DISEÑO DE PROPUESTA PARA INTEGRACIÓN DEL SISTEMA UMTS CON EL SISTEMA LTE AVANZADO E IMS EN LAS OPERADORAS DE SERVICIO MÓVIL CELULAR EN VENEZUELA

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1 República Bolivariana de Venezuela Universidad Nueva Esparta Facultad de Ingeniería Escuela de ingeniería Electrónica Línea de Investigación: Diseño y desarrollo de aplicaciones para el tratamiento de señales dirigidas al sector de las telecomunicaciones Tema: Telecomunicaciones DISEÑO DE PROPUESTA PARA INTEGRACIÓN DEL SISTEMA UMTS CON EL SISTEMA LTE AVANZADO E IMS EN LAS OPERADORAS DE SERVICIO MÓVIL CELULAR EN VENEZUELA Tutor: Ing. Barrios N. Luis Proyecto de Grado Presentado por: Br. Carballo Guzmán Jesús Raúl C.I Br. Contreras Silva Miguel Ángel C.I Para optar al Título de: Ingeniero Electrónico SEPTIEMBRE, 2012 Caracas, Venezuela DISEÑO DE PROPUESTA PARA INTEGRACIÓN DEL SISTEMA UMTS CON EL SISTEMA LTE AVANZADO E IMS EN LAS OPERADORAS DE SERVICIO MÓVIL CELULAR EN VENEZUELA por Carballo Guzmán Jesús Raúl ; Contreras Silva Miguel Ángel se encuentra bajo una Licencia Creative Commons Atribución-NoComercial- CompartirIgual 3.0 Unported.

2 República Bolivariana de Venezuela Universidad Nueva Esparta Facultad de Ingeniería Escuela de Ingeniería Electrónica DISEÑO DE PROPUESTA PARA INTEGRACIÓN DEL SISTEMA UMTS CON EL SISTEMA LTE AVANZADO E IMS EN LAS OPERADORAS DE SERVICIO MÓVIL CELULAR EN VENEZUELA Aprobado por JURADO: Nombre y Apellido JURADO: Nombre y Apellido Cédula de Identidad Cédula de Identidad Firma Firma SEPTIEMBRE, 2012 Caracas, Venezuela I

3 AGRADECIMIENTOS La finalización de este proyecto de investigación fue posible gracias al apoyo de mis familiares, especialmente mi padre, compañero de tesis, y amigos. Igualmente agradezco el aporte brindado por nuestro tutor Ing. Luis Barrios. Miguel Contreras S. La culminación del proyecto de investigación fue posible gracias al tiempo dedicado el apoyo de mis padres, compañero de tesis y amigos. También agradezco a los diferentes profesores de la universidad Nueva Esparta que nos ayudaron en la elaboración y culminación de la investigación y al Ing. Luis Barrios por si tiempo y dedicación Jesús Carballo. II

4 DEDICATORIA A mis padres por estar conmigo apoyándome en todo momento, familiares, amigos, gracias por ayudarme y brindarme el ánimo necesario para seguir adelante y conseguir este logro. Miguel Contreras S. A mis padres por su apoyo incondicional este titulo es de ustedes, a mis distintos familiares, amigos, compañeros de la universidad y los profesores de la universidad Nueva Esparta, gracias por su apoyo incondicional y formar parte de mi vida. Jesús Carballo G. III

5 Republica Bolivariana de Venezuela Universidad Nueva Esparta Facultad de Ingeniería Escuela de Ingeniería Electrónica Diseño de propuesta para integración del sistema UMTS con el sistema LTE AVANZADO e IMS en las operadoras de servicio móvil celular en Venezuela. Autores: Br. Carballo Guzmán Jesús Raúl Br. Contreras Silva Miguel Angel Tutor: Ing. Barrios N. Luis Palabras clave: LTE, IMS, Enodo b, MGW RESUMEN La tesis de grado realizada consiste en una propuesta para la integración del sistema UMTS de tercera generación móvil (actualmente en uso) a un sistema LTE-A de cuarta generación móvil el cual consideramos es el camino mas viable en el desarrollo de las telecomunicaciones móviles en los años venideros y colocara a Venezuela como un país al día en esta tecnología lo cual redundara también en beneficios para los usuarios de telefonía móvil. IV

6 Bolivarian Republic of Venezuela Nueva Esparta University Engineering Faculty Electronic Engineering School Diseño de propuesta para integración del sistema UMTS con el sistema LTE AVANZADO e IMS en las operadoras de servicio móvil celular en Venezuela. Authors: Br. Carballo Guzmán Jesús Raúl Br. Contreras Silva Miguel Angel Advisor: Ing. Barrios N. Luis Key Words: LTE, IMS, Enodo b, MGW SUMMARY Carried out thesis consists in a proposal for the integration of the UMTS system of third generation mobile (currently in use) to a system LTE-A fourth generation mobile which we believe is the way more viable in the development of mobile telecommunications in the coming years and placed Venezuela as a country to date on this technology which work also benefits for mobile phone users. V

7 ÍNDICE AGRADECIMIENTOS... II DEDICATORIA... III RESUMEN...IV SUMMARY...V Introducción... 1 CAPÍTULO I: EL PROBLEMA DE LA INVESTIGACIÓN Planteamiento del Problema Justificación Objetivos de la investigación Objetivo general Objetivos específicos Delimitaciones Delimitación geográfica Delimitación temporal Delimitación temática Delimitación técnica: Capitulo II: Marco teórico Antecedentes BASE TEORICA Trasmisión Digital Desvanecimiento de la señal o Fading Celdas Tipos de Celdas Clúster o Grupo Reutilización de frecuencias VI

8 Interferencia Co Canal Interferencia de Canal Adyacente Eficiencia Espectral Latencia Concepto de Conmutación por Software (SoftSwitch) Sistema Global de Comunicaciones Móviles (GSM) Arquitectura de un Sistema GSM Estación Base (BTS) Controlador de Estacones Base, BSC Conmutador Móvil (MSC) Registro de Abonados Locales (HLR) Centro de Autenticación (AUC) Registro de localización de Visitantes (VLR) Registro de Identidad de Equipos (EIR) Evolución de GSM GPRS General Packet Radio Service Red Central o Medular en GPRS Red de Radio en GPRS EDGE (Enhanced Data rates for GSM of Evolution) UMTS (Universal Mobile Telecommunications System) Evolución de la velocidad de la Red de Acceso de UMTS Arquitectura del Sistema UMTS La Red de Radio de UMTS La Red Central o Modular de UMTS El Subsistema de Gestión de la Red (NMS, Network Maintenance Subsystem) de UMTS Versión UMTS, 3GPP v UMTS. Versión 4 3GPP UMTS. Versión 5 3GPP VII

9 2.9.5 Evolución de la Interfaz de Aire en UMTS WCDMA (Acceso Múltiple por División de Código de Banda Ancha) HSPA Acceso de Paquetes de Alta Velocidad (High Speed Packet Access) HSDPA (High Speed Downlink Packet Access) Transmisión por Canal Compartido (Shared-Channel Transmission) Modulación de Ordenes Mayores Rápida Adaptación de Enlace (Adaptación Rápida de enlace) Planificación Dependiente del Canal de Radio (Radio-Channel- Dependent Scheduling), Petición de Repetición Automática Híbrida Rápida (Hybrid Automatic Repeat Request) MIMO (ENTRADA MÚLTIPLE, SALIDA MÚLTIPLE) Velocidades en el Enlace de Bajada (Downlink) Velocidades en el Enlace de Subida (Uplink) Evolución de la Red Central o Medular del Sistema Móvil LTE (Long Term Evolution) BENEFICIOS DE LTE ARQUITECTURA DE EPS Comparación de La Arquitectura de EPS con la de UMTS INTERFAZ DE RADIO DE LTE FUNCIONALIDADES DEL EUTRAN PLANIFICADOR O SCHEDULER EN enb ESTRUCTURA DE LA CAPA FISICA DE enb MODULACIONES UTILIZADAS EN LTE OFDM (Multiplexacion por División de Frecuencia Ortogonal por) Recursos de Transmisión de LTE en el Enlace de Bajada ELEMENTOS QUE CONSTITUYEN EL SISTEMA EPS (Evolved Packet System) PASARELA SERVIDORA (SERVING GATEWAY (SGW)) VIII

10 EL PDN GATEWAY (PDN GW) MME. ENTIDAD DE GESTION DE MOVILIDAD (MOBILITY MANAGEMENT ENTITY) PCRF CONTROL de Políticas y Reglas de Tasación(The Policy Control and Charging Rules Function) HSS Servidor de Suscriptor de Hogar (Home Subscriber Server) IMSSubsistema Multimedia IP (IP Multimedia Sub-System) IMS en 3GPP Requisitos de la Arquitectura IMS Arquitectura de IMS CSCF. La Gestión de las Sesiones y Familias de encaminamiento (Call Session Control Function) Servidores de aplicación (AS) Las Pasarelas de interconexión (AGCF, MGCF, BGCF, N-SBG) LAS ENTIDADES DE SOPORTE LTE AVANZADO. Release 8 3GPP Comparación de Características WCDMA/HSPA/LTE/LTE AVANZADO Características Claves de LTE AVANZADO Tecnologías usadas por LTE AVANZADO LTE AVANZADO. Agregación de Portadora Agregación de Banda Interior Clases de Ancho de Banda por Agregación de Portadoras G LTE Multi Punto Coordinado (CoMP, Coordinated Multipoint) LTECoMPBásico LTECoMPVentajas G LTE Relevo Avanzado (Avanzado Relay) Relevo. Características Básicas G LTE Comunicación entre dispositivos (Device to Device, D2D) G LTE Redes Avanzadas heterogéneas (Advanced Heterogeneous Networks, HetNet) IX

