1 EDGE

Transcripción

1 EDGE Este tutorial presenta los conceptos básicos de Enhanced Data rate for GSM Evolution (EDGE) que triplica la transmisión de datos de los sistemas GSM/GPRS. Marilson Duarte Soares Consultor de Estrategias Tecnológicas de Siemens Brasil desde el 2002; también fue Gerente de Ingeniería del área de Radio en el año 2000 y Representó a Siemens en las Comisiones Brasileñas de Comunicaciones CBC-9 y CBC-10, además de haber sido coordinador del grupo de rádio en COBEI/ABNT. Actualmente representa a Siemens en la CBC-4, Comisión que trata de los sistemas IMT2000 y pos- IMT2000. Antes de trabajar en Siemens, fue profesor en la Escuela de Ingeniería de la Universidad Federal Fluminense, en 1996 y 1997, con investigaciones en el Centro Brasileño de Investigaciones Físicas, en 1994, en el área de Resonancia Magnética Nuclear e hizo su práctica profesional en Petrobrás en el área de proyectos de enlaces de microondas, en 1993 y Formado en Ingeniería de Telecomunicación, en 1995, por la Universidad Federal Fluminense. Tiene posgrado en Análise de Sistemas por la PUC/RJ, en 1997, y posgrado en Administración Industrial por la Universidad de Sao Paulo, en 1999, en donde también concluyó, en el 2002, el MBA en Conocimiento- Tecnología-Innovación. Duración estimada: 15 minutos Publicado el: 24/11/

2 EDGE: Evolución Introducción El EDGE representa una fácil evolución del padrón GSM/GPRS rumbo a la tercera generación, posibilitándole a la operadora ofrecer mayores tasas de datos, usando la misma portadora de 200KHz; Crea un ambiente para que la operadora atienda a la demanda por servicios más sofisticados, lo que ha mejorado los ingresos medios por usuario, sin la necesidad de inversiones adicionales en nuevos rangos de frecuencia. Las alteraciones en la red son mínimas, con enfoque en las características de modulación y en la implementación de una nueva codificación y decodificación de la señal, asociadas con adaptaciones de la señal y envío de redundancia de información que aumentan la eficiencia de la utilización del espectro. La introducción del EDGE en la red puede ser hecha de forma gradual y económica, en donde en el primer momento será interesante sólo cubrir las áreas con mayores demandas de datos y servicios. Las otras áreas pueden mantener su cobertura con señal GSM/GPRS, pues los celulares EDGE podrán también usar esa señal para la transmisión de voz y datos con menores tasas. La evolución hasta el EDGE La baja capacidad de tráfico ofrecida por los sistemas analógicos de la primera generación llevó al agotamiento de las redes móviles en los grandes centros urbanos. Para resolver esas limitaciones, surgieron los sistemas de segunda generación, digitales, pero aun con el objetivo de proveer el servicio básico de telefonía, o sea, voz. Por esta razón, esos sistemas no se preocuparon mucho con la transmisión de datos y sus protocolos de transmisión contemplaron pequeñas adaptaciones del canal de voz para el paso de los datos, utilizándose de CSD (datos de conmutación por circuito), lo que resultó en tasas de transmisión en el orden de 9,6Kbps, insuficientes para la implementación de servicios de datos más avanzados. Entre los sistemas de segunda generación, el "Global System for Mobile Communications" (GSM), tuvo sus premisas básicas de servicios delineadas por operadoras, órganos reguladores y fabricantes, que buscaban un sistema robusto, eficiente, seguro, de bajo costo y que ofreciera nuevos servicios que atendiesen a las demandas de los usuarios. La responsabilidad por el desarrollo de las especificaciones técnicas del nuevo padrón quedó bajo responsabilidad de "European Telecommunications Standards Institute" (ETSI), que generó un padrón abierto "multivendor", lo que permite que una red GSM pueda ser implementada, utilizándose componentes de diversos fabricantes; este hecho promueve la independencia de las operadoras en relación a los fabricantes, bien como la mayor competición entre ellos, lo que resulta en menores precios. Después de la digitalización presentada arriba, surgieron necesidades de transmisión de datos para servicios más simples, sin embargo, con precios menores que los presentados por la conmutación por circuito. Por tanto, el GPRS pasó a ocupar las redes alrededor del mundo con su conmutación por paquetes. La evolución de los servicios y sus crecientes demandas por mayores tasas de datos impulsionan la implementación de redes EDGE y UMTS, siendo que la primera va a requierir pequeñas alteraciones en las redes y terminales, lo que creará un ambiente favorable para la expansión a partir del

