LTE WHITEPAPER MAYO 2014

Transcripción

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2 Resumen El presente documento proporciona detalles sobre las redes 4G o, lo que es lo mismo, la tecnología LTE. Se provee una introducción al tema así como también una descripción de cómo han ido evolucionando las redes móviles hasta la actualidad y las especificaciones necesarias para que una red sea considerada de cuarta generación. A continuación se presentan los elementos más importantes de su arquitectura y las interfaces que la componen. Por último, se destacan los existentes mecanismos de transmisión de voz en LTE con el fin de proporcionar una visión general de la situación actual de éste tipo de redes en Latinoamérica. A quién está dirigido? Éste documento se dirige a aquellos individuos o empresas que precisen adquirir conocimientos generales sobre LTE, los elementos que la componen y las ventajas que presenta frente a las generaciones anteriores para, de éste modo, poder adentrarse en ésta tecnología y estar alineado con las redes existentes en el mercado actual. Conocimientos mínimos necesarios Es necesario tener una idea clara del funcionamiento de las redes móviles y de los elementos más importantes de las generaciones anteriores para poder entender las analogías y diferencias entre LTE y sus antecesores 2

3 1. Introducción y evolución 3GPP El reciente incremento del uso de datos a través de dispositivos móviles por parte de los usuarios sumado a la aparición de diferentes aplicaciones, como ser MMOG, mobile TV, Web 2.0 y todo consumo de streaming, han dado como resultado la necesidad por parte del organismo 3GPP de crear una tecnología que permitiera satisfacer las necesidades actuales de ancho de banda. De éste modo nació la tecnología LTE (Long-Term Evolution), a la que podemos referirnos como el paso final del camino recorrido por las diferentes generaciones de telefonía celular (GSM, GPRS, EDGE, UMTS), tal como se muestra en la Figura 1. LTE-Advanced, como sucesora natural de LTE, permitirá alcanzar velocidades superiores a las que actualmente son alcanzadas con éste, pudiendo llegar hasta 1Gbps en el enlace de descarga. Algunas corrientes afirman que LTE-Advanced es realmente 4G, mientras que otros expertos ya englobaban a LTE en dicha categoría, asignando a LTE-Advanced el término 5G, en correlación con lo que la ITU-T define como IMT-Advanced: la nueva generación de comunicación global que brinda acceso a un alto número de servicios de telecomunicaciones basados en paquetes, soportado tanto en redes móviles como en redes fijas. IMT-Advanced usa un espectro de radio frecuencia mucho más eficiente que el actual, posibilitando mayores velocidades de transmisión con un menor uso de ancho de banda. En el presente documento nos referimos a LTE como una tecnología 4G. El organismo 3GPP comenzó a trabajar en LTE en el año 2004, apareciendo en 2006 algo más definido y terminando en 2009 con una especificación completa en la Release 8 de 3GPP. A finales de 2009 se empezaron a desplegar las primeras arquitecturas que soportan LTE y fue comercializada la primera red LTE en Noruega y Suecia por parte de TeliaSonera. GSM UMTS LTE LTE GPRS HSPA Adv EDGE HSPA Figura1. Evolución 3GPP 73

4 2. Objetivos de LTE LTE ha sido diseñado para ser un sistema de alta velocidad de transmisión y baja latencia. El ancho de banda esperado por esta tecnología es de 20 MHz tanto para transmisión como para recepción. Uno de los principales objetivos de LTE es el asegurar la compatibilidad con anteriores tecnologías a un costo reducido y con un bajo consumo de energía, buscando al mismo tiempo fortalecer una QoS end to end. Otra de las metas es que los handovers tanto dentro de LTE como con tecnologías 2G y 3G sean transparentes. En la siguiente tabla se resume las principales características que un sistema LTE ha de tener. Tabla 1. Requerimientos LTE MÉTRICA REQUERIMIENTO Velocidad Máxima Soporte de Movilidad Latencia del Plano de Control (Tiempo de transición al estado activo) Latencia del Plano de Usuario Capacidad del Plano de Control Cobertura (Tamaño de las celdas) Flexibilidad Espectral Modos de Operación DL: 326Mbps UL: 86.4Mbps (para un espectro de 20MHz) Hasta 500 Km/h. Optimizado a bajas velocidades de 0 a 15 Km/h Menos de 100ms para pasar de idle a active Menos de 5ms Más de 200 usuarios por celda (para un espectro de 5Mhz) De 5 a 100km (pequeña degradación a partir de los 30km) 1.4, 3, 5, 10, 15, y 20MHz TDD y FDD 4

