LTE Y SU IMPACTO EN COLOMBIA JOAN MARINO TAMAYO PINEDA RICARDO GONZALEZ CASTAÑEDA UNIVERSIDAD CATÓLICA DE PEREIRA

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1 LTE Y SU IMPACTO EN COLOMBIA JOAN MARINO TAMAYO PINEDA RICARDO GONZALEZ CASTAÑEDA UNIVERSIDAD CATÓLICA DE PEREIRA FACULTAD DE CIENCIAS BÁSICAS E INGENIERÍAS PROGRAMA DE INGENIERÍA DE SISTEMAS Y TELECOMUNICACIONES PROYECTO DE GRADO PEREIRA 2012

2 LTE Y SU IMPACTO EN COLOMBIA JOAN MARINO TAMAYO PINEDA RICARDO GONZALEZ CASTAÑEDA INFORME PROYECTO DE GRADO EHUMIR SALAZAR ROJAS INGENIERO ELECTRICO UNIVERSIDAD CATOLICA DE PEREIRA FACULTAD DE CIENCIAS BÁSICAS E INGENIERÍAS PROGRAMA DE INGENIERÍA DE SISTEMAS Y TELECOMUNICACIONES PROYECTO DE GRADO PEREIRA 2012

3 DECLARACION DE DERECHOS DE AUTOR Con este proyecto se busca resaltar la importancia del estudio de las telecomunicaciones. Además se busca enriquecer el conocimiento de los futuros ingenieros de sistemas y telecomunicaciones el cual puedan tomar como referencia al momento de construir proyectos telemáticos, por esta razón es un honor autorizar a la Universidad Católica de Pereira para que incluya este proyecto a su catalogo de consulta en la biblioteca para que cualquier persona interesada tenga libre acceso a su contenido, respetando la propiedad intelectual de su autor.

4 AGRADECIMIENTOS A nuestro asesor de proyecto de grado Ehumir Salazar Rojas por habernos dirigido y apoyado en todas las dificultades que se nos presentaron durante la realización de este proyecto, a todos nuestros profesores que cada día nos brindaron su apoyo en cada materia que nos enseñaban y a la Universidad Católica de Pereira por permitirnos realizar nuestros estudios. Y especialmente a nuestros padres que fueron nuestro apoyo durante toda la carrera y a nuestros hermanos que de una u otra forma nos brindaron su apoyo para culminar nuestros estudios con éxito.

5 DEDICATORIA Este trabajo está dedicado a nuestros padres que han sido nuestro apoyo, ya que gracias a ellos nos permitieron realizar nuestros estudios y siempre nos apoyaron incondicionalmente en las decisiones que tomáramos y gracias a sus constantes consejos cada día queríamos sobresalir más en nuestros actos. También se lo dedicamos a Dios y todas aquellas personas que de una u otra forma estuvieron pendientes de nuestra futura formación como Ingeniero en Sistemas y Telecomunicaciones.

6 RESUMEN RESUMEN El crecimiento de las redes móviles, es debido a que los usuarios cada vez requieren mayor capacidad del canal de transmisión para el uso de sus aplicaciones en tiempo real, lo que hace necesario la implementación de nuevas tecnologías que puedan satisfacer las necesidades de los usuarios. LTE es una tecnología 4G para las comunicaciones móviles que mejora notablemente la experiencia de usuario con respecto a sus predecesoras mediante la implementación de una nueva arquitectura, sus características le permiten aumentar la capacidad del canal y disminuir la latencia, dando solución a los problemas de movilidad que en la actualidad se presentan. Por todo lo anterior se puede decir que este escenario genera nuevas oportunidades de negocio para los operadores actuales que pretenden incursionar en este mercado y a su vez representa nuevos desafíos para los operadores en la implementación la arquitectura de red y en el modelo de negocios al que dará origen esta tecnología. En siguiente documente se podrán observar las características y diferentes elementos que conformar la arquitectura LTE, sus ventajas y desventajas, frente a otras tecnologías y el impacto que va a tener frente a los operadores en Colombia. Descriptores: LTE, Release 8, 4G, 3G, Redes Móviles, Telefonía celular, Datos, Banda Ancha, Historia de las tecnologías móviles, Telecomunicaciones. ABSTRACT The growth of mobile networks has generated is because users increasingly require higher transmission channel capacity for the use of real-time applications, necessitating the implementation of new technologies that can meet the needs of users. LTE is a 4G technology for mobile communications that significantly improves the user experience with respect to its predecessors by implementing a new architecture, its features allow you to increase the channel capacity and lower latency, providing solutions to mobility problems that at present arise. Given the above it can be said that this scenario creates new business opportunities for existing operators seeking to enter this market and in turn poses new challenges for operators in implementing the network architecture and business model that will origin technology. Next document may observe different features and elements that form the LTE architecture, its advantages and disadvantages compared to other technologies and the impact they will have an advantage over operators in Colombia. Descriptors: LTE, Release 8, 4G, 3G, Mobile Networks, cell Phones, data, Broadband, History of mobile technologies, telecommunications.

7 TABLA DE CONTENIDO 1. INTRODUCCIÓN OBJETO DE ESTUDIO OBJETIVOS OBJETIVO GENERAL OBJETIVOS ESPECIFICOS MARCO CONTEXTUAL LTE (Long Term Evolution) TENDENCIAS DE MERCADO Y TECNOLOGÍA CRECIMIENTO DE BANDA ANCHA EN COLOMBIA: SUSCRIPTORES A BANDA ANCHA DRIVERS QUE IMPULSAN LA APARICIÓN DE REDES 4G LTE EN COLOMBIA MARCO TEORICO HISTORIA DE LAS COMUNICACIONES MÓVILES ARQUITECTURA Aspectos Generales: Arquitectura general: Tipos de acceso: PCRF HSS (Home Subscriber Server) TRAMAS Estructura de Trama Estructura de Trama CANALES USADOS EN LTE PROTOCOLOS BEARER QoS en LTE... 52

8 5.10. DESPLIEGUE EVOLVED PACKET SYSTEM (EPS), SOLUCIÓN EXTREMO A EXTREMO IP LTE Advanced ESTUDIO DE RF Celdas FUNDAMENTOS DE OFDM SON: OPTIMIZACIÓN AUTOMÁTICA DE RED MECANISMOS DE HANDOVER PROCEDIMIENTOS DE GESTIÓN DE SESIONES PROCEDIMIENTO DE REGISTRO MIMO BEAMFORMING: ORIENTACIÓN DEL HAZ ESPECTRO Y BANDAS DE FRECUENCIA ESTANDARIZACIÓN LTE INTERFACES GESTIÓN DE MOVILIDAD Marco de gestión de movilidad MODELO TEORICO QUÉ Y POR QUÉ LTE? SITUACIÓN Y TENDENCIAS DE LA INDUSTRIA UIT - IMT AVANZADAS PROMESA LTE RETOS DE LOS OPERADORES MÓVILES CONCRECIÓN DEL MODELO BARRERAS PARA EL DESPLIEGUE DE LTE IMPACTO SOBRE LOS CABLE OPERADORES CONCLUSIONES

9 9. RECOMENDACIONES BIBLIOGRAFIA

10 LISTA DE ILUSTRACIONES ILUSTRACIÓN 1. Evolución de tecnologías móviles ILUSTRACIÓN 2. Separación funcional entre enb y MME/SGW ILUSTRACIÓN 3. Separación funcional entre el enb, MME, SGW y PGW ILUSTRACIÓN 4. Estructura de trama tipo ILUSTRACIÓN 5. Estructura de trama tipo ILUSTRACIÓN 6. Canales y protocolos en el acceso ILUSTRACIÓN 7. Parámetro de QoS en el sistema LTE ILUSTRACIÓN 8. Elementos de la red EPS ILUSTRACIÓN 9. Celdas ILUSTRACIÓN 10. Tipos de reuso ILUSTRACIÓN 11. Utilizando X2 para evitar interferencias ILUSTRACIÓN 12. Procedimiento de registro ILUSTRACIÓN 13. MIMO: multiplexacion especial ILUSTRACIÓN 14. El haz sigue al usuario ILUSTRACIÓN 15. Ancho de banda flexible GRÁFICA 1. Suscriptores a banda ancha GRÁFICA 2. Penetración de banda ancha por tipo de red GRÁFICA 3. Penetración de banda ancha 1T-2011 a 1T GRÁFICA 4. Distribución de usuario por modalidad de pago

11 GRÁFICA 5. Ejemplo del espectro correspondiente a 6 subportadoras OFDM GRÁFICA 6. Ejemplo de la señal temporal correspondiente a 6 subportadoras OFDM GRÁFICA 7. Espectro a asignar por la ANE GRÁFICA 8. Crecimiento datos móviles de AT&T GRÁFICA 9. Proyección de crecimiento datos móviles de AT&T GRÁFICA 10. Demanda potencial 4G GRÁFICA 11. Proyección de tráfico móvil en USA al GRÁFICA 12. Trafico Dispositivos TABLA 1. Posibles configuraciones de las sub-tramas TABLA 2. QoS definidas para LTE TABLA 3. Periodo de mayor demanda de las principales aplicaciones por bytes.. 94 TABLA 4. Periodo de mayor demanda de las principales aplicaciones por bytes.. 94 TABLA 5. Comparativo de descarga entre tecnologías TABLA 6. Velocidades de transmisión entre tecnologías

12 1. INTRODUCCIÓN En los últimos diez años, el área de las telecomunicaciones ha evolucionado hasta lograr la convergencia entre dos tecnologías fundamentales en el mundo contemporáneo las redes móviles y el Internet; es por esto que se origina esta propuesta investigativa, por el interés de los investigadores sobre la implementación de nuevas tecnologías que incursionan en el mercado Colombiano especialmente la Long Term Evolution LTE, con la implementación de las redes de 3G y el avance de la computación móvil en especial en USA, se ha dado un cambio sustancial, con la capacidad de los usuarios de estar siempre conectados. Lo anterior ha conllevado a que los usuarios a través de sus nuevos y poderosos teléfonos inteligentes, han generado una cantidad de tráfico (en tiempo real) enorme y creciente, por el uso de aplicaciones que permanentemente hacen uso de la red de comunicaciones. Esta situación de aplicaciones en línea, ha desbordado la capacidad de las redes móviles existentes de 2G y 3G al punto que la experiencia de usuario se ha complicado a tal punto que demanda de los operadores, el cambio de infraestructura tecnológica, por una que pueda soportar el nuevo paradigma que enfrentan los operadores. Además que abre nuevas oportunidades de negocio, tanto para fabricantes de teléfonos, desarrolladores de aplicaciones, como de prestadores de servicios en línea dado que es una tecnología innovadora que generará grandes cambios a nivel cultural, tecnológico y económico en el país, el interés principal es describir los cambios en el ámbito tecnológico, tomando como referencia los antecedentes de implementación de esta, en países europeos y algunos latinoamericanos, donde dicha tecnología puesta en marcha evidencio a grandes rasgos la viabilidad del proyecto como un propósito innovador y generador de grandes cambios que aportaron en la capacidad de ancho de banda, permitiendo el uso de aplicaciones que aún no son posibles como la transmisión de video en movimiento entre otras funciones que requieren mayor capacidad del canal transmisión. Se estima que el tráfico de datos se va incrementar en un 3900% en los próximos 5 años, y el tráfico de video será de un 65% hacia el año Según cálculos de CISCO, el tráfico de datos crecerá de 90 peta bytes ( por mes en el 2009, a 3.6 exabytes por mes en el

13 Estando este proyecto enfocado en un objetivo primordial como lo es desarrollar una investigación teórica para estudiar las características y el impacto técnico de la implementación de la tecnología LTE en Colombia nos enfatizaremos en las posibles ventajas y desventajas que tendría la implementación de dicha tecnología en el país. Partiendo que la LTE es una tecnología de cuarta generación que ha incursionando en los mercados mundiales desde el 2010 empezando por los principales países de Europa donde tuvo su origen, aumentando las velocidades de transmisión hasta 10 veces por medio de nuevos protocolos y un uso adecuado del espectro electromagnético, permitiendo mayor eficiencia en la cobertura debido a que tiene un alcance superior al de sus predecesores, como las tecnologías GSM, GPRS,EDGE, UMTS y 3GSM, la cual se encuentra en funcionamiento en las principales ciudades del país, y a la cual tienen acceso solo los dispositivos móviles que soportan dicha tecnología, por esto los más limitados son los que actualmente prestan la mayor parte del servicio de telefonía móvil celular en Colombia, siendo menos eficaces y proporcionando un ancho de banda muy limitado que no da acceso a funcionalidades que requieren velocidades de trasmisión más alta, lo que la LTE si brindara en el momento de su ejecución y que en el país se encuentra en proceso de desarrollo. Este proyecto está compuesto por marco contextual, marco teórico, modelo teórico, y concreción del modelo, para llegar a las conclusiones. 13

14 2. OBJETO DE ESTUDIO Partiendo del hecho de que Colombia es un país con una penetración tecnológica baja, tendríamos que analizar que tan preparado esta Colombia para adoptar esta nueva tecnología, mirando desde el punto del operador como desde el cliente, desde el operador podríamos mirar si estos tienen la infraestructura necesaria para implementar esta tecnología y poderla llevar hasta el cliente, y desde la perspectiva del cliente o usuario, qué tan preparados estamos para esto? Se tienen los recursos necesarios?, están seria unas preguntas se deben responder para el objeto de estudio. 14

15 3. OBJETIVOS 3.1. OBJETIVO GENERAL Estudiar las principales características de la tecnología LTE y el impacto técnico sobre los operadores establecidos en Colombia OBJETIVOS ESPECIFICOS Identificar las características del modelo LTE. Evaluar LTE en comparación con otras tecnologías semejantes. Identificar el nivel de desarrollo actual de la tecnología en Colombia. Analizar las posibles consecuencias técnicas de esta tecnología dentro del mercado nacional. Identificar las ventajas y desventajas de la tecnología. 15

16 4. MARCO CONTEXTUAL 4.1. LTE (Long Term Evolution) LTE es una evolución del IMT2000 que permite velocidades de más de 150 Mbps en descarga y de 50 Mbps en subida. Las especificaciones de este estándar comenzaron a definirse en LTE se basa completamente en IP, por lo que el grado de reutilización de las antiguas tecnologías basadas en conmutación de circuitos será bajo. No obstante, gracias a IP, LTE favorecerá la convergencia, el ahorro de costes y la eficiencia. LTE ofrece muchas ventajas, en primer lugar, gracias a OFDMA (Orthogonal Frecuency Division Multiple Access), que utiliza un gran número de sub portadoras muy cercanas entre sí en frecuencia y ortogonales, permite ofrecer unos anchos de banda mucho mayores que las tecnologías predecesoras. Además, se basa en estándares abiertos a diferencia de los sistemas 3G donde había distintos estándares en distintas regiones del mundo, lo cual favorece la compatibilidad y reducción de precios, de los que se beneficiarán tanto operadoras como usuarios finales TENDENCIAS DE MERCADO Y TECNOLOGÍA A menos de una década de haber puesto en marcha las primeras redes Universal Mobile Telcomunications System (UMTS), ya aun con las redes de Segunda Generación Móvil (2G) plenamente operativas, cabría preguntarse cuál puede ser el interés de la industria en realizas nuevas inversiones en infraestructuras de la red de acceso y de conmutación, o para que necesita el sector de las comunicaciones un nuevo estándar de acceso celular. La respuesta hay que buscarla en las características particulares de este mercado, por comparación con lo que sucede en redes fijas, la experiencia de usuario, es decir, la calidad subjetiva que percibe en el servicio de banda ancha, es muy alta 1 Ingeniero de Telecomunicación, Máster en Tecnologías de la Información Aplicadas a la Empresa y Licenciado en Investigación y Técnicas de Mercado. Autor de diversos libros y artículos técnicos y de opinión de tecnologías de telecomunicaciones y sistemas de información en los hogares y empresas. Ramón Millán 16

17 gracias a los varios megabits por segundo que puede conseguir en una conexión Digital Subscriber Line (DSL) y a precios cada vez más competitivos. A diferencia de la que se sucedía años atrás, en mercados maduros, como Europa Occidental o Estados Unidos, el crecimiento del negocio de telefonía móvil no se corresponde tanto con el incremento de abonados, sino con el aumento del tráfico, en cuanto a la cantidad de minutos de voz y sobre todo de megabytes de datos transferidos, así como la renovación de equipos y contratos para migrar a tecnologías de banda ancha móvil. La parición de terminales tipo Smartphone junto con la proliferación de dispositivos portátiles con conectividad de datos Tercera Generación Móvil (3G) continúa disparando la demanda de capacidad de transmisión de datos en movilidad CRECIMIENTO DE BANDA ANCHA EN COLOMBIA: La telefonía móvil ha sobrepasado el servicio de telefonía fija, tanto en cobertura como en el número de usuarios. A mediados del año 2011 existían alrededor de 6000 millones de suscriptores en el mundo, que es más del doble de suscriptores de líneas fijas y cerca del 90% de penetración de la población mundial, se espera que en el 2015 haya más de 7 billones de usuarios, este crecimiento vertiginoso de la tecnología móvil se debe a los precios bajos, a que el teléfono celular es personal y a la necesidad de que las personas se comuniquen mientras se desplazan de un lugar a otro. En la actualidad colombiana el crecimiento de la penetración de banda ancha es importante y muestra una ascendencia exponencial pero aún queda camino por recorrer y la población con acceso a este servicio todavía es demasiado pequeña teniendo en cuenta el número de habitantes. Para entender mejor el comportamiento a nivel local se toma como referencia las cifras del Ministerio de Tecnologías de la Información y las Comunicaciones a continuación se muestran los datos más relevantes: Según los datos del ministerio de tecnologías de la información y las comunicaciones, para el mes de mayo del presente año la cobertura en banda ancha alcanzó un total de suscriptores y conexiones de otro tipo, visualizando un crecimiento con respecto al mismo trimestre del año 2011 un crecimiento del 27.9%. 2 3GPP LTE: HACIA LA 4G MÓVIL, Narcis Cardona, Mario García Lozano, José F. Monserrate 17