11 2.12. Voz sobre LTE Términos Básicos Cuadro de variables Capitulo III: Marco Metodologico Tipo de investigación Diseño de la investigación Población y muestra Técnicas de recolección de datos Análisis de resultados CAPÍTULO IV OBJETIVOS Y SISTEMAS PROPUESTOS Analizar la migración de las Radio Bases de UMTS hacia las de 4G Nuevas Radio Bases LTE Beneficios y Características (Features) de las RBS C Multifuncionales Aplicaciones Ventajas de la Red de Radio de LTE Tabla Resumen de las Características de las RBS de LTE Estudiar la migración de la Red Central o Medular de la Red UMTS hacia 4G ((LTE e IMS) Analizar los nuevos terminales móviles que se utilizaran en la red 4G (LTE) Identificar el impacto que tendrá la red LTE e IMS en el espectro de frecuencias de Venezuela Identificar las principales características de las tecnologías LTE e IMS que permitan la integración con las redes 3G Integración de las redes de radio de LTE y 3G Integración de las Redes Centrales de LTE y 3G entre ellas e IMS Elaborar una propuesta de implementación de una red de 3G a una de 4 G CONCLUSIONES RECOMENDACIONES Bibliografía X

12 ÍNDICE DE FIGURAS FIGURA 1. PENETRACIÓN CELULAR EN VENEZUELA... 4 FIGURA 2: CELDAS DE TELEFONÍA MÓVIL FIGURA 3. TIPOS DE CELDAS DE ACUERDO A LA COBERTURA FIGURA 4. TIPOS DE GRUPOS (CLÚSTER) FIGURA 5. REÚSO DE FRECUENCIAS FIGURA 6. INTERFERENCIA DE COCANAL FIGURA 7. INTERFERENCIA DE CANAL ADYACENTE FIGURA 8 EFICIENCIA ESPECTRAL FIGURA 9 CONCEPTO DE SOFTSWITCH FIGURA 10. ARQUITECTURA DE UN SISTEMAGSM FIGURA 11 BTS Y ELEMENTOS BÁSICOS FIGURA 12. BCS FIGURA 13. MSC FIGURA 14. EVOLUCIÓN DE GSM Y SU VELOCIDAD PARA LA DATA FIGURA 15. SISTEMA GPRS EN GSM FIGURA 16. SISTEMA GPRS ESTRUCTURA DE BLOQUE DE RADIO FIGURA 17. RED EVOLUCIÓN DE LA RED DE ACCESO DE GSM Y UMTS FIGURA 18. SISTEMA UMTS FIGURA 19 UMTS, VERSIÓN V FIGURA 20 RED GSM Y UMTS (VERSIÓN UMTS, 4.3GPP) BÁSICA FIGURA 21. RED UMTS (VERSIÓN UMTS, 5 3GPP) FIGURA 22. CONCEPTO DE WCDMA FIGURA 23. TRANSMISIÓN POR CANAL COMPARTIDO FIGURA 24. MODULACIÓN DE ORDEN MAYOR FIGURA 25. RÁPIDA ADAPTACIÓN DE ENLACE FIGURA 26. PLANIFICACIÓN DEPENDIENTE DEL CANAL DE RADIO XI

13 FIGURA 27 PETICIÓN DE REPETICIÓN AUTOMÁTICA HÍBRIDA RÁPIDA FIGURA 28. VELOCIDADES EN EL ENLACE DE BAJADA (DOWNLINK) FIGURA 29. VELOCIDADES EN EL UPLINK FIGURA 30. RED CENTRAL EN ESTRATOS FIGURA 31. RED EN CAPAS O ESTRATOS GSM/GRPS/EDGE/UMTS FIGURA 32. RED EN ESTRATOS GSM/GRPS/EDGE/UMTS FIGURA 33 SISTEMA EPS (EVOLVED PACKET SYSTEM) FIGURA 34 ARQUITECTURA DEL SISTEMA EPS (EVOLVED PACKET SYSTEM) FIGURA 35 COMPARACIÓN DE LAS ARQUITECTURAS DE EPS Y UMTS FIGURA 36. NODO ENB FIGURA 37. CAPA FÍSICA DEL NODO ENB FIGURA 38. TIPOS DE MODULACIÓN EN LTE FIGURA 39. PRINCIPIO DE OFDM FIGURA 40. PRINCIPIO DE ORTOGONALIDAD EN OFDM FIGURA 41. OFDMA. DOMINIO DE LA FRECUENCIA FIGURA 42. OFDMA. DOMINIO DEL TIEMPO FIGURA 43. EPS. ARQUITECTURA DEL SISTEMA FIGURA 44. IMS. ARQUITECTURA DEL SISTEMA FIGURA 44. TIPOS DE AGREGACION FIGURA 46. CONCEPTO DE COMP FIGURA 47. INCREMENTO DE LA DENSIDAD CON RELEVO EN LTE FIGURA 48. EXTENSIÓN DE COBERTURA CON RELEVO EN LTE FIGURA 49. EXTENSIÓN DE COBERTURA CON RELEVO EN LTE FIGURA 50. CONCEPTO DE LA CARACTERÍSTICA ENTRE DISPOSITIVOS EN LTE FIGURA 51. LÍNEA DE RBS DE LTE FIGURA 52. ARQUITECTURA DE LA RED DE RADIO LTE FIGURA 53. INTERCONEXIÓN DE LA RED CENTRAL DE GSM/UMTS FIGURA 54. INTERCONEXIÓN DE LA RED CENTRAL DE GSM/UMTS/LTE XII

14 FIGURA 55. INTERCONEXIÓN DE LA RED CENTRAL DE GSM/UMTS/LTE/IMS FIGURA 56. FUSIÓN DE NODOS DE LTE Y UMTS FIGURA 57 RED CENTRAL O MEDULAR DE LA RED LTE/IMS FIGURA 57 (REPETIDA) INTEGRACIÓN DE LAS REDES LTE, IMS CON 3G FIGURA 58. RED GSM, UMTS, LTE E IMS. PRIMERA FASE FIGURA 59. RED GSM, UMTS, LTE E IMS. SEGUNDA FASE INDICE DE TABLAS TABLA 1. SISTEMA GPRS ESQUEMAS DE CODIFICACIÓN TABLA 2. COMPARACIÓN DE VELOCIDADES ENTRE GPRS Y EDGE TABLA3. CUADRO COMPARATIVO DE TECNOLOGIAS TABLA4. ANCHO DE BANDA AGREGACIÓN DE PORTADORAS TABLA 5 CUADRO DE VARIABLES TABLA 6 CARACTERISTICAS DE LAS RBS DE LTE TABLA 7: DESGLOSE DE LOS TERMINALES ACTUALIZADOS PARA LTE TABLA 8: BANDAS DE FRECUENCIA ACTUALES DE LAS OPERADORAS MÓVILES TABLA 9: BANDAS DE FRECUENCIA DE LAS OPERADORAS MÓVILES DE 4G INDICE DE GRAFICOS GRAFICO 1 ENCUESTA GRAFICO 2 ENCUESTA GRAFICO 3 DE ENCUESTA GRAFICO 4 DE ENCUESTA GRAFICO 5 DE ENCUESTA GRAFICO 6 DE ENCUESTA XIII

15 GRAFICO 7 DE ENCUESTA GRAFICO 8 DE ENCUESTA GRAFICA 9 DE ENCUESTA ÍNDICE DE ANEXO ANEXO A ANEXO B XIV

16 INTRODUCCIÓN La aparición del Internet, las aplicaciones Multimedia y la movilidad a escala internacional, han generado un incremento importante en las capacidades del manejo de datos. El aumento de la velocidad de datos en la interfaz de aire ha sido uno de los grandes retos en el desarrollo de los sistemas móviles. Desde la aparición del Internet Móvil y los teléfonos inteligentes, los servicios de datos se han incrementado de una forma tal que la Interfaz de radio actualmente esta bastante congestionada. Como la velocidad de transferencia de datos en el sistema de segunda generación, GSM (Global System for Mobile) en sus comienzos era limitada a 9.6 kbit/s, hubo necesidad de aumentarla. Por eso apareció GPRS (General Packet Radio Service) de generación 2.5 que aumento la velocidad de transferencia de datos a 80 kbit/s en el Downlink. Permitió la conectividad de GSM al mundo IP; sin embargo se necesitaban velocidades mayores y eso se logro adicionando a GSM una nueva tecnología llamada EDGE (Enhanced Data rates for GSM of Evolution) que elevo la velocidad a 100 kbit/s. Luego apareció la siguiente evolución llamada UMTS (Universal Mobile Telecommunications System), tecnología de tercera generación, que soporta altas velocidades de transmisión de datos de hasta 144 kbit/s sobre vehículos a gran velocidad, y 384 kbit/s en espacios abiertos. El aumento constante de la demanda de abonados, así como de la cobertura apuntaa el crecimiento de los servicios de datos que requieran anchos de bandas cada vez mayores. 1

