UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO

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1 UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO FACULTAD DE CIENCIAS FISICAS Y MATEMATICAS ESCUELA ACADEMICO PROFESIONAL DE INFORMÁTICA DISEÑO LOGICO Y SIMULACION DE UNA ARQUITECTURA DE RED INALÁMBRICA CONVERGENTE Plan de proyecto de Trabajo de Graduación PROPUESTO POR: Ing. Edwin Raúl Mendoza Torres emendozatorres@gmail.com ELABORADO POR: Llanos Lucero, Diego eminen_22539@hotmail.com Yengle Bautista, Lenin lenin_yengle@hotmail.com AREA DEL PROYECTO: REDES DE COMPUTADORAS Trujillo, 08 de Noviembre de 2013

2 RESUMEN DEL PROYECTO En el presente Trabajo de Graduación se plantea el diseño lógico y simulación de una red LTE avanzada para ofrecer sus servicios con dicha red. En este diseño se toma en cuenta no sólo al área geográfica, sino también a aquellos ciudadanos que visitan con frecuencia el mismo y aquél grupo de habitantes que concurren diariamente a Aeropuertos, Tiendas Comerciales que se encuentra en dicha zona geográfica. La tesis está estructurada de la siguiente manera: En el capítulo 1 se analiza la realidad problemática y por qué se desea plantear dicho diseño. En el capítulo 2 se muestra el marco teórico, donde se detallan los conceptos del Long Term Evolution (LTE). En la Fase 3 se realiza un análisis de mercado para identificar a los potenciales clientes y los tipos de servicios a ofrecer, como también la metodología a trabajar. En la Fase 4 se realiza la Ingeniería del Proyecto y resultados, donde con nuestro diseño lógico propuesto vemos la cantidad de Nodos a utilizar en la red, la topología de la misma, la red de transporte, la red de acceso, la infraestructura y equipos a emplear para la misma. Finalmente, capítulo 5 haremos la discusión de resultados para de implementar esta red mediante el análisis minucioso previo al análisis de mercado. Autores: Diego Arturo Llanos Lucero, Lenin Edinson Yengle Bautista. 2

3 INTRODUCCIÓN Hoy en día, el mundo de las telecomunicaciones cobra cada vez mayor importancia e influencia en la vida de todos nosotros. Una de las áreas de mayor uso es el de las comunicaciones móviles, que está siempre en constante evolución. Sus usuarios exigen mayor calidad en las llamadas, mejores costos tanto de los equipos como de los planes, amplia y mejor cobertura de los proveedores de servicio móvil y mejores servicios tales como video llamadas y diferentes aplicaciones que requieran de altas velocidades. Por otro lado, los operadores de telefonía móvil buscan optimizar su red para poder cumplir con todas estas exigencias. Estas exigencias se deben a la aparición de nuevas tecnologías (OFDMA, SC- OFDMA) y estándares (LTE), así como la evolución de algunas ya existentes (HSPA, WCDMA). También se debe el desarrollo de nuevos equipos móviles, nuevos programas informáticos, aplicaciones y servicios como los ya mencionados. Y todo hace indicar que el estándar que abrirá paso a las bases del 4G será el LTE. Este proyecto de tesis tiene como objetivo realizar un análisis social y económico para poder luego realizar un estudio de mercado adecuado y de esa forma elegir la mejor ubicación para este diseño. Autores: Diego Arturo Llanos Lucero, Lenin Edinson Yengle Bautista. 3

4 Posteriormente se hará todo el diseño de la red haciendo cálculos de coberturas, cálculos de capacidad de estaciones de red y la elección de los equipos a usar. Por lo tanto el objetivo de esta tesis realizar dicho diseño de red donde se genera gran cantidad de tráfico. Por lo que con este diseño, se desea satisfacer la demanda que se genere en dicha ubicación. Autores: Diego Arturo Llanos Lucero, Lenin Edinson Yengle Bautista. 4

5 INDICE RESUMEN DEL PROYECTO... 2 INTRODUCCIÓN... 3 INDICE... 5 CAPITULO I... 7 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA Realidad Problemática Antecedentes DISEÑO DE UNA RED LTE PARA EL DISTRITO DEL CALLAO [3] ANÁLISIS Y DISEÑO DE UNA RED 3GPP LTE EN EL DEPARTAMENTO DE CUSCO [6] Energy-Efficient Wireless Access Networks: LTE and LTE-Advanced [5] Planteamiento del problema Hipótesis Objetivos Objetivo General Objetivos Específicos Justificación Justificación Económica Justificación Social Justificación Académica Justificación Tecnológica CAPITULO MARCO TEORICO Long Term Evolution (LTE) Redes Inalámbricas Tipos de Redes Topología de Redes Inalámbricas Diseño de Una Red Desarrollo del Diseño Lógico Desarrollo del Diseño Físico Arquitectura Red LTE-A Vista General de E-UTRAN LTE-A Eveloved Packet Core overview (EPC) Diseño de una Red LTE-A Cobertura Radioeléctrica Cálculo de Tráfico Ventajas de LTE-A CAPITULO Autores: Diego Arturo Llanos Lucero, Lenin Edinson Yengle Bautista. 5

6 MATERIALES Y METODOS Metodología de Trabajo Técnicas Y Procedimientos de Recolección de Información Métodos de Análisis de Datos Población y Muestra Determinación de la Demanda Variables del Proyecto Variable Dependiente: Variable Independiente: CAPITULO RESULTADOS Estudia Actual de la RED 3G Facilidad de uso y costos bajos Nuevos y Mejores Servicios Acceso Rápido Transferencia de Paquetes de Datos Y Velocidad de Transferencia de Datos a Pedido Entorno de Servicios Amigables y Consistentes Movilidad y Cobertura Calidad y Servicio (QoS) Arquitectura de la Red UMTS 3G Diseño de Red Propuesto LTE-A Diseño Lógico Agregación Carrier Calidad y Servicio (QoS) en LTE-A PROCESO DE REGISTRO DE USUARIO EN LA RED PROPUESTA PROCEDIMIENTO DE ACTIVACIÓN DE SERVICIOS PORTADORES DEDICADOS ESTABLECIMIENTO DE UNA SESIÓN DE VOIP CAPITULO DISCUSION DE RESULTADOS CAPITULO CONCLUSIONES CAPITULO RECOMENDACIONES CAPITULO BIBLIOGRAFIA Autores: Diego Arturo Llanos Lucero, Lenin Edinson Yengle Bautista. 6

7 CAPITULO I PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA 1.1 Realidad Problemática El desarrollo de las redes inalámbricas ha sido en los últimos años un método económico y práctico de prestar servicios de datos. El presente trabajo trata de generar un método que permita distribuir Internet a un costo asequible Dicho Proyecto contará con los siguientes beneficiarios y problemas que clasificaremos de acuerdo a grados: BENEFICIADOS, NO BENEFICIADOS u OTROS. Beneficiados de una Red LTE Avanzada: Ciudadanos, porque va a permitir una rápida transferencia de grandes cantidades de datos en forma eficiente y rentable y así con el aumento de la velocidad y la disminución de latencia, los consumidores (ciudadanos) puedan disfrutar de una amplia gama de aplicaciones (juegos en línea, video conferencias, web en tiempo real). Tiendas comerciales (Plaza Vea, Metro, entre otros), centros industriales (Fábricas, Avícolas, entre otros), Aeropuertos (Jorgue Chávez, entre otros). Problema: Una red con limitaciones para el ancho de banda. Autores: Diego Arturo Llanos Lucero, Lenin Edinson Yengle Bautista. 7