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19 4.4. SUSCRIPTORES A BANDA ANCHA GRÁFICA 1. Suscriptores a banda ancha Para el año actual al finalizar el primer trimestre el número de suscriptores sigue mostrando tendencia ascendente 8,1% con respecto al cuarto trimestre de 2011 La distribución del mercado con respecto al tipo de acceso hasta el primer trimestre de 2012 está compuesta principalmente por internet fijo con un 63,4%, en segundo lugar se encuentran las suscripciones de internet móvil con un 36.06% de los cuales el 36,03 utilizan la tecnología 3G y solo el 0,3% disponen de 4G, en relación a las demás conexiones se distribuyen de la siguiente manera: 85.1% internet móvil 2G, el internet fijo dedicado representa el 13,3% y un 1.6% a internet fijo conmutado. 19

20 GRÁFICA 2. Penetración de banda ancha por tipo de red También es importante destacar que durante los últimos años las cifras reportan que la demanda de ancho de banda sigue en aumento 3, para el primer trimestre de 2011 las suscripciones de banda ancha alcanzaban los , para el 4 trimestre de 2011 el número aumento a y para el primer trimestre llegó a , para mayor comprensión a continuación se muestran las graficas respectivas: 3 1t_2012.pdf 20

21 GRÁFICA 3. Penetración de banda ancha 1T-2011 a 1T2012 De acuerdo a los datos se puede observar que las tecnologías 3G y 4G alcanzaron los suscriptores, mostrando un crecimiento de 10,6% con relación al cuarto trimestre de 2011 A continuación se muestra las cifras de suscriptores según la modalidad de pago: 21

22 GRÁFICA 4. Distribución de usuario por modalidad de pago , , 83 Pospago Prepago Fuente: LTE: Elaboración propia 4.5. DRIVERS QUE IMPULSAN LA APARICIÓN DE REDES 4G Uno de los motivadores que impulsaron a la aparición de la redes 4G o LTE es el internet, que ha entrado en nuestras vidas de una forma que le ha dado un cambio drástico, a tal punto que cambio nuestra forma de comunicarnos, de trabajar y hasta la forma en que compramos. Hoy en día se puede comprar, reservas o hacer lo que queramos por medio del internet, pero el internet solo no podría hacer todo esto, y va de la mano de la banda ancha que es considerado otro motivador. 4 El internet tiene una variedad de aplicativos, desde el hasta las redes sociales, desde el e-commerce hasta el entretenimiento. Todos estos servicios cambiaron nuestra manera de vivir. 4 COMUNICACIONES MÓVILES DE ÚLTIMA GENERACION. Hugo Campos Polo, Universidad Santo Tomas,

23 Otro motivador que dio la aparición de la redes 4G es la banda ancha, ya que los usuarios han encontrado que ella cambia radicalmente la experiencia que tienen al navegar en internet, anteriormente la conexión que se tenía a internet era conmutada a una velocidad de 56 Kb por vía telefónica, donde se podía demorar horas descargando una canción de 5 minutos y si se era muy desafortunado entraba una llamada y se caía el internet, ya teniendo una buena conexión a internet gracias a la banda ancha, no solo se puede descargar música o archivos de una forma más ágil, sino que también se podía acceder a aplicaciones multimedia, televisión y juegos interactivos. Un tercer motivador de LTE son los Smartphone que con su capacidad de almacenamiento, de reproducir aplicaciones multimedia y múltiples funcionalidades que tiene hace que sea un motivador muy fuerte para la aparición de esta tecnología. El crecimiento de los Smartphone ha influido en el desarrollo de aplicaciones móviles. Poco a poco, las marcas van tomando presencia en este nuevo espacio para establecer un vínculo más directo con el consumidor. Según investigaciones del IDC, a finales del 2015 se incrementará a 982 millones de Smartphone en el mercado; es decir, habrá cerca de mil millones de personas con teléfonos inteligentes. Esto implicará que las descargas de aplicaciones aumentarán a 183 millones dentro de los próximos años. Hoy en día las aplicaciones más exitosas no son aquellas que introducen nuevas ideas, sino aquellas que ofrecen innovadoras maneras de hacer mejor y más fácil las cosas. 5 Haciendo analogía a lo que dicen, vemos que la tecnología móvil esta en un constante crecimiento, empezando por celulares inmensos, ahora llamados panelas,pero que hace unos años, eran la sensación y pocos podían acceder a ellos, solo aquellas personas que tuvieran un ingreso económico relativamente alto, de allí se puede decir que empezó a evolucionar la tecnología móvil que hoy en día se conoce como Smartphone, estos por su gran capacidad de interacción con el usuario, sus grandes aplicaciones y sus servicios que nos ofrecen, están revolucionando la industria

24 Hace unos años en la infancia de muchas personas los juguetes eran carros, canicas, muñecos, y lo mejor que se tenia era un súper nintendo, ya hoy en día los niños de 7 a 18 años solo quieren tener tabletas, pc s, y Smartphone ya que en este último, encuentran una gran cantidad de aplicaciones, desde juegos, correo, mensajería instantánea y redes sociales que hoy son el medio de comunicación que más usan. Ya no se ve en las calles niños, jóvenes, adultos hablando por celular, sino digitando sobre un teléfono celular, como no solía ser hace muy poco, esto es debido a que cada día la industria de la tecnología celular nos permiten interactuar de una forma segura, veloz y diferente con las demás personas. Los Smartphone con su capacidad para reconocer gestos, contenidos 3D y traducción de textos son algunas de sus funciones, con cámaras de alta definición, tecnología para grabar y reproductor multimedia, funciones de geolocalización, acelerómetro y servicios que se valen de la inteligencia artificial y la realidad aumentada para entregar datos precisos del mundo que los rodea. Los Smartphone son algo más que inteligentes. Su impacto en la vida actual es tal que incluso han llegado a reemplazar a otros dispositivos tradicionales. Un estudio de la firma de mercadeo Prosper Mobile Insight asegura que ya han reemplazado al despertador, al GPS, a la cámara digital, al MP3, al radio, al PC y hasta a los reproductores de video. En el cerebro de estos aparatos cabe una lista casi infinita de funciones. Gracias, sobre todo, a lo avanzado de sus sistemas operativos: Android, ios, Windows Phone y Blackberry OS. 6 Es tanta la evolución que ha adquirido los Smartphone que los mismos usuarios desconocen cantidades de aplicaciones que tienen su teléfono como las nombradas anteriormente y su función principal que es la de llamadas ya no es tan usada, sino que ya todo se hace a través del internet. Todo tiende a esto a la nube, a los planes de datos. Según cifras que nos da Junsuk Hwang, product manager LG Mobile Colombia, donde la penetración de los Smartphone en Colombia en el 2012 está en un 7%, pero que a final de año llegara a un 12%, con estas podemos afirmar que los Smartphone arrasaran con toda la industria tecnológica. 6 Periódico el Tiempo 24

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26 4.6. LTE EN COLOMBIA Las empresas de telecomunicaciones del país van de la mano cada vez más con los otros países desarrollados como estados unidos que son potencia en esta tecnología. UNE EPM Telecomunicaciones ya están implementando la tecnología LTE en Módems y se está preparando para ampliar su oferta comercial 4G LTE a teléfonos móviles. Primeras pruebas son realizadas con el Huawei Ascend P1. Ya tiene plataforma de televisión móvil HD. 7 Estas primeras pruebas realizadas en el Smartphone Huawei Ascend P1 es un primer avance de que muy pronto tendremos equipos móviles que soporten esta tecnología. Marc Eichmann, presidente de UNE, aseguró que tanto la compañía china Huawei como la coreana Samsung están trabajando para proveer este tipo de celulares, con el fin de que puedan entrar lo antes posible al mercado móvil. Cabe señalar que la frecuencia de 2,6 Gigahertz, que es por la que opera el 4G LTE de UNE, no cuenta en la actualidad con una amplia gama de dispositivos móviles disponibles en el mercado. Sin embargo, el ejecutivo aseguró que en el mediano plazo serán cada vez más los terminales. 8 UNE también está en el desarrollo de una plataforma de televisión móvil de 15 canales de alta definición que se podrá trasmitir por el momento en internet de alta velocidad y actualmente solo sus empleados lo están utilizando pero por medio de sus equipos personales o tabletas. Esta plataforma estará disponible para móviles en diciembre cuando empiece a ofrecerlos. 7 celulares-4g-lte

27 5. MARCO TEORICO Es necesario hacer mención en éste punto algunas de las investigaciones a las cuales se recurrieron no solo para ampliar conceptos y temáticas de esta propuesta investigativa sino también para hacer una serie de comparaciones y de esta manera poder hacer de esta investigación algo novedoso, así, por ejemplo, el estudio que realizaron Carlos Reines Gonzales y Julio Navío Marco, acerca de la tecnología LTE, donde la catalogan como la estrella del 2009, y se hace un análisis de los diferentes cambios que se presentaran a lo largo de la implementación de esta, divergiendo de la presente investigación puesto que el anterior es solo un artículo de revista donde se exponen algunos de los puntos de la tecnología y principales cambios que esta misma genera pero muy superficialmente. Por otra parte, está el articulo realizado por José Manuel Huidibro, donde refiere los importantes avances que ha tenido la telefonía móvil, haciendo una comparación con los avances del internet, difiriendo de la presente investigación, puesto que el articulo hace un breve recorrido por las diferentes tecnologías que han sido utilizadas por la telefonía móvil, donde se incluye la LTE, comparándolas con las tecnologías utilizadas en el internet. Por último está la investigación realizada por Juan Paúl Inga Ortega, y Andrés Leonardo Ortega Ortega, sobre el Análisis técnico de los servicios adicionales de la tecnología Long Term Evolution sobre Sistemas Móviles de Cuarta Generación- 2010, en Ecuador, donde en si se hace un análisis como se plantea de los nuevos servicios que presta la tecnología y como estos se están llevando a cabo en ecuador, lo que la hace diferente a la presente investigación. Es por esto que se ha decidido trabajar acerca de la tecnología LTE considerando que esta generara un gran impacto en el país en muchos ámbitos, como el económico, el social, el laboral entre otros, además partiendo del hecho que la tecnología aun no se ha implementado y es nueva en el mercado en Colombia hay pocas investigaciones acerca del tema principal de la presente investigación. 27

28 5.1. HISTORIA DE LAS COMUNICACIONES MÓVILES Desde sus inicios a finales de los 70, las comunicaciones móviles han revolucionado enormemente las actividades que realizamos diariamente. Los teléfonos celulares se han convertido en una herramienta primordial para la gente común y los negocios. A pesar de que la telefonía celular fue concebida estrictamente para servicios de voz, hoy es capaz de brindar servicios de datos, audio y video, entre otros. El primer radioteléfono corrió a cargo de Motorola en 1973 en Estados Unidos; pero no fue hasta 1979 cuando aparecieron los primeros sistemas comerciales en Tokio, Japón, por la compañía NTT. Era la 1G de teléfonos móviles y se caracterizó por: Un sistema análogo basado en conmutación de circuitos. Posibilidad de comunicaciones de voz. Cada país desarrollo su estándar. Acceso FDMA. Calidad de enlaces de voz era muy baja. No contaba con ningún tipo de seguridad. Contaba con poca capacidad de almacenamiento. La tecnología predominante de esta generación es AMPS (Advanced Mobile Phone System), que llegó a EEUU en 1983 y fue pionera entre los sistemas celulares analógicos. La 2G desembarcó en 1990 y a diferencia de la primera se caracterizó por: Sistema digital basada en la conmutación de circuitos. Protocolo de codificación más sofisticado. Posibilidad de comunicación de voz. Sistema de seguridad avanzado o posibilidad de roaming. La velocidad de información es más alta para voz pero limitados en comunicaciones de datos. Acceso TDMA (aunque realmente es FDMA/TDMA). Modulación GMSK. Portadoras de 200Khz (una para uplink y otra para downlink). Ofrece servicios de SMS (Short Mesagges Services). 8 intervalos de tiempo por portadora. 28

29 Las celdas utilizan diferentes frecuencia Reuso de frecuencia con factores de 3 y 9 para evitar interferencias, lo cual es ineficiente. Se pueden ofrecer servicios auxiliares, como datos, fax. La tecnología predominante de esta generación es GSM (Global System Mobile) y CDMA (Code Division Multiple Acces).Desde finales de los años 90 la carrera tecnológica es imparable, con la introducción de nuevos terminales, muchos más pequeños. Posteriormente aparece la 2.5G cuyas características son: Las velocidades de datos en GPRS están alrededor de 171,2 Kbps. Las velocidades de transmisión más comunes en GPRS están en el orden de 40 y 60Kbps. 9 EDGE tiene capacidad de transmisión en velocidades alrededor de 384Kbps (8PSK). En CDMA2000 1x, las velocidades de transmisión están alrededor de 70 y 800Kbps. Su tecnología predominante es la GPRS (General Packet Radio System) que introduce la conmutación de paquetes en las redes GSM (introduce el mundo IP); aparecen los MMS (Mensajes Cortos Multimedia); La 3G se caracteriza por: Acceso W-CDMA. Portadoras de 5Mhz (una para uplink y otra para Downlink). Caminos separados para voz y datos. Modulación QPSK. Velocidades máximas de 2Mbps. Reuso de frecuencia de 1: la misma portadora en toda la red. No requiere planeación de frecuencias. Se utiliza el código scrambling para diferenciar las celdas. Macro-diversidad: estaciones vecinas para sumar las diferentes señales recibidas del usuario a fin de mejorar el nivel de recepción. 9 COMUNICACIONES MÓVILES DE ÚLTIMA GENERACION. Hugo Campos Polo, Universidad Santo Tomas,

30 Handover suave, que utiliza recursos tanto en la celda de origen como de destino, para garantizar que el handover sea exitoso. También integrar la convergencia de voz y datos con acceso inalámbrico a Internet; lo cual la hace apta para aplicaciones multimedia y altas transmisiones de datos. Los protocolos empleados en los sistemas 3G soportan altas velocidades de información y están enfocados para aplicaciones más allá de la voz como por ejemplo audio (mp3), video en movimiento, videoconferencia y acceso rápido a Internet. El estándar que define la tecnología 3G es el UMTS (Universal Mobile Telecommunications System). El sector de las comunicaciones móviles celulares ha mostrado un gran dinamismo en las dos últimas décadas. Los inicios de la década de los 1990 vinieron marcados por el crecimiento exponencial de usuarios de voz al amparo de un entorno cada vez más competitivo y con predominancia de la tecnología GSM como estándar de facto a nivel mundial. Posteriormente, y contrariamente a lo que pronosticaban muchos estudios de mercado, la madurez alcanzada en el servicio de voz no se vio relevada por los servicios de datos en los primeros años de los 2000 de la mano del cambio tecnológico asociado a la implantación del acceso radio WCDMA de UMTS. A nivel global, la principal competencia de UMTS es cdma2000, emanado del 3GPP2. La clara necesidad de mayores velocidades de transmisión de datos como condición necesaria para el eventual despegue de estos servicios encuentra respuesta en la tecnología HSPA, y equivalentemente EV-DO en el contexto 3GPP2, elementos a la postre facilitadores del crecimiento exponencial del tráfico de datos observado desde 2007, junto con la generalización de las tarifas planas para el acceso a Internet móvil. El camino apuntado por el 3GPP para cubrir las necesidades tecnológicas en el horizonte tiene a LTE como máximo exponente. La predominancia de LTE supone el fin del camino paralelo del 3GPP2, que abandona el desarrollo de UMB, equivalente a LTE. El contrapunto competitivo para LTE intenta impulsarse desde IEEE con WiMAX e y posteriormente m, como solución propiamente IMT-Advanced (sistema 4G), al igual que la propuesta LTE-Advanced por parte del 3GPP. 30

31 ILUSTRACIÓN 1. Evolución de tecnologías móviles FUENTE: ARQUITECTURA Aspectos Generales: Se denomina comunicación móvil a la transmisión de datos (en especial voz) a través de un dispositivo o terminal móvil que conecta al usuario a la red por medio de la interfaz radioeléctrica. El terminal móvil es el que permite acceder a la red celular, el nombre celular se origino gracias a la distribución de las antenas repetidoras, donde a cada una se le considera una célula. La comunicación móvil consiste en la combinación de una red de estaciones transmisores-receptores también llamado repetidores o antenas y que a su vez se encuentran conectados a una central de conmutación que hace posible la comunicación entre la red celular y la telefonía fija Arquitectura general: 31

