 8800”
    • 145Capítulo IX: Panorama de LTE en ChileEl despliegue de LTE en Chile no es un tema trivial, ya que Chile se convirtióen el primer país de América Latina para probar dicha tecnología de 4G18,que anteriormente sólo había sido probado en los principales países delmundo en el avance tecnológico: Suecia, Noruega, Japón y los EE.UU. AsíLa primera actividad de LTE se inició en 2009 en Chile, donde Entel realizóensayos con Ericsson y Movistar con Nokia Siemens, en cuanto a Claro, losequipos de proveedores que utilizó nunca los mencionó. Las tres operadorasse encontraban muy interesadas por LTE y se han llevado a cabo ensayos ypruebas funcionales. En el caso de Entel, en ese mismo año, realizaronpruebas en un conteiner, instalado por las personas que trabajan enEricsson Chile, que además gestionaron la red móvil y este conteiner fueinstalado en el patio de la Facultad de Ciencias Físicas y Matemáticas de laUniversidad de Chile.Ilustración 9.1 Conteiner de LTE perteneciente a EricssonDentro de los equipos que se instaló en el conteiner, contaba con una unidadUE de tipo USB, como también se instalaron dos antenas, dentro de losensayos que se hicieron, realizaron una descarga de streaming de video, lacual, alcanzó una velocidad de entre 40 y 50 Mbps en el Downlink, encambio 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 pide18Fuente extraída en: LTEPortal. “Chile First In Latin America With High-Speed InternetBreakthrough”. Enero de 2010
    • 1463GPP en LTE, la explicación a esto se debe a que las instalaciones de losequipos presenta una baja capacidad, pero si lo comparamos con lasvelocidades que entregan los operadores ADSL, es muy razonable lo quemostro LTE. Mientras tanto para Movistar, en Julio de 2009, en el seminariode Conecta 2009, Movistar demostró los equipos para LTE, pero no fueenfático en mencionar sobre la llegada real de LTE a los usuarios, si no,estuvo más preocupado sobre la licitación del espectro, puesto que, lastrabas legales de la concesión podrían retrasar el lanzamiento de LTE deforma masiva.Ilustración 9.2 Modem 4G de Ericsson ChileEl problema del espectro no solo afecta a Movistar, sino que a todas lasoperadoras de red, ya que, las bandas para poder trabajar son arrendadaspor parte de la Subtel, quien define la concesión del espectro, recordandoque el espectro es un recurso limitado. De esta manera la Subtel hadictaminado que los operadores existentes, podrían participar en laspróximas subastas de 700MHz y 2.6GHz en julio de 2011, pero si algúnoperador supera el límite de 60MHz sería obligado a devolver parte delespectro para el Estado. Entel PCS ya cuenta con 60MHz en la combinaciónde 800 MHz y 1,9 GHz, mientras que Movistar y Claro tienen 55MHz cadauno. SUBTEL por su parte, se encarga de la subasta de la banda 2600Mhzpara hacer una parte 140MHz (70MHz para carga y descarga de 70MHz)disponibles para los servicios de 4G, lo que significa que hasta cuatrooperadores podrían adquirir espectro LTE (35MHz cada uno). Entel estábuscando para lanzar LTE en la banda de 700 MHz, sin embargo, siSUBTEL permitirá a los operadores existentes para obtener espectro
    • 147adicional en la parte superior de la que ya tienen 60MHz sigue siendoincierto.El Subsecretario de Telecomunicaciones Jorge Atton, definió que enDiciembre 2010, se iniciará el proceso de licitación de la banda de espectrode 2.6Ghz. Esta banda estará destinada para ofrecer servicios móviles debanda 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 laportabilidad numérica, facilitando la llegada de un cuarto operador detelefonía móvil (VTR-Nextel). Con esto Jorge Atton, estima que para el año2014 se estaría implementando la tecnología en el país, permitiendo queLTE, para ese año la banda ancha alcance al 70 por ciento de los hogares.En la actualidad, de acuerdo con cifras de la Subsecretaría deTelecomunicaciones el 10,2% de la población tiene acceso a Internet debanda ancha.Por el lado de las universidades, hasta ahora la Universidad de Chile, hasido la universidad que está estudiando a fondo sobre LTE, la cual Facultadde Ciencias Físicas y Matemáticas, en conjunto con la Corporación Chinadedicada al desarrollo de tecnologías en el sector de las telecomunicacionesde ZTE, inauguraron este laboratorio de LTE (Ilustración 9.3), en lasdependencias el Departamento de Ingeniería Eléctrica, de dicha casa deestudio. El laboratorio fue inaugurado el 31 de marzo del 2011.Ilustración 9.3 Inauguración del laboratorio de LTELa importancia de este laboratorio, permitirá a los investigadores, profesoresy estudiantes de pregrado y postgrado, capacitarse y ejecutar trabajos yensayos en tecnologías de telecomunicaciones de última generación a nivelmundial. Como también, profesionales de las empresas de
    • 148telecomunicaciones podrán incorporarse y participar en jornadas deentrenamiento y pruebas prácticas.Ilustración 9.4 Evolve Packet Core instalado en el laboratorioDentro las investigaciones que se están haciendo en el Departamento deIngeniería Eléctrica, se encuentra la implementación de VoLTE en la red, latransmisión de datos en LTE de manera intercontinental entre la Universidadde Chile con el Instituto Fraunhofer de Alemania. Cada una de estasinvestigaciones fue mencionada por el PhD. Alfonso Ehijo (en cargado delCentro de Transferencia Tecnológica e Innovación de la Universidad deChile), en la conferencia “Agenda de Transferencia Tecnológica LTE deZTE”.