8 Beneficio: Proporcionar una experiencia de banda ancha avanzada con más estabilidad, mayor rendimiento y una menor latencia, alcanzado velocidades hasta 200 Mbps, lo que traerá nuevos y mejores servicios para los usuarios. LTE advance debe tener la capacidad de tomar ventaja de la topología avanzada de las redes. No Beneficiados: Algunas Compañías telefónicas de hoy en día. Problema: Que no cuenta con dicha red para brindar mejores servicios. Ciudadanos que viven cerca por donde se colocará la fibra óptica. Problema: Les afectará la ruptura de calles para el desarrollo del proyecto Otros: Ciudadanos aledaños o personas que llegan de visita Autores: Diego Arturo Llanos Lucero, Lenin Edinson Yengle Bautista. 8

9 1.2. Antecedentes DISEÑO DE UNA RED LTE PARA EL DISTRITO DEL CALLAO [3]. En la presente tesis se plantea el diseño de una red LTE para el distrito del Callao para una nueva operadora que quiere ofrecer sus servicios con dicha red. En este diseño se toma en cuenta no sólo a la población que habita el distrito del Callao, sino también a aquellas que visitan con frecuencia el mismo y aquél grupo de personas que concurren diariamente al Aeropuerto Internacional Jorge Chávez que se encuentra en dicho distrito. La tesis está estructurada de la siguiente manera: En el capítulo 1 se analiza la problemática en el distrito y por qué se desea insertar este diseño al distrito. En el capítulo 2 se muestra el marco teórico, donde se detallan los conceptos del Long Term Evolution (LTE) y el IP Multimedia Subsystem (IMS). En el capítulo 3 se realiza un análisis de mercado pata identificar a los potenciales clientes y los tipos de servicios a ofrecer. En el capítulo 4 se realiza la Ingeniería del Proyecto, donde se calcula la cantidad de enodos B a utilizar en la red, la topología de la misma, la red de transporte, la red de acceso, la infraestructura y equipos a emplear para la misma. Finalmente, en el capítulo 5 se evalúa el costo-beneficio de implementar esta red mediante el análisis del CAPEX Y OPEX, así como del VAR y el TIR ANÁLISIS Y DISEÑO DE UNA RED 3GPP LTE EN EL DEPARTAMENTO DE CUSCO [6]. El presente proyecto de tesis consiste en el realizar un análisis y diseño de una red de cuarta generación en el departamento de Cusco usando la tecnología 3GPP LTE. En el desarrollo del proyecto veremos las ventajas que implica usar dicha tecnología, las posibilidades de implementación en las zonas elegidas para el despliegue, el desarrollo del alternativas de implementación y si hay un mercado potencial que Autores: Diego Arturo Llanos Lucero, Lenin Edinson Yengle Bautista. 9

10 permita realizar una fuerte inversión; es decir, analizar si el proyecto es rentable. El proyecto está divido en 4 capítulos que se presentan a continuación. El primer capítulo está centrado en el marco teórico del proyecto que incluye el análisis y justificación del proyecto, así como la descripción general de LTE. El segundo capítulo busca presentar la evaluación socio-económica del departamento del Cusco en donde se busca encontrar el mercado potencial. El tercer capítulo presenta toda la ingeniería de red centrándose en la red de acceso, pero sin dejar de lado el core y la red de transporte. El cuarto capítulo, por su parte, describe todo el análisis económico del proyecto así como la evaluación financiera de la misma. Por último se presentan las conclusiones y recomendaciones del presente proyecto, además de proponer algunos trabajos que permitan tener una visión más amplia de lo que significa desplegar una red de cuarta generación como LTE Energy-Efficient Wireless Access Networks: LTE and LTE-Advanced [5] Como grandes consumidores de energía, estaciones base necesitan redes de acceso inalámbrico de bajo consumo. En este artículo se compara el diseño de redes de Evolución a Largo Plazo (LTE) para redes LTE- Advanced energéticamente eficientes. LTE-Advanced introduce tres nuevas funcionalidades - agregación de portadoras, las redes heterogéneas y prolongadas de entrada múltiple, salida múltiple (MIMO) de apoyo. Los autores desarrollan un modelo de consumo de energía para estaciones base femtoceldas LTE y LTE-Advanced macrocelda y, junto con una medida de eficiencia energética. Ellos muestran que la agregación de portadora y MIMO de LTE-Avanzada mejorar la eficiencia de las redes de energía de hasta 400 y 450 por ciento, respectivamente. Autores: Diego Arturo Llanos Lucero, Lenin Edinson Yengle Bautista. 10

11 1.3 Planteamiento del problema Cómo mejorar la velocidad de trasmisión de grandes cantidades de datos con un mejor ancho de banda para satisfacer las expectativas del cliente permitiendo servicios de streaming, mensajería por video, telefonía por video, videoconferencias, en tiempo real con la tecnología LTE avanzada (4G LTE)? 1.4 Hipótesis Cómo mejorar la velocidad de trasmisión de grandes cantidades de datos con un mejor ancho de banda para satisfacer las expectativas del cliente permitiendo servicios de streaming, mensajería por video, telefonía por video, videoconferencias, en tiempo real con la tecnología LTE avanzada (4G LTE)? 1.5. Objetivos Objetivo General ELABORAR DISEÑO LOGICO Y SIMULACIÓN DE UNA ARQUITECTURA DE RED INALÁMBRICA CONVERGENTE LTE AVANZADA QUE LOGRE ALCANZAR VELOCIDADES DE ACCESO A LOS 100 MBPS Objetivos Específicos A. Documentar y analizar la situación problemática actual que existe en la demanda de tráfico y así desarrollar técnicas y conocimientos necesarios para diseñar dicha red inalámbrica B. Diseñar el modelo lógico de una arquitectura red propuesta en el proyecto que mejore la disponibilidad de cobertura de red, QoS (calidad y servicio) y velocidades de transmisión de datos Autores: Diego Arturo Llanos Lucero, Lenin Edinson Yengle Bautista. 11

12 C. Verificar los factores que aumentan el análisis de complejidad cuando se trata de tiempos reducidos (latencia no mayor a 10 milisegundos). D. Realizar pruebas necesarias que verifiquen la capacidad y tasa efectiva de datos, cobertura de red, latencia de punta a punta, interoperabilidad de dispositivos de múltiples fabricantes y Calidad de Servicio Justificación Justificación Económica El proyecto resulta económico, viable ya que con este se daría solución a los problemas principales de un área geográfica, Tiendas Comerciales, Universidades, Empresas determinadas como son ahorro de dinero a un costo asequible. Por lo tanto se examinaran muchas variables y factores para que posteriormente, mediante el flujo de caja, comparar los ingresos para ver la factibilidad del proyecto a base de criterios como el VAN (Valor Actual Neto) y el TIR (Tasa Interna de Rentabilidad) Justificación Social El proyecto ayudará a ciudadanos, Universidades, Empresas a brindar un servicio eficiente en la velocidad de transmisión de datos, así como en la cobertura y calidad de servicio de la señal, para que así dichos ciudadanos, empresas, etc disfruten de aplicaciones como (video conferencias, juegos en línea, etc), mejora para los servicios de broadcast para permitir servicios radio difusión y televisión móvil en tiempo real con una calidad aceptable y conseguir una eficiencia espectral 3 mejor que la del HSPA, ya que cuando mayor es este valor, vamos aprovechar mejor dicha banda ancha. Autores: Diego Arturo Llanos Lucero, Lenin Edinson Yengle Bautista. 12