32 La arquitectura general de una red móvil se compone de una serie de elementos que se describen a continuación: El Terminal: Es el equipo que interactúa con el usuario y desempeña una función determinante que es la de codificar (vocoder) la información y transmitirla a la red. Es capaz de transmitir desde audio a cualquier tipo de contenido multimedia. Interfaz radioeléctrica: es el tipo de transmisión de información sin hacer uso de medios guiados y se realiza a través del aire, también se llama tipo de acceso de radio. Esta etapa es de un alto nivel de importancia debido a que se encarga de la comunicación entre el usuario y la red, en esta interfaz se regula la forma de trasmitir la información y la velocidad en la cual se transmiten. Estaciones base: se trata del conjunto de elementos tales como equipos de monitoreo y antenas que cumplen el papel de dar cobertura al terminal móvil. Control de estaciones base: como su nombre lo indica es encargado del control de un conjunto de estaciones base con el fin de mantener la conexión a través del salto de una antena a otra, este proceso también es conocido como handover Tipos de acceso: Como se mencionó anteriormente, la interfaz radioeléctrica corresponde al método de transmisión de la información que viaja por el aire y que hace posible que varios usuarios puedan comunicarse al mismo tiempo. Sin una técnica de organización surgiría una serie de interferencia que afectaría de manera directa la comunicación. Existen varios métodos de transmisión de la información de manera analógica o digital, cada método se caracteriza por transmitir a diferente potencia, operar en un ancho de banda específico y por su dirección de transmisión: en un sentido (simplex) o en ambos sentidos (dúplex). Para los sistemas de datos cada tipo de acceso permite diferentes velocidades de transmisión. A continuación se describen de manera general los posibles tipos de acceso en comunicaciones móviles: 32

33 Acceso múltiple por división de frecuencia (FDMA): esta técnica puede ser utilizada tanto en una transmisión analógica como digital. En FDMA el acceso al medio se realiza dividiendo el canales el espectro disponible, dichos canales corresponden a diferentes rangos de frecuencia y a su vez se asignan a los distintos usuarios sin interferirse entre sí. En otras palabras este acceso brinda a cada usuario su propia banda de frecuencia, los canales son asignados según la demanda. Acceso múltiple por división de tiempo (TDMA): esta técnica solo puede ser usada en la transmisión de señales digitales, transfiere la información haciendo uso de la multiplexación que distribuye las unidades de información en ranuras o slots alternados en el tiempo, permitiendo acceso múltiple a un reducido número de frecuencias, es decir que esta técnica permite que varios usuarios puedan comunicarse ocupando la misma frecuencia pero de manera alternada, dicho de otra manera cada usuario ocupa un intervalo de de tiempo por cada ciclo. TDMA divide la información en paquetes de datos para después reconstruirla uniendo los bloques. Acceso múltiple por división de código (CDMA): El acceso por código es un método de multiplexación basado en la tecnología de espectro expandido (Spread Spectrum) y un esquema especial de codificación, al que a cada transmisor se le asigna un código único elegido de manera ortogonal con respecto a los demás. El receptor capta las señales emitidas por todos los transmisores al mismo tiempo pero como emplea el esquema de codificación es capaz de seleccionar la señal de interés si conoce el código empleado, con este método se utiliza una sola frecuencia para transmitir la información de varios usuarios a la vez. La arquitectura de red de LTE es simplificada comparada con la arquitectura de las redes de las generaciones anteriores. En el acceso, las estaciones base aumentan su capacidad de procesamiento para tomar decisiones que en las generaciones anteriores se concentraban en las controladoras, las cuales desaparecieron. 10 La arquitectura LTE además de reducir el número de bloques en la red y permitir la coexistencia con redes 2G/3G y redes no 3GPP permite entregar muchos beneficios en relación con la arquitectura UMTS. Estos son: 10 COMUNICACIONES MÓVILES DE ÚLTIMA GENERACION. Hugo Campos Polo, Universidad Santo Tomas,

34 Mejor calidad del servicio gracias a la simplicidad en el núcleo. Disminución de latencia debido a un único nodo en la interfaz aérea. Facilidad en el mantenimiento y operación de la red. Mayor soporte de handover debido a la disminución de bloques. La arquitectura LTE está conformada por los siguientes bloques: UE: User Equipment (Equipo de usuario). enb: Evolved Node-B (Nodo-B evolucionado). MME: Mobility Management Entity (Entidad de gestión de movilidad). GW: Gateway (Puerto de enlace). A su vez el subsistema Gateway (GW) está formado por bloques El Serving- Gateway (SGW) y el Packet data Network Gateway (PGW). ILUSTRACIÓN 2. Separación funcional entre enb y MME/SGW Fuente: LTE: Nuevas Tendencias En Dispositivos Móviles Vodafone España 34

35 Como se puede observar en la figura, el conjunto de estaciones base enb corresponde a la red de acceso de radio E-UTRAN (Evolved- UMTS Terrestrial Radio Access Network). Mientras que el conjunto de MME y GW (en la imagen SGW) interconectados corresponde al núcleo de red EPC (Evolved Packet Core). La interfaz X2 permite la interconexión uno a uno entre enbs. Mientras que la interfaz S1 logra la conexión de varios enbs a MME o SGW A diferencia de UMTS La conexión entre estaciones bases enbs ya no se realiza por medio de un controlador de radio (RNC). Todas las funciones del RNC se incorporan al enb. De este modo el control de los recursos de radio y la comunicación entre enb cercanas es mucho más directa. Las redes LTE se separan en dos sectores, la transferencia de datos de usuario y de control en la interfaz de radio. En el sector de usuario circulan datos del usuario permitiendo distribución y procesamiento de los servicios y aplicaciones en el terminal móvil, mientras que en el sector de control se distribuye y procesan los datos propios del control del sistema, permitiendo mayor facilidad para la supervisión de la red. Esta separación entrega un mayor control de los datos y una mejor calidad de trafico cuando la red esta congestionada. Cada uno de estos sectores posee una serie de protocolos que posibilitan realizar diversas funciones de cada bloque de la arquitectura de red. 35

36 ILUSTRACIÓN 3. Separación funcional entre el enb, MME, SGW y PGW Fuente: LTE: Nuevas Tendencias En Dispositivos Móviles Vodafone España En la gráfica anterior se muestra la separación de funciones entre E-UTRAN y el EPC. La parte amarilla identifica los bloques de la red, los blancos permiten visualizar la función de cada bloque en el sector de control y en azul se muestra la capa de protocolos de radio. Las funciones generales de cada uno de los bloques se describen a continuación: (UE: User Equipment) Equipo de Usuario: en LTE el equipo de usuario es mucho más avanzado permite servicios más completos y soporta mayores velocidades de transferencia, además tiene la posibilidad de entrar en modo inactivo idle cuando no está siendo utilizado para optimizar el ahorro de energía en el terminal sin perder la movilidad. (enb: Evolved Nodo B) Nodo-B evolucionado: El enb desempeña las mismas funciones que los Nodos-B en UMTS y a su vez incorpora las 36

37 funciones del RNC, generando mayor autonomía de los enbs lo que se ve reflejado en una mayor eficiencia para la movilidad (handover). Las funciones que desempeña el enb son las siguientes: Manejo de recursos de radio: control de portadoras de radio, control de admisión, control de movilidad de conexión, asignación dinámica de recursos para el enlace ascendente y descendente, control de potencia, control de congestión de celdas. Compresión de la información IP de cabecera, el cifrado, re ensamblé y envío confiable de los paquetes al UE. Selección del MME cuando el enrutamiento no se puede realizar con la información entregada por el UE. Enrutamiento de datos del plano de usuario hacia el SGW. Programación y transmisión de mensajes paging (originados por el MME). Programación y transmisión de información broadcast (originados por el MME). Medición y emisión de reportes de configuración de la movilidad y programación. (MME: Mobility Management Entity) Entidad de gestión de movilidad: el MME es una entidad de señalización (opera en el sector de control) que permite el control de los nodos en las redes LTE, una de las ventajas de tener una entidad independiente encargada de la señalización es que el trafico y la capacidad de la red pueden crecer de manera autónoma. El MME gestiona la movilidad hacia las redes externas ya que determina la elección del PGW a través del protocolo NAS. De manera análoga es el responsable de la conexión con el SGW más indicado permitiendo que se establezca una conexión entre el UE y el nuevo enb. También se encarga de la autenticación de usuarios por medio de una comunicación directa con el HSS. Además posee un sistema de control de portadoras-eps que permite administrar el tráfico estableciendo un enlace, brindando mayor prioridad a los servicios que lo requieren como la voz, videoconferencia, etc. Sus funciones se pueden resumir de la siguiente manera: Autentificación con el HSS. Roaming. Permite al UE entrar en modo idle. 37

38 NAS de señalización. Manejo de portadora-eps. Determinación del PGW y SGW. Realiza el seguimiento de la ubicación del UE. Selecciona un nuevo MME para cambio de zona. Selección de SGSN. Permite movilidad con redes 2G y 3G. Recolección de cobro. (SGW: Serving Gateway)Puerto de Enlace de Servicio: este bloque es similar a Serving GPRS Support Node SGSN, está encargado del enrutamiento de los paquetes de datos se desempeña en el sector de usuario y es controlado por el MME actúa como anclaje de movilidad local reenviando y recibiendo los paquetes al enb y ofreciendo cobertura al UE. También garantiza la movilidad con las redes GSM UMTS. Cuando el UE está en modo idle el SGW se encarga de liberar la ruta de datos del enlace descendente permitiendo el re-uso de ancho de banda disponible, además almacena y gestiona la información del UE, sus funciones se resumen a continuación. Liberación de la ruta de enlace cuando el UE está en modo idle. Transporte y contabilidad de información de UE conectado. Anclaje de movilidad para redes 3GPP. Punto de anclaje para handover entre enbs. Enrutamiento y envió de paquetes al enb. (PGW: PDN Gateway) Puerto de Enlace hacia Red de Paquetes de Datos Esta entidad es la encargada de proporcionar conectividad entre la red LTE y las redes externas (denominadas como Packet Data Network, PDN, en las especificaciones 3GPP). Es decir, a través de la entidad P-GW, un usuario conectado al sistema LTE resulta visible en la red externa. Por tanto, los paquetes IP generados por el usuario se inyectan en la red externa a través de esta pasarela y, viceversa, todo el tráfico IP dirigido a un terminal LTE proveniente de la red externa va a ser encaminado hasta el P-GW, un 38

39 usuario tiene asignada como mínimo una pasarela P-GW desde su registro en la red LTE. Entre las principales funciones de la pasarela P-GW podemos destacar: Aplicación de las reglas de uso de la red (policy control) y control de tarificación a los servicios portadores que tenga establecidos el terminal. La asignación de la dirección IP de un terminal utilizada en una determinada red externa se realiza desde la pasarela P-GW correspondiente. La dirección puede ser una dirección IPv4, IPv6 o bien un par de direcciones (IPv4, IPv6). El mecanismo de asignación de la dirección se sustenta en la señalización propia de la red LTE (el terminal recibe la dirección IP a través de los protocolos NAS) o bien en la utilización de protocolos propios de redes IP como DHCP. La pasarela P-GW actúa de punto de anclaje para la gestión de movilidad entre LTE y redes no 3GPP. La pasarela alberga funciones de Home Agent (HA) para proporcionar continuidad de servicio en caso de utilizar el protocolo Mobile IPv4 (MIPv4) para gestionar la movilidad entre la red LTE y, por ejemplo, una red WiMAX. Además de MIPv4, la pasarela incluye soporte de movilidad para los protocolos Dual Stack MIPv6 (DSMIPv6) y Proxy MIPv6 (PMIPv6). 11 El tráfico IP que transcurre por la pasarela P-GW es procesado a través de un conjunto de filtros que asocian cada paquete IP con el usuario y servicio portador EPS correspondiente. Esto permite, por un lado, aplicar las reglas de uso y tarificación antes comentadas, y por otro, aplicar funciones de inspección y verificación de la validez de los paquetes IP que cursa la red (packetscreening). De esta forma, la pasarela puede descartar los paquetes IP que sean considerados como tráfico anómalo (un equipo de usuario envía paquetes con una dirección o puertos para los que no está autorizado) PCRF La entidad de red PCRF (Policy and Charging Rules Function) constituye un elemento clave de todos los sistemas 3GPP, y en particular, del sistema LTE. La entidad PCRF forma parte del marco funcional denominado PCC (Policy and 11 LTE: NUEVAS TENDENCIAS EN COMUNICACIONES MÓVILES. Ramón Agusti, Francisco Bernardo, Fernando Casadevall, RamonFerrús, Jordi Pérez-Romero, Oriol Sallent. 39

40 Charging Control) que se utiliza para controlar los servicios portadores que ofrece la red LTE (activación y determinación de los parámetros de QoS asociados a cada servicio portador) así como realizar el control de los mecanismos de tarificación (tarificación on-line, offline, medición del volumen de datos transferido, tiempo transcurrido, etc.). Así pues, mediante la interfaz Gx, el PCRF gestiona los servicios portadores EPS de la red LTE mediante el envío de unas reglas de uso (reglas PCC) que sirven para configurar la operación de unas funciones específicas del plano de usuario de la pasarela P-GW (funciones que limitan la tasa de transferencia en bits/s de los servicios portadores). La entidad PCRF es accesible desde las plataformas de servicios externas como IMS mediante la interfaz Rx. Dicha interfaz ofrece la funcionalidad de control necesaria para que los servidores de aplicación externos puedan proporcionar información asociada a los servicios finales a los que accede el usuario junto con las características y requerimientos de QoS. A modo de ejemplo, si un usuario establece un servicio de videoconferencia a través de IMS, el elemento que controla la provisión del servicio en IMS puede indicar a través de la interfaz Rx cuáles son los parámetros de QoS que debe proporcionar el servicio portador de la red LTE para transferir de forma adecuada la información de la videoconferencia. Con esta información, la entidad PCRF envía a la red LTE las reglas PCC pertinentes para la configuración de los servicios portadores HSS (Home Subscriber Server). El HSS es la base de datos principal del sistema 3GPP que almacena la información de los usuarios de la red. La información contenida en el HSS abarca tanto información relativa a la subscripción del usuario (perfil de subscripción) como información necesaria para la propia operativa de la red. La base de datos HSS es consultada, y modificada, desde las diferentes entidades de red encargadas de proporcionar los servicios de conectividad o servicios finales (desde, MME de red troncal EPC, SGSN de la red GPRS, MSC del dominio de circuitos y también desde servidores de control del subsistema IMS). El HSS contiene tanto información permanente que sólo puede ser cambiada mediante procesos administrativos (campos creados al dar de alta a un usuario en la red o cambiar las condiciones de su contrato), así como información temporal que cambia a raíz de la propia operación del sistema (localización del terminal dentro de la zona de servicio del sistema). Así, entre la información almacenada en el HSS podemos destacar: identificadores universales del usuario (International 40

41 Mobile Subscriber Identity, IMSI), identificadores de servicio (Mobile Station ISDN, MSISDN); información de seguridad y cifrado (vectores de autenticación); información de localización del usuario en la red (identificador de la entidad de control, MME, que proporciona el plano de control hacia un determinado usuario); información necesaria para la provisión de los servicios de acuerdo con las condiciones establecidas en el contrato de subscripción (identificador de la red externa y parámetros de calidad de servicio del servicio portador por defecto). 12 La entidad HSS se estandarizó en 3GPP R5 en base a la integración de dos entidades definidas inicialmente en redes GSM y que se denominan HLR (Home Location Register) y AuC (Authentication Center), a las que se añadieron funciones adicionales necesarias para soportar el acceso y la operativa del sistema LTE. En la Reléase 8 correspondiente al sistema LTE, el HSS abarca: El subconjunto de funciones de las entidades HLR/AuC necesarias para el funcionamiento del dominio de paquetes EPC, así como GPRS. El acceso a HSS desde la red EPC se realiza desde la entidad de red MME mediante la interfaz S6a. El subconjunto de funciones de las entidades HLR/AuC necesarias para el funcionamiento del dominio CS. Funciones de soporte asociadas a las funciones de control del subsistema IMS como la gestión de información relativa a la subscripción de servicios IMS y el almacenamiento de perfiles de usuario asociados a servicios IMS. Las entidades de red que acceden a la base de datos HSS para gestionar el acceso al servicio de conectividad de la red troncal EPC son las siguientes. Cuando el acceso se realiza a través de E-UTRAN, la entidad MME es la que interactúa con la base de datos a través de la interfaz S6a. Cuando el acceso es a través de UTRAN o GERAN, el acceso a HSS se realiza desde el Server GPRS Support Node (SGSN) mediante la interfaz S6d. Cuando el acceso es a través de redes no 3GPP, el acceso se canaliza a través del servidor AAA mediante la interfaz SWz. 12 LTE: NUEVAS TENDENCIAS EN COMUNICACIONES MÓVILES. Ramón Agusti, Francisco Bernardo, Fernando Casadevall, RamonFerrús, Jordi Pérez-Romero, Oriol Sallent. 41