17 La presente investigación trata, en resumen, sobre la migración de las redes UMTS (actualmente en instalación), hacia LTE (Long Term Evolution) Básico y Avanzado, que es la Red de Radio de un sistema llamado EPS (Evolved Packet System) y el Sistema IMS (IP Multimedia Subsystem), que son tecnologías de cuarta generación y que garantizaran a Venezuela el ingreso hacia una red de telecomunicaciones móviles de punta con servicios de datas de gran velocidad y con una variedad de servicios Multimedia. La introducción de estas tecnologías unido a una ampliación del espectro permitirán que los sistemas de telefonía Móvil: Ofrezcan la mayor cantidad de servicios Multimedia. Tengan una mayor velocidad de data tanto en el enlace de bajada (DownLink) como en el enlace de Subida (Uplink) Tengan un Ancho de Banda variable de acuerdo a cada servicio Mejoren la eficiencia del espectro electromagnético Dirijan a Venezuela hacia la cuarta generación de telefonía móvil. Reduzcan la congestión en la Interfaz de Radio debido al inmenso incremento de los servicios de datos desde la aparición del Internet Móvil, tabletas y los teléfonos Inteligentes El Sistema EPS proveerá, mayores velocidades en la Interfaz de Aire para la data y IMS se ocupará el desarrollo de las aplicaciones Multimedia. A continuación presentamos un resumen de cada uno de los capítulos que conforman este trabajo: 2

18 Capítulo I: Planteamiento del Problema: En este capítulo se presenta todo lo referente a la problemática de forma muy general para dar comienzo a la investigación. Otro punto importante es la justificación la cual consiste en la razón de nuestra investigación, el objetivo general es la meta que se quiere alcanzar. Finalmente se presentará las limitaciones y alcance de la investigación.. Capítulo II: Antecedentes, bases teóricas y términos básicos: Este capítulo se divide en tres partes la primera son los antecedentes, luego las bases teóricas y términos básicos referentes a los diferentes sistemas que fueron utilizados en nuestra investigación. Por último presentamos el cuadro de variables que explica lo más importante de cada objetivo específico. Capítulo III: Parte Metodológica: Trata todo lo relacionado con el método utilizado para llevar adelante la investigación, como el diseño de la investigación, el tipo de investigación que implica y como se hará la misma. Un punto muy importante de este capítulo es la parte de población y muestra, que consiste en buscar una población y aplicar una técnica de recolección de datos para saber que opinan de la investigación es cuestión. Capítulo IV: Desarrollo de los objetivos: Este capítulo explica el desarrollo técnico para llevar adelante la migración de las redes UMTS a Cuarta Generación. 3

19 CAPÍTULO I: EL PROBLEMA DE LA INVESTIGACIÓN 1.1 Planteamiento del Problema Si una tecnología ha evolucionado considerablemente en los últimos años ha sido la de las telecomunicaciones móviles y ese desarrollo ha influido positivamente en la calidad de vida de los seres humanos. Una gran parte de ella hace uso del teléfono Móvil, aparato que ha pasado a formar parte de la vida cotidiana. Su penetración ha sido de tal magnitud en Venezuela que según CONATEL es mayor al 100%. Ver figura 1. Figura 1. Penetración Celular en Venezuela Fuente: CONATEL 4

20 Para nadie es un secreto que el éxito de la telefonía Móvil celular ha sobrepasado las expectativas de sus creadores y esto es debido a la gran cantidad de servicios y aplicaciones desarrolladas por esta tecnología. En el caso de Venezuela, esto se puede observar en las estadísticas emitidas por CONATEL para tercer trimestre del último año (2011).La telefonía Móvil celular se inicio para el servicio de voz únicamente, porque los equipos eran analógicos y por tanto los servicios eran limitados. Luego evolucionó hacia la tecnología digital desarrollándose nuevos servicios y aplicaciones. Actualmente hay tres (3) operadoras de Telefonía Móvil en Venezuela y todos implementan la Tercera Generación, la cual ofrece servicios tales como datos, audio y video, esta tecnología se llama Universal Mobile Telecommunications System (UMTS). Las redes de tercera generación (3G) han generado, en los últimos años, dos de los paradigmas más exitosos en el área de telecomunicaciones: Las evolución de las redes de telecomunicación celular y el Internet. La Meta de la tercera Generación es tener más usuarios en el mismo espectro con altas velocidades para transmisión de datos. La principal razón para la introducción de la tercera generación fue la ampliación de la capacidad y el aumento de la versatilidad de la red actual.la tercera generación ofrece tasa de datos (bit rates) muchos más altos, servicios simultáneos para un usuario, etc.las fuerzas primordiales que movieron al mundo de telecomunicaciones hacia 3G fueron: El acceso a Internet Las aplicaciones multimedia La movilidad a escala internacional 5

21 La telefonía Móvil desde su comienzo tuvo una limitación, la velocidad en la Interfaz de aire. Si la velocidad es pequeña entonces el envío/recepción de los servicios es muy lento. El reto de la Tecnología Móvil es aumentar la velocidad para poder ofrecer servicios de voz, data y voz en Banda Ancha. Es indudable que la 3ra, 4ta generación tienen que transmitir altos volúmenes de información con rapidez (alta velocidad) y con alta calidad. El crecimiento masivo de los usuarios unido a la tecnología demanda nuevos servicios móviles de banda ancha, como son juegos interactivos, presencia, ubicación de un móvil con mucha exactitud, navegación por internet, televisión, control de semáforos, mensajes multimedia, etc. Estos servicios deben ser para los usuarios económicos y fáciles de usar y para los operadores fáciles de implementar a un bajo costo. En el caso de Venezuela las perspectivas de crecimiento del uso de datos, previstas por los operadores cuando lanzaron sus servicios de Internet móvil en 3G a mediados del 2009, superaron con mucha facilidad las proyecciones iniciales.desde que los usuarios comenzaron a utilizar el mundo del Internet en cualquier parte. Mas adelante, un teléfono inteligente la demanda de nuevos servicios de datos ha crecido en forma exponencial y esta superando al servicio de voz que por muchos años fue la principal fuente de ingresos en los sistemas de Telefonía Móvil. De acuerdo a la empresa Movistar (1) hoy en día, el 80% del total del tráfico de la red viene del negocio de datos móviles, desde el simple SMS a la conexión HSDPA, pasando por los chats, los correos electrónicos, las actualizaciones en redes sociales, entre otros. Por hora se ven, a través de la red de Movistar, unos 230 mil videos, se descargan, cerca de dos mil 6

22 canciones y se cruzan más de tres millones de mensajes, entre chat de Blackberry y mensajería corta. Así mismo, se emiten más de 123 mil tweets por hora en promedio. Debido a lo anterior las operadoras ya no contemplan seguir ampliando la capacidad de la red de segunda generación. Al contrario, las empresas están colocando sus esfuerzos de inversión en redes 3G. También están trabajando para solo traer equipos relacionados con las nuevas tecnologías. Para ofrecer no solo más servicios, sino también ampliar la capacidad de la Interfaz de aire, el siguiente paso es ir hacia la cuarta generación, cuyo nombre es Long Term Evolution (LTE-Avanzado), que ofrece velocidades más rápidas que las de UMTS. Para complementar la adición de nuevos servicios Multimedia también se debe instalar el IMS, (Internet Móvil Subsystem) el mismo hace uso de dos grandes éxitos como son la movilidad que ofrece la telefonía móvil y la versatilidad de la redes IP, tal combinación es crucial para el éxito de los servicios en el futuro. El aumento constante de la demanda de abonados así como de la cobertura apunta a el crecimiento de los servicios de datos que requieren ancho de bandas cada vez mayores. 1.2 Justificación Aunque el servicio de voz es un origen importante de ingresos para una operadora móvil, es indudable que el de datos, debido a la aparición del Internet, las aplicaciones Multimedia y la movilidad a escala internacional, 7