3 Arquitectura del Sistema GSM Figura 1: Los bloques BSS, SSS y OMC. Una red GSM presenta los tres principales bloques y algunas de las interfaces arriba representadas (Consulte el Tutorial "GSM" para mayores detalles). Observación: La unidad "Transcoder and Rate Adapter Unit" (TRAU) realiza las tareas de codificación y decodificación, bien como la adaptación de la tasa de datos. Esas tasas así como la colocación de la TRAU próxima de la BSC o de la MSC puede variar de acuerdo al proyecto del fabricante. La interconexión de la TRAU con la BSC es hecha a través de la interface Asub. La búsqueda por robustez y simplicidad del sistema, bien como la demanda entonces existente, centrada en servicios de voz, ha llevado al empleo de la modulación "Gaussian Minimum Shift Keying" (GMSK), lo que ha minimizado problemas de interferencias, ruídos y consumo de energía. GPRS (General Packet Radio Services) Las redes GSM necesitaban introducir un paso a más en la transmisión de datos, pues, a pesar del "High Speed Circuit Switched Data" (HSCD) haber aumentado la tasa de transmisión de datos, saliendo de los iniciales 9,6Kbps para 171,2Kbps con la utilización de 8 "Timeslots". Las redes continuaban trabajando con conmutación por circuito y reducian la eficiencia del "Mobile Switching Center" (MSC), lo que dificultaba un modelo de cobranza adecuado para el usuario, que acababa pagando por tiempo de conexión, y tornando los servicios avanzados de datos, carísimos. El aparecimiento del GPRS transformó la transmisión de datos en el GSM, lo que posibilitó la conmutación por paquetes, transmisión punto a punto o punto-multipunto y la tarifación por volumen de datos. De esta forma, pasamos a observar una forma inteligente de utilización de los recursos de la red para aplicaciones con tasas de datos que pueden llegar hasta 171,2Kbps (Consulte el Tutorial "GPRS" para mayores detalles). 3

4 En la figura abajo, se puede observar la introducción de dos nuevos componentes en la red GSM, el "Serving GPRS Support Node" (SGSN) y el "Gateway GPRS Support Node" (GGSN), siendo los responsables directos por la conmutación por paquetes. Otras pequeñas alteraciones en la BTS y en la BSC también son realizadas, principalmente en el software de las unidades además de la introducción de una nueva placa en la BSC denominada PCU. La interface Um continúa operando con la modulación GMSK y el canal de rádio frecuencia mantenido con 200KHz. Figura 2: Introducción del GPRS en la red GSM. 4