42 5.5. TRAMAS En el dominio temporal los recursos físicos del sistema LTE se estructuran siguiendo dos posibles estructuras de trama, que se describen a continuación: Estructura de Trama 1 Esta estructura es válida para sistemas que utilizan duplexado por división de frecuencia (FDD) y aplica tanto al enlace descendente como al ascendente. Además, la estructura soporta tanto half como full dúplex FDD. En esta estructura el eje temporal se divide en tramas de 10 ms. Cada trama a su vez está compuesta por 20 ranuras temporales (Slots o TS) de duración 0,5 ms. Se define una unidad básica de recursos, formada por dos ranuras temporales (TS) denominada subtrama de duración 1 ms. Esta estructura está optimizada para coexistir con el sistema UMTS. En cada ranura temporal (TS) se transmiten 6 ó 7 símbolos OFDM cada uno de ellos de duración Ts= 66,7μs. En el caso de utilizar 7 símbolos, el Prefijo Cíclico (CP), que a partir de ahora denominaremos prefijo cíclico normal, tiene una duración de 4,7μs, salvo para el primer símbolo que tiene un prefijo cíclico de 5,2μs. Si se utilizan 6 símbolos por ranura temporal entonces el prefijo cíclico, que a partir de ahora denominaremos prefijo cíclico largo, tiene una duración de 16,67μs. Normalmente en celdas muy grandes se utiliza una estructura de 6 símbolos por ranura temporal ya que los retardos de propagación pueden llegar a ser de algunos μs, lo que requiere un mayor prefijo cíclico para compensar la propagación multi-camino. Los usuarios se ubican en determinadas subportadoras, siguiendo la estructura de un PRB, por un intervalo de tiempo preestablecido, que se determina de forma dinámica por el gestor de recursos radio (Scheduler). La mínima granularidad temporal en la asignación de recursos es de 1 ms, es decir una subtrama. ILUSTRACIÓN 4. Estructura de trama tipo 1 42

43 Fuente: LTE: Nuevas Tendencias En Dispositivos Móviles Vodafone España. Existe un modo de operación denominado Reduced Subcarrier Spacingen donde la separación entre portadoras (Δf) es de 7,5KHz. En esta modalidad se transmiten 3 símbolos OFDMA por ranura temporal utilizando un Prefijo cíclico de 33,33μs. Esta modalidad se utiliza cuando se opera en modo MBSFN (Multimedia Broadcast Single Frequency Network) Estructura de Trama2 Esta es una estructura pensada para operar en modo TDD (Duplexado por división en tiempo). Como en el caso anterior, el eje temporal se divide en tramas de 10 ms. Cada trama a su vez está compuesta por 10 subtramas, cada una de duración 1 ms. Es una estructura de trama mucho más flexible que la anterior en tanto que contiene subtramas de transmisión tanto para el enlace descendente (DL) como ascendente (UL) así como subtramas especiales que contienen los símbolos piloto de los enlaces ascendente y descendente y periodos de guarda entre transmisión y recepción. Esta subtrama especial aparece para facilitar la transición entre los enlaces descendente y ascendente por razones de sincronización. En efecto, aunque el sistema esté correctamente sincronizado temporalmente, por lo que respecta al enlace ascendente sus transmisiones siempre pueden sufrir de una pequeña incertidumbre temporal que obliga a mantener un mínimo tiempo de guarda. ILUSTRACIÓN 5. Estructura de trama tipo 2 43

44 Fuente: LTE: Nuevas Tendencias En Dispositivos Móviles Vodafone España La subtrama especial tiene una configuración variable. En ella se pueden distinguir tres campos: DwPTS, que corresponde a la transmisión en el enlace descendente, y cuya longitud mínima es 1 símbolo OFDM. Este primer símbolo OFDM se utiliza para ubicar, ahora que el sistema opera en modo TDD, la denominada señal de sincronización primaria. Los restantes símbolos de este campo (si existen) pueden transportar señales de referencia o incluso datos. UpPTS que corresponde a la transmisión en el enlace ascendente. Se utiliza para transmitir un preámbulo corto de acceso aleatorio (short RACH preamble) compuesto por 2 símbolos OFDM. Los restantes símbolos de este campo (si existen) pueden transportar señales de referencia o incluso datos. GP o periodo de guarda. La longitud del mismo depende de los campos anteriores. Hay 7 combinaciones diferentes de ubicación de las distintas subtramas, tal como muestra la siguiente tabla, si bien las subtramas 0 y 5 son siempre para la transmisión en el enlace descendente y la subtrama 1 es siempre de tipo especial. 44

45 TABLA 1. Posibles configuraciones de las sub-tramas. Fuente: LTE: Nuevas Tendencias En Dispositivos Móviles Vodafone España En la tabla D indica subtrama dedicada al enlace descendente, U subtrama dedicada al enlace ascendente y S subtrama especial. Como se ha dicho anteriormente, las tramas 0 y 5 siempre corresponden al enlace descendente ya que incluyen a las señales de sincronización utilizadas para la búsqueda inicial de celda o de celdas adyacentes CANALES USADOS EN LTE Los canales vienen heredados de las generaciones anteriores y se clasifican en: Canales físicos: mapeados dentro del RB. Canales de transporte. Canales lógicos: manejados principalmente por el enb. 45

46 ILUSTRACIÓN 6. Canales y protocolos en el acceso Fuente: Comunicaciones móviles de última generación Hugo Campos Polo BCCH: canal lógico broadcast (enb => UE) 13 Es usado para transmitir información de red, necesaria para que los terminales Puedan acceder a ésta. El terminal escucha el canal BCCH mientras está en el estado idle. Algunos resource elements son usados por la red para sincroniza ral terminal, lo que le permite a este encontrar el canal BCCH. 14 La información que se transmiten por el canal BCCH es: Identificación del operador. Identificación de la celda. El código de área de tracking. Temporizadores. Información de celdas vecinas. PCCH: canal lógico paging (enb => UE) COMUNICACIONES MÓVILES DE ÚLTIMA GENERACION. Hugo Campos Polo, Universidad Santo Tomas, COMUNICACIONES MÓVILES DE ÚLTIMA GENERACION. Hugo Campos Polo, Universidad Santo Tomas,

47 Cuando el terminal está en estado idle, la red no conoce la celda en la que se encuentra sino el área tracking, que es un conjunto de celdas. Cuando la red necesita contactarlo debe llamarlo en todas las celdas que componen el área tracking por medio del paging. Cuando el terminal contesta, se establece un bearer con la red y el paquete es entregado. Para mejorar la autonomía de la batería, el terminal en estado idle apaga el receptor por periodos cortos de tiempo. Cuando el terminal está conectado, la red conoce la celda exacta donde está ubicado. CCCH: canal lógico de control común (enb<=> UE) Se utiliza para intercambiar información de control cuando no hay una asociación confirmada entre el terminal y el enb, por ejemplo durante el establecimiento de la conexión. DCCH: canal lógico de control dedicado (enb<=> UE) Se utiliza para intercambiar información de control cuando la conexión entre el terminal y la red está establecida: Para realizar la actualización del área de tracking. Para autenticar al usuario. Para informar al terminal los recursos de tiempo y frecuencia asignados. MCCH: canal lógico de control multicast (enb => UE) para enviar información de control del servicio MBMS. DTCH: canal lógico de tráfico dedicado (enb<=> UE) para transportar datos del usuario. MTCH: canal lógico de tráfico multicast (enb => UE) para transmitir datos hacia los terminales que tengan el servicio MBMS. RACH: canal de transporte de acceso aleatorio (UE =>enb), Utilizado por el terminal para acceder a la red cuando no tiene ningún bearer establecido. Se conoce con el nombre aleatorio de random debido a dos razones: la red nunca sabe cuándo puede aparecer este mensaje, porque lo envían los terminales cuando necesitan acceder a la red; y en el evento que dos terminales intenten 47

48 acceder la red al tiempo, se crea una colisión de la señal, lo que es resulto por cada terminal retransmitiendo el canal RACH después de un tiempo aleatorio. 15 PDCCH: canal físico de control downlink (enb => UE), Por medio de este canal la red le informa al terminal cuáles resource block tiene asignados para datos en el sentido uplink, y también le hace control de potencia. PHICH: Canal físico de indicador de HARQ (enb => UE), La red da un reconocimiento positivo (ACK) a los bloques de datos recibidos sin error, o un reconocimiento negativo (NAK) en caso de error o de usar retransmisión selectiva. PUCCH: canal físico de control uplink (EU =>enb), Es usado en los siguientes casos: Para dar reconocimiento positivo o negativo a los bloques de datos recibidos sin error o con error por el terminal. Para solicitar al Scheduler recursos, ya que se tienen datos en el buffer. Como indicador de calidad del canal de datos (CQI) PROTOCOLOS Los planos de usuario y de control están claramente separados. Al plano de usuario corresponden los protocolos que llevan datos de usuario. Cuando se estable este canal se conoce con el nombre de bearer. Al plano de control le corresponden los protocolos usados para señalización y control. 16 Cada nivel se comunica con sus niveles vecinos (superior e inferior) por medio de mensajes llamados unidades de datos; también recibe del nivel superior SDU (unidad de datos de servicio) y entrega al nivel inferior PDU (unidad de protocolo de datos). NAS: Non Access Stratum 15 COMUNICACIONES MÓVILES DE ÚLTIMA GENERACION. Hugo Campos Polo, Universidad Santo Tomas, COMUNICACIONES MÓVILES DE ÚLTIMA GENERACION. Hugo Campos Polo, Universidad Santo Tomas,

49 Es el protocolo que comunica el terminal con el MME para realizar intercambio de información de control. Las principales funciones son: Conexión a la red. Autenticación. Configuración del canal de datos. Gestión de movilidad. RRC: control de recursos de radio Los recursos de la interface RF, tanto en uplink como en downlink, son gestionados por la red. RRC es el protocolo por el cual la red controla el terminal. En el plano de control, RRC es el protocolo de nivel 3 responsable del establecimiento del bearer y de la configuración de todos los niveles que comunican el enb con el terminal. Las principales funciones son: Comunicación de parámetros de celda e información de celdas vecinas. Gestión del paging. Activación de la seguridad y gestión de cifrado. Generación de la clave de cifrado. Gestión de la movilidad: actualización del área de tracking. Gestión del handover. Asignación y liberación de resource blocks para datos de usuario. Asignación de HARQ. Reporte de medidas de celda y celdas vecinas. Medidas de calidad del canal. Establecimiento del bearer. Control de la recepción discontinua del terminal. PDCP: protocolo de convergencia de paquetes de datos Es el protocolo que procesa los mensajes del nivel 3 de RRC en el plano de control y de IP en el plano de usuario, con el objetivo de mantener la integridad de los paquetes entre el terminal y el enb. Existe una entidad PDCP por cada bearer. 17 Las principales funciones son: Codificación para detectar y corregir errores. 17 COMUNICACIONES MÓVILES DE ÚLTIMA GENERACION. Hugo Campos Polo, Universidad Santo Tomas,

50 Cifrado para evitar que los datos sean escuchados. Compresión de cabecera. Al transportar la voz, de naturaleza TDM, por IP se causa ineficiencia debido a la cabecera. La cabecera IPv4 es de 20 bytes e IPv6 es de 40 bytes; con la compresión quedan en 4 o 6 bytes. El PDCP del enb tiene un buffer en el que salva los paquetes recibidos del SGW cuando no puede evacuar a la misma velocidad hacia el terminal. SCTP: protocolo de transmisión de control de streaming El mismo protocolo SCTP es utilizado como transporte de señalización entre el enb y el MME. RLC: control del enlace de radio Su función principal es establecer el bearer. La capa RLC es responsable de segmentar y re-ensamblar los paquetes recibidos de la capa superior, a fin de adaptarlos al tamaño soportado por la interface de radio. Cada segmento es enumerado secuencialmente. Para los bearers que requieren transmisión libre, la capa RLC efectúa tareas de retransmisión para recuperar los paquetes perdidos. Existe una entidad RLC por bearer. Las principales funciones son: Formatear y transportar el tráfico entre el terminal y el enb Segmentar la información para evitar paquetes largos. Concatenar la información recibida. Eliminar mensajes duplicados. Corregir los errores por retransmisión. Asignar canales lógicos. MAC: control de acceso al medio Existe una única capa MAC para los planos de usuario y de control; por lo tanto, se realiza multiplexación o de-multiplexación de datos de diferentes bearers. La capa MAC decide la cantidad de datos a ser transmitidos por cada bearer e instruye al RLC respecto al tamaño de segmentos a ser suministrados. 50

51 La capa MAC negocia la calidad de servicio de cada bearer y reporta al enb la cantidad de datos contenidos en el buffer y a ser transmitidos, para que el Scheduler le asigne recursos. 18 Las principales funciones son: Mapeado de los canales lógicos en los de transporte, y viceversa. Corrección de errores a través del HARQ. Gestión de prioridades a través del Scheduler. Interpretación de un nuevo requerimiento de conexión a la red proveniente del terminal por medio del canal RACH. Manejo del tiempo de avance para prevenir solapamiento de información proveniente de diferentes terminales. Gestión de la recepción discontinua en el terminal para ahorrar batería. Recibo del estado del buffer del terminal para que el Scheduler le asigne recursos. PHY: capa física Funciones: Codificación de los datos en los canales físicos. Modulación OFDM. Mapeo de la información en múltiples antenas BEARER El bearer es un flujo de paquetes IP con una QoS definida entre el Gateway y el terminal. Múltiples bearer pueden ser establecidos para suministrar conexiones con diferentes QoS o hacia diferentes redes. Por ejemplo, un usuario puede tener una llamada de voz, donde prima retardo y el jitter, y acceder al tiempo a una página de internet donde prima la perdida de paquetes en tal caso utiliza los dos bearer. 18 COMUNICACIONES MÓVILES DE ÚLTIMA GENERACION. Hugo Campos Polo, Universidad Santo Tomas,

52 El MME hacia un requerimiento de bearer al PGW pasando por el SGW. Con la aceptación de bearer, el PGW devuelve la IP asignada al terminal. El SGW es involucrado ya que el túnel para datos de usuario pasa por el SGW y no por el MME; además el MME no tiene conexión directa con el PGW QoS en LTE El modelo de QoS delimita el comportamiento esperable del servicio de conectividad proporcionado por una red de transmisión de paquetes. La concreción del comportamiento esperable se materializa mediante la especificación de un conjunto de parámetros de QoS asociados a la obtención de unas determinadas prestaciones en términos de, por ejemplo, tasa (bits/s), retardos de transferencia y tasa de pérdida de paquetes. La forma de delimitar el comportamiento admite diferentes grados de determinismo que condicionan el tipo de mecanismos necesarios para poder aplicar el modelo de QoS. A modo de ejemplo, en redes IP basadas en una arquitectura de QoSDiffserv, el modelo de QoS se plantea en base a conseguir diferenciar tráfico (priorizar el envío de unos paquetes frente a otros) y no se contempla el poder establecer una cota de retardo máximo. Esto hace que la implementación del modelo Diffserv sea relativamente sencilla y escalable. En cambio, en una arquitectura de QoSIntServ, el modelo de QoS permite especificar una cota máxima del retardo de transferencia entre dos nodos de una red IP. La materialización de dicha cota conlleva la necesidad de reservar recursos de transmisión en cada uno de los nodos de la red, por lo que la aplicación de dicho modelo tiene problemas de escalabilidad. Un modelo de QoS también determina el grado de flexibilidad que ofrece un sistema para gestionar la capacidad de transmisión disponible. Está claro que, en redes como LTE, planteamientos de sobredimensionado de la capacidad de transmisión de la red no son viables económicamente (el espectro es limitado y el coste de la infraestructura de red muy elevado). Por tanto, la porción de capacidad de transmisión asignada a un determinado servicio portador debe establecerse en base a las prestaciones mínimas exigibles para garantizar una buena experiencia de uso del servicio final. El comportamiento esperable en términos de prestaciones de QoS de un servicio portador 52

53 EPS depende del tipo de servicio final que se curse a través de dicho servicio portador. A modo de ejemplo, el comportamiento de QoS exigible será completamente diferente en caso de cursar un servicio de VoIP o un servicio de navegación HTTP. Asimismo, la cantidad de recursos de transmisión y la operativa de asignación dinámica de los mismos también serán completamente diferentes en ambos casos. Adicionalmente, los parámetros de QoS exigibles al servicio portador pueden también fijarse en función del tipo de usuario. De esta forma, el soporte de QoS puede explotarse también para diferenciar entre usuarios en función, por ejemplo, de las condiciones subscritas en la contratación del servicio. Bajo esta perspectiva, para un mismo servicio, el operador de la red LTE puede ofrecer un comportamiento del sistema diferente para, por ejemplo, usuarios de negocios frente a usuarios convencionales, usuarios de contrato frente a usuarios pre-pago, usuarios privilegiados en situaciones de emergencia (policía, bomberos), etc. En LTE, el modelo de QoS utilizado para definir el comportamiento de un servicio portador EPS se basa en la especificación de un máximo de cuatro parámetros. Además de estos cuatro parámetros, el modelo de QoS se complementa con dos parámetros adicionales asociados a la subscripción de un usuario. En la Figura 3.4 se esquematiza el conjunto completo de parámetros de QoS considerado en el sistema LTE. 53

54 ILUSTRACIÓN 7. Parámetro de QoS en el sistema LTE Fuente: LTE: Nuevas Tendencias En Dispositivos Móviles Vodafone España Cada servicio portador EPS siempre tiene asociados como mínimo dos parámetros: QCI (QoS Class Identifier) y ARP (Allocation and Retention Priority). De forma general, el parámetro QCI determina el comportamiento del plano de usuario del servicio portador EPS mientras que el parámetro ARP aplica a la operativa del plano de control. Adicionalmente, algunos servicios portadores denominados como servicios de tasa garantizada (GBR Bearers) especifican también un parámetro de tasa media garantizada (GBR) y otro de tasa máxima permitida (MBR). 54