5 3. Arquitectura LTE El concepto clave para poder entender el cambio que LTE supone es que, una vez que los datos pasan la celda telefónica, todo es IP. LTE es la primera arquitectura en transportar todos los datos a través de la conmutación de paquetes, incluida la voz sobre IP, lo cual significa mayor eficiencia espectral y una migración transparente desde CDMA y GSM a LTE, al igual que una mejor performance. Este concepto está estrechamente relacionado con el uso de la red IMS (IP Multimedia Subsytem). IMS fue diseñado para el transporte de servicios multimedia sobre redes móviles basándose en un sistema all-ip. A pesar de que ya fue incluido en redes 3G, con LTE explota todas sus posibilidades. La especificación IMS aparece por primera vez en el Release 5 de 3GPP como parte de la evolución del core de una red basada en conmutación de circuitos a otra red basada en la conmutación de paquetes. La especificación fue mejorada en las Releases 6 y 7. Figura 2. Arquitectura 4G y 3G (REF: P.LESCUYER, AND T.LUCIDARME, EVOLVED PACKET SYSTEM (EPS): THE LTE AND THE SAE EVOLUTION OF 3G UMTS, JOHN WILEY & SONS LTD.) MGW MGCF IMS En la siguiente figura se puede apreciar el paralelismo existente entre la nueva tecnología y las anteriores, así como también los nuevos equipos e interfaces, que serán descriptos en los siguientes puntos. PSTN P / L / CSCF IP network OTHER ACCESS TYPES EPC PCRF PDN GW GGSN GMSC Serving GW MME HSS SGSN MSC / VLR JG PS Core JG CS Core S1 lu enode B enode B RNC RNC E-UTRAN Node B Node B UTRAN La red LTE es la destacada en color gris mientras que a la derecha del dibujo vemos la arquitectura de una red 3G. Una red 4G está dividida al igual que las anteriores en la red de acceso llamada en nuestro caso E-UTRAN y en la red de transporte llamada EPC (Evolved Packet Core). Para simplificar la figura tan solo se muestran las interfaces de señalización. 3.1 Enlace de Radio LTE usa OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access) como método de acceso de radio para el link de bajada. OFDMA permite la trasmisión de señales de alta calidad sobre ambientes móviles multipath. Gracias a las subportadoras presentes en OFDM, es capaz de adaptar la señal en función del ancho de banda disponible en el momento de la transmisión. Asimismo, la mejora en la calidad de señales, el incremento de la capacidad y la baja latencia también son posibles gracias a las antenas MIMO (Multiple Input Multiple Output) y a la tecnología de channel-dependent scheduling que, junto con OFDM, permiten el uso de la mayor capacidad disponible del enlace en cada momento, adaptando la señal de forma dinámica. Para el link de subida se usa SC-FDMA (Single-Carrier FDMA). Una de las ventajas es la habilidad de reducir el PAPR (Peak-to-Average Power Ratio) de la señal para así poder ahorrar energía en el terminal móvil. También es posible el uso de la tecnología de channel-dependent scheduling en este enlace de subida. En los canales de radio usados en LTE los usuarios comparten el medio tanto para transmitir como para recibir datos en frecuencia y en tiempo. Los enodeb (de los que hablaremos en el siguiente punto) se encargan del scheduling y de la asignación de recursos para compartir el medio entre todos los usuarios sin que exista ningún conflicto. 5