    • 149Capítulo X: ConclusionesLa tecnología LTE, se encuentra estandarizada por la organización 3GPP enel Release 8, que se encuentra disponible para cualquier persona que deseainteriorizarse 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 seretiquetadas como un servicio exclusivo para entregar y recibir llamadas deforma dinámica. Quieren utilizar esa ventaja de la movilidad de serviciostelefónicos, pero para transmitir datos, en otras palabras entregar serviciosde Internet móvil, si bien es cierto, las tecnologías anteriores a LTE tambiénrealizaban este servició, pero las requerimientos y una arquitectura poreficiente para transportar IP, lo que, no le permitían competir directamentecon 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 lodemostró el departamento de ingeniería eléctrica de la Universidad de Chile,junto con la empresa proveedora Ericcson-Chile, quienes lograron transmitirun streaming de video con una tasa de transferencia de 50 Mbps, que esuna velocidad mucho mayor de lo que entrega una ISP en Chile, si secompara 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 lospuntos que exige 3GPP en los requerimientos técnicos, tanto en lasinterfaces propias de LTE (interfaces aérea, X2 y S1) y en la red detransporte, cada una de las variables que definen el requerimiento técnicotienen un repercusión muy fuerte dentro del usuario final, ya que, este quedetermina que servicio de transmisión de datos se adecua mejor a lasnecesidades que exige. Esto tiene un impacto muy directo con el QoE delcliente, por lo tanto, las políticas del QoS son definidas y diferenciadas por laoperadoraOtro trabajo que tienen que realizar las operadoras, es conocer cada una delas tecnologías que ofrecen para poder cumplir los requerimientos delbackhaul, los proveedores poseen una gran cantidad de tecnologías, comoGPON, DWDM, Ethernet, Enlaces de microondas, MPLS, entre muchas.Para que se elijan la tecnología de transporte correcta los operadores deponer en equilibrio los costos de implementación y mantención, junto con losrequerimientos que pide 3GPP. Actualmente existen dos posiblestecnologías que permita cumplir los objetivos que buscan los operadores,estas son Carrier Ethernet y MPLS. Cada una de estos métodos de
    • 150transporte permite adaptarse mejor a las topologías ya existentes en lasredes de las operadoras o simplemente sale mucho mejor arrendar a algúnproveedor, dependiendo del criterio que desean trabajar. En el Release 8, noexpresa la topología adecuada para su uso, por lo tanto, las operadorasseleccionan la topología correcta, a través de los estudios de tráficos dentrode 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 detransmisión, puesto que, puede transmitir datos en distintas velocidades,teniendo una velocidad de 300 Mbps y la menor de Mbps. Cada una deestas tasas de transferencias se encuentra clasificada en cinco categoríascomo se muestra el 0Categorías de las UE. Para el operador es muy importante que exista dichaflexibilidad, ya que, la velocidad de transmisión depende mucho de la zonageográfica y el tráfico de dicha área, por ejemplo en el capítulo 6.3.3.3.3, sepuso el caso de una zona rural en Australia, trabajar con una tasa detransferencia de 300 Mbps no se justifica por el alto costo deimplementación, referidos en los equipos, tales como, antenas,amplificadores de radio, unidades de radio, etcétera. Además si loanalizamos desde el punto de vista del tráfico, en una zona rural existen muypocos usuarios acoplados en una celda, por lo tanto, los fenómenos delatencia 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 LTEcuya red de transporte fue un sistema MPLS entregado por el proveedorNokia-Siemens, si comparamos con cada uno de los requerimientos de LTEde 3GPP con la Implantación realizada por la University of Chalmers. Losdatos entregados en la medición fueron muy satisfactorio no existió un grandiferencia entre los datos teóricos con los prácticos.Uno de los requerimientos más difíciles de controlar los efectos que seproducen por trabajar con TCP, a pesar que, TCP es un protocolo confiableque permite garantizar la entrega de datos al receptor mediante un acuerdoprevio. El control de flujo, se torna crítico, ya que, el control de flujo permiteregular el tamaño de la ventana, permitiendo definir la cantidad desegmentos que se intercambiaran, así el emisor no puede enviar más datosy ese tiempo de espera genera un retardo dentro de la red, sumando a queel time out, del emisor expira, este volverá a retransmitir los segmentos,utilizando más el ancho de banda de la red.