55 TABLA 2. QoS definidas para LTE Fuente: Comunicaciones móviles de última generación DESPLIEGUE La tecnología de las telecomunicaciones ha mostrado un crecimiento exponencial desde sus inicios, y de gran manera en las últimas dos décadas, a comienzo de los 90 la demanda de usuarios de voz se hizo muy importante y el estándar predominante a nivel mundial era el GSM, en la actualidad la creciente demanda de nuevos servicios que requieren mayor capacidad de canal lleva a que nuevas tecnologías ingresen en el mercado como LTE. Se puede decir que LTE se basa en ciertos conceptos establecidos y consolidados además de su propia evolución, visto de otra manera. LTE como sistema estándar de comunicaciones móviles conjuga evolución y revolución tecnológica. Desde el punto de vista del usuario contrata el acceso a una serie de servicios con capacidad de movilidad sobre una determinada extensión geográfica, y define el servicio en niveles de calidad, desde la perspectiva del operador lo importante es satisfacer la demanda total del conjunto de usuarios de sistema. 55

56 En termino de despliegue de red para el operador satisfacer la demanda de usuarios está relacionado con el aumento progresivo de estaciones base. Es importante destacar la relación existente entre cobertura y velocidad de transmisión, también se puede decir que el elemento limitativo para el despliegue es la movilidad. Otro de los factores importantes para el despliegue de LTE es que las aplicaciones y los terminales de usuario estén disponibles antes de comprometer el despliegue de tecnologías 4G Adicionalmente, la disponibilidad del espectro también representa un aspecto limitante para el despliegue debido a que para alcanzar las velocidades que pretende LTE se necesitan 20MHZ para el ancho de la portadora y los operadores no cuentan con el espectro necesario. El caso de negocio será un reto para los operadores, pues los modelos tradicionales no serán viables. Ahora se debe usar la plataforma de entrega de servicio para probar y desplegar nuevos servicios hasta que los operadores encuentren los servicios que los clientes estén dispuestos a utilizar EVOLVED PACKET SYSTEM (EPS), SOLUCIÓN EXTREMO A EXTREMO IP. En contraste con los anteriores sistemas móviles, basados en el modelo de conmutación de circuitos, la arquitectura de LTE ha sido diseñada para dar soporte a los servicios de conmutación de paquetes. Su objetivo es proporcionar conectividad IP sin problemas ni interrupciones durante la movilidad, entre los equipos de usuario (UE) y la red de paquetes de datos (PDN). Como se mencionó previamente, el término "LTE" abarca la evolución del sistema de acceso de radio de UMTS - Universal Mobile Telecommunications System y se complementa por la evolución de los elementos de la red que no están en la red de acceso de radio, bajo el término SAE - System Architecture LTE Evolution, el cual incluye el núcleo de paquetes evolucionado o Evolved Packet Core (EPC) de la red. Por lo anterior LTE y SAE componen el Evolved Packet System (EPS). EPS utiliza el concepto de servicios portadores EPS para enrrutar el tráfico IP desde una pasarela o Gateway en la PDN (Red de paquetes de datos) al equipo del usuario final (UE). El servicio portador es un flujo de paquetes IP con una calidad definida de servicio (QoS) entre la pasarela y el UE. 56

57 El E-UTRAN y el EPC, establecen y liberar los servicios portadores en la medida que lo demandan las aplicaciones. La arquitectura EPS proporciona al usuario final la conectividad IP a una PDN (red de paquetes de datos) para acceder a Internet, así como para el funcionamiento de servicios tales como Voz sobre IP (VoIP) y Video IP. Un servicio portador de EPS se asocia típicamente con un nivel de calidad de servicio. Se pueden establecer múltiples servicios portadores para un usuario con el fin de proporcionar calidad de servicio para diferentes flujos o conectividad a diferentes PDNs. Por ejemplo, un usuario podría tener establecida una sesión de voz (VoIP), mientras que al mismo tiempo realiza navegación web o FTP. El servicio portador VoIP proporcionaría la calidad de servicio necesaria para la llamada de voz, mientras que un servicio portador de mejor esfuerzo sería adecuado para la navegación por la web o una sesión de FTP. Durante este proceso, la red debe proporcionar la suficiente seguridad y privacidad para el usuario y la protección de la red contra su uso fraudulento. Esto se logra por medio de varios elementos en la red EPS que tienen funciones diferentes. La siguiente figura muestra la arquitectura general de la red, incluyendo los elementos de red y las interfaces estandarizadas. 57

58 ILUSTRACIÓN 8. Elementos de la red EPS Fuente: LTE: Nuevas Tendencias En Dispositivos Móviles Vodafone España Viendo la red desde un alto nivel, la red se compone de un núcleo de red de paquetes (EPC Evolved Packet Core) y una red de acceso E-UTRAN. Mientras que la red del núcleo central se compone de muchos nodos lógicos, la red de acceso se compone esencialmente de un solo nodo, el Nodo B evolucionado (enodeb ó enb), que se conecta a los equipos de los usuarios finales (UE- User Equipment). Cada uno de estos elementos de la red está interconectado por medio de interfaces que están estandarizados para permitir la interoperabilidad de múltiples proveedores. Esto les permite a los operadores de red la posibilidad de contar con elementos de red diferentes, de diferentes proveedores. De hecho, los operadores de redes pueden elegir en sus implementaciones físicas, dividir o combinar estos elementos de la red lógica en función de consideraciones de carácter comercial. La separación funcional entre el EPC y E-UTRAN. 58

59 CARACTERISTICAS GENERALES LTE Después de la salida de UMTS, surgió el interés por desarrollar una nueva tecnología móvil que mejore las limitaciones y garantice la competitividad; se decide implementar un nuevo sistema, la nueva tecnología toma las bases de UMTS e incorpora una serie de cambios, tomando como referencia a las otras evoluciones (2G y 3G) la cuarta generación es la que ha realizado un mayor número de modificaciones; tanto en la interfaz aérea como en la arquitectura (núcleo y red de acceso). El encargado de la regulación, estandarización, y la descripción del nuevo sistema fue la 3GPP. El proceso de transición llevado a cabo por la 3GPP en conjunto con organizaciones operadoras y proveedoras de sistemas móviles es llamado Long Term Evolution (LTE). Las especificaciones generales que determino la 3GPPP para el diseño de la red LTE se describen a continuación: Red simplificada sin división de dominios. Red unificadora con tecnologías previas. Red eficiente y automatizada. Velocidades de datos comparables con la banda ancha fija. La reducción de costos por bit en el tráfico. Mejor calidad y tipos de servicio. Ahorro de energía en los terminales móviles. Para alcanzar estos objetivos la 3GPP decidió considerar los avances realizados por el comité de estándares LAN/MAN (LMSC - LAN/ MAN Standard Committe). El LMSC presentó el estándar IEEE e para accesos móviles de banda ancha inalámbrica. Este estándar utilizó una tecnología de acceso diferente llamada OFDMA (Acceso Múltiple por División de Frecuencia Ortogonal) que mejoró la eficiencia espectral y la velocidad de datos que permitía la última tecnología 3G (HSPA) la familia de las normas IEEE se le llamó WIMAX Móvil (World wide Inter operability for Microwave Access). Como el estándar e se refería a sistemas que soportaban movilidad y hacia uso de una arquitectura de red de datos más simple basada en protocolo IP, la IEEE tomó este estándar como guía para implementar un sistemas que utilizara OFDMA como tipo de acceso al medio. 59

60 Por otro lado la 3GPP desarrollo otro proyecto paralelo al cual llamó System Architecture Evolution (SAE) que le dio fuerza a la idea de tener una red de transmisión de paquetes basada en IP. Este proyecto definía un núcleo de red de paquetes (EPC Evolved Packet Core) con el fin de suprimir la separación de los dominios de paquetes (PS) y de circuitos (CS) en el núcleo de la red LTE Advanced Al tiempo que las especificaciones de UMTS R99 se estaban completando, la ITU inició las primeras consideraciones en la concepción de soluciones más allá de IMT-2000, conocido actualmente como IMT-Advanced y referido como 4G. La Resolución 228 (WRC-2000 y revisada en WRC-03) invitó a la ITU-R a estudiar en detalle los aspectos técnicos y operativos relativos al futuro desarrollo de IMT- Advanced. El marco general y los objetivos están definidos en la Recomendación ITU-R M Por su parte, la Resolución ITU-R 57 establece los principios y criterios esenciales para el desarrollo de Recomendaciones para la interfaz radio IMT-Advanced. La ITU-R Circular Letter 5/LCCE/2 de marzo de 2008 invita a la presentación de propuestas candidatas para la interfaz radio IMT-Advanced. La Revisión 1 del documento IMT-ADV/2-E de agosto de 2008 establece el calendario de desarrollo de IMT-Advanced. El 7 de octubre de 2009 el 3GPP presentó la propuesta LTE Reléase 10 & beyond (LTE-Advanced), completando así el Step 3 de dicho proceso (recepción de candidatos). El documento de referencia para el 3GPP en este punto lo constituye la TR v Previendo el inicio del proceso IMT-Advanced en el seno de ITU, el 3GPP inició en marzo de 2008 el StudyItem LTE-Advanced. El calendario del 3GPP está alineado con el calendario de la ITU, de manera que se espera completar las especificaciones de la Reléase 10 en la primera parte de Sin embargo, la visión dentro del 3GPP es que LTE-Advanced no debe limitarse a cumplir los requerimientos de IMT-Advanced, sino que debe perseguir unos objetivos mucho más ambiciosos. LTE se concibe como el punto de inicio para una transición suave hacia el acceso radio 4G (esto es, IMT-Advanced) o, en otras palabras, LTE-Advanced es la evolución de LTE. En este sentido, LTE-Advanced debe asegurar toda una serie de requisitos en relación a la compatibilidad hacia atrás con LTE Reléase 8. En 60

61 cuanto a compatibilidad espectral, LTE-Advanced debería poderse desplegar en bandas ocupadas por LTE. Así mismo, el equipamiento LTE debería poder incorporar las funcionalidades LTE-Advanced con una complejidad y coste razonablemente bajos. Los requerimientos de LTE-Advanced establecidos en TR distinguen diferentes categorías: generales, capacidades (velocidad de transmisión de pico, latencias), prestaciones del sistema (eficiencia espectral, throughputen el extremo de la célula, movilidad, cobertura, etc.), despliegue (espectro, coexistencia e interoperación con legacyrats, etc.), arquitectura E-UTRAN y migración, complejidad, coste, etc. Para poder satisfacer los requerimientos establecidos (por ejemplo, soporte de velocidades de pico de hasta 1 Gbit/s en downlinky 500 Mbit/s en uplink), son necesarias una serie de mejoras técnicas con respecto a LTE (Reléase 8). Algunas de las principales componentes técnicas de LTE-Advanced son: Agregación de banda hasta 100 MHz, por ejemplo a partir de agregar múltiples componentes de 20 MHz para poder alcanzar un ancho de banda de 100 MHz y así proporcionar las velocidades de transmisión más elevadas previstas en los requerimientos. 19 Extensión de soluciones multi-antena, con hasta 8 niveles en el downlinky 4 niveles en el uplink, para así incrementar las velocidades de transmisión alcanzables sobre el enlace. Coordinated multipoint transmission and reception (CoMP), que permite mejorar las prestaciones observables en el extremo de la célula a través de efectuar la transmisión/recepción desde distintas células. CoMP es un término relativamente general, que incluye diferentes tipos de coordinación (packetscheduling, beam-forming, etc.) entre transceptores separados geográficamente. Repetidores, como mecanismo para mejorar la cobertura y reducir el coste de despliegue. 19 LTE: NUEVAS TENDENCIAS EN COMUNICACIONES MÓVILES. Ramón Agusti, Francisco Bernardo, Fernando Casadevall, RamonFerrús, Jordi Pérez-Romero, Oriol Sallent. 61

62 5.13. ESTUDIO DE RF La interface mas importante en un sistema celular es la de RF ya que el espectro es un recurso limitado, y precisamente es en esta interface es donde se presenta el cuello de botella que limita el ancho de banda. Dos fenómenos se destacan en la parte de RF: las interferencias, que limitan la cobertura y la capacidad de las celdas, y la interferencia intersimbólica que reduce la velocidad de acceso Celdas Una red móvil compuesta por celdas y de ahí deriva el nombre: red celular. Una celda corresponde al área de cobertura del equipo transmisor/receptor, y su tamaño está limitado por el sentido uplink, debido a que el terminal tiene potencia limitada para evitar daños a la salud del usuario. Varios factores afectan el tamaño de la celda: potencia de transmisor, frecuencia usada, topología del terreno, inclinación y altura de la antena. El trafico afecta el tamaño de las celdas 3G y el operador define los tamaños de las celdas de acuerdo al tráfico esperado. ILUSTRACIÓN 9. Celdas Fuente: LTE: Nuevas Tendencias En Dispositivos Móviles Vodafone España Clasificación de las celdas de acuerdo su tamaño: 62

63 Macro-celda: de 1 a 20 Km Micro-celda: 300m a 1Km Pico-celda: 50 a 300m Femto-celda: menor a 50m La capacidad de la celda es limitada, y en LTE la eficiencia espectral actual es de 6 bits/hz utilizando MIMO 2x2, de tal manera que se logran 120 Mbps con una portadora de 20Mhz. Esta capacidad es repartida entre los usuarios que visitan dicha celda. Como los usuarios requieren altas velocidades, el operador debe hacer reuso continuo de las portadoras creando muchas celdas. Normalmente una estación base la componen 3 sectores o celdas. Interferencias El desempeño de un sistema celular está limitado por las interferencias, que provienen principalmente de las celdas vecinas (downlink) o de otros usuarios (uplink). El acceso en LTE es OFDMA, que reduce significativamente las interferencias dentro de la celda, gracias a la cual esta tiene acceso a todo el ancho de banda para entregarlo a un usuario en un instante dado. LTE puede utilizar el reuso 1 (todas las celdas utilizan la misma portadora) y, por tanto, no es necesario hacer un plan de frecuencias. Sin embargo, OFDMA soluciona el problema de interferencias dentro de la celda, pero no en el borde de la misma. Los usuarios que se encuentran en el centro de la celda gozan de un buen desempeño, pero en el borde, las interferencias presentadas con celdas vecinas empobrecen este desempeño. 63

64 ILUSTRACIÓN 10. Tipos de reuso Fuente: LTE: Nuevas Tendencias En Dispositivos Móviles Vodafone España Una solución para mejorar la problemática de interferencia en el borde es el reuso 3. La banda asignada al operador se divide en 3 sub-bandas y se hace un plan de frecuencias para evitar celdas vecinas tengan la misma portadora. Las celdas vecinas con diferentes frecuencias se agrupan en un clúster que se repite a lo largo de la región a cubrir por el operador. 64

65 ILUSTRACIÓN 11. Utilizando X2 para evitar interferencias Fuente: LTE: Nuevas Tendencias En Dispositivos Móviles Vodafone España Los usuarios que están en el borde de la celda utilizan alta potencia para lograr la comunicación, lo provoca interferencia a la celda vecina. Los enb asignan su portadora a los usuarios dependiendo de su ubicación en la celda y se comunican entre ellos dichas portadoras por medio de la interfaz X2 para disminuir las problemáticas de las interferencias FUNDAMENTOS DE OFDM La técnica de transmisión OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplex) constituye un mecanismo de transmisión multi-portadora consistente en multiplexar un conjunto de símbolos sobre un conjunto de subportadoras. Gracias a las propiedades de ortogonalidad de dichas subportadoras, es posible efectuar 65

66 la transmisión simultánea de todos los símbolos manteniendo la capacidad de separación de los mismos en recepción. Si bien esta técnica es ampliamente conocida desde los años 60, su aplicación práctica en el ámbito de las comunicaciones inalámbricas es mucho más reciente, principalmente debido a la complejidad que involucraba en los equipos transmisores y receptores. Hoy en día es utilizada por sistemas tales como la Televisión Digital Terrestre según el estándar DVB-T o las redes inalámbricas de área local según los estándares IEEE a/g, a la vez que constituye la base para la técnica de acceso múltiple OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access) empleada por el sistema LTE. La característica fundamental de la técnica OFDM es el empleo de un conjunto de K subportadoras que presentan la propiedad de ser ortogonales. Asumiendo la notación de señales complejas (en el Anexo 4.1 se presenta un pequeño resumen de dicha notación), dichas subportadoras pueden formularse en banda base como: Donde fk=kδf es la frecuencia de la subportadora k-ésima y TS rect t representa un pulso rectangular con duración entre 0 y TS. Por otra parte, Δf=1/TS es la separación entre subportadoras. Obsérvese que, con esta definición, dos suportadoras diferentes xm (t) y xk (t) cumplen la condición de ser ortogonales en el intervalo temporal TS, lo que significa que la integración del producto de las mismas en dicho intervalo es nula excepto cuando m=k: Nótese igualmente que la propiedad de ortogonalidad entre subportadoras se consigue precisamente gracias a la relación existente entre la separación de las mismas Δf y su duración temporal TS. La Figura muestra un ejemplo con el módulo de los espectros correspondientes a un conjunto de 6 subportadoras OFDM. Obsérvese en la fi gura que para cada frecuencia múltiplo de 1/TS únicamente existe contribución espectral de una de las subportadoras, mientras que el resto presentan nulos. A su vez, la Figura muestra la evolución temporal de la parte real de las 6 subportadoras. 66