6 3.2 Elementos de la Arquitectura A pesar de que los equipos que forman parte de una red LTE tienen funciones similares a las de sus análogos en tecnologías anteriores, existe un cambio plausible en la arquitectura de red. Como hemos dicho antes, cabe destacar que existe una separación conceptual entre la red E-UTRAN, la cual hace referencia a la parte de la conexión del equipo móvil con la red cableada, y la red EPC (Evolved Packet Core), que es la encargada de transportar los datos entre los diferentes equipos del core hasta el destino. La unión de estas dos redes es lo que se conoce como EPS (Evolved Packet System) E-RAN (Evolved Radio Access Network) y los enodeb Es el fragmento de red encargado de comunicarse con el equipo móvil, lo cual consigue a través de su elemento principal, los enodeb. Los enb contienen la capa física, MAC, RLC (Radio Link Control) y PDCP (Packet Data Control Protocol) que incluyen las funcionalidades del plano de usuario de compresión de cabecera y encriptación. También provee funcionalidades típicas del plano de control como la de RRC (Radio Resource Control), la cual se encarga del control de admisión, scheduling, cifrado y descifrado de los datos del plano de usuario y de control. Es el único componente del segmento de red de la E-UTRAN. El resto de equipos que estudiamos en el presente documento ya forman parte de la EPC MME (Mobility Management Entity) Es el nodo de control clave para el acceso a la red LTE. Es responsable del seguimiento del UE (User Equipment) cuando se encuentra en el modo idle. También forma parte de la activación y desactivación de los bearers para asociar el UE a una red en particular seleccionando un SGW para la asociación inicial y la re-localización de nodos cuando se produce un handover intra-lte. Además autentica al usuario interactuando con el HSS. Cuando se necesita hacer un paso de una red LTE a una red 2G/3G, provee funciones del plano de control, haciendo llegar los datos al SGSN de la red legacy HSS (Home Subscriber Server) Es la unión del HLR y el AuC, ambos presentes en las redes 2G y 3G. La parte que corresponde a lo que sería el HLR es la del almacenamiento y actualización de la base de datos, que contiene la información de suscripción del usuario. Por otra parte, la función anteriormente realizada por el AuC es la de la generación de la información de seguridad del suscriptor a partir de sus claves de identificación SGW (Serving Gateway) El Serving Gateway es el punto de terminación de la interfaz de los paquetes de datos que se dirigen hacia la E-UTRAN. Cuando el UE se mueve a través de los diferentes enodeb el SGW sirve como un anclaje de movilidad, de modo tal que los paquetes ruteados atraviesan este nodo para el cambio de un equipo a otro, tanto dentro de LTE como con otras tecnologías 3GPP PDN GW (Packet Data Network Gateway) De modo similar al SGW, el PDN GW es el punto de terminación para la interfaz de los paquetes de datos que se dirigen hacia el PDN (Packet Data Network). Funciona como el punto de anclaje para la salida a PDN externos y provee características de Policy Enforcement y filtrado de paquetes. Asimismo, es el punto de cambio entre LTE y tecnologías no 3GPP como WiMAX y 3GPP PCRF (Policy and Charging Rules Function) Server El PCRF gestiona las políticas de servicio y las QoS de las sesiones de cada usuario del sistema. Realiza funciones equivalentes a las que los equipos de PDF y CRF realizaban en redes UMTS. 3.3 Interfaces de la Arquitectura En la figura 3 se pueden ver las diferentes interfaces presentes en un sistema LTE, tanto para realizar las conexiones entre elementos de dicha tecnología o con equipos legacy. HSS GERAN UTRAN S6a S10 SGSN S3 MME S1-MME S11 S4 S3 PCRF S3 Operators IP services UE LTE Ue enb S1u Serving GW S5 PDN GW SGi X2 INTERNET S2c S2b S2a Trusted / untrusted non 3GPP IP access epdg Wn Trusted non 3GPP IP access Figura 3. Interfaces LTE (REF: MOTOROLA, LONG TERM EVOLUTION (LTE): A TECHNICAL OVERVIEW ) UE Untrusted non 3GPP IP access A continuación se definen las interfaces vistas en la anterior figura: X2: Conecta diferentes enodebs. S1: Provee el acceso a los recursos de radio de la Evolved RAN para el transporte del tráfico del plano de usuario y del plano de control. S2A: Provee al plano de usuario de control y apoyo para la movilidad entre una acceso IP de confianza que no sea 3GPP y el PDN gateway. S2B: Provee al plano de usuario de control y apoyo para la movilidad entre el PDN gateway y el epdg que dará salida a una red IP genérica. S4: Provee al plano de usuario de control y movilidad sobre el core GPRS y el elemento equivalente en la red LTE. Está basado en la interfaz Gn definida entre el GGSN y el SGSN. S5: Provee control entre el Serving Gateway (SAE Anchor) y el PDN gateway. S6: Interfaz para las acciones de AAA. S7: Interfaz para transmitir las políticas de QoS almacenadas en el PCRF al PCEP. S11: Interfaz de unión entre el Serving Gateway y la MME SGI: Es el punto de referencia entre el elemento de salida a internet de nuestra red y la red de paquetes de datos. 6