    • 151Con la irrupción de LTE al mercado de las redes inalámbricas móviles, sepermitió no solo comercializar smathphones, si no, que también se integró lacomercialización de módems USB de Banda Ancha Movil, que permite a unusuario acceder a Internet en cualquier espacio físico, siempre cuando, unaantena esté iluminando esa área. En cambió el Mobile Hotspot, permiteentregar una conexión a Internet móvil a múltiples usuarios, ideal para unservicio enfocado al hogar.La red de LTE no es capaz de transportar voz, puesto que, la arquitectura es100% IP, una forma de transporta la voz es establecer una adyacencia en elred con una tecnología anterior, es decir, dejar el tráfico de Internet para LTEy el tráfico de voz, con GSM. Actualmente se está trabajando en el desarrollode encapsular la voz, para transportar la voz en LTE de la mejor maneracomo lo es VoLTE, lo que para Chile, se convierte en un nicho posible deinvestigación.
    • 152BibliografíaReferencias digitales.BELTRAN, Nicolas. Haciendo camino para la siguiente generación en BandaAncha Móvil [en línea]. Ediciones Especiales del Mercurio. [Santiago, Chile].Disponible en Web:<http://www.edicionesespeciales.elmercurio.com/hoy/detalle/index.asp?idnoticia=20110602731162&idcuerpo=823>.LOPEZ, Juan. DE QUESADA, Rafael. ROJO, Pablo. Análisis deinterferencias propias [en línea]. Bienvenidos a la VSAT. [Valencia, España].Disponible en Web:<http://www.upv.es/satelite/trabajos/pract_4/radio/interf2.htm>.PÉREZ, José. Proyecto GSM [en línea]. Estudio y simulación con Matlab dela interfaz de radio de GSM. [Granada, España]. Disponible en Web:<http://ceres.ugr.es/~alumnos/c_avila/gsm22.htm>.PATEL, Chintan. Typical Handover Scenarios in Relay Enhanced LTENetworks [en línea]. Chintan Patel. [New York, United States]. Disponible enWeb: <http://www.chintan-patel.com/articles/typical-handover-scenarios-in-relay-enhanced-lte-networks>.3GGP Organization. Features and contents of each Release [en línea].3GPP Mobile Competence Centre. [Sophia-Antipolis, France]. Disponible enWeb: <http://www.3gpp.org/releases>.DORNAL, Santosh. LTE handoff [en línea]. Wired and Wireless. [Sunnyvale,United States]. Disponible en Web: <http://wired-n-wireless.blogspot.com/2009/01/lte-handoff.html>.DORNAL, Santosh. LTE Protocol Stack [en línea]. Wired and Wireless.[Sunnyvale, United States]. Disponible en Web: <http://wired-n-wireless.blogspot.com/2009/01/lte-protocol-stack.html>.RadiSys. LTE [en línea]. Telecom Expertise. [San Diego, United States].Disponible en Web: <http://www.ccpu.com/telecom-expertise/lte-long-term-evolution/>.TeleSemana. Chile: subasta LTE en la segunda mitad de 2011 [en línea].Móviles-Chile. [Latino América]. Disponible en Web:<http://telesemana.com/noticias/detalle.php?id=5622>.
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