67 67

68 GRÁFICA 5. Ejemplo del espectro correspondiente a 6 subportadoras OFDM Fuente: LTE: Nuevas tendencias en comunicaciones móviles Vodafone España. GRÁFICA 6. Ejemplo de la señal temporal correspondiente a 6 subportadoras OFDM Fuente: LTE: Nuevas tendencias en comunicaciones móviles Vodafone España LTE: NUEVAS TENDENCIAS EN COMUNICACIONES MÓVILES. Ramón Agusti, Francisco Bernardo, Fernando Casadevall, RamonFerrús, Jordi Pérez-Romero, Oriol Sallent. 68

69 5.15. SON: OPTIMIZACIÓN AUTOMÁTICA DE RED En las redes 2G la planeación de RF era un trabajo complejo, y la introducción de una nueva celda exigía un análisis de RF de las celdas vecinas para evitar interferencias. Esta planeación fue diferente en las redes 3G, ya que todas las celdas pueden usar la misma portadora, pero se debe hacer un análisis de los códigos scrambling que diferencian una celda de otra. Con la proliferación de celdas pequeñas, necesaria para satisfacer la demanda de los usuarios, es necesario definir mecanismos que permitan que nuevas celdas se adapten automáticamente al ambiente. La característica SON en LTE hace que las celdas se comuniquen entre ellas por medio de la interface X2 y realicen la planeación de RF automáticamente. Cuando una nueva celda es agregada a la red, las celdas vecinas se enteran automáticamente de los cambios en el ambiente de RF, ajustan sus configuraciones para minimizar las interferencias (cambian de frecuencia ajustan la potencia del transmisor y el tilt eléctrico de la antena) y actualizan la lista de celdas vecinas para soportar el handover. Realmente, una celda no puede escuchar directamente a las celdas vecinas, sino que se vale de los terminales para realizar esta labor. El enb le solicita al terminal que lea la identidad de las celdas que está recibiendo, a través del canal beacon de cada una de ellas. Con esta información, el enb se comunica con las celdas vecinas a través de la interface X2, para conocer la banda de frecuencia y el área de tracking que usan para evitar colisiones e interferencias. FULL IP Significa que se tiene una solución IP de extremo a extremo, lo cual disminuye la cantidad de equipamiento, el consumo, retardo y costos operativos. Como todos los servicios son IP, inclusive la voz, ya no se requiere que en el core exista un camino para la voz y otro para los datos, como en las redes 2G/3G, pero se deben tratar los paquetes diferencialmente, dependiendo de la calidad de servicio requerida. Se debe recordar que la calidad con la cual se deben tratar los paquetes se marca en el enb para el sentido uplink, y en el PGW para el sentido 69

70 downlink, y establecer un bearer e2e por toda la red, desde el terminal hasta el PGW. ASIGNACIÓN DINÁMICA DE RECURSOS En LTE, los recursos de tiempo y frecuencia los asigna el scheduler del enb cada milisegundo. Este intervalo de tiempo se conoce con el nombre de TTI (intervalo de tiempo de transmisión). El scheduler asigna recursos con base en las necesidades del usuario, el parámetro de calidad de servicio, las medidas en el canal de RF y la capacidad y el estado del buffer del terminal. En UMTS, el TTI es de 20 ms y en HSPA se disminuyó a 2 ms MECANISMOS DE HANDOVER El mecanismo de handover se utiliza para gestionar la movilidad de los equipos de usuario que se encuentran en modo activo (ECM-Connected). Conceptualmente, el handover se un mecanismo que permite que las conexiones que tengan establecidas los equipos de usuario sobrevivan al cambio de estación base que proporciona el acceso a la red. Desde la perspectiva del servicio ofrecido al usuario, los requisitos de diseño de un mecanismo de preparación y ejecución del handover se plantean en términos del tiempo de interrupción o tasa de pérdida de datos que puede aparecer durante la ejecución del cambio. En este sentido, en los requerimientos de diseño del sistema LTE, se establece que la degradación de prestaciones en la que puede incurrirse durante la realización de un handover debe ser menor o igual a la existente en redes de circuitos GSM. Así mismo, entre los requerimientos de velocidades físicas de los terminales, se apuntan velocidades de hasta 350 km/h, aunque se indica que la red esté realmente optimizada para trabajar en el rango 0-15 km/h. Todas estos requerimientos hacen que el diseño del mecanismo de handover en LTE constituya un elemento clave del sistema. 21 COMUNICACIONES MÓVILES DE ÚLTIMA GENERACION. Hugo Campos Polo, Universidad Santo Tomas,

71 Para la consecución de tales requisitos, la implementación del mecanismo de handover en LTE se sustenta en los siguientes principios básicos: El mecanismo de handover especificado en LTE se controla desde la red (la red decide el cambio de estación base) teniendo en cuenta medidas enviadas desde los equipos de usuario (handover controlado por la red y asistido por el terminal). Concretamente, la decisión de llevar a cabo un cambio de enb de un terminal en modo conectado, la toma el propio enb con el que el equipo de usuario mantiene una conexión RRC activa. Una vez tomada la decisión sobre la necesidad de realizar un handover, la propia red se encarga de reservar los recursos necesarios en el enb destino en aras a reducir el tiempo de interrupción (durante este tiempo de preparación el terminal sigue conectado al enb antiguo) así como el número de intentos de handover fallidos. Una vez la red garantiza que el terminal puede ser traspasado al nuevo enb, la red ordena al terminal que ejecute el cambio. Este planteamiento se conoce popularmente como MakeBefore Break, en contraposición a otro planteamiento denominado Break BeforeMake donde el terminal realizaría el cambio de enb sin haberse efectuado ninguna reserva de recursos en el enb destino. Durante la realización del proceso de handover, la propia red dispone de mecanismos para transferir los paquetes del usuario pendientes de transmisión en el viejo enb hacia el enb destino (mediante la utilización de la interfaz X2). Este planteamiento permite reducir el número de paquetes perdidos durante la ejecución de un handover. Nótese por ejemplo que, a diferencia de la red de acceso UTRAN basada en CDMA, el handover en E-UTRAN siempre es del tipo hard-handover (en contraposición al denominado softhandover característico de sistemas CDMA). Un hard-handover significa que existe un tiempo de interrupción del servicio durante el cambio de estación base necesario para adquirir la sincronización en la nueva base y obtener la primera asignación de recursos en ella (en sistemas CDMA, no se produce dicho tiempo de interrupción). Además, tal como se verá más detalladamente en el apartado de procedimientos de movilidad, en el momento en que un terminal conmuta entre estaciones base, todavía pueden seguir llegando paquetes IP a la estación base antigua dado que el rutado en la infraestructura de la red todavía puede no haberse actualizado. Sobre estas premisas, la realización de un handover intra-lte puede dar respuesta a diferentes escenarios de movilidad tales como: 71

72 Handover entre enbs conectados mediante una interfaz X2. La existencia de esta interfaz, permite establecer un plano de usuario entre enbs para el envío de datos durante el proceso de handover.además, a través de X2, la señalización del procedimiento así como la transferencia del contexto de datos asociado al equipo terminal puede llevarse a cabo directamente entre enbs, sin pasar por el nodo MME de la red troncal. Handover entre enbs que no disponen de la interfaz X2. En este caso, no es posible el envío de paquetes de usuario entre enbs y la señalización de handover debe articularse necesariamente a través de la entidad MME. Handover entre enbs, soporten o no soporten la interfaz X2, que requiera la reubicación de alguno de los nodos de la troncal EPC. En este caso, el cambio de enb podría con llevar el cambio 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 equipo de usuario. El caso más complejo sería el de un handover donde se cambiaran ambos, S-GW y MME. Es importante destacar que el mecanismo de handover no considera en ningún caso el cambio de la pasarela P- GW que se mantiene como el punto de conexión a la red externa durante toda la vigencia de la conexión PDN PROCEDIMIENTOS DE GESTIÓN DE SESIONES En el sistema LTE la activación/modificación/desactivación de los servicios portadores EPS se controla desde la propia red en base a los datos de subscripción del usuario y/o a las políticas de uso recibidas desde el sistema PCC. Es importante destacar que este planteamiento es diferente al seguido en el servicio GPRS de redes UMTS donde la activación de los servicios portadores la inicia el terminal. Los procedimientos principales relacionados con la gestión de sesiones son: Procedimiento de registro (Network Attach). A través de este procedimiento se establece el servicio de conectividad IP que ofrece la red LTE. Existen diferentes variantes del procedimiento de registro en función de si la red de acceso utilizada es E-UTRAN o cualquiera de las otras redes de acceso alternativas 3GPP y no 3GPP contempladas. 72

73 Procedimiento de petición de servicio (ServiceRequest). El modelo de servicio ofrecido por la red LTE permite que un usuario en modo idle (sin una conexión a E-UTRAN) mantenga abiertos los servicios portadores EPS en la red troncal. Este procedimiento permite una re-activación rápida del plano de usuario cuando el terminal pasa de idle a conectado. Petición de conexión PDN solicitada por el terminal (UE Requested PDN Connectivity). El sistema LTE permite el equipo de usuario inicie el procedimiento de establecer una conexión PDN adicional a la conexión PDN establecida en el procedimiento de registro. Activación, modificación y desactivación de los servicios portadores EPS dedicados (EPS BearerActivation/Modification/Deactivation). La gestión de los servicios portadores EPS dedicados es uno de los pilares de la gestión de sesiones en la red LTE. La activación y modificación de estos servicios puede estar vinculada al control dinámico de QoS ofrecido por el subsistema PCC. Modificación del servicio portador solicitada por el terminal (UE requestedbearerresourcemodification). Este procedimiento permite que el terminal pueda solicitar cambios en los servicios portadores que le ofrece la red. Los cambios pueden ser tanto un cambio de los parámetros de QoS como una modificación de los filtros de paquetes que determina la composición del tráfico agregado en un servicio portador. El procedimiento constituye una vía de escape al modelo general de activación de servicios portadores donde, tal como se ha comentado al principio de este apartado, es la red quien controla su activación y determina sus características. Si la solicitud de modificación realizada por un terminal es aceptada por la red, ésta procede a iniciar los mecanismos pertinentes de activación, modificación y/o desactivación de los servicios portadores EPS (el control sigue teniéndolo la red, pero en este caso, atendiendo a una petición proveniente del terminal) PROCEDIMIENTO DE REGISTRO El procedimiento de registro es el primer procedimiento que ejecuta un usuario del sistema LTE en aras a poder recibir los servicios de la red. El procedimiento de registro normalmente se lleva a cabo cuando se enciende el equipo de usuario y éste detecta la presencia de una red LTE. A diferencia de sus predecesores GSM y UMTS donde los procedimientos de registro correspondientes (IMSI Attach y 73

74 GPRS Attach) están asociados exclusivamente a la gestión de movilidad, en LTE dicho procedimiento también forma parte de la gestión de sesiones. El motivo radica en que el procedimiento de registro en LTE conlleva el establecimiento de una conexión PDN a través de la activación de un servicio portador EPS por defecto y, opcionalmente, servicios portadores EPS dedicados adicionales. Por tanto, en LTE, una vez el terminal ya se ha registrado en la red, ya dispone de un servicio de conectividad IP operativo (faceta popularmente conocida como always-on ). En la siguiente ILUSTRACIÓN 12. se ilustra un procedimiento de registro LTE: NUEVAS TENDENCIAS EN COMUNICACIONES MÓVILES. Ramón Agusti, Francisco Bernardo, Fernando Casadevall, RamonFerrús, Jordi Pérez-Romero, Oriol Sallent. 74

75 ILUSTRACIÓN 12. Procedimiento de registro Fuente: LTE: Nuevas tendencias en comunicaciones móviles Vodafone España MIMO Múltiples antenas de entrada y salida Es una técnica que utiliza múltiples antenas en transmisión y en recepción. Para que la técnica sea efectiva, es necesario que las condiciones del canal sean tales que el retardo multi trayectoria no cause interferencia inter-simbólica. Como se explicó antes, OFDM convierte un canal 75

76 broad band de frecuencia selectiva en varios canales de menor ancho de banda, lo cual se adapta bien a la técnica MIMO. ILUSTRACIÓN 13. MIMO: multiplexacion especial Fuente: LTE: Long Term Evolution Hugo Campos Polo La configuración básica de MIMO considera 2 antenas en la transmisión y 2 en la recepción. Configuraciones con más antenas serán posibles en el futuro. La técnica de tener varias antenas en LTE se puede usar de varias maneras: Multiplexación espacial: se transmiten diferentes señales en paralelo por múltiples antenas. Esta técnica aumenta la velocidad de transmisión o throughput, y se conoce como MIMO B. Diversidad de transmisión: se envía la misma información por varias antenas, pero codificadas de manera diferente. Esta técnica, conocida como MIMO A, mejora el nivel de la señal recibida, aumentando la cobertura de la celda. Debido a que MIMO incrementa la complejidad y costo del terminal, las redes actuales están utilizando MIMO únicamente en el sentido downlink. En el sentido uplink las antenas del enb se usan para diversidad de espacio COMUNICACIONES MÓVILES DE ÚLTIMA GENERACION. Hugo Campos Polo, Universidad Santo Tomas,

77 5.20. BEAMFORMING: ORIENTACIÓN DEL HAZ El objetivo es hacer que el haz de la señal se oriente hacia el usuario y siga sus movimientos. La característica se logra con antenas inteligentes que emiten un haz muy estrecho, el cual se puede ir moviendo electrónicamente para enfocar siempre al receptor. Se llaman antenas inteligentes porque se les incluyó un procesador que dirige el haz de la señal para crear un patrón dirigido, lo que permite controlar la fase y la amplitud. La técnica de formación del haz incluye enviar el pulso por cada dipolo de la antena en un tiempo muy corto, para que el pulso impacte al receptor exactamente al mismo tiempo, produciendo un efecto de un solo pulso emitido de manera uniforme. El seguimiento del usuario por parte del haz de la señal se puede realizar más eficientemente al tener varias antenas, al menos 4. 77

78 ILUSTRACIÓN 14. El haz sigue al usuario Fuente: LTE: Nuevas tendencias en comunicaciones móviles Vodafone España. La técnica beamforming mejora significativamente el área de cobertura, reduce las interferencias, aumenta la velocidad de datos, permite ubicar con mayor exactitud al terminal y disminuye el consumo de potencia. No obstante, es un reto tecnológico, porque seguir a un usuario se ve viable, pero si la celda tiene200 usuarios que atender, los cuales se mueven en direcciones diferentes, el asunto 78

79 es mucho más complejo. Ya vimos cómo beamforming se complementa con MIMO, ahora analicemos cómo también hace sinergia con OFDMA, porque las subportadoras asignadas a un usuario son el mayor componente del haz que sigue a ese usuario ESPECTRO Y BANDAS DE FRECUENCIA El espectro es la materia prima de las redes celulares y está saturado. Por eso el 3GPP ha definido nuevas bandas para IMT y está en busca de otras nuevas bandas. En Colombia, los operadores móviles tienen desplegadas sus redes 2G/3G en 850 y 1900Mhz, totalmente ocupadas, y 4G en 2.5Ghz (UNE) donde hay espacio libre para asignar. La ANE ha manifestado el deseo de asignar nuevo espectro a los operadores: las bandas AWS y 2.5Ghz en el 2012 y la banda 700Mhz en GRÁFICA 7. Espectro a asignar por la ANE Fuente: Comunicaciones móviles de la última generación. 79

80 Al estudiar las bandas se debe incluir el análisis del espectro de la frecuencia en la cobertura. Las bandas más bajas, como 700 u 800Mhz permiten celdas más grandes y una mejor penetración indoor; sin embargo, pueden causar interferencias entre celdas en zonas urbanas muy densas donde se requieren micro-celdas. Con frecuencias altas, 2.6Ghz, se pueden construir micro-celdas y evitar interferencias con sus celdas vecinas, pero es difícil llegar a los espacios interiores de los edificios y las casas, o cubrir grandes extensiones como zonas poco pobladas y carreteras. Por lo anterior el mejor escenario para un operador móvil es tener ambos tipos de bandas: altas y bajas. Por eso la ANE quiere subir el tope del espectro asignado por operador a 115Mhz, con restricción a 30Mhz en la parte baja y 85Mhz en la parte alta del espectro. LTE es una tecnología agnóstica al ancho de banda disponible, lo que significa que el ancho de banda espectral es escalable. Aunque la tecnología permite pasos escalonados de 180Khz, el 3GPP definió que una red LTE reléase 8 puede desplegarse en cualquiera de las canalizaciones: 1.4, 3, 5, 10, 15 y 20Mhz. También es flexible porque permite operación sobre bandas pareadas FDD y no pareadas TDD (uplink y downlink en la misma banda). ILUSTRACIÓN 15. Ancho de banda flexible Fuente: Comunicaciones móviles de última generación. 80