23 también se ha convertido en otra fuente importante de ingresos.además las operadoras de telefonía Móvil quieren satisfacer las demandas de sus usuarios tendrán que tener una red que: Ofrezca la mayor cantidad de servicios Multimedia. Que tenga un Ancho de Banda variable de acuerdo a cada servicio Mejorar la eficiencia del espectro electromagnético Lleve al país hacia la cuarta generación de telefonía móvil La presente investigación desarrollará la migración de las redes UMTS, actualmente en instalación, hacia LTE Avanzado y IMS. Ambas tecnologías garantizan al país su ingreso hacia una red de telecomunicaciones Móviles de punta con mucha más funcionalidad que la instalada hasta ahora. Ofrecerá más variedad de servicios a mayor tasa de transmisión con una calidad de servicio mejorada. La migración hacia la cuarta generación mejorará los siguientes aspectos: Calidad de servicio: El principal hecho cuando se usa el dominio de paquetes es ofrecer servicios Multimedia con el mejor esfuerzo sin calidad de servicio Quality of Service (QoS), esto es, la red no garantiza el mejor ancho de banda para la conexión ni tampoco un corto retraso (Delay), aparte de que la conexión puede pasar por varias redes cada una con diferente QoS. Por tanto la calidad de una conversación de Voice over Internet Protocol (VolP) puede variar durante su duración. Debido a lo anterior, una de las razones para tener IMS es proveer una buena QoS ya que IMS toma el control de la sincronización en el establecimiento de la sesión con provisión de QoS. 8

24 Integración de Servicios: Los servicios integrados es otra razón que IMS ofrece. El operador puede integrar los servicios desarrollados por terceros y combinarlos con los desarrollados por él y así ofrecer una amplia gama de servicios. IMS ha definido interfaces estándar que deben usar los desarrolladores de servicios. De esta forma el operador controla la industria de creación de servicios y evita el monopolio que un solo operador ofrezca nuevos servicios. Los usuarios deben ser capaces de disfrutar de los servicios, estén en su red hogar o en roaming. Para realizar estos objetivos IMS usa la tecnología Internet para que entre dos usuarios se utilice el mismo protocolo. Es mas, las interfaces, que se usan para los desarrollos de servicios, también usan protocolos de Internet. Debido a lo anterior debe observarse que IMS fusiona en la tecnología celular para proveer ubicuidad en el acceso y la tecnología Internet para proveer atractivos servicios. Convergencia: Es IMS quien introduce el control de los servicios Multimedia en el dominio de paquetes y al mismo tiempo lleva la funcionalidad del dominio de circuitos al de paquetes. IMS es la llave tecnológica para la consolidación de ambos dominios. Por lo tanto Llevar la red UMTS de 3ra. Generación hacia el Sistema LTE de 4ta. Generación e integrar estas con el sistema IMS colocará a Venezuela en la palestra de los servicios de telecomunicaciones móviles pues es impredecible la gran cantidad de servicios que se podrán ofrecen en el área de los servicios Multimedia. Aumento de la Velocidad en la Interfaz de aire: LTE básico y LTE Avanzado tienen unas características (features) que permiten el aumento de la velocidad en la interfaz de aire logrando también un incremento en la tasa pico del volumen de información hasta en un factor de 10 comparado con 9

25 HSPA., la reducción de la latencia en un factor de hasta tres comparado con HSPA y también una disminución del costo de hasta en 10 veces comparado con UMTS. De igual manera la investigación beneficia a usuarios, operadoras, a Venezuela y a los investigadores y estudiante según lo siguiente: Usuarios: Los que tengan equipos móviles de última tecnología podrán gozar de una mejor calidad de servicios tanto de voz como de banda ancha y se obtendrá una velocidad de trasmisión mucho mayor a la que se tiene en la actualidad. Operadoras: Un servicio de última tecnología beneficiará a todas las operadoras, sus ventas subirán debido a que los usuarios querrán obtener esta tecnología por sus mayores velocidades de transferencia, más servicios y la calidad de los mismos. Venezuela: El país estaría considerado un país tecnológico de avanzada en el mundo móvil al contar con lo último en esta tecnología. Investigadores y estudiantes: Al leer esta propuesta los investigadores y estudiantes podrán mejorar la misma o usarla como base para ampliar el tema en próximos trabajos. 10

26 1.3 Objetivos de la investigación Objetivo general Diseñar una propuesta para integración del sistema UMTS con el sistema LTE Avanzado e IMS en las operadoras de servicio móvil celular en Venezuela Objetivos específicos Estudiar la migración de las Radio Bases de UMTS hacia las de 4G LTE básico y Avanzado. Analizar los nuevos terminales móviles que se utilizaran en la red de 4G (LTE). Estudiar la migración de la Red Central o Medular de 3G (UMTS) hacia la de 4G (LTE e IMS). Identificar el impacto que tendrá la red LTE y IMS en el espectro de frecuencia de Venezuela. Identificar las principales características de la tecnología LTE y IMS que permitan la integración con la redes 3G. Presentar una propuesta de implementación de una red de 3G a una de 4G 1.4 Delimitaciones Delimitación geográfica La etapa de investigación de la propuesta se realizo en las empresas de telecomunicaciones Ericsson y Movilnet. 11

27 1.4.2 Delimitación temporal La investigación se llevará a cabo en un tiempo estipulado de nueve meses. Desde Septiembre del año 2011 hasta Mayo del año Delimitación temática La presente investigación es del área de ingeniería electrónica y específicamente en la rama de las telecomunicaciones Delimitación técnica: La presente investigación es puramente teórica y la misma se ha basado en literatura de punta así como en trabajos anteriores relacionados con temas de la tercera generación (3G) de los sistemas móviles. En Venezuela, actualmente, las operadoras están haciendo pruebas de campo (Field Trial) muy limitadas con RBS LTE. Ciertamente no se cuenta con un equipo de ningún tipo para poder demostrar una red de LTE-A debido a que esta es una tecnología reciente y por lo tanto no se podrá hacer ningún tipo de demostración de una red LTE-A. 12

28 CAPITULO II: MARCO TEÓRICO 2.1 Antecedentes Para la elaboración del trabajo de investigación se tomaron en cuenta los siguientes antecedentes, los cuales aportaron conocimientos y procedimientos para la elaboración de este diseño de propuesta. Mohammed, H. (2003), (5) elaboró un proyecto de grado denominado Planificación de sistemas UMTS, para optar un doctorado en telecomunicaciones, en la Universidad Politécnica De Valencia, ubicada en España. Se basa en un análisis de las redes celulares de Tercera Generación basadas en WCDMA desde el punto de vista de planificación y estimación de capacidad. La investigación del Diseño de esta propuesta para la integración del sistema UMTS con el sistema LTE Avanzado e IMS en las operadoras de servicio móvil celular en Venezuela, aporta conocimientos acerca de un sistema de 3 G en relación con su composición y su funcionamiento. González, G. (2011), (5) elaboró un proyecto de grado denominado Proponer una solución para proveer interconexión de radio bases de MOVILNET a través de fibra óptica, de acuerdo a los estándares existentes y a las tendencias mundiales, para optar especialista de telecomunicaciones Digitales, en la Universidad Central de Venezuela. Se basa en la colocación de la tecnología de redes ópticas pasivas del orden de giga bits (GPON) en el backhaul de última milla celular con el fin de aumentar la capacidad de transmisión de las mismas. 13

29 El proyecto de grado tiene suma importancia para la investigación debido a que ha permitido conocer como están conectadas las radios bases de UMTS actualmente en Movilnet y con que productos se van a interconectar en un futuro. González, P. (2008), (7) elaboró un proyecto de grado denominado Estudio para la migración de la red GSM de Digitel a una red de tercera (3ra) generación UMTS, para optar por el título de ingeniero entelecomunicaciones, en la universidad Católica Andrés Bello (UCAB). Se basa en el estudio de la migración de GSM (segunda generación) a UMTS (tercera generación), las etapas por cuales paso GSM para poder llegar a una tecnología más avanzada como es UMTS. El proyecto de grado es necesario para los investigadores debido a que ayudo a conocer como funcionaba la segunda generación, cuales fueron las etapas y tecnologías por cuales se paso para poder llegar a UMTS y a su vez tener una mejor base al conocer lo que antecedió a las redes UMTS. 2.2 BASE TEORICA Trasmisión Digital Según Tisal Joachim (2000) Es una técnica de transmisión la cual necesita digitalizar la señal mediante tres etapas que son el muestreo, la cuantificación y la codificación. Su principal ventaja es que el sistema transporta la información mediante códigos y pudiendo descubrir infracciones y, en cierta medida, corregir los errores detectados en la transmisión según las especificaciones del código utilizado. 14

30 2.2.2 Desvanecimiento de la señal o Fading Según Tisal Joachim Tisal (2000) el receptor recibe la suma algebraica de las ondas (directas + reflejadas). Para simplificar cuando las ondas están en fase, la señal recibida es amplificada, por el contrario, cuando están en oposición de fase, la señal recibida es nula Celdas Según Tisal Joachim Tisal (2000). Las celdas son las unidades básicas de cobertura que divide un sistema de telefonía móvil en la figura 2 se muestra una celda de telefonía móvil. Cada una contiene un trasmisor que puede estar ubicada en diferentes posiciones de la celda dependiendo del modelo de radiación que tengas instalado, además cada celda tiene varios canales de tráfico, tendrá uno o más canales de señalización o control para la gestión de los recursos radio y la movilidad de los móviles conectadas a ella. Figura 2: Celdas de telefonía móvil Fuente: En Línea 15

31 Tipos de Celdas Básicamente hay dos (2) tipos de celdas. Omni y Sectorizada Omni: La estación base está equipada con una antena omnidireccional que transmite con igual potencia hacia todas las direcciones. Sectorizada: Esta constituida desde 2 a 6 sectores y cada antena cubren 60 grados o más dependiendo de la cantidad de sectores.el ángulo depende de la cobertura que se requiera, como se muestra en la figura 3. Figura 3. Tipos de Celdas de acuerdo a la cobertura Fuente: En Línea Clúster o Grupo Según Tisal Joachim (2000) Lo forma un conjunto de celdas, entre todas, agrupan la totalidad de las frecuencias disponibles por la red celular. Si sumamos varios grupos de esa manera se alcanza la cobertura final del 16

32 sistema celular, reutilizándose de esta manera las mismas frecuencias en todos grupos. En la figura 4 se muestra los grupos (clusters) más utilizados. 7/21 (21grupos de frecuencias en 7 sitios) 5/15 (15 grupos de frecuencias en 5 sitios) 4/12 (12 grupos de frecuencias en 4 sitios) Figura 4. Tipos de Grupos (Clúster) Fuente: En línea Reutilización de frecuencias CONATEL le asigna a cada operadora un grupo de frecuencias en una determinada banda. Este grupo de frecuencias debe repetirse las veces que sea necesario hasta cubrir el área que se desea darle cobertura. El término re uso de frecuencias se refiere a la distancia entre dos (2) idénticas frecuencias. En la figura 5 las frecuencias de la celda B están separadas una distancia tal que se reduce la interferencia entre ellas. En la figura también se 17

33 puede ver que hay dos (2) grupos de 7 celdas cada una. Los grupos de frecuencia están representados por las letras (A, B, C, D, E, F, G). Las celdas marcadas con A tienen la misma frecuencia pero separadas por una distancia. Esta distancia se calcula matemáticamente y se llama distancia de reúso. Figura 5. Reúso de Frecuencias Fuente: En línea Interferencia Co Canal Según Tisal Joachim (2000). La Interferencia Co canal es el término usado por la interferencia que se produce en una celda por portadoras de la misma frecuencia en otras celdas. Es definido como el radio del nivel de la señal deseada (C) con respecto al nivel de la señal no deseada (I) como se observa en la figura 6 Los factores que influyen en C/I son: 18

34 Tipo de antena Direccionalidad y altura Fuentes de interferencia Elevación y posición de los sitios Figura 6. Interferencia de Cocanal Fuente: En línea Interferencia de Canal Adyacente Según Tisal Joachim (2000). Este tipo de interferencia se define como el radio entre el nivel de la señal de frecuencias adyacentes. Aunque están a diferentes frecuencias, parte de la señal de la frecuencia adyacente (f2) interfiere sobre la frecuencia de la señal portadora (f1) causando problemas en la calidad la frecuencia portadora como se observa en la figura 7. Los Factores que influyen en C/A son: 19

35 Tipo de antena Direccionalidad y altura Elevación y posición de los sitios Fuentes de interferencia. Figura 7. Interferencia de Canal Adyacente Fuente: En línea Eficiencia Espectral Según Tisal Joachim (2000). En telecomunicación, la eficiencia espectral es una medida de lo bien aprovechada que está una determinada banda de frecuencia. Cuando mayor es este valor, mejor aprovechada está dicha banda. La eficiencia espectral es el número de bits/seg, dividido por el Ancho de Banda (A. de B). Ocupado en unidades de bits/segundo/hz. 20

36 Bits/Hz Donde es la tasa de transmisión en bps (bits/s) y es el ancho de banda utilizado del canal. Por tanto, la unidad se mide en bps/hz (bits por segundo/hertz). Mientras más alto sea los bits/segundo a través de un cierto Ancho de Banda, más alto será la eficiencia espectral. En las telecomunicaciones es deseable que sea alto la Eficiencia Espectral porque el A. de B. es oneroso. Pero hay una relación entre la eficiencia espectral y la cantidad de potencia que se requiere en la transmisión. Hay dos (2) parámetros que afectan la eficiencia espectral: El esquema de codificación de canal FEC (Forward Error Correction) El esquema de Modulación. El FEC añade información redundante e incrementa la tasa de medición y el Ancho de Banda pero reduce la Eficiencia Espectral. El esquema de Modulación especifica el tamaño del flujo de bits (Por ejemplo, cuantos símbolos existen). Los Bits son mapeados con los símbolos de forma tal que hay n bits, entonces hay 2n símbolos.el número de los diferentes símbolos 2n se llama el orden del esquema de modulación. 21

37 Mientras mayor es el valor de n, más bits se representan mediante símbolos. Esto significa que tasa de transmisión de símbolos cae, el A. de B. ocupado se reduce y así la Eficiencia Espectral desciende. Figura 8 Eficiencia Espectral Fuente: En línea Latencia Según Tisal Joachim (2000). En redes informáticas de datos se denomina latencia a la suma de retardos temporales dentro de una red. Un retardo es producido por la demora en la propagación y transmisión de paquetes dentro de la red. Otros factores que influyen en la latencia de una red son: El tamaño de los paquetes transmitidos. El tamaño de los buffers dentro de los equipos de conectividad. Ellos pueden producir colas de paquetes. 22

38 2.2.6 Concepto de Conmutación por Software (SoftSwitch) El concepto de la solución Softswitch se refiere a la separación del control de las sesiones de la conmutación de estas. En la figura 9 se compara la solución Softswitch (lado derecho de la figura) de la solución tradicional (lado Izquierdo de la figura) Figura 9 Concepto de SoftSwitch Fuente: En línea En la solución tradicional un solo nodo hace las funciones de control y conexión de las comunicaciones, solución que se ha utilizado por muchos años en la Conmutación de Circuitos y la Multiplexacion por División de Tiempo. 23

39 En la solución con SoftSwitch el nodo de control esta separado del nodo de Conmutación y se utiliza tanto en las dominios de Conmutación de Circuitos y de Paquetes. La interconexión de los nodos de Conmutación es por intermedio del protocolo IP. Los beneficios del uso del SoftSwitch son los siguientes: Reducción significativa del espacio donde se colocaran los equipos y del consumo de energía. Planificación de la red simplificada a través de un núcleo común fundamental para WCDMA y GSM. Reducción del tráfico de la red troncal y la racionalización del transporte mediante la distribución de pasarelas (Media Gateways) (M- MGW) en los puntos de concentración de la red de radio (Radio Network). La tecnología de red troncal de paquetes (IP o ATM) permite una mayor transmisión eficaz del tráfico de voz Creación de la independencia de acceso tanto para GSM y WCDMA a través de una red central común Sistema Global de Comunicaciones Móviles (GSM) Según Tisal Joachim (2000) GSM es el sistema de teléfono móvil digital más utilizado y el estándar para teléfonos móviles en Europa. GSM es uno de los estándares digitales inalámbricos 2G más utilizados a nivel mundial. Comenzó su historia en 1982 y de allí en adelante se ha convertido en una de las mejores tecnologías de 2G. 24

40 2.2.8 Arquitectura de un Sistema GSM. Según Tisal Joachim (2000). La arquitectura que se presenta en la figura 10 es el sistema GSM de 2G. En el desarrollo del marco teórico se explicara su evolución hacia 4G. Figura 10. Arquitectura de un SistemaGSM. Fuente: En línea La arquitectura esta constituida por los siguientes equipos: MS La estación Movil o equipo Terminal (Mobile Station) BTS La Estación Base Transreceptora (Base Transceiver Station) BSC El Controlador de Estaciones Base (Base Station Controller) MSC La Central de Conmutación Móvil (Mobile Switching Center) VLR El Registro de Localización de Visitas (Visitor Location Register) 25

41 HLR El Registro de Localización de Hogar (Home Location Register) AUC--- Centro de Autenticación (Autentication Center) EIR --- El Registro de Identificación de Equipos (Equipment Identication Register). OS --- Subsistema de Operación y Mantenimiento (Operation and Maintenance Subsistem) Las Características de un sistema GSM son Modo de transferencia: Es una red de conmutación de circuitos Tipo de servicios: Desarrollada básicamente para transmitir voz. Transmite también data en forma incipiente Velocidad de acceso: 9.6 kbit/s para data. 13 Kbit/s para voz Velocidad en la Red Central. 64 kbit/s La mayoría de los servicios están centralizados en las centrales de conmutación. Señalización de troncal: No.7 (MAP/ISUP) y canal asociado. Hay una línea dedicada cuando se establece una comunicación La tasación es por el tiempo que esté establecida la comunicación. Movilidad : Total Soporte a Internet: Si Estación Base (BTS) Según Tisal Joachim (2000), la celda es la unidad básica para la cobertura por radio de un territorio. Una estación base BTS garantiza la cobertura radioeléctrica en una celda de la red. Proporciona el punto de 26

42 entrada a la red de los abonados presentes en su celda para recibir o para trasmitir llamadas. Una estación base controla, como máximo, ocho comunicaciones simultaneas por transceivers si se usa la tecnología de Full Rate y 16 si se usa la tecnología de Half Rate. Una estación base es esencialmente un conjunto emisor/receptor que, por si mismo constituye un elemento más en la cadena de comunicación. La superficie de una celda varía enormemente entre los espacios urbanos y los espacios rurales. En los urbanos, donde la densidad de tráfico es importante, el tamaño de las celdas es pequeño para aumentar la capacidad de comunicación por unidad de superficie. El radio de una celda en este entorno puede llegar a su límite más bajo, impuesto por los costos de infraestructura y las condiciones de propagación de las ondas de radio. Por el contrario en los espacios rurales, la densidad de tráfico es mucho más pequeña y por tanto, las dimensiones de las celdas son mucho mayores (30Km), siendo la potencia de los emisores la que determina el límite. En la figura 11 se puede observar una estación base típica de un sistema GSM. Se puede ver en la figura, aparte de la BTS, los equipamientos de energía, transmisión, la mecánica, torre y la antena. 27

43 Figura 11 BTS y elementos Básicos. Fuente: Movilnet Controlador de Estacones Base, BSC Según Tisal Joachim (2000) Son los que se encarga de gestionar una o varias estaciones bases. Cumple diferentes funciones de comunicación y explotación. Para el tráfico abonado procedente de las estaciones base, se comporta como un concentrador; para el tráfico que proviene del conmutador, actúa como un enrutador hacia la estación base destinataria. Desde el punto de vista de explotación, el controlador es por un lado un repetidor para las alarmas y las estadísticas procedentes de las estaciones base y destinadas al centro de control y mantenimiento; por otro lado, es una base de datos para las versiones software y los datos de configuración que el operador carga de forma remota en las estaciones base que pasan por el controlador. Almacena y proporciona información bajo petición del operador o 28

44 de una estación base que entra en funcionamiento. Para el operador el controlador gestiona los recursos de radio de su zona, constituido por el conjunto de celdas que tiene asociados. En consecuencia, asigna las frecuencias de radio que puede utilizar cada una de sus estaciones base El controlador gestiona igualmente el paso de una celda a otra (Handover) cuando una estación móvil atraviesa la frontera entre dos celdas. El mismo avisa a la celda que se hará cargo del abonado y pasa toda la información necesaria y a su vez el controlador notifica a la base de datos HLR la nueva localización del abonado. En la figura 12 funcionamiento de la BSC. Figura 12. BCS Fuente. En línea 29 se observa el

45 Conmutador Móvil (MSC) Según Tisal Joachim (2000) Es el que se encarga de interconectar la red de radiotelefonía con la red telefónica publica o con otras redes móviles. Para ello tiene en cuenta las eventualidades introducidas por la movilidad, la transferencia intercelular y la gestión de los abonados visitantes, que son los abonados de otras redes en transito por la suya. El conmutador es muy importante, proporciona acceso hacia el centro de autenticación que verifica los derechos de los abonados. Participa en la gestión de la movilidad de los abonados y, por tanto, en su localización en la red, pero también es el suministro de todos los servicios ofrecidos por la red: básicos, suplementarios y mensajería. En la figura 13 se observa una MSC real Figura 13. MSC Fuente. Lucent 30

46 Registro de Abonados Locales (HLR) Según Tisal Joachim (2000) es una base de datos que contiene información relativa a los abonados de la red. Una red puede tener varias de estas bases según su capacidad y otros criterios que son elegidos por cada operador. La base de datos maneja un registro por cada una de los abonados y describe con detalle las opciones contratadas y los servicios extras a los que tiene acceso el abonado, este tipo de información se denomina estática, también se maneja información dinámica como la última localización conocida de los abonados, el estado de su terminal (en servicio, en comunicación, en reposo, fuera de servicio, etc.). La información de un abonado esta contenida en su tarjeta de abono que se llama, Subscriber Identity Module (SIM); es una tarjeta inteligente ubicada en el terminal móvil. La información dinámica como la localización de un abonado se actualiza constantemente, pero también esta la información que se memoriza en la HLR como los mensajes enviados al abonado y el número destinatario en caso de un reenvió temporal. El HLR contiene también la clave secreta del abonado, que permite a la red verificar su identidad. Esta clave se guarda en un formato codificado que solo el centro de autenticación de red es capaz de descifrar Centro de Autenticación (AUC) Según Tisal Joachim (2000) Es una base de datos que almacena información confidencial que se encuentra localizado en una dependencia cuya entrada está restringida y donde solo se permite el acceso a personal 31

47 autorizado. Además la información contenida en la base se escribe en los soportes físicos de forma codificada. La AUC de igual manera tiene un sistema de identificación certera de usuarios para evitar posibles fraudes. La identificación se realiza en dos etapas la primera es mediante la tarjeta SIM y la segunda mediante un algoritmo grabado en un espacio de memoria Registro de localización de Visitantes (VLR) Según Tisal Joachim (2000) es una base de datos asociada a un conmutador MSC. Su misión es almacenar la información dinámica relativa a los abonados de paso por la red. Esta gestión es importante, en cada instante la red debe conocer la localización de todos los abonados presentes en ella, es decir, debe saber en que celda se encuentra cada uno de ellos Para cada cambio de celda de un abonado, la red debe actualizar el VLR de la red visitada y el HLR del abonado a su vez se produce un intercambio permanente entre las bases de datos de las redes y los abonados Registro de Identidad de Equipos (EIR) La base de datos EIR valida equipo móvil. El MSC / VLR puede solicitar al EIR comprobar un dispositivo móvil (MS). Para esta comprobación, la base de datos esta dividida en tres listas: El equipo Móvil ha sido robado (colocado en una lista negra). 32

48 El equipo Móvil no está homologado (colocado en lista gris). El equipo Móvil está registrado normalmente (lista blanca) Evolución de GSM A pesar del éxito del sistema GSM era evidente que su velocidad de datos era muy pequeña y por tanto había que seguir evolucionando el mismo con el fin de subsanar esta situación. Según Kaaranen Ikki (2006) en el año 1990/91: GSM Fase 1 (GSM900/1800) CS (Conmutación de Circuitos por Circuit Switch) la data tuvo una velocidad de hasta 9.6 Kbps desde el año La fase GSM 2+ Anual Releases 96, 97, 98 & 99 y luego HSCSD CS data llevo la velocidad de la data hasta 57.6 (115.2) Kbps. GPRS PS llevo la data hasta Kbps) y EDGE (E-GPRS: PS data) 384 Kbps). Luego el sistema evolucionaria hacia 3G con el nombre de UMTS pues Venezuela sigue las normas ETSI (European Telecommunications Standards Institute) y este es el nombre dado por ETSI a la 3era. Generación Móvil en la figura 14 se puede observar la evolución del sistema GSM 33

49 Figura 14. Evolución de GSM y su velocidad para la data. Fuente: En Línea GPRS General Packet Radio Service Según Kaaranen Ikki (2006). Después de la aparición del sistema Básico, el siguiente paso hacia la tercera generación de GSM fue el uso de GPRS, la cual es una tecnología 2.5 G capaz de brindar velocidades de transmisión de hasta 115 Kbps en la Interfaz de aire mediante nuevos esquemas de modulación. GPRS hace uso de una técnica de conmutación por paquetes la cual permite incrementar las velocidades en los servicios de datos especialmente con el tráfico en ráfagas y por tanto ahora, el sistema GSM se podía conectar a la red Internet Red Central o Medular en GPRS La figura 15 muestra un sistema GSM con GPRS incorporado. En la red central se introducen dos (2) nuevos nodos: 34

50 SGSN Serving GPRS Support Node GGSN Gateway GPRS Support Node Figura 15. Sistema GPRS en GSM Fuente: Ericsson El SGSN se encarga de las siguientes funciones: Conversión del protocolo IP Gestión de movilidad y autenticación del usuario GPRS El enrutado de los datos hacia el GGSN respectivo cuando una conexión hacia una red externa es requerida. Colección de los datos de tasación de los usuarios GPRS Interacción con el MSC y el HLR. Colección de los datos estadísticos de tráfico para propósitos de gestión 35

51 El GGSN se encarga de las siguientes funciones: Enrutamiento de los paquetes provenientes de redes externas hacia el SGSN respectivo. Es la pasarela (Gateway) hacia redes externas. Es simplemente un enrutador hacia subredes IP. Enrutamiento de los paquetes originados en los móviles hacia la red externa Obtención de datos referentes a tarificación y estadísticas de tráfico y distribución de direcciones IP hacia los móviles. Asigna direcciones IP estáticas o dinámicas a un móvil o con redes externas y VPN Red de Radio en GPRS Según Kaaranen Ikki (2006). En GPRS el Bloque de radio de GPRS tiene un tamaño fijo de 456 bits, constituido por bits de información y de codificación. Por lo tanto, para aumentar el número de bits de codificación, el número de bits de información debe disminuir. En GPRS hay 4 esquemas de codificación (CS) que han sido definidos correspondiendo a una tasa diferente de bits de codificación y bits de información. Cuantos más bits de codificación se añaden, más transmisión es asegurada, pero disminuye la tasa de la información como se observa en la figura

52 Figura 16. Sistema GPRS Estructura de Bloque de Radio Fuente: Ericsson En la tabla 1 se observa que CS 1 es el esquema más seguro de codificación, pero ofrece la menor tasa de transferencia (9.04 kbps) para obtener información. CS 4 es por lo menos el esquema de codificación más fiable, pero tiene la mayor tasa de transferencia de bits de información (21,4 kbps). Tabla 1. Sistema GPRS Esquemas de Codificación Fuente: En línea 37

53 EDGE (Enhanced Data rates for GSM of Evolution) Según Kaaranen Ikki (2006). Con GPRS se aumento la velocidad para la transmisión de datos en la interfaz de Aire, pero no fue suficiente. Así que la próxima evolución de GSM-GPRS fue EDGE. EDGE aprovecha los conocimientos adquiridos a través del uso de las normas existentes de GPRS para ofrecer importantes mejoras técnicas en cuanto a la interfaz de aire se refiere. A pesar de que GPRS y EDGE comparten la misma tasa de símbolos, la tasa de modulación de bits difiere en EDGE. EDGE puede transmitir tres veces como tantos bits como GPRS durante el mismo período de tiempo. Esta es la razón principal de las tasas de bits más altas EDGE transferidos en GPRS como se observara en la tabla 2. Tabla 2. Comparación de velocidades entre GPRS y EDGE Fuente: Según Kaaranen Ikki (2006). 38

54 El método de modulación 8PSK es un método lineal en el que tres bits consecutivos se mapean en un símbolo en el plano I / Q. La tasa de símbolos, o el número de símbolos enviados dentro de un cierto período de tiempo, sigue siendo el mismo que para GMSK, pero cada símbolo representa ahora tres bits en lugar de uno. La tasa total de datos es por lo tanto incrementada en un factor de tres. La distancia entre los diferentes símbolos es más corta utilizando modulación 8PSK que cuando se utiliza GMSK. Las distancias más cortas aumentan el riesgo de mala interpretación de los símbolos porque es más difícil detectarlos para el receptor de radio, que los símbolos que ha recibido. Bajo buenas condiciones de radio, esto no importa, sin embargo, bajo condiciones pobres de radio si importa. Los bits "extra" se utilizaran para agregar más codificación de corrección de errores, y la información correcta se pueden recuperar. Sólo en ambientes muy pobres de radio GMSK es más eficiente. Por lo tanto los esquemas de codificación de EDGE son una mezcla de ambos GMSK y 8PSK, y éstos no tienen elmismo rendimiento de los esquemas de codificación de modulación GMSK UMTS (Universal Mobile Telecommunications System) Aunque con GPRS y EDGE se aumento la velocidad en la interfaz de aire, todavía se requería continuar mejorándola. Por eso el desarrollo de GSM hacia 3G continuó y así apareció UMTS esto según Kaaranen Ikki (2006). UMTS el nombre designado en Europa para 3G por la ETSI (1998)y W-CDMA modo FDD (1998, fue seleccionado como tecnología para la 39

55 Interfaz de radio para UMTS). Las especificaciones de acceso de radio permiten ofrecer Duplex por División de Frecuencia (FDD) y Duplex por División de Tiempo (TDD) UMTS incluye en su interfaz de aire W-CDMA con frecuencias pares o impares de 5 MHz de ancho de banda a nivel mundial acordado en torno a 2 GHz, aunque posteriormente, el ancho de banda adicional ha sido asignado por la UIT en el ámbito regional y para permitir el eventual re-uso de las bandas actualmente asignadas a los servicios de 2G Evolución de la velocidad de la Red de Acceso de UMTS Según Kaaranen Ikki (2006) la evolución de UMTS es la siguiente: El año 1999/2000: UMTS Rel. 99: Interfaz de aire WCDMA (Modo FDD & HCR-TDD: hasta Mbps). En el año 2002: UMTS Rel. 4: LCR-TDD Mode: hasta 2 Mbps. En el año 2003: UMTS Rel. 5: HSDPA: hasta 14 Mbps. En el año 2004: UMTS Rel. 6: HSUPA (EUDCH): hasta 5.7 Mbps; WLAN Integration: data PS hasta 54 Mbps. En el 2006/07: UMTS Rel. 7: Integración de WLAN; MIMO para HSDPA: hasta 30 Mbps. En la figura 17 se puede observar una comparación de las velocidades entre segunda y tercera generación 40

56 Figura 17. Red Evolución de la red de acceso de GSM y UMTS Fuente. Ericsson Review Arquitectura del Sistema UMTS En la figura 18 se presenta el sistema UMTS el cual está conectado al Sistema GSM-GPRS-EDGE ya existente esto según Kaaranen Ikki (2006). Figura 18. Sistema UMTS Fuente: Kaaranen Ikki (2006). 41

57 La Red de Radio de UMTS La Red de radio de UMTS se llama UMTS Terrestial Radio Access Network (UTRAN). La función de UTRAN es proveer acceso de radio para los terminales UMTS y es el acceso a las redes de conmutación de paquetes y esta constituido por: El Controlador de Red Radioeléctrica (RNC, Radio Network Controller) La Estación Base (BS) o Nodo B. La Interfaz de Aire utilizada es WCDMA. En la figura 18 también se observa La Red de radio de GSM-GPRS- EDGE. Que se llama EDGE Radio Access Network (GERAN) y su función es proporcionar el acceso de los terminales GSM y EDGE y es el acceso a las redes de conmutación de circuitos y esta constituido por: El Controlador de la Estaciones Bases (BSC, Base Station Controller) La Estación Base Transreceptora (BTS) La Red Central o Modular de UMTS La Red Central o Medular esta constituida por dos (2) dominios: El dominio de Conmutación de Circuitos CS (Circuit Switching) que se utiliza para la conexión de comunicaciones de voz hacia las redes tradicionales. El dominio de Conmutación de Paquetes PS (Packet Switching) que se utiliza para la conexión de comunicaciones de data hacia las redes de paquetes, por ejemplo Internet 42

58 El Subsistema de Gestión de la Red (NMS, Network Maintenance Subsystem) de UMTS Según Kaaranen Ikki (2006) es la parte relacionada con la operación y el mantenimiento de la red y es necesaria también para el control total de la red. El operador de la red observa y mantiene la calidad y los servicios a través del NMS Desde la misma se realiza el control y supervisión de un sistema de telecomunicaciones y tiene dos (2) propósitos: Mantener alta la satisfacción del cliente. Mantener la red al más bajo costo para el operador Versión UMTS, 3GPP v 99 Según la 3GPP En la versión v 99, la red 3G ofrece nuevos servicios como son el Video, mensajes de Multimedia que utilizan los servicios de localización (LCS). Los nuevos servicios requieren nuevas plataformas como el protocolo WAP. Los terminales utilizan, en lugar de un WAP puro, una función de navegador que implementa XML. Debido a esto se puede navegar con pantallas de color y con formatos similares a los de Internet. Otra plataforma es el Kit de herramientas de Aplicaciones (VAS) y la función CAMEL (Customised Application For Mobile Network Enhanced Logic) que se utiliza para transferir los servicios de Red Inteligente entre diferentes redes. En la figura 19 se muestra una red UMTS v99 43

59 Figura 19 UMTS, versión v 99 Fuente. Kaaranen Ikki (2006) UMTS. Versión 4 3GPP Según la 3GPP la actualización de UMTS versión 4 3GPPintroduce el TDD (Time Duplex Division) en la red UTRAN, el Transporte IP para los protocolos de la CN (Core Network) y la introducción de CS-MGW (Circuit Switch Media Gateway) que se encarga del establecimiento de las conexiones. En la figura 20 se observan estos cambios 44

60 Figura 20 Red GSM y UMTS (versión UMTS, 4.3GPP) básica Fuente. Kaaranen Ikki (2006) UMTS. Versión 5 3GPP Según 3GPP al realizar esta versión se quiere lograr varios objetivos como son: El transporte IP por todo el sistema, desde la BS hasta la pasarela (Media Gateway) hasta los límites de la red La introducción del Subsistema Multimedia IP (IMS) para comenzar un uso generalizado de diversos servicios multimedia. Adquirir mayor capacidad en la interfaz aire UTRAN en dirección descendente con la Introducción de HSDPA (High Speed Downlink Packet Access). En la figura 21 se puede observar esos cambios. 45

61 Figura 21. Red UMTS (versión UMTS, 5 3GPP) Fuente. Kaaranen Ikki (2006) Evolución de la Interfaz de Aire en UMTS Según la 3GPP la red de acceso todavía resulta un poco limitada cuando se utilizan aplicaciones que requieren transferencias de información a muy alta velocidad o cuando coinciden muchos usuarios de aplicaciones 3G en un área reducida. Esto es especialmente cierto si se compara con el acceso fijo, que enlos últimos años ha ido aumentando su capacidad rápidamente gracias a la tecnología XDSL Por lo tanto, una evolución permanente de las capacidades de la interfaz de radio requieren mayor ancho de banda y, especialmente, mayor eficacia de los recursos y estos son objetivo de la evolución de la interfaz de radio en UMTS. Por esto la Interfaz de Aire de UMTS es WCDMA. 46

62 WCDMA (Acceso Múltiple por División de Código de Banda Ancha) Wideband Code Division Multiple Access (Acceso múltiple por división de código de banda ancha) cuyo acrónimo es WCDMA es la tecnología de la interfaz de aire en la que se basa la UMTS ( Universal Mobile Communications System) y por tanto es una tecnología móvil inalámbrica de tercera generación que aumenta las tasas de transmisión de datos de los sistemas GSM utilizando la interfaz aérea WCDMA en lugar de TDMA (Acceso Múltiple por División de Tiempo) y por ello ofrece velocidades de datos mucho más altas en dispositivos inalámbricos móviles y portátiles que las ofrecidas hasta el momento. En la figura 22 se observa el concepto de WCDMA. WCDMA utiliza Spread (ensanchamiento) Spectrum. Esto permite un mayor ancho de banda por canal, esto es posible por la utilización de códigos de ensanchamiento ortogonales para permitir el uso de más usuarios en el mismo canal y elimina el problema de reusó de frecuencia. Con una sola portadora (el enlace de bajada y otra en el enlace de subida) se podría cubrir toda una gran área pero es posible que en algunas zonas, debido a un alto tráfico se usen más de una portadora. El nuevo estándar W-CDMA utiliza portadoras de radio con un ancho de banda de 5 MHz y hace una utilización muy eficiente del espectro radioeléctrico consiguiendo alcanzar un flujo de datos de hasta 2 Mbit/s en áreas locales, que queda reducido a 384 kbit/s en áreas de gran extensión que son valores muy superiores a los que tiene de GSM (9,6 Kbps) o los 115 Kbps que tiene 47

63 Figura 22. Concepto de WCDMA Fuente. En línea HSPA Acceso de Paquetes de Alta Velocidad (High Speed Packet Access) Según la 3GPP WCDMA se está desarrollando para permitir mayores tasas de bits y rendimiento. El primer paso es mejorar el enlace descendente mediante la introducción de High Speed Downlink Packet Access (HSDPA). El segundo paso consiste en mejorar el enlace ascendente mediante la introducción de enlace ascendente mejorado (EUl) o High Speed Downlink Packet Access (HSUPA).En conjunto, estas dos tecnologías son conocidas como High Speed Packet Access (HSPA). HSPA = HSDPA + HSUPA HSDPA (High Speed Downlink Packet Access) Según la 3GPP Esta tecnología se basa en cinco desarrollos principales: Transmisión por canal compartido (Shared-Channel Transmission), 48

64 Modulación de alto-orden (Higher-Order Modulation), Adaptación de enlace (Link Adaptation). Planificación dependiente del canal de radio (Radio-Channel- Dependent Scheduling), Petición de Repetición Automática Híbrida Rápida (Hybrid Automatic Repeat Request) Transmisión por Canal Compartido (Shared-Channel Transmission) Según Kaaranen Ikki (2006) El canal compartido de transmisión implica que una cierta cantidad de recursos de radio en una celda (código y potencia) es visto como un recurso común que es dinámicamente compartido entre los usuarios, principalmente en el dominio del tiempo. En HSDPA, un nuevo canal de transporte DL se introduce y es un canal llamado canal compartido de alta velocidad. La idea es que una parte del recurso de código total de enlace descendente sea dinámicamente compartido entre un conjunto de usuarios para el uso paquetes de datos, sobre todo en el dominio del tiempo. Los códigos se asignan a un usuario sólo cuando van a ser utilizados para la transmisión, lo que conduce a la utilización de un código eficiente así como de la potencia como se observa en la figura

65 Figura 23. Transmisión por canal compartido Fuente. Ericsson Modulación de Ordenes Mayores Según la 3GPP WCDMA Release 99utilizamodulación de datos QPSK para la transmisión en el enlace descendente. Para dar mayores velocidades de datos, la modulación de orden superiordigital16qam, se puede utilizar enhsdpa.en16-qam, para variar el espacio entre los símbolos en el diagrama de la constelación de manera más uniforme. Comparando la modulación QPSK con 16-QAM, esta tiene una banda de ancho más eficaz, es decir, puede llevar más bits por Hertz. En este caso se puede enviar4bits por símbolo (en lugar de2bits por símbolo de QPSK). Por lo tanto, la modulación de orden superior se puede utilizar junto con la transmisión de canal común para apoyar mayores velocidades de datos y logra runa mayor capacidad como se observa en la figura 24 QAM sólo se puede utilizar en buenas condiciones de radio. En malas condiciónes de radio da lugar a problemas de lectura de la correcta fase y la amplitud de la onda en el receptor. 50

66 La elección de la técnica de modulación digital impacta directamente la velocidad global máxima que un usuario HSDPA puede lograr. Con QPSK la Figura 24 máxima es de 7,2 Mbps, con 16-QAMes14,4 Mbps Figura 24. Modulación de Orden Mayor Fuente. Ericsson Rápida Adaptación de Enlace (Adaptación Rápida de enlace) Kaaranen Ikki (2006). Las condiciones de canal de radio que experimentan los diferentes enlaces de comunicación en el Downlink varían significativamente, tanto en el tiempo y entre diferentes posiciones en la celda Cada terminal que utiliza servicios de alta velocidad transmite reportes de la calidad del canal en forma periódicos a la estación base. La adaptación rápida ajusta los parámetros de transmisión instantáneamente según las 51

67 condiciones de radio reportadas por el terminal cuando las condiciones del canal lo permitan, permite el uso de la modulación de alto orden como se observa en la figura 25. Figura 25. Rápida Adaptación de Enlace Fuente. Ericsson Planificación Dependiente del Canal de Radio (RadioChannel-Dependent Scheduling), Kaaranen Ikki (2006). La función de la programación rápida determina al equipo de usuario (UE) a donde la transmisión del canal compartido debe dirigirse en cualquier momento dado. El objetivo es transmitir a los usuarios con condiciones favorables de radio como se observa en la figura

68 El programador estima las condiciones de radio instantánea del canal entre el enlace descendente y el terminal. Cada terminal que utiliza servicios de alta velocidad transmite regularmente informes de calidad del canal a la estación base, y el programador determina el rendimiento Figura 26. Planificación dependiente del canal de radio Fuente. Ericsson Petición de Repetición Automática Híbrida Rápida (Hybrid Automatic Repeat Request) Kaaranen Ikki (2006). Un UE puede solicitar rápidamente la retransmisión de datos que faltan y combinar la información de la transmisión original con el de la transmisión anterior, antes de intentar descifrar el mensaje. Este enfoque, denominado suave combinación (soft-combining), mejora el rendimiento y proporciona robustez. Un reconocimiento negativo (NACK, Not Acknowlegemt) se envía cuando los datos se pierden en el 53

69 extremo receptor. Se envía un reconocimiento (ACK, Acknowlegemt) si los datos recibidos son correctos. Como se observa en la figura 27 Figura 27 Petición de Repetición Automática Híbrida Rápida Fuente. Ericsson MIMO (ENTRADA MÚLTIPLE, SALIDA MÚLTIPLE) Kaaranen Ikki (2006). La tecnología de Múltiples antenas (entrada múltiple, salida múltiple - MIMO), dan un mejoramiento significativo a la velocidad de datos y la capacidad del canal. El propósito de MIMO es mejorar la capacidad del sistema y la eficiencia espectral al aumentar el rendimiento de los datos en el enlace descendente dentro del portador 5MHz existente. Esto se consigue por medio de la implementación de múltiples antenas tanto en UE como en el Nodo-B. 54

70 Una de las tecnologías fundamentales introducidas junto con el primer lanzamiento de LTE es la múltiple entrada múltiple salida(mimo).la operación, incluye: Multiplexado espacial Pre-codificación Transmisión mediante la Diversidad. Multiplexacion Espacial: Se refiere al envío de señales a partir de dos o más antenas diferentes con flujos de datos diferentes. Procesamiento de la señal: Esto significa que en el receptor se separan los flujos de datos, por lo tanto aumentan las tasas máximas de datos por un factor de 2 (Con la configuración de antena 4x4). Pre-Codificación: Las señales transmitidas desde las diferentes antenas son pesadas (ponderadas) con el fin de maximizar la relación señal a ruido recibida (SNR) Transmisión mediante la diversidad: Se basa (en el envío de la misma señal desde múltiples antenas con algún código, con el fin de explotar los beneficios de ganancias derivadas del desvanecimiento independiente entre las antenas Velocidades en el Enlace de Bajada (Downlink) La figura 28 muestra las velocidades que se pueden alcanzar mediante la combinación de las tecnologías antes mencionadas. 55

71 Figura 28. Velocidades en el Enlace de Bajada (Downlink) Fuente. Ericsson Velocidades en el Enlace de Subida (Uplink) La figura 29 muestra las velocidades que se pueden alcanzar mediante la combinación de las tecnologías antes mencionadas. Figura 29. Velocidades en el Uplink 56