5 EDGE (Enhanced Data rates for GSM Evolution) EDGE: EDGE El EDGE está relacionado al aumento de la capacidad de transmisión de la interface aérea en el estárdard GSM actual. La idea principal es adicionar nuevas características en la red GSM manteniendo compatibilidad con los teléfonos celulares GSM /GPRS y con los equipamientos de la red (BSS, BSC, TRAU, MSC, SGSN y GGSN). Todos los bloques de la red GSM/GPRS continúan operando, siendo necesario actualizar los softwares de las BTS para posibilitar el funcionamiento de las modulaciones GMSK y 8PSK, además del cambio de la placa PCU por una placa EPCU en la BSC que también sufre actualizaciones de software. Figura 3: Área de alteraciones del sistema GSM/GPRS para introducir el EDGE. El EDGE incluye tanto conmutación por circuitos (ECSD - "Enhanced Circuit Switched Data") como conmutación por paquetes (EGPRS - "Enhanced General Packet Radio Service"). EDGE = EGPRS + ECSD. En realidad la conmutación por circuito pasó a ser visualizada como un recurso desnecesario en una red que presenta conmutación por paquetes, pues además de utilizar los recursos de la red destinados para voz, la conmutación por circuitos, presenta tarifación por tiempo, lo que reduce su aplicación para pequeños servicios que no necesitan de un gran tiempo de conexión. Como consecuencia, podemos percibir un olvido forzado por el mercado de la parte ECSD, siendo solamente representado el aumento de la capacidad del GPRS, o sea, EGPRS. Evolución de la modulación y aumento de la eficiencia La primera alteración que debe ser destacada es la modulación del sistema, pues como hemos visto en los itemes anteriores el sistema GSM era basado en la modulación GMSK (1 bit/símbolo) y en el EDGE vamos a observar la utilización del 8PSK (3 bit/símbolo), lo que posibilita triplicar la tasa de transmisión de datos. 5

6 Figura 4: Esquemas de modulaciones de las comunicaciones móviles. Con el aumento de la cantidad de bits por símbolo, disponibilizada por la modulación 8PSK, fue posible colocar tres veces más informaciones en el mismo canal de radio frecuencia (200KHz) usado por el sistema GSM/GPRS, o sea, para cada tres "timeslots" usados anteriormente pasamos a compactar la información en sólo un "timeslot". Figura 5: Aumento de la eficiencia con EDGE en la red. 6

7 EDGE: Codificaciones y Modulaciones Nueve esquemas de codificación y dos modulaciones son definidos para los "packet data traffic channels - PDTCH". Los MCS ("Modulation Code Schemes") son divididos en las familias A, B y C, siendo que cada una es representada por una unidad de "payload". Figura 6: Familias para los MCS. Tabla 1: Modulaciones y esquemas de codificación en el EGPRS. Codificación Familia Tasa de datos por "timeslot" (Kbps) Modulación Tasa máxima 8 x "timeslots" (Kbps) MCS-9 A MCS-8 A MCS-7 B PSK MCS-6 A 29.6 / / MCS-5 B MCS-4 C MCS-3 A 14.8 / 13.6 GMSK / MCS-2 B MCS-1 C

8 Observación: La tabla 1 presenta tasas de hasta Kbps, pero ese valor es teórico y sólo podría ser alcanzado en condiciones favorables de radio propagación. Por tanto, en la práctica los valores máximos alcanzados por las redes EDGE giran alrededor de 384Kbps. Codificaciones y modulaciones usadas en el ECSD El ECSD (Enhanced CSD) es la evolución del HSCSD. El ECSD también usa la modulación 8PSK posibilitando transmitir hasta 64 kbps combinando solamente dos "timeslots" en vez de cuatro "timeslots" de 14.4kbps del HSCSD. El ECSD posee tres "Transport Channels - TCH", cada uno con su codificación especifica de canal y tasa de transmisión como podemos ver en la tabla 2. Tabla 2: Codificación de los canales para ECSD. Tipo del canal Tasa de datos por "timeslot" (Kb/s) Tasa máxima de datos 2 x "timeslots" (Kb/s) E-TCH / F (no utilizado) E-TCH / F E-TCH / F Observación: En la práctica observamos la utilización del E-TCH/F32 (32Kbps) para servicios transparentes y el E-TCH/F28,8 (28,8 Kbps) para servicios no-transparentes. Estratégia de destinación en el Abis Con el aumento de las tasas de transmisión de la interface Um, fue necesario crear mejorías en el transporte de la información en la interface Abis, de esa forma se puede observar dos técnicas posibles para la destinación de "timeslots" en esta interface. Abis estática = Asociaciones de los "timeslots" de radio y los "timeslots" del Abis son hechos durante los procedimientos de almacenamiento de O&M en la BSC, no siendo posible alteraciones en la destinación de los "timeslots" del Abis durante el funcionamiento del sistema. Abis flexible = Define un "pool" de recursos del Abis que es destinado para una BTS en la utilización de conmutación por circuitos y conmutación por paquetes con un número suficiente de "timeslots" para los servicios. Por ejemplo: 16Kbps hasta 80Kbps, es dinámicamente destinado para un canal de interface aérea. Asociaciones entre "timeslots" radio y "timeslots" del Abis son hechos por procedimientos de señalización, via "ACTIVATE/MODIFY ABIS CHANNEL" durante el funcionamiento del sistema. Los recursos del Abis son definidos como un "pool" para todas las BTS's y alcanza así un incremento de capacidad estadístico. No existe un mapeamiento fijo uno para uno (1 x 16Kbps) o uno para dos (2 x 16Kbps) en el banco de datos de la BSC, pues en la activación del canal un número apropiado de recursos del Abis es designado para el canal. Así, Abis flexible consigue un gran aumento estadístico de capacidad en la interface entre BSC y BTS comparado con el Abis estática. 8