81 5.22. ESTANDARIZACIÓN Las tecnologías de la información y las comunicaciones en general y las comunicaciones móviles en particular tienen una incidencia decisiva en el crecimiento económico, la competitividad y la mejora de la productividad. El terminal móvil ha llegado a constituir hoy en día una parte esencial en la esfera de objetos personales. En este contexto, la industria de las comunicaciones móviles ha venido aportando soluciones al mercado, en la forma de sucesivas generaciones de sistemas. La globalización de los mercados y la búsqueda de economías de escala son algunos de los principales argumentos (esgrimidos ya en la concepción de la segunda generación de comunicaciones) que justifican el interés y el desarrollo de sistemas estándares, resultado del consenso entre los diferentes agentes implicados. Así, los diferentes organismos y foros de estandarización adquieren una relevancia muy significativa en el marco general del negocio de las comunicaciones móviles. Los procesos de estandarización son costosos en tiempo y esfuerzo. Típicamente se inician con una primera fase en la que se establecen los requisitos que debe satisfacer el diseño del sistema que se pretende estandarizar. Tras ello, se decide la arquitectura del sistema, con sus principales bloques y correspondientes interfaces. Sobre ello, se procede a la especificación detallada, así como el test y la verificación que pueden iniciarse cuando las especificaciones alcanzan ya un alto nivel de estabilidad. El proceso es iterativo. Por ejemplo, pueden añadirse, modificarse o eliminarse requisitos a la vista de las soluciones técnicas que se vayan formulando. Similarmente, pueden modificarse las soluciones técnicas si se evidencian dificultades en la verificación práctica LTE En el caso de LTE, las especificaciones emanan del 3GPP (3rd Generation Partnership Project), que nació en 1998 con el objetivo de especificar 3G (UTRA- FDD y UTRA-TDD). También se encarga de mantener y desarrollar las especificaciones de GERAN (GSM EDGE RAN). La red de acceso radio se especifica en el marco del TSG RAN, que se organiza en cinco grupos de trabajo: WG1 (capa física), WG2 (capas 2 y 3), WG3 (interfaces fijos de la red de acceso), WG4 (aspectos de RF y RRM) y WG5 (conformidad de terminales). Los documentos del 3GPP se estructuran en Raleases, cada una de ellas 81

82 caracterizada por la incorporación de un conjunto de funcionalidades destacadas en relación a la versión anterior. Así, la que se llamó R99 (por el hecho de que se congeló en diciembre de 1999) supuso el primer conjunto de especificaciones UMTS. Seguidamente, tras la llamada R4, se completó en marzo de 2002 la R5 que incluye por ejemplo HSDPA. Tres años después se incorpora HSUPA así como MBMS en R6. 24 En la R7 (septiembre de 2007) se incluye HSPA+, mientras que LTE/SAE se asocian ya a R8 y posteriores. 25 Puede decirse que el primer paso hacia LTE se llevó a cabo en noviembre de 2004, cuando 3GPP TSG RAN organizó un Workshop sobre RAN Evolution en Toronto (Canadá), en el que se presentaron unas 40 contribuciones con ideas, propuestas, etc. En el propio Workshop se identificaron una serie de requisitos de alto nivel, como un coste por bit reducido, mejora en la provisión de servicios, flexibilidad en el uso de las bandas frecuenciales, arquitectura simplificada con interfaces abiertos, consumo de potencia en el terminal razonable, etc. También se puso de manifiesto que el esfuerzo de estandarización que esta evolución, bautizada como E-UTRAN (Evolved UTRAN), llevaría asociado sólo resultaría justificable si las mejoras fueran significativas. En diciembre de 2004 se creó el StudyItem Evolved UTRA and UTRAN para la evolución hacia una tecnología de acceso de elevada velocidad de transmisión, baja latencia y optimizada para la transmisión de paquetes, de modo que con ello quedase asegurada la competitividad de las soluciones 3GPP en un horizonte temporal largo. En particular, algunos de los objetivos de E-UTRA y E-UTRAN son: Velocidades de transmisión de pico de 100 Mbps en downlinky 50 Mbps en uplink, mejorando la velocidad de transmisión obtenible en el extremo de la célula. Mejora de la eficiencia espectral en un factor 2-4 con respecto a la Reléase 6. Latencia del plano de usuario en la red de acceso radio inferior a 10 ms. Ancho de banda escalable. 24 LTE: NUEVAS TENDENCIAS EN COMUNICACIONES MÓVILES. Ramón Agusti, Francisco Bernardo, Fernando Casadevall, RamonFerrús, Jordi Pérez-Romero, Oriol Sallent. 25 LTE: NUEVAS TENDENCIAS EN COMUNICACIONES MÓVILES. Ramón Agusti, Francisco Bernardo, Fernando Casadevall, RamonFerrús, Jordi Pérez-Romero, Oriol Sallent. 82

83 Interoperabilidad con sistemas 3G y sistemas no 3GPP. Este primer periodo de trabajo concluyó con la aprobación del TR en la reunión TSG-RAN #32 en junio de En TR se recomendaba la creación de un WorkItem sobre E-UTRA y E-UTRAN tomando como punto de partida el concepto de sistema reflejado en dicho documento, ya que los estudios realizados validaban su viabilidad. Tras considerarse y discutirse múltiples propuestas sobre la capa física, protocolos radio, arquitectura de red, aspectos de RF, consideraciones de complejidad, etc., algunas de las características principales incorporadas al concepto del TR fueron: Esquema de acceso radio OFDMA en el downlinky SC-FDMA en el uplink. Soporte de packetschedulingen el dominio temporal y frecuencial. Simplificaciones en la MAC y en el modelo de estados RRC, así como reducción del número de canales de transporte (no hay canales dedicados). Funcionalidades de packetscheduling, ARQ e HARQ terminadas en enodeb. Simplificación de la arquitectura E-UTRAN y descentralización de la misma. A partir de este Feasibility Study se pasó al desarrollo de tareas de especificación (Work Ítems). Para cada WI se establece un título y ámbito técnico, se define su resultado esperado (Technical Specification o Technical Report) e impacto sobre otros WIs así como el calendario de tareas. La primera versión completa de las especificaciones LTE se aprobó en diciembre de Durante 2008 el trabajo del 3GPP se centró en la finalización de Reléase 8, aunque también se han ido desarrollando con intensidad aspectos de Reléase 9 y Reléase 10. Las especificaciones de Reléase 8 quedaron congeladas en diciembre de 2008, lo que significa que no se pueden añadir nuevas funcionalidades a esta versión, si bien se continúa el trabajo para completar los contenidos acordados. Cabe destacar que las capacidades y prestaciones de E-UTRA y E-UTRAN establecidas corresponden a los objetivos fijados en la fase inicial de desarrollo de LTE, de manera que las prestaciones finalmente alcanzadas en muchos casos pueden superar los objetivos iníciales. Por ejemplo, la velocidad de pico teórica alcanzable en el downlink para 2 20 MHz (FDD), 64-QAM y 4 4 MIMO resulta de 326 Mbits/s. No obstante, si bien por la 83

84 propia necesidad de sintetizar las capacidades de un sistema se tiende a proporcionar la velocidad de transmisión de pico, en términos de evaluación de prestaciones las principales métricas a considerar deben ser de otro tipo (por ejemplo, el percentil 95 de la distribución bits/s/mhz/célula). Así mismo, siendo una buena referencia la cota teórica a nivel de enlace, es fundamental evaluar las prestaciones a nivel de sistema en entornos realistas (a través de simulaciones en una primera instancia y medidas de campo en una segunda). En el contexto de la ITU, UTRA y E-UTRA (LTE) son el pariente europeo de la familia IMT-2000, ya que en realidad IMT-2000 no es una tecnología de acceso radio en sí misma, sino una familia de tecnologías que cumplen los requisitos establecidos por la ITU para IMT-2000 y que son aprobadas por la propia ITU. La principal recomendación IMT-2000 es ITU-R M.1457, en la que se incluye una descripción de cada uno de los miembros de la familia IMT-2000 acompañada de una lista de referencias a las especificaciones detalladas. ITU-RWP5D se encarga de ir revisando dicha recomendación, dado el continuo desarrollo de los diferentes interfaces radio IMT Cabe mencionar que en ITU-R M (Revisión 7 del documento), aprobado en octubre de 2007, se incluyó también el estándar IEEE (WiMAX), como un nuevo miembro de IMT Dentro también de las familias IMT-2000 se encuentra CDMA-2000 y UMB (Ultra Mobile Broadband), que constituyen el equivalente a UMTS y LTE en el marco de 3GPP2, y que en el recorrido desde 2G (con IS-95) hasta la evolución de 3G ha supuesto el principal polo de competencia a las tecnologías 3GPP. No obstante, el desarrollo de UMB ha quedado paralizado desde finales de 2008, cuando algunos de los principales motores de las comunicaciones móviles (Qualcomm, Verizon, etc.) se inclinaron por LTE INTERFACES A continuación se describen las interfaces utilizadas por la tecnología LTE: S1-MME: Punto de referencia para el protocolo de plano de control entre E- UTRAN y MME. S1-U: Punto de referencia entre E-UTRAN y GW Sirve para el portador utilizando el túnel de usuario y la ruta entre enodeb para la conmutación durante el Handover 26 LTE: NUEVAS TENDENCIAS EN COMUNICACIONES MÓVILES. Ramón Agusti, Francisco Bernardo, Fernando Casadevall, RamonFerrús, Jordi Pérez-Romero, Oriol Sallent. 84

85 S3: Permite el intercambio de información de portador para la movilidad entre la red de acceso 3GPP en estado de reposo y / o activa. S4: Proporciona el control y el apoyo relacionados con la movilidad entre GPRS Core y sirve de anclaje 3GPP GW. Además, si DirectTunnel no está establecido, proporciona el túnel del plano de usuario. S5: Proporciona un túnel plano de usuario y gestiona los túneles entre la porción GW y GW PDN. Se utiliza para la reubicación de la porción GW debido a la movilidad de UE y si el GW necesita conectarse a una GW nocollocated PDN para la conectividad requerida PDN. S6a: Permite la transmisión de datos de suscripción y de autenticación para autenticar / autorizar el acceso del usuario al sistema evolucionado (interfaz AAA) entre MME y HSS. Gx: Proporciona transferencia de (QoS) La política y las reglas de carga de PCRF en la Política y función de carga Observancia (PCEF) en el GW PDN. S8: Inter-PLMN punto de referencia que sirva como plano de usuario y plano de control entre el GW se utiliza en la VPLMN y el GW PDN en el HPLMN. S8 es la variante entre PLMN de S5. S9: Proporciona transferencia de (QoS) y la política de información de control de carga entre el PCRF Interior y el PCRF Visitado el con el fin de apoyar la función de arranque local. S10: Punto de referencia entre MMEs por MME para la reubicación y la transferencia de información de MME y MME. S11: Punto de referencia entre MME y GW de Servicio. S12: Punto de referencia entre UTRAN y GW Porción de un túnel del plano de usuario cuando se establece DirectTunnel. Se basa en el punto de referencia Iu-u/Gn-u utilizando el protocolo GTP-U tal como se define entre el SGSN y la UTRAN o, respectivamente, entre el SGSN y el GGSN. Uso de S12 es una opción de configuración del operador. S13: Permite al UE control de identidad procedimiento entre MME y EIR. SGI: Es el punto de referencia entre el PDN GW y la red de paquetes de datos. El paquete de red de datos puede ser un operador externo paquete públicos o privados de redes de datos o un paquete intra operador de red de datos, por ejemplo, para la prestación de servicios IMS. Este punto de referencia corresponde a Gi para los accesos de 3GPP. Rx: El punto de referencia Rx se encuentra entre la AF y la PCRF en el TS 23,203 [6]. 85

86 SBc: Punto de referencia entre el CBC y MME para la entrega de aviso de mensajes y funciones de control GESTIÓN DE MOVILIDAD La gestión de movilidad es una de las piezas clave que caracteriza a los sistemas de comunicaciones móviles. Un requisito básico que deben satisfacer estos sistemas es permitir que los usuarios puedan acceder y recibir sus servicios desde cualquier ubicación geográfica donde el sistema disponga de cobertura, dejando aparte posibles limitaciones operativas o restricciones derivadas de las propias condiciones de uso de los servicios. Por un lado, este requisito implica que el sistema de comunicaciones móviles tiene que albergar mecanismos que le permitan avisar a los usuarios de la activación de servicios originados desde la red donde quiera que se encuentren. Dada la gran extensión geográfica que puede abarcar una red celular, el envío de avisos (función de paging) a los terminales debe hacerse de forma selectiva a través únicamente de aquellas estaciones base donde exista una cierta probabilidad de encontrar al usuario. Para ello, el sistema debe hacer un seguimiento que le permita acotar la localización de los usuarios dentro de la zona de servicio de la red. Esta funcionalidad se conoce como gestión de la localización. Por otro lado, cuando los usuarios se encuentran conectados al sistema a través de una determinada estación base, se requiere que el sistema sea capaz de mantener las conexiones activas aún cuando el terminal se encuentre en movimiento y resulte necesario realizar, en el transcurso de una conexión activa, un cambio de la estación base que le proporciona el acceso a la red. Esta funcionalidad se conoce como traspaso o handover. Por tanto, la gestión de movilidad en un sistema de comunicaciones móviles abarca tanto la gestión de la localización como la gestión del handover. Así mismo, las funciones propias de gestión de movilidad deben complementarse con funciones que permitan la autenticación de los usuarios y la autorización de acceso a los servicios solicitados desde cualquier estación base a través de la que se conecte el terminal. En los siguientes apartados se describe el marco de gestión de movilidad considerado en un sistema LTE. 86

87 Marco de gestión de movilidad El marco de gestión de movilidad desarrollado en el sistema LTE cubre los siguientes escenarios: Movilidad intra-lte. Gestión de movilidad específica para el acceso a través de EUTRAN. Movilidad entre redes de acceso 3GPP, es decir entre E-UTRAN, UTRAN y GERAN. El sistema LTE incorpora mecanismos específicos para gestionar la localización así como la realización de handovers (denominados inter- RAT handovers) entre las diferentes redes de acceso 3GPP. Las soluciones de interworkin. Movilidad con redes de acceso no especificadas por 3GPP, como por ejemplo redes CDMA2000, WLAN o Mobile WiMAX. En este caso, el sistema LTE incluye soporte para garantizar la continuidad de servicio entre estas redes mediante un mecanismo de handover entre sistemas. Las soluciones de interworking entre redes 3GPP y no 3GPP. El sistema LTE especifica un modelo de movilidad (denominado modelo EMM, EPS Mobility Management) con dos posibles estados que representan dos situaciones de accesibilidad en las que puede encontrarse un usuario del sistema. Los dos estados del modelo EMM son: Estado No registrado (EMM-Deregistered). En este estado, el usuario no se encuentra visible en el sistema LTE, y por tanto, no tiene acceso a los servicios del sistema. En este estado, el sistema LTE no dispone de ninguna información relativa a la localización del usuario. La situación más habitual que conlleva que un usuario se encuentre en este estado es que el terminal LTE está apagado. Estado Registrado (EMM-Registered). En este estado, el usuario está operativo en el sistema LTE, y por tanto, tiene acceso a sus servicios a través de un equipo de usuario. En este estado, la red dispone de información de localización del equipo de usuario con la resolución de, al menos, una lista de áreas de seguimiento (Tracking Arealist). Asimismo, en este estado el equipo de usuario mantiene, al menos, una conexión PDNactiva y tiene asignado un nodo MME de la red troncal encargado de realizar su seguimiento. 87

88 La conmutación entre ambos estados de movilidad se realiza a través de procedimientos de registro y cancelación de registro. El procedimiento de cancelación de registro (i.e., Network Dettach) sirve para realizar el paso contrario y puede ser iniciado tanto por el terminal (en el proceso de apagado 27 del terminal) como por la propia red (cambios en la subscripción de un usuario). La conmutación de un estado Registrado a No registrado también puede acontecer debido a otros motivos tales como el rechazo de la red al registro de un terminal en una determinada área de localización o bien el hecho de que, pasado un cierto tiempo, no se haya recibido ninguna actualización por parte del terminal (la red puede forzar a que los equipos realicen actualizaciones periódicas de su localización aún cuando no cambien de área de seguimiento). Junto con los estados de movilidad EMM, el sistema LTE también define un modelo de estados para indicar la existencia o no de un plano de control activo entre el equipo de usuario y el nodo MME de la red troncal donde se encuentra registrado. Dicho modelo de estados se denomina modelo ECM (EPS Connection Management) y se estructura también en dos posibles estados: Estado Desconectado (ECM-Idle). En este estado, el terminal no tiene establecida una conexión de señalización con ninguna entidad MME. La existencia de este estado responde básicamente a la necesidad de disponer de un modo de operación de bajo consumo que permita conseguir un modelo de funcionamiento Alwayson mediante la posibilidad de conmutar de forma rápida entre este estado y el siguiente estado Conectado en el que el terminal podría enviar/recibir datos. Estado Conectado (ECM-Connected). En este estado, el equipo de usuario tiene establecida una conexión de señalización con una entidad MME de la EPC. Dicha conexión de señalización se compone de una conexión RRC en E-UTRAN y de una conexión a través de la interfaz S1- MME entre la red de acceso E-UTRAN y la entidad de la red troncal MME. El envío/recepción de datos de usuario siempre se realiza en este estado. 27 LTE: NUEVAS TENDENCIAS EN COMUNICACIONES MÓVILES. Ramón Agusti, Francisco Bernardo, Fernando Casadevall, RamonFerrús, Jordi Pérez-Romero, Oriol Sallent. 88