13 Justificación Académica El proyecto se justifica académicamente debido a que nosotros los investigadores nos permitirá conocer los resultados positivos de la aplicación de un diseño lógico y simulación de una arquitectura de red inalámbrica convergente, además este tipo de red (LONG TERM EVOLUTION ADVANCE) permitirá disminuir la latencia de paquetes, proporcionar una experiencia de banda ancha avanzada alcanzado velocidades hasta 20 Megas lo que traerá nuevos y mejores servicios para los usuarios ya que se propone disminuir el retardo latencia en un total de 10 milisegundos Justificación Tecnológica El proyecto se justifica tecnológicamente debido a que nos permite contar con una visión próspera hacia el futuro ya que LTE avanzada es el estándar global para la cuarta generación de banda ancha móvil (4G). LTE se está convirtiendo en una tecnología para satisfacer las expectativas del cliente y sus demandas de velocidad, además de permitir servicios y aplicaciones que exigen más capacidad y menor latencia como la televisión interactiva, video blogging móvil, juegos avanzados y servicios profesionales. Autores: Diego Arturo Llanos Lucero, Lenin Edinson Yengle Bautista. 13

14 CAPITULO 2 MARCO TEORICO 2.1. Long Term Evolution (LTE) En la actualidad cuando se lee todo tipo de artículos relacionados con redes celulares, es imposible no toparse con las siglas LTE. Long Term Evolution es el nombre detrás de estas siglas y se trata de lo último en lo que respecta a tecnologías móviles. Junto con WIMAX son las que están llamadas a revolucionar el mundo de las telecomunicaciones. Esto por una sencilla razón, LTE permitirá tener velocidades de transmisión de datos muy altas con una latencia de paquetes mucho menor que las otras tecnologías, lo cual es un creciente requerimiento en los servicios hoy en día. Esto se logra gracias a que LTE emplea una técnica de acceso múltiple en la capa física, llamada OFDMA (del inglés Orthogonal Frequency Division Multiplexing Access) en el Dowlink (descarga de datos), en la que divide el canal en un conjunto de subportadoras que se reparten en grupos en función de la necesidad de cada uno de los usuarios. Mientras que para el Uplink (carga de datos) utiliza la técnica SC- FDMA (del inglés (Single Carrier Frequency Division Multiplexing Access) que es una variante de OFDMA con la diferencia de que esta presenta un PARP (del inglés Peak to Average Power Ratio) reducido, lo cual evitará que tengamos picos muy grandes en la señal. Además lo que repotencia el esquema de LTE es el uso de antenas MIMO (del inglés Multiple-Input and Multiple-Output). MIMO hace posible el contar con múltiples antenas tanto en el transmisor como en el receptor, para de esta forma mejorar la calidad de la comunicación. Sin embargo en esta pugna por demostrar quién es mejor, LTE ha sacado ventaja sobre WiMAX, principalmente en el hecho de que esta tecnología utiliza las redes GSM (del inglés Global System for Mobile Communications) actuales, por lo que el coste de su implementación para las compañías sería mucho menor. Además existen otras diferencias, como se puede ver, en lo que respecta a los campos de ancho de Autores: Diego Arturo Llanos Lucero, Lenin Edinson Yengle Bautista. 14

15 banda del canal, Peak Data Rate, eficiencia espectral, capacidad VoIP, entre otros campos. TABLA 2-1: Comparación entre versiones de LTE y las de WiMAX FUENTE: 3GPP LTE [4] Además, vale la pena mencionar que tanto LTE y WiMAX usan OFDMA en el downlink, pero no en el uplink. En este último caso, WiMAX utiliza OFDMA, mientras que LTE usa SC-FDMA que nos permite un PARP reducido para el uplink, como se explicó líneas más arriba. Esto hace que sea más sencillo que el terminal móvil mantenga una eficiente transmisión de la señal usando un amplificador de potencia [4] Redes Inalámbricas Red inalámbrica (Wireless network) en inglés es un término que se utiliza en informática para designar la conexión de nodos sin necesidad de una conexión Autores: Diego Arturo Llanos Lucero, Lenin Edinson Yengle Bautista. 15

16 física, ésta se da por medio de ondas electromagnéticas. La transmisión y la recepción se realizan a través de puertos. Existen básicamente tres (3) categorías de las redes inalámbricas. Larga distancia: estas son utilizadas para distancias grandes como puede ser otra ciudad u otro país. Media Distancia: Son utilizadas para distancias cortas como en barrios o conjuntos residenciales Corta distancia: son utilizadas para un mismo edificio o en varios edificios cercanos no muy retirados Tipos de Redes Wireless Local Área Network En las redes de área local podemos encontrar tecnologías inalámbricas basadas en HiperLAN un estándar del grupo ETSI, o tecnologías basadas en Wi-Fi, que siguen el estándar IEEE con diferentes variantes. Wireless Metropolitan Área Network Para redes de área metropolitana se encuentran tecnologías basadas en WiMAX es decir, Interoperabilidad Mundial para Acceso con Microondas, un estándar de comunicación inalámbrica basado en la norma IEEE WiMAX es un protocolo parecido a Wi-Fi, pero con más cobertura y ancho de banda. También podemos encontrar otros sistemas de Autores: Diego Arturo Llanos Lucero, Lenin Edinson Yengle Bautista. 16

17 comunicación como LMDS (Local Multipoint Distribution Service). Wireless Wide Area Network En estas redes encontramos tecnologías como UMTS (Universal Mobile Telecommunications System), utilizada con los teléfonos móviles de (3G/4G) y sucesora de la tecnología GSM (para móviles 2G), o también la tecnología digital para móviles GPRS (General Packet Radio Service). FIGURA 2-1 POSICIONAMIENTO DE ESTÁNDARES WIRELESS Topología de Redes Inalámbricas La topología de una red representa la disposición de los enlaces que conectan los nodos de una red. Las redes pueden tomar muchas formas diferentes dependiendo de cómo están interconectados los nodos. Hay dos formas de describir la topología de una red física o lógica. La topología física se refiere a la configuración de cables, antenas, computadores y otros dispositivos de red, mientras la topología Autores: Diego Arturo Llanos Lucero, Lenin Edinson Yengle Bautista. 17

18 lógica hace referencia a un nivel diferente, donde se consideran por ejemplo el método y flujo de la información transmitida entre nodos. TOPOLOGIA BUS REPRESENTACION VISUAL APLICABLE EN REDES INALAMBRICAS No aplicable generalmente. Estudiando la Topologia de bus se puede notar que cada nodo se conecta a todos los demás nodos, en el punto donde un cable se conecta con otros cables. En el caso inalámbrico esta topología es equivalente a una red de mala completa operando en un canal único ESTRELLA Sí; Esta es la Topología estándar de una red inalámbrica Autores: Diego Arturo Llanos Lucero, Lenin Edinson Yengle Bautista. 18

19 LINEA(multiconcentrador) Sí; con dos o más elementos. Una línea de dos nodos es un enlace punto a punto. ARBOL Sí; Típicamente usado por ISP (Proveedores de Servicio de Internet Inalámbrico) ANILLO MALLA Sí; es posible pero raro de encontrar. Sí; pero la mayoría son mallas parciales Diseño de Una Red Durante el diseño de una red solo se debe preocupar por dos cosas: las personas y el desempeño. Nuestro trabajo será el de analizar el reporte de requerimientos y colocar los resultados por prioridad con respecto a las personas y el desempeño. El diseño debes llevarlo a cabo en dos fases: Desarrollo del Diseño Lógico Diseño de una Topología Autores: Diego Arturo Llanos Lucero, Lenin Edinson Yengle Bautista. 19