9 EDGE: Terminales Para que el EDGE pueda entrar de forma gradual en la red es necesario que los terminales posean compatibilidad con la red ya existente, y las BTS deben ofrecer tanto GMSK como el 8PSK en la interface aérea. Por tanto, verificaremos el aparecimiento de dos clases: Classe A = Las dos modulaciones pueden ser usadas en el "downlink", mientras que solamente GMSK es usada en el "uplink". El resultado será un terminal con altas tasas de datos solamente en el "downlink", servicios asimétricos y alteraciones importantes en la recepción. Classe B = Las dos modulaciones pueden ser usadas tanto en el "uplink" como en el "downlink". El resultado será un terminal con altas tasas de datos en el "uplink" y en el "downlink" con alteraciones importantes tanto en la transmisión como en la recepción. Figura 7: Terminales en la tecnología EDGE. Los terminales EDGE van a estar siempre buscando la modulación 8PSK en el sentido que solicite mayor tasa de datos y, modulación GMSK en el sentido que solicite pequeña tasa de datos, pues la modulación 8PSK va a aumentar la tasa de transmisión y la modulación GMSK va a minimizar el consumo de energía del aparato. Tabla 3: Clases de potencia para terminales EDGE. Clases de potencia Potencia nominal (dbm) Tolerancia normal (Db) Tolerancia extrema (db) E / / E / / E / -3 + /

10 EDGE: Protocolos La "Media Access Control - MAC" y el "Radio Link Control - RLC" proveen servicios de multiplexación y codificación de canal para GPRS/EGPRS. Estas capas también van a estar asociadas con "Link adaptation" tanto para GPRS como para EGPRS e "Incremental Redundancy" siendo usado solamente en redes EGPRS (Consulte el Tutorial "GPRS" para mayores detalles). Figura 8: Plano de señalización en el GPRS/EGPRS. Link adaptation Como la transmisión de datos depende de las condiciones de C/I es benéfico adaptar el MCS de acuerdo con la situación de interferencia. Eso es hecho con una regular estimativa de la calidad del "link" y consecuente selección del más apropiado MCS. El algoritimo analisa la performance del MCS usado en el momento y como sería la performance para todos los otros. Basado en esa análise es seleccionado aquél con la mejor performance esperada. Cuando datos son transmitidos en el "downlink", medidas de calidad son reportadas del terminal para la red en intervalos regulares. Observación: La función "Link adaptation" también es usada en la tecnología GPRS. 10

11 Figura 9: Efecto del "Link Adaptation" en la tasa de transmisión. Incremental Redundancy Sólo existe en el EDGE el modo de transmisión con "Incremental Redundancy". En ese esquema de redundancia incremental, la información es enviada primero con poca codificación lo que