89 La información relativa a los estados EMM y ECM de un usuario se almacena en el equipo de usuario y en la red troncal EPC, en particular en el nodo MME que da servicio a dicho equipo terminal. En el caso del terminal, los estados ECM-Idle y ECM-Connected se mapean directamente a los estados RRC_IDLE y RRC_CONNECTED empleados por la capa RRC del plano de control entre el terminal y E-UTRAN (en el apartado 5.2 del Capítulo 5 se describen los estados RRC). En el caso del nodo MME, el estado ECM-Connected se vincula a la existencia de una conexión de señalización en la interfaz S1-MME asociada al usuario entre el MME y el enb correspondiente LTE: NUEVAS TENDENCIAS EN COMUNICACIONES MÓVILES. Ramón Agusti, Francisco Bernardo, Fernando Casadevall, RamonFerrús, Jordi Pérez-Romero, Oriol Sallent. 89

90 6. MODELO TEORICO 6.1. QUÉ Y POR QUÉ LTE? Para responder esta pregunta abordaremos algunos hechos que están motivando este cambio acelerado a LTE, inclusive en algunos operadores que aún no han terminado de desplegar las redes 3G y que nos permiten entender y responder la pregunta Qué y por qué LTE? 6.2. SITUACIÓN Y TENDENCIAS DE LA INDUSTRIA Con la implementación de las redes de 3G y el avance de la computación móvil en especial en USA, se ha dado un cambio sustancial, con la capacidad de los usuarios de estar siempre conectados. Lo anterior ha conllevado a que los usuarios a través de sus nuevos y poderos teléfonos inteligentes, han generado una cantidad de tráfico (en tiempo real) enorme y creciente, por el uso de aplicaciones que permanentemente hacen uso de la red de comunicaciones. 29 No solo estos cambios están sucediendo a nivel de USA, sino a nivel Latinoamérica y especialmente en Colombia, donde cifras que nos muestra el ministerio de las Tics es sus boletines trimestrales, se nota un crecimiento en cuanto a teléfonos inteligentes y a la cantidad de trafico que general ellos en tiempo real, y en la cantidad de recursos que estos ocupan en las numerosas aplicaciones que ocupan esta red, debido a estas situaciones y tendencias de la industria la tecnología LTE coge más fuerza. En la siguiente gráfica se puede observar el comportamiento de la demanda de datos entre los años 2007 y 2010 en USA para el operador AT&T: 29 COMUNICACIONES MÓVILES DE ÚLTIMA GENERACION. Hugo Campos Polo, Universidad Santo Tomas,

91 GRÁFICA 8. Crecimiento datos móviles de AT&T Fuente: Se puede observar claramente el crecimiento exponencial que llevo a este operador a implementar una nueva red que pudiera cumplir con la demanda creciente del mercado. En la siguiente gráfica se pueden observar las proyecciones de crecimiento de tráfico de AT&T para el año 2015, dejando ver claramente una nueva y gran oportunidad de negocio para todos los operadores: 91

92 GRÁFICA 9. Proyección de crecimiento datos móviles de AT&T Fuente: Se puede visualizar la demanda de aplicaciones y en una mayor representación: Rich Media Video Teleconferencing Mobile Video Machine to Machine Mobile Business Solutions Remote Helth Monitoring Explosión de Aplicaciones (Apps Explotion) Todas estas aplicaciones generan una gran exigencia a los operadores que se ven obligados a garantizar la capacidad del canal para una buena experiencia de usuario y la calidad del servicio requerido. 92

93 Otro operador en Estados Unidos con una situación parecida ya que ha tenido que migrar sus redes hacia LTE es Verizon que ya tiene una cobertura de más del 75% de su red basada en LTE en Estados Unidos. La grafica siguiente muestra la proyección de datos de Verizon para el 2014: GRÁFICA 10. Demanda potencial 4G Fuente: Verizon También es importante analizar en que se ocupa la red, como están distribuidos los datos de acuerdo al uso que le dan los usuarios y a que aplicaciones, y un análisis del posible comportamiento del tráfico en los próximos años; para esto tomaremos como referencia los datos generados a mediados del año actual en el tráfico de datos en Estados Unidos y Latinoamérica respectivamente en su grafica: 93

94 TABLA 3. Periodo de mayor demanda de las principales aplicaciones por bytes Fuente: Sandvine TABLA 4. Periodo de mayor demanda de las principales aplicaciones por bytes Fuente: Sandvine 94

95 Podemos observar de acuerdo a los datos que en Latinoamérica la mayor parte del tráfico se genera por el uso de redes sociales seguido por HTTP y software P2P como Ares, Skype; a partir de esta información se han realizado algunas proyecciones para visualizar el posible comportamiento en los próximos años en Estados Unidos: GRÁFICA 11. Proyección de tráfico móvil en USA al 2017 Fuente: Sandvine De acuerdo con el informe presentado por Global Internet Phenomena Report: 2H 2012 se obtiene información muy importante ya que se visualiza el trafico 95

96 actual y la tendencia del mismo en el cual predominan las aplicaciones en tiempo real (Real-Time Entertainment) componiéndose principalmente por Streaming de video y audio, con un porcentaje superior al 50% del tráfico, acompañadas de mas aplicaciones en tiempo real estableciendo un reto para los operadores que deben garantizar la solidez para la experiencia de usuarios de todas estas aplicaciones. Durante el desarrollo del proyecto se investigo acerca de los datos estadísticos de los operadores en Colombia, tomando como referencia las páginas web del ministerio de las TIC S Tecnologías de la Información y las Comunicaciones y directamente en la de cada operador nacional, sin obtener resultados al respecto debido a que los operadores no llevan registros del tráfico de la red o no lo hacen público, por esto se toma como referencia los registros de tráfico en estados unidos y Latinoamérica en general UIT - IMT AVANZADAS Con la información anteriormente mencionada se entiende la visión de la UIT con su iniciativa IMT avanzadas, de las cuales forma parte LTE y donde se describen dichas redes, a continuación se extraen algunas líneas de la UIT y 3G las Américas: Las Telecomunicaciones Móviles Internacionales-Avanzadas (IMT Avanzadas) son sistemas móviles dotados de nuevas capacidades que superan las ofrecidas en las IMT Esos sistemas dan acceso a una amplia gama de servicios de telecomunicación, en especial los servicios móviles avanzados, admitidos por redes fijas y móviles, que utilizan cada vez más la transmisión por paquetes. Los sistemas de IMT-Avanzadas admiten aplicaciones de baja y alta movilidad y una amplia gama de velocidades de datos, de conformidad con las demandas de los usuarios y de servicios en numerosos entornos de usuario. Las IMT- Avanzadas también tienen capacidades destinadas a aplicaciones multimedios de elevada calidad en una amplia gama de servicios y plataformas, lo que les permite lograr mejoras considerables de funcionamiento y calidad de servicio. Características esenciales IMT-Avanzadas Un alto grado de uniformidad de funciones en todo el mundo manteniendo al mismo tiempo la flexibilidad de admitir una amplia gama de servicios y aplicaciones rentables. Compatibilidad de servicios con las IMT y las redes fijas. 96

97 Capacidad de inter-funcionamiento con otros sistemas de acceso radioeléctrico. Servicios móviles de elevada calidad. Equipo de usuario de utilización en todo el mundo. Aplicaciones, servicios y equipos de fácil utilización. Capacidad de itinerancia mundial. Velocidades máximas de transmisión de datos mejoradas para admitir aplicaciones y servicios avanzados (como objetivo a los efectos de la investigación, se han establecido velocidades de 100 Mbps para una movilidad alta y de 1 Gbps para una movilidad baja) LTE advanced es una de las primeras tecnologías en satisfacer las necesidades de IMT de la Unión Internacional de Telecomunicaciones (UIT) definida como 4G PROMESA LTE Lo que promete LTE es garantizar la experiencia de usuario, utilizando como soporte una rede escalable, robusta y ágil. LTE representa la respuesta a la demanda de ancho de banda, al crecimiento exponencial de tráfico de datos, por medio de su fortaleza en su arquitectura LTE proyecta satisfacer el inminente aumento en la utilización de datos inalámbricos, explorar nuevos modelos de negocio, con proveedores de contenido, anunciantes, socios en la web y medios de comunicación. Por lo anterior no solo es necesario la transformación del negocio sino también la transformación de la red que atienda los requerimientos del cambio de paradigma de nuestra sociedad. Otro aspecto motivador para el desarrollo de redes 4G son los llamados Millennials: Jóvenes nacidos a finales de los 80 y principios de los 90 que no conocen un mundo sin internet y sin comunicaciones móviles, esta generación utiliza con mayor frecuencia fotos y videos para su comunicación dejando la voz como una alternativa secundaria estos jóvenes son los que demandan la banda ancha para las redes sociales. 97

98 Además de estos motivadores también las aplicaciones como Facebook, youtube, y la televisión móvil, etc., tienen una cantidad de aplicaciones disponibles en la web, El pionero de esta metodología de venta fue Apple con el sistema 70/30 donde el 70% de lo realizado en una venta es destinado al creador y el 30% restante es para Apple. Despertando el interés de miles de creadores que ven en esta una gran oportunidad de negocio. El cloudcomputing o computación en la nube también es un impulsador de las redes 4g, debido a que la filosofía de este sistema está orientada a que los usuarios tengan su información y programas en internet para que se pueda acceder en cualquier momento y en cualquier lugar, y para que literalmente se pueda ser accedidos desde cualquier sitio se requiere de la tecnología LTE RETOS DE LOS OPERADORES MÓVILES Para afrontar los cambios que trae consigo la llegada de la nueva tecnología LTE, donde el servicio de voz pasa a un segundo plano y los servicios de datos tienen mayor importancia se deben tener en cuenta algunos aspectos que requieren el cambio en el modelo de negocio de los operadores actuales, uno de los principales cambios es modificar la manera de cobro de los servicios móviles; se hablaba de un nuevo modelo llamado tarifa plana creado con el objetivo de incentivar el uso de las comunicaciones de datos, este modelo consistía en que el usuario podía consumir todo el ancho de banda que requería pagando un cargo fijo mensual, pero ahora todos quieren estar conectados todo el tiempo y el crecimiento del tráfico ha desbordado la capacidad de los operadores, esto impulsado por los drivers mencionados anteriormente; los suscriptores quieren tener mayor ancho de banda a un menor precio lo que ha generado un reto para los operadores que deben implementar nuevas maneras de ofrecer los servicios a los suscriptores. Otro aspecto importante para el despliegue de los operadores es que para acceder al espectro y para esto es necesario participar de la subasta realizada por el estado más específicamente por la CRC Comisión de Regulación de las Comunicaciones y el precio de este se espera que sea bastante elevado. Posterior al proceso de subasta debe iniciar el proceso de implementación en donde se 30 COMUNICACIONES MÓVILES DE ÚLTIMA GENERACION. Hugo Campos Polo, Universidad Santo Tomas,

99 requiere un gran despliegue de infraestructura para realizar los cambios necesarios en LTE, teniendo en cuenta que se hace necesario una mayor cantidad de estaciones base o enbs en LTE para garantizar la movilidad del sistema. Además otro de los factores de impacto es directamente sobre los operadores de CATV ya que como se mencionó anteriormente la tecnología LTE genera interferencia con los equipos se deben implementar soluciones para contrarrestar este aspecto. 99

100 7. CONCRECIÓN DEL MODELO LTE es el último estándar en tecnología de redes móviles y permite a 3GPP garantizar la competitividad en los próximos años, perfilándose a ser una tecnología puente entre las redes 3G - 3,5G actuales y las futuras redes 4G, de las tienen como principal objetivo alcanzar velocidades de hasta 1 Gbs. De acuerdo con las investigaciones realizadas durante el desarrollo del proyecto se puede visualizar que LTE se perfila como la tecnología con mayor proyección gracias a diferentes factores como el notable aumento en la capacidad de transmisión, la disminución de la latencia y la solución a problemas de movilidad la cual era uno de los mayores desafíos para garantizar el internet en movimiento ofreciendo mayor estabilidad a los servicios, todo esto sumado al crecimiento exponencial de la demanda de ancho de banda por medio de los usuarios que requieren mayores servicios con mayor frecuencia haciendo uso de un sin número de aplicaciones que requieren mayor capacidad del canal. A nivel mundial se está realizando la implementación de la tecnología LTE principalmente en países de Europa y Norte América, donde EEUU es el principal pionero donde hasta el momento cuenta con cobertura en más de 100 ciudades y se espera que en los próximos dos años se alcance la cobertura total de la tecnología. Esta tecnología ha tenido gran acogida teniendo en cuenta que los usuarios cada vez requieren mayor ancho de banda para hacer uso de la aplicaciones que nos ofrecen en tiempo real, como video llamadas, video en movimiento, teleconferencia, redes sociales y trafico http, según los reportes que nos entrega Estados Unidos. Ver TABLA 2 Basados en lo anterior y desde el punto de vista de los servicios, estas aplicaciones están basadas en IP y comienzan a dominar, en este sentido LTE proporcionará a los operadores una arquitectura simplificada pero robusta a la vez, soportando servicios sobre tecnología IP. Inicialmente LTE estaba orientado únicamente a la transmisión de datos pero debido a su arquitectura basada en IP, se implemento el servicio de voz 100

101 Con el crecimiento de nuevos dispositivos como los Smartphone, computadores portátiles y tabletas, se ha generado un aumento en el número de los usuarios en las redes de banda ancha móvil. La evolución de los dispositivos también ha promovido el desarrollo de nuevos servicios y aplicaciones, permitiendo que los dispositivos puedan tener más alternativas de operación en la red. Uno de los principales servicios que permite una mayor interactividad con el usuario es el cloudcomputing, que consiste en tener ficheros, programas y toda la información del usuario en un espacio reservado de memoria en un servidor, ubicado en la nube, similar a un servidor ftp. Gracias a este servicio los dispositivos que se conectan a la red no necesitan tener memorias de almacenamiento y por ende, lo único que se necesita para este servicio es tener una conexión a internet de alta velocidad. Con la llegada de LTE, el aumento de dispositivos capaces de conectarse a la banda ancha móvil será aún mayor. Según Cisco se espera que para el 2013, el número de Smartphone compatibles con LTE incrementara a más de 150 millones de teléfonos móviles vendidos. GRÁFICA 12. Trafico Dispositivos Otro factor que intervendrá en el desarrollo LTE y de los servicios que se entregarán, será la mejora en la experiencia de usuario que recibirán los clientes 101

102 con respecto a las velocidades de transferencia que ofrece esta tecnología. Haciendo un comparativo con respecto a otras tecnologías podemos suplir la necesidad que tienen los usuarios a la hora de descargar archivos o hacer uso de aplicativos que requieren de una mayor velocidad de transferencia. TABLA 5. Comparativo de descarga entre tecnologías Como se puede observar en el cuadro comparativo LTE marca notablemente la diferencia con las demás tecnologías, UMTS/WCDMA que pertenece a la tercera generación y HSPA+ que es considerada como una tecnología 4G, con respecto al tiempo de descarga de diferentes tipos de archivo, donde en una tecnología como WCDMA tardaría 4 segundos en descargar una imagen con un tamaño de 500kb, en HSPA+ tardaría 0.8 segundos y en LTE solo utilizaría 0.1 segundos, mostrando una disminución en el tiempo de descarga del 87.5% respecto a HSPA+. Esto permitirá a los usuarios disfrutar de un mejor servicio, mejorando la calidad de transmisión y la experiencia de usuario. Siendo LTE la tecnología con mayor proyección respecto a las demás tecnologías que hoy en día se están implementando, podremos analizar que de acuerdo a sus velocidades de transmisión y teniendo en cuenta que los usuarios prefieren mayor capacidad de respuesta en el acceso a banda ancha móvil a la hora de ingresar a una página o de manejo de sus aplicaciones, se puede deducir que LTE es pionero en el mercado por ser una tecnología inalámbrica y su alta velocidad de trasmisión, lo que le permite posicionarse como la principal tecnología en Colombia. 102

103 TABLA 6. Velocidades de transmisión entre tecnologías. Fuente: Elaboración propia Podemos observar que LTE con respecto a las demás tecnologías tiene una gran diferencia en su velocidad de bajada, lo que le permite mayor satisfacción al usuario en el momento de hacer uso de la red para acceder a un servicio. VENTAJAS Una de las principales ventajas que proporciona LTE está relacionada con la movilidad ya que posee antenas inteligentes que permiten determinar a qué antena conectarse según la ubicación del EU y la capacidad de la celda, garantizando la conexión en desplazamiento. Con LTE aumentará las capacidades de los operadores de la red, permitiéndoles facilitar una banda ancha móvil con mayor velocidad a un mayor número de usuarios, con lo que dispararan el mercado de las telecomunicaciones móviles. En LTE las señales recorren una mayor distancia que con la tecnología GSM, lo que permitirá reducir un número menor de antenas, necesarias para obtener la misma cobertura de la red, con lo que se contribuirá a la preservación del medio ambiente y reducirá el consumo de energía. LTE dispondrá a través de su infraestructura, grandes servicios de altas velocidades y menor latencia en carga y descargas. Esto contribuirá que los proveedores de servicios ofrezcan velocidades más altas de datos, provean mayor tolerancia de ajuste de tráfico. 103