7 4.Voz en LTE Como se ha mencionado, LTE es una arquitectura de conmutación de paquetes o, lo que es lo mismo, all-ip. Consecuentemente, la transmisión de voz ha sido uno de los grandes desafíos de esta tecnología. La primera pregunta que se planteó en su momento fue de qué manera iba a interactuar el uso de voz en redes LTE con redes 3G. A modo de respuesta se presentaron tres aproximaciones diferentes: Todo VoIP: Este escenario se refiere al uso de VoIP en LTE y VoIP en UMTS usando intercambio de paquetes en el Core Network, ya sea mediante IMS u otra arquitectura. VoIP en LTE y SR-VCC en UMTS: En UMTS se usaría intercambio de circuitos para voz e intercambio de paquetes para señalización. Esta solución también funcionaría para GSM/GPRS. En esta aproximación podríamos hablar acerca de VoLGA (Voice over LTE Via Generic Access), algo similar en teoría a UMA o GAN, es decir, conmutación de circuitos en el Core Network pero conmutación de paquetes en el aire. CS-Fallback: No existe VoIP, solo voz sobre conmutación de circuitos. Este es el escenario al que prestaremos una mayor atención. Las ventajas del uso de CS-Fallback son: Ya se conoce el modo en que funciona la voz sobre la conmutación de circuitos y que es una estructura confiable No hay un coste asociado. Las desventajas son: Nunca existirá la calidad de un mundo 4G para la voz. o Si se están usando datos, como por ejemplo, para la descarga de un archivo grande, al recibir una llamada nuestra velocidad de descarga se verá reducida a la velocidad de 3G, bajando esta en un orden de magnitud. No tendremos ningún feature avanzado relacionado con VoIP, tales como presence, messaging, mejor calidad de voz, etc. año. 4.1 CS-Fallback Como se explica en el punto anterior, frente a un escenario que usa CS-Fallback y en lo referente a voz, no existe VoIP, tan solo conmutación de circuitos. Cuando se haga una llamada se abandonará el dominio de LTE para caer al dominio de UMTS y, una vez que la llamada termine, poder volver a la red LTE. Lo bueno de esta aproximación es que se sabe que el envío de voz a través del intercambio de circuitos es algo que funciona: cubre las expectativas de calidad de servicio y de las peticiones de nuestros clientes. Lo malo es que, con este escenario, nunca podremos tener voz sobre LTE, lo cual deja que la voz mantenga las restricciones que plantea nuestra red 3G. Lo que sucederá es que el equipo móvil solicitará el registro en la red al MME (paging) a través de la red LTE pero, en el momento que se ejecute una llamada, va a saltar al dominio de 3G, por lo tanto, no va a existir ningún tipo de comunicación de voz a través de la red 4G tal y como muestra la figura 4. LTE MME Figura 4. Procedimiento de CS-Fallback (REF: 3GPP) GSM / EDGE WCDMA PLMN serving remote user MSC 7