20 Diseño de Modelos de Nombramiento. Selección de Protocolos (enrutamiento, conmutación, puenteo, etc.). Desarrollo de estrategias de seguridad y gestión Desarrollo del Diseño Físico Selección de Tecnologías. Selección de Dispositivos y equipos. Selección de la planta de cableado Arquitectura Red LTE-A La arquitectura general de LTE es una evolución de la arquitectura general de 3GPP. La 3GPP especifica en la versión 8 de los elementos y requisitos de la arquitectura de EPS que servirán de base para las redes de próxima generación. Las especificaciones incluyen dos principales elementos de trabajo, es decir, LTE y SAE, que llevaron a la especificación de la Evolved Packet Core (EPC), desarrollado Terrestre Universal Radio Access Network (E-UTRAN), y evolucionó universal de acceso de radio terrestre (E-UTRA), cada uno de los cuales corresponde a la red núcleo, la red de acceso de radio, y la interfaz de aire de todo el sistema, respectivamente. La EPS proporciona conectividad IP entre un equipo de usuario (UE) y una red de paquetes de datos externa usando la E-UTRAN. En la figura 2-2, proporcionamos una visión general de las EPS, otro legado de paquetes y conmutación de circuitos y elementos RAN 3GPP, junto con las interfaces más importantes. En la red de servicios, sólo la política y la Función de carga Reglas (PCRF) y el suscriptor Home Server (HSS) se incluyen, por simplicidad. Autores: Diego Arturo Llanos Lucero, Lenin Edinson Yengle Bautista. 20

21 I G U R A 2-2. Vi si ón ge ne F ral de EPS de accesos 3GPP (arquitectura no móvil). En el contexto de los sistemas 4G, tanto en la interfaz de aire y la red de acceso de radio se están mejorando o redefinidos, pero hasta ahora la arquitectura de red básica, es decir, el EPC, no está experimentando cambios importantes de la arquitectura SAE ya normalizada. Por lo tanto, en esta sección damos una visión general de la arquitectura E-UTRAN y funciones definidas para los sistemas LTE- Advanced y las principales funcionalidades del nodo EPC Vista General de E-UTRAN LTE-A En la figura 2-3, se muestra la arquitectura de E-UTRAN para LTEAdvanced. La pieza de la base en la arquitectura E-UTRAN es la mayor Nodo B (enodob o enb), que proporciona la interfaz de aire con el plano de usuario y de control de protocolo del plano de terminaciones hacia el UE. Cada uno de los enbs es un componente lógico que sirve una o varias células de E-UTRAN, y la interconexión de interfaz de la enb se llama la interfaz X2. Además, Inicio enbs (HeNBs, también llamadas femtoceldas), que son enbs de menor costo para la mejora la cobertura en interiores, se pueden conectar a la EPC directamente oa través de una puerta de enlace que proporciona apoyo adicional para un gran número de HeNBs.1 Además, 3GPP es considerando nodos de retransmisión y estrategias Autores: Diego Arturo Llanos Lucero, Lenin Edinson Yengle Bautista. 21

22 de retransmisión sofisticados para la mejora del rendimiento de la red. Los objetivos de esta nueva tecnología se incrementan la cobertura, mayores velocidades de datos y un mejor rendimiento QoS y la justicia para los diferentes usuarios. FIGURA 2-3 Arquitectura de E-UTRAN LTE-Advanced. Como se mencionó anteriormente, enbs proporcionan la E-UTRAN con el usuario y protocolos de terminación del plano de control necesario.. Figura 2-4 da un resumen gráfico de las dos pilas de protocolos. En el plano de usuario, los protocolos que se incluyen son el Protocolo de Convergencia de Datos por Paquetes (PDCP), el Control de Enlace de Radio (RLC), control de acceso al medio (MAC), y los protocolos de la capa física (PHY). El plano de la pila de control incluye, además, los protocolos de control de recursos de radio (RRC). Autores: Diego Arturo Llanos Lucero, Lenin Edinson Yengle Bautista. 22

23 FIGURA 2-4. Pila de protocolos. Las principales funcionalidades llevadas a cabo en cada capa se resumen en la siguiente: [8-11] NAS (Non-Access Stratum) - Gestión de conexión / sesión entre el UE y la red central. - Autenticación. - Registro. - Portador contexto de activación / desactivación. - Gestión de registro de ubicación. RRC (Control de Recursos de Radio) - Información del sistema de difusión en relación con estrato de no acceso (NAS) y estrato de acceso (AS). - Establecimiento, mantenimiento y liberación de conexión RRC. Autores: Diego Arturo Llanos Lucero, Lenin Edinson Yengle Bautista. 23

24 - Las funciones de seguridad incluyen la gestión de claves. - Funciones de la movilidad. - Funciones de gestión de QoS. - UE informe de medición y el control de la presentación de informes. - NAS transmisión directa de mensajes entre el UE y NAS. RLC (Radio Link Control) - Corrección de errores a través de petición automática de repetición (ARQ). - De acuerdo con el tamaño del bloque de transporte y de re-segmentación en caso de que se necesita una retransmisión de segmentación. - La concatenación de SDU para la misma portadora de radio. - Detección de errores y recuperación Protocolo. - La entrega en secuencia. MAC (Control de Acceso al Medio) - Multiplexación / demultiplexación de unidades de datos de paquetes (PDU de RLC). - Programación de la presentación de información. - Corrección de errores a través de ARQ híbrida (HARQ). - Priorización Canal Local. - Relleno. Autores: Diego Arturo Llanos Lucero, Lenin Edinson Yengle Bautista. 24

25 Eveloved Packet Core overview (EPC) La arquitectura general 3GPP explicada en el anterior punto es fundamental para explicar la arquitectura general de LTE. Si partimos teniendo como eje la arquitectura general de UMTS, veremos que ésta evolucionó para adaptarse muy bien a GSM y a los requerimientos de la 2G, con una topología en estrella donde el RNC (del inglés Radio Network Controller) podía controlar cientos de Bases Stations (Estaciones Base, BS) o Nodos B sobre la interface IuB (interfaz que conecta el RNB con la BS o con el Nodo B, según sea el caso). Bajo este concepto, UTRAN tuvo que irse adaptando y mejorando, lo que terminó con una arquitectura complicada en la cual no existe comunicación directa entre las BS o Nodo B. A pesar de que el Nodo B es sencillo, el RNC es complejo y se encarga del manejo del tráfico y de los recursos de radio. El EPC es un núcleo de red todo IP basada plana que se puede acceder a través del acceso de radio 3GPP (UMTS, HSPA, HSPA +, LTE) y de acceso de radio no-3gpp (por ejemplo, WiMAX, WLAN), lo que permite los procedimientos de traspaso dentro de y entre tanto el acceso tipos. La flexibilidad de acceso a la EPC es atractivo para los operadores, ya que les permite tener un solo núcleo a través del cual se apoyan los distintos servicios. Los principales componentes de la EPC y sus funcionalidades son las siguientes. Entidad de Gestión de la movilidad (MME) Este es un elemento de plano de control clave. Entre otras funciones, se encarga de la gestión de las funciones de seguridad (autenticación, autorización, señalización NAS), el manejo de la movilidad estado de reposo, la itinerancia y traspasos. También la selección Autores: Diego Arturo Llanos Lucero, Lenin Edinson Yengle Bautista. 25

26 de la pasarela de Servicio (S-GW) y Packet Data Network Gateway (PDN-GW) nodos es parte de sus tareas. La interfaz S1-MME conecta el EPC con los enb. Servicio Gateway (S-GW) El EPC termina en este nodo, y que está conectado a la E-UTRAN a través de la interfaz S1-U. Cada UE se asocia a un único S-GW, que será el anfitrión de varias funciones. Es el punto de anclaje de movilidad, tanto para locales inter-enb traspaso y la movilidad inter- 3GPP, y se realiza entre operadores de carga, así como paquetes de enrutamiento y reenvío. Packet Data Network Gateway (PDN-GW) Este nodo proporciona el UE con acceso a una red de datos en paquetes (PDN) mediante la asignación de una dirección IP de la PDN para el UE, entre otras funciones. Además, la evolución de puerta de enlace de datos en paquetes (EPDG) proporciona una conexión de seguridad entre UEs conectados a una red de acceso no 3GPP confianza con el EPC mediante túneles IPSec. Desde la perspectiva del usuario sólo hay los enbs y las puertas de enlace, por lo considera plana. Esto da lugar a una complejidad reducida en comparación con las arquitecturas anteriores. Autores: Diego Arturo Llanos Lucero, Lenin Edinson Yengle Bautista. 26

27 2.5. Diseño de una Red LTE-A Para el diseño hay que tomar en cuenta las generalidades del funcionamiento de un sistema celular que son, el equipo del usuario, la red de acceso y la red troncal, a continuación en la Figura 2-5 se muestra el esquema para la planificación del diseño de una red LTE-A. FIGURA 2-5 Planificación de la red LTE-A. El sistema debe considerar las siguientes facilidades: - Localización del móvil y actualización del sistema. - Conexión del móvil dondequiera que este (radiobusqueda, paging). - Sincronización automática de canales por parte del móvil. Autores: Diego Arturo Llanos Lucero, Lenin Edinson Yengle Bautista. 27

28 - Transferencia o conmutación automática de una llamada en curso cuando un móvil pasa de una célula a otra (Traspaso, handover). Para el diseño del sistema celular se puede tomar en cuenta muchos factores interdependientes, entre los que se pueden destacarse los siguientes: - Cobertura radioeléctrica. - Limitación de frecuencia - Movilidad de los usuarios. - Distribución del tráfico - Introducción a nuevos servicios. A lo mencionado anteriormente se suma un factor que es muy importante el económico, ya que dependiendo de la situación se deberá adquirir o alquilar las ubicaciones de las estaciones base, disponer su infraestructura: casetas de equipos, energía eléctrica, torres de antenas, accesos, enlaces de comunicaciones, etc Cobertura Radioeléctrica Se refiere al grado de cobertura radioeléctrica y se clasifica del modo siguiente: - Según la extensión superficial: local, regional, nacional e internacional. - Por su cualificación: calles, carreteras, áreas rurales, interiores de edificios, subterráneos y túneles. - Por el grado de completitud: porcentaje de ubicaciones (perimetral y zonal) y porcentaje de tiempo. - Por el porcentaje de la población. Autores: Diego Arturo Llanos Lucero, Lenin Edinson Yengle Bautista. 28

29 La cobertura se programa de una forma evolutiva, con hitos temporales que van estableciendo grados mayores de cobertura. En primera fase, se cubren escenarios urbanos densos y urbanos residenciales, donde reside, la mayoría de la población, con objetivos del 90%, o mejor, perimetral (equivalente a más del 95% zonal) durante el 90% del tiempo, como mínimo. Se sigue dando cobertura a los principales ejes viarios, tanto de carretera. En paralelo, se van cubriendo puntos de alta densidad de tráfico (hot pots) posiblemente con celdas interiores Cálculo de Tráfico Este apartado es algo especial para el dimensionamiento de la red basado en conmutación de circuitos que son las redes de tercera generación para lo que se refiere a voz, y en las redes LTE-A la comunicación de voz es mediante IP o conocido también como VoIP. Alternativa para la voz en LTE. Para las redes de cuarta generación no existe una conmutación de circuitos como en las redes de tercera generación como son GSM, UMTS etc, por este motivo se debe analizar el paso de voz, en la página de noticias del 3GPP se encuentra un artículo [13] donde se menciona que la solución 3GPP para voz sobre LTE es una combinación de múltiples esfuerzos, primero en el Release 7 donde se optimiza la señalización IMS y la codificación VoIP para que sea tan buena o mejor que la voz CS en términos de calidad y eficiencia. También se agregan los requerimientos de llamada de emergencia IMS y lo adapta a los requerimientos regulatorios en LTE y GPRS en Release 9. En el Release 8 se desarrolla una Autores: Diego Arturo Llanos Lucero, Lenin Edinson Yengle Bautista. 29

30 evolución optimizada de red radio y core para la transferencia de paquetes de datos y se agregan los requerimientos de conectividad siempre-conectado IP en LTE. VoLTE El enfoque VoLTE Fast Track de NSN es más o menos un subconjunto de la solución compatible con IR.92 basada completamente en IMS. El camino VoLTE Fast Track de NSN es totalmente compatible con las especificaciones PRD IR.92. Lo bueno es que todo puede re-utilizarse. Así que no es una alternativa, es una opción en el camino a IMS completo o una estrategia de introducción sin problemas, si un cliente no quiere hacer la introducción completa de IMS desde el principio. En diciembre de 2009 NSN publicó un artículo [14] que menciona que una llamada de voz compatible con los estándares de LTE se realizó por NSN en sus centros de I + D en Alemania y Finlandia. La llamada fue hecha desde un ordenador portátil equipado con la aplicación softphone NSN Communication Suite y una tarjeta de datos USB LTE de LG Electronics. Circuit Switch Fallback (CSFB) El EPS prevé en principio IMS para el manejo de sesiones, pero durante la fase de diseño los operadores del sistema 3GPP evolucionado difirieron en sus planes de despliegue previstos, algunos de ellos no se decidían a desplegar IMS con el acceso de radio LTE Autores: Diego Arturo Llanos Lucero, Lenin Edinson Yengle Bautista. 30

31 y el despliegue del core EPC, por lo tanto apareció CSFB que es una solución de transición aprobada por el 3GPP [15] para cuando las capacidades de VoIP IMS no son soportadas. CSFB está disponible solamente en el caso en que la cobertura de LTE se superponga por cobertura 2G o cobertura 3G. Voz sobre LTE a través de Acceso Genérico (VoLGA) VoLGA es una solución cuyo objetivo es facilitar la continuación de los servicios de voz y SMS en las redes LTE, se basa en el estandar 3GPP GAN (Generic Access Network), soporta traspasos de llamadas activas entre LTE y 2G/3G. 3GPP GAN provee un nodo controlador GANC (Controlador GAN) insertado entre la red de acceso IP y la red core 3GPP. La arquitectura de VoLGA introduce un nuevo elemento de red denominado VANC (Controlador de red de acceso VoLGA), que es un GANC que ha sido modificado para soportar servicios CS sobre EPS, el controlador se conecta al switch móvil de voz existente del operador y al ser un controlador externo puede ser desplegado e integrado a la red sin cambiar el software en las MSC en la red Ventajas de LTE-A - Con LTE-A será posible llegar a velocidades de hasta 200 Mbps. Autores: Diego Arturo Llanos Lucero, Lenin Edinson Yengle Bautista. 31

32 - La latencia, es decir el retardo en la respuesta desde la red, será menor a 10 milisegundos. - Se generará una alta eficiencia en lo que respecta a los costos de operación de las redes, lo cual permitirá reducir el impacto ambiental en la zona donde esta se implemente. - Desde sus teléfonos inteligentes, los usuarios podrán conectarse a internet con velocidades diez veces más rápidas que a través de redes de 3G, por lo tanto es enorme el mejoramiento en cuanto a la navegación por la Web. - Capacidad para efectuar, sin ningún tipo de cortes, videoconferencias y video llamados con imagen y sonido de alta calidad, así como también realizar transmisiones en vivo y directo. - Los móviles compatibles con LTE 4G te permiten compartir datos multimedia de alta definición. Podrás descargar un video de 700 MB en sólo 90 segundos. - Gracias a estas redes de alta velocidad disfrutarás aún más de los juegos en red, con mejor definición y mayores propiedades. - Esta tecnología también permite hacer streaming en alta definición y en tiempo real, sin interrupciones ni tiempo de espera por el buffer. Como ejemplo te podemos citar los videos de YouTube, los cuales visualizarás con mayor calidad. - Podrás subir fotos y videos de una cámara digital en tiempo real desde cualquier lugar. Autores: Diego Arturo Llanos Lucero, Lenin Edinson Yengle Bautista. 32

33 CAPITULO 3 MATERIALES Y METODOS 3.1. Metodología de Trabajo Técnicas Y Procedimientos de Recolección de Información Recopilación documental [2]: Esta técnica se apoya en la recopilación de antecedentes a través de documentos, papers, libros y gráficos. Para este proyecto las fuentes serán de tipo bibliográficas, la cual será la base tanto de fundamentos como de complemento para la investigación. Recopilación a través de la observación [2]: Consiste en el estudio de características y comportamiento de un fenómeno, dentro del medio en donde se desenvuelve. Esta técnica se utilizara para estudiar el estado actual de dicha área geografica en cuanto a configuración y red, lo que nos permitirá obtener un informe de estudio de campo, que servirá para un análisis posterior. Recopilación de datos experimentales [2]: Se basa en la experimentación que consiste en la observación dedicada y constante que se hace a un fenómeno, al que se le van modificando sistemáticamente sus variables conforme aún plan determinado. Esta técnica permitirá recolectar datos de la experimentación sobre el diseño lógico de la solución propuesta y de la implementación misma, que luego servirán para contrastar y analizar resultados con respecto a la hipótesis del proyecto. Autores: Diego Arturo Llanos Lucero, Lenin Edinson Yengle Bautista. 33

34 Métodos de Análisis de Datos Las técnicas que se utilizaran para el análisis de datos son: Análisis documental [1]: La base del planteamiento de la solución vendrá del análisis documental sobre la información de documentos, papers, libros, etc. que podamos obtener sobre el tema. Luego de recolectar los datos necesarios procedemos a realizar una lectura comprensiva y resumen de lo que nos interesa, y ya contrastándolo con la realidad se propone el diseño más apropiado. Técnicas de estadística descriptiva: Para el análisis de los datos cuantitativos del experimento se utilizarán datos estadísticos simples dependiendo del área geográfica. Para realizar el análisis de factibilidad se utilizarán tablas y gráficos Población y Muestra La provincia de Trujillo es una de las 12 provincias que conforman el Departamento de la Libertad, localizado en el departamento de Lima. La ciudad se encuentra ubicada a una altitud media de 34 msnm en una franja costera occidental de la provincia de Trujillo, en el Valle de Moche o Santa Catalina, La plaza Mayor se ubica a 8 6' 3" de latitud sur; a 79 1' 34" de longitud oeste a una altitud de 31,16 metros sobre el nivel del mar y distante a 4,4 km del océano pacífico, en línea recta por la Avenida Larco. Actualmente tiene una población de 765, 161 habitantes. En la TABLA 7-1 se muestra la población de la provincia de Trujillo. Autores: Diego Arturo Llanos Lucero, Lenin Edinson Yengle Bautista. 34

35 T ABLA 3-1 Población de la Provincia de Trujillo año 2011 FUENTE: INEI [INEI 2010] Se observa que el pico más alto es de 1.539,774 y con la proyección de los próximos años se podría tener aproximadamente , 6678 habitantes Determinación de la Demanda De acuerdo a datos estadísticos realizados a grandes escalas por algunos operadores, se sabe que la penetración de servicios 3G en el Perú está entre los 5 y 10%. De los cuales, tenemos que aproximadamente el 70% de las personas que conforman la PET (Población en edad a Trabajar) el departamento la Libertad y la Provincia de Trujillo, no cuentan con servicios 3G o LTE. Se ha elegido evaluar la PET ya que si bien es cierto es correcto pensar que se debe evaluar la PEA (Población Económicamente Activa) para ver nuestro universo de clientes, no aplica siempre que las personas que conforman la PEA adquirirán nuestros servicios, sino que personas de la PET también lo harán. Con estos datos, se puede hacer una estimación de la Autores: Diego Arturo Llanos Lucero, Lenin Edinson Yengle Bautista. 35

36 cantidad de personas en la provincia de Trujillo que no cuentan con estos servicios. En la TABLA 3-2 se muestra cantidad de personas sin este servicio y la cantidad de personas que ya cuentan con ello, sea por operadores como Movistar Perú o Nextel del Perú. Provincia de Trujillo PET Personas que no cuentan con servicios 3G o 341,676 personas 239,173 personas LTE Porcentaje de personas sin 3G o LTE 70% TABLA 3-2 Proporción de personas sin servicio 3G o LTE FUENTE: INEI [INEI 2007] Por lo tanto, a lo que se apunta es a conseguir que este grupo de personas (239 mil 173 personas) opten por nuestros servicios. Sin embargo, también debemos apuntar a captar la atención de usuarios de los otros operadores antes mencionados. De acuerdo a proyecciones, se estima que este porcentaje puede llegar a ser el 10% de las personas que ya cuentan con servicios 4G independientemente del operador al que pertenezcan. Autores: Diego Arturo Llanos Lucero, Lenin Edinson Yengle Bautista. 36

37 En la TABLA 3-3 se muestra esta cantidad de personas de las que se desea captar su atención que pertenecen a otros operadores. Provincia de Trujillo Personas que cuentan con servicios 3G o LTE Personas de otro operador de las que se desea captar su atención 102,503 personas 10,251 personas Porcentaje de personas a captar su atención 10% TABLA 3-3 Proporción de personas pertenecientes a otros operadores de las que se desea captar su atención FUENTE: ELABORACION PROPIA 3.2. Variables del Proyecto Variable Dependiente: Es aquella característica, propiedad o cualidad de una realidad o evento que estamos investigando. Para nuestro proyecto de tesis es: Red inalámbrica convergente LTE avanzada Variable Independiente: Es aquella propiedad, cualidad o característica de una realidad, evento o fenómeno, que tiene la capacidad para influir, incidir o afectar a otras variables. En nuestro proyecto de tesis es: Diseño Lógico y Simulación de la arquitectura Autores: Diego Arturo Llanos Lucero, Lenin Edinson Yengle Bautista. 37

38 CAPITULO 4 RESULTADOS 4.1. Estudia Actual de la RED 3G La tercera generación, o 3G, fue desplegada inicialmente en 2001 y ofrecían tanto voz digital como servicios de datos digitales de banda ancha. 3G es vagamente definido por la ITU, proporcionando tasas de al menos 2 Mbps para usuarios fijos o a bajas velocidades, por ejemplo, caminando y 384 kbps en un vehículo en movimiento [7]. UMTS, también llamada WCDMA (debido a que esta es su tecnología de acceso), fue el principal Sistema 3G que se desplego con rapidez en todo el mundo. Puede proporcionar hasta 14 Mbps en el enlace descendente y casi 6 Mbps en el enlace ascendente. Las versiones futuras usarán múltiples antenas y radios para proporcionar velocidades aún mayores para los usuarios [7]. El recurso escaso en los sistemas 3G, al igual como en los sistemas 2G y 1G, es el espectro radioeléctrico. La escasez de espectro condujo al diseño de la red celular que se muestra en la figura 10-1 que ahora se utiliza para las redes de telefonía móvil. Para gestionar la radio interferencia entre los usuarios, el área de cobertura se divide en células o celdas. Dentro de una celda, a los usuarios se les asignan canales que no interfieran unos con otros y no causen demasiada interferencia a las celdas adyacentes. Esto permite una buena reutilización del espectro, o reutilización de frecuencias, en las celdas vecinas, lo que aumenta la capacidad de la red. Los sistemas 3G modernos permiten a cada celda utilizar todas las frecuencias, pero de manera que resulta en un nivel tolerable de interferencia a las celdas vecinas. Hay variaciones en el diseño celular, incluyendo el uso de direccional o sectorizado antenas en torres de celulares para reducir aún más la interferencia, pero la idea básica es la misma. Autores: Diego Arturo Llanos Lucero, Lenin Edinson Yengle Bautista. 38

39 FIGURA 4-1 Diseño celular para la red 3G Facilidad de uso y costos bajos Los clientes quieren ante todo servicios útiles, terminales simples y una buena relación calidad-precio. UMTS proporcionará: Servicios de usos fáciles y adaptables para abordar las necesidades y preferencias de los usuarios Terminales y otros equipos de interacción con el cliente para un fácil acceso a los servicios Bajos costos de los servicios para asegurar un mercado masivo Tarifas competitivas Una amplia gama de terminales con precios accesibles para el mercado masivo, soportando simultáneamente las avanzadas capacidades de UMTS Nuevos y Mejores Servicios Los servicios de voz mantendrán una posición dominante durante varios años. Los usuarios exigirán a UMTS servicios de voz de alta calidad, junto con servicios de datos e información avanzada. Las Autores: Diego Arturo Llanos Lucero, Lenin Edinson Yengle Bautista. 39

40 proyecciones muestran una base de abonados de servicios multimedia en fuerte crecimiento hacia el año 2010, lo que posibilita también servicios multimedia de alta calidad en áreas carentes de estas posibilidades en la red fija Acceso Rápido UMTS aventaja a los sistemas móviles de segunda generación (2G) por su potencial para soportar velocidades de transmisión de datos de hasta 2Mbit/s desde el principio. Esta capacidad sumada al soporte inherente del Protocolo de Internet (IP), se combina poderosamente para prestar servicios multimedia interactivos y nuevas aplicaciones de banda ancha, tales como servicios de video telefonía y video conferencia Transferencia de Paquetes de Datos Y Velocidad de Transferencia de Datos a Pedido La mayoría de los sistemas celulares utilizan tecnología de conmutación de circuitos para la transferencia de datos. GPRS (Servicios de Radio transmisión de Paquetes de Datos Generales), una extensión de GSM (Sistema Global para Comunicaciones Móviles), ofrece una capacidad de conmutación de paquetes de datos de velocidades bajas y medias. UMTS integra la transmisión de datos en paquetes y por circuitos de conmutación de alta velocidad a los beneficios de: Conectividad virtual a la red en todo momento Formas de facturación alternativas (por ejemplo, pago por byte, por sesión, tarifa plana, ancho de banda asimétrico de enlace ascendente/ descendente) según lo requieran los variados servicios de transmisión de datos que están haciendo Autores: Diego Arturo Llanos Lucero, Lenin Edinson Yengle Bautista. 40

41 su aparición UMTS también ha sido diseñado para ofrecer velocidad de transmisión de datos a pedido, lo que combinado con la transmisión de paquetes de datos, hará que el funcionamiento del sistema resulte mucho más económico Entorno de Servicios Amigables y Consistentes Los servicios UMTS se basan en capacidades comunes en todos los entornos de usuarios y radioeléctricos de UMTS. Al hacer uso de la capacidad de roaming desde su red hacia la de otros operadores UMTS, un abonado particular experimentará así un conjunto consistente de sensaciones como si estuviera en su propia red local ( Entorno de Hogar Virtual o VHE). VHE asegurará la entrega de todo el entorno del proveedor de servicios, incluyendo por ejemplo, el entorno de trabajo virtual de un usuario corporativo, independientemente de la ubicación o modo de acceso del usuario (por satélite o terrestre). Asimismo, VHE permitirá a las terminales gestionar funcionalidades con la red visitada, posiblemente mediante una bajada de software, y se proveerán servicios del tipo como en casa con absoluta seguridad y transparencia a través de una mezcla de accesos y redes principales Movilidad y Cobertura UMTS ha sido concebido como un sistema global, que incluye tanto componentes terrestres como satelitales globales Terminales multimodo capaces de funcionar también por sistemas de Segunda Generación (2G), tales como las bandas de frecuencias GSM 900, 1800 y 1900 extenderán aún más el alcance de muchos servicios UMTS. Con estas terminales, un abonado tendrá la posibilidad de usar el roaming desde una red privada hacia una red pública picocelular / microcelular, luego a una red macrocelular de un área Autores: Diego Arturo Llanos Lucero, Lenin Edinson Yengle Bautista. 41

42 amplia (por ejemplo, una red de 2G), y luego a una red satelital, con una interrupción ínfima de la comunicación Calidad y Servicio (QoS) El soporte de QoS en UMTS se basa en la arquitectura jerárquica definida en la especificación TS [13], representada en la figura 6. La calidad de servicio extremo a extremo se sustenta en la calidad que proporcionan los servicios portadores subyacentes: el servicio portador local, el servicio portador UMTS y el servicio portador externo. Esta primera descomposición tiene como objeto no limitar innecesariamente los equipos terminales a emplear (ej. un PC) y las posibles redes destino (ej. Internet) con las que comunicarse. Es por este motivo que la especificación deja fuera del ámbito de la calidad de servicio de UMTS a los servicios portadores local y externo, centrándose exclusivamente en la normalización del servicio portador UMTS. FIGURA 4-2: Arquitectura de calidad de servicio UMTS Autores: Diego Arturo Llanos Lucero, Lenin Edinson Yengle Bautista. 42

43 En una segunda descomposición, el servicio portador UMTS se sustenta en la QoS que le proporciona el servicio portador de acceso radio (RAB) y el servicio portador del núcleo de red. El primero abarca el trayecto comprendido entre la terminación móvil (el terminal radio del usuario) y el nodo de acceso al núcleo de red (un MSC o un SGSN, según el caso), pasando a través del interfaz radio (Uu), la red de acceso radio (UTRAN), y el interfaz Iu. El concepto de RAB es determinante en la provisión de servicios UMTS con distintos perfiles de calidad de servicio, puesto que implica la utilización de recursos sobre el interfaz radio y la red de acceso, precisamente donde se presentan las mayores limitaciones de ancho de banda. El servicio portador del núcleo de red, por su parte, abarca el trayecto comprendido entre el nodo de acceso (MSC o SGSN) hasta el nodo pasarela (GMSC o GGSN) hacia la red destino de interés (ej. RTC o Internet). La QoS en este trayecto se apoya en la que proporciona el correspondiente backbone (de circuitos o de paquetes). Desde el punto de vista de los requisitos de QoS, y atendiendo fundamentalmente al criterio de su tolerancia al retardo, en UMTS se han definido cuatro clases de tráfico: Conversacional. Dentro de esta clase se encuadran las comunicaciones de audio y vídeo en tiempo real entre personas. Este tipo de comunicaciones se caracteriza por exigir un retardo extremo a extremo muy reducido, con objeto de que los usuarios no pierdan la sensación de interactividad. Ejemplos de aplicaciones conversacionales son la telefonía, la videotelefonía o la videoconferencia. Streaming (afluente). En esta categoría se incluyen las aplicaciones que permiten a los usuarios la descarga de contenidos multimedia (audio y video clips) para su reproducción Autores: Diego Arturo Llanos Lucero, Lenin Edinson Yengle Bautista. 43

44 on-line, con una sensación que, sin serlo, se aproxima a la de tiempo real. El hecho de que la transferencia de información sea unidireccional permite retrasar el instante de inicio de la reproducción posibilitando el empleo de buffers relativamente grandes en el extremo receptor para absorber las fluctuaciones de retardo. Ello permite relajar significativamente los requisitos de retardo con respecto a los servicios conversacionales. Interactivo. Esta clase de tráfico engloba las aplicaciones de acceso remoto a información en la modalidad online, donde el usuario (o una máquina) envía peticiones hacia el equipo remoto esperando que éste le devuelva las respuestas en un tiempo razonablemente reducido. Ejemplos de aplicaciones bajo esta categoría son la navegación web, las consultas a bases de datos o el acceso remoto a ordenadores (telnet). Background (diferible). Esta última clase da cabida a un número considerable de aplicaciones de datos en las que el usuario no exige una respuesta inmediata por parte de la red, admitiendo retardos que oscilan desde unos pocos segundos hasta incluso varios minutos. Ejemplo de tales aplicaciones son el correo electrónico o la descarga de ficheros, por citar algunas Arquitectura de la Red UMTS 3G La arquitectura de la red de telefonía móvil es muy diferente que el de la Internet. Tiene varias partes, como se muestra en la versión simplificada de la arquitectura UMTS en la Figura 4-3. En primer lugar, existe la interfaz de aire. Este término es Autores: Diego Arturo Llanos Lucero, Lenin Edinson Yengle Bautista. 44

45 un nombre de fantasía para el protocolo de comunicación por radio que se utiliza a través del aire entre el dispositivo móvil (por ejemplo, el teléfono celular) y la estación base celular. Los avances en la interfaz de aire en las últimas décadas han aumentado considerablemente las velocidades de datos inalámbricos. La interfaz de aire UMTS se basa en CDMA. La estación base celular junto con su controlador conforman la Red de Acceso de Radio (RAN, Radio Access Network). Esta parte es la parte inalámbrica de la red de telefonía móvil. El controlador de nodos o Radio Network Controller (RNC) controla cómo el espectro es utilizado. La estación base implementa la interfaz de aire, a esto se le llama Nodo B, un nombre que pretendía ser temporal pero que se mantuvo en el tiempo [7]. El resto de la red de telefonía móvil transporta el tráfico para la red de acceso, a esto se le llama el núcleo de la red o core network. El core network de UMTS evolucionó a partir de la red núcleo utilizado para el sistema GSM 2G que vinieron antes de él. FIGURA 4-3 Arquitectura de la red telefonía móvil UMTS 3G Autores: Diego Arturo Llanos Lucero, Lenin Edinson Yengle Bautista. 45

46 En la Figura 4-3 es posible ver que en 3G se implementan ambas alternativas mencionadas anteriormente. Las redes de telefonía móvil más antiguas utilizan un núcleo de conmutación de circuitos en el estilo de la red telefónica tradicional para realizar llamadas de voz. Este legado se ve en la red UMTS en los equipos; Mobile Switching Center (MSC), Gateway Mobile Switching Center (GMSC), y Media Gateway (MGW) que establecen conexiones de sobre una red central de conmutación de circuitos, tales como la Public Switched Telephone Network (PSTN). Las redes de telefonía móvil están destinadas a desempeñar un papel central en las futuras redes. Ellas están ahora más acerca de las aplicaciones móviles de banda ancha que de las llamadas de voz, y esto tiene importantes implicaciones para las interfaces de aire, arquitectura del núcleo de la red y la seguridad de las redes futuras Diseño de Red Propuesto LTE-A Luego de la descripción de lo que es la tecnología inalámbrica en la actualidad, a continuación plasmaremos el diseño de red que proponemos Diseño Lógico Primero mostraremos el diseño lógico propuesto Figura 4-4 el cual consta de dos redes primordiales que son la red de acceso E-UTRAN y la red troncal EPC (evolved packet core). Autores: Diego Arturo Llanos Lucero, Lenin Edinson Yengle Bautista. 46

47 FIGURA 4-4 Arquitectura de la red LTE-A propuesto SIGLAS MME PCRF PDN-GW HSS S-GW UE Uu S1 X2 S5 S6 S7 SGi enb HeNB HeNB-GW DESCRIPCION La Entidad de Gestión de la Movilidad Función de política y reglas de cargas Red pública de datos Servidor de Abonado Local Servicio de puerta de enlace Equipo de Usuario Interfaz de Radio Interfaz S1 Interfaz X2 Interfaz de conexión entre el PDN-GW y S-GW Interfaz de conexión entre el MME y HSS Interfaz de conexión entre PDN-GW y el PCRF Interfaz de conexión entre el S-GW y las redes externas Nodo B Evolucionado Home Nodo B evolucionado Puerta de Enlace HeNB TABLA 4-1: Leyenda del Diseño Lógico Propuesto Autores: Diego Arturo Llanos Lucero, Lenin Edinson Yengle Bautista. 47

48 Luego de plasmar nuestro diseño propuesto hablaremos sobre agregación de carrier ya que es la función principal que se da a cabo en estación base (enb) Agregación Carrier Para que LTE-Advanced para utilizar plenamente los anchos de banda más amplios de hasta 100 MHz, mientras que mantiene la compatibilidad con LTE, se ha propuesto un esquema de agregación de portadoras. Agregación de portadoras consiste en agrupar varios LTE'' portadores'' de componentes (CC) (por ejemplo, de hasta 20 MHz), de modo que los dispositivos de LTE- Avanzada son capaces de utilizar una mayor cantidad de ancho de banda (por ejemplo, hasta 100 MHz), mientras al mismo tiempo, permite que los dispositivos LTE continuen viendo el espectro como portadores de componentes separados. En la figura. 4 se ilustra el concepto de agregación Carrier en el ancho de banda contigua. Puede que no sea siempre posible para un operador obtener 100 MHz de espectro contiguo. Por esta razón, también se propone el uso de agregación de portadoras no contiguo. En este caso, las compañías de componentes que van a ser agregados pueden ser no contiguas en la misma banda de espectro o no contiguo en diferentes bandas del espectro. En cualquier caso, varios desafíos deben ser abordados antes de agregación de portadoras se puede introducir con éxito, como comentaremos más adelante. LAFIGURA 4-5. Agregación Carrier en el ancho de banda contigua. Autores: Diego Arturo Llanos Lucero, Lenin Edinson Yengle Bautista. 48

49 La figura 4-6 ilustra el caso de la agregación de portadoras no contigua en la misma banda. La figura muestra dos dispositivos LTE utilizando anchos de banda de hasta 20 MHz, coexistiendo con un dispositivo LTE-Advanced que utiliza el ancho de banda agregada no contiguo de hasta 100 MHz. FIGURA 4-6 Agregación Carrier en el ancho de banda no contigua, múltiples bandas Calidad y Servicio (QoS) en LTE-A El concepto de QoS toma importancia cuando es necesaria la diferenciación servicios y usuarios. En este sentido, los mecanismos de QoS deben permitir al operador ofrecer, por un lado, un acceso diferenciado a cada uno de los servicios, puesto que estos tienen diferentes requisitos de desempeño, como ancho de banda y retardo, y por otro lado, una diferenciación de usuarios, es decir, diferenciar el trato por grupos de usuarios para el mismo servicio, como por ejemplo diferenciar usuarios pre-pago de los usuarios post-pago en el acceso a Internet (Figura 4-7). Autores: Diego Arturo Llanos Lucero, Lenin Edinson Yengle Bautista. 49

50 Figura 4-7. Diferenciación de servicios y usuarios. Fuente: [13] A los usuarios les interesan aquellos aspectos de calidad que pueden ser percibidos por ellos y dependen del servicio que se trate. Por ejemplo, un usuario que navega por Internet percibe la QoS principalmente por el tiempo que transcurre para que una página web se despliegue totalmente después de hacer la petición. Técnicamente, esta duración depende de una compleja interacción de factores tales como el ancho de banda, el retardo y la tasa de error de bits (BER, Bit Error Rate). Por lo tanto uno de los conceptos clave asociados con QoS en las redes LTE-Advanced es la clasificación de servicios en clases. Cada una de las clases de servicios forma un flujo de paquetes, al cual se le asignarán los recursos de la red según las exigencias del servicio [14]. Desde la perspectiva del usuario, la clasificación de la QoS para los servicios se realiza en conversacional, interactiva, streaming y background (ver Tabla 4-2) La clase de servicio conversacional agrupa los servicios cuyos requisitos de QoS son más estrictos y rigurosos puesto que dependen directamente de la percepción humana como por ejemplo una llamada por voz sobre IP (VoIP, Voice over IP). Mientras que la clase de servicio background reúne servicios Autores: Diego Arturo Llanos Lucero, Lenin Edinson Yengle Bautista. 50