8 5.Situación actual en Sudamérica y estado del arte A principios de 2014 un total de 18 países en Sudamérica y el Caribe tienen ya redes 4G operativas ascendiendo el número de estas a 37 redes diferentes. Los primeros países sudamericanos en contar con LTE fueron Puerto Rico y Brasil en el 2011, siendo Chile, entre otros, uno de los últimos países en sumarse a la lista. En países como Argentina y Perú la red LTE se encuentra en fase de implementación y prueba mientras que en Brasil se intenta ampliar la cobertura. En diferentes medios se destaca el rápido crecimiento en los últimos años de las redes 4G en el sur del continente Americano. La banda de frecuencias que ha tenido una mayor aceptación ha sido la de 1700/2100 MHz (banda AWS) seguido de cerca por el rango de frecuencias situadas en los 2500/2690 MHz. En la siguiente tabla se puede ver un resumen de la situación actual de las redes 4G en América del Sur. Se prevé un rápido crecimiento de estas redes durante el año 2014 que ayude a aumentar las redes de diferentes operadores en países que ya cuentan con infraestructuras de este tipo y se especula que nuevos países se sumen a la lista antes de fin de año. Tabla 2. 4G en América del Sur FEBRERO 2014 Latinoamérica Caribe MÉXICO COLOMBIA BOLIVIA BRASIL CHILE ECUADOR PARAGUAY PERU URUGUAY VENEZUELA Movistar Telcel UNE Claro Movistar Tigo Entel Claro Oi ON* Sky Telecom* TIM VIVO Claro Movistar CNT Mobile Personal VOX Movistar Antel Claro Digitel 1900 MHz 1800 MHz ANTIGUA & BARBUDA ARUBA BAHAMAS CAYMAN ISLANDS COSTA RICA REPÚBLICA DOMINICANA PUERTO RICO VIRGIN ISLANDS BAND (MHZ) / NETWORKS Digitel* SETAR BTC C&W Lime Digicel* ICE / Kolbi Orange Dominicana Tricom AT&T Claro Open Mobile Sprint T - Mobile AT&T Sprint 1800 MHz 2600 MHz 1800 MHz 1900 MHz 1700 / 2100AWS 850 / 1900 MHz 1900 MHz /

9 6. Conclusión A pesar de que hoy en día existe un alto número de redes 3G, cada vez es mayor el número de redes 4G que van apareciendo. LTE se posicionó como la evolución de 3G para operadores móviles a nivel global y ya cuenta con 274 redes en más de 100 países con casi 160 millones de líneas activas. LTE provee una evolución a la red móvil con pasos concretos de crecimiento para ir desde una red 2G hasta LTE-Advanced (de la cual nos encontramos ya con implementaciones en 3 países diferentes) y contempla la integración con medios alternativos de acceso como es WiFi offload. En las siguientes figuras se pueden ver las estadísticas antes mencionadas, separadas por regiones. LTE 274 Redes 5 Redes 100 Países LTE 3 Países HSPA Advanced 545 Redes 358 Redes 200 Países HSPA+ 153 Países EUROPA ORIENTAL 42 Redes 20 Países AMERICA DEL NORTE 46 Redes 2 Países AFRICA 21 Redes 10 Países EUROPA OCCIDENTAL 65 Redes 22 Países MEDIO ORIENTE 18 Redes 8 Países ASIA 45 Redes 20 Países AMERICA DEL SUR 37 Redes 18 Países Figura 5. Estado 3G/4G Información actualizada al 21 de febrero 2014 Figura 6. Conexiones LTE Globales SEPTIEMBRE % 0.48% 0.52% 0.94% 1.03% 5.44% 41.6% AMERICA DEL NORTE AFRICA AMERICA DEL SUR EUROPA OCCIDENTAL ORIENTE MEDIO EUROPA ORIENTAL ASIA Figura 7. Crecimiento de subscripciones LTE Crecimiento previsto de conexiones LTE ASIA AMERICA DEL NORTE EUROPA ORIENTAL AMERICA DEL SUR AFRICA EUROPA OCCIDENTAL ORIENTE MEDIO Millones de conexiones Millones de conexiones 9 DIC M DIC MAR 2012 JUN M DIC SEP M DIC 2015 DIC M DIC MAR JUN M DIC SEPT B DIC 2018 Es clave no quedarse atrás en lo que al mercado 3G y 4G respecta si se tiene en cuenta el rápido crecimiento de los últimos dos años, así como el aún más importante crecimiento previsto para el futuro próximo (duplicando cada dos años el número de usuarios y llegando a superar el billón de suscriptores a finales de esta década) tal como se aprecia en los siguientes gráficos. La situación actual del mundo de las comunicaciones móviles apunta a la evolución de LTE con el objetivo de alcanzar una mejor, más rápida y eficiente comunicación global. Esto permitirá dar el próximo paso hacia la siguiente etapa, visible ya en el horizonte de las telecomunicaciones: LTE-Advanced. 9

10 7. Referencias [1] Evolved Packet System (EPS): The LTE and the SAE Evolution of 3G UMTS, P. Lescuyer, and T. Lucidarme, John Wiley & Sons Ltd. [2] Última visita febrero [3] Long Term Evolution (LTE): A Technical Overview, Motorola Links relacionados PRODUCTOS IQUALL CAPACITACIÓN DE TECNOLOGÍA Iquall S.A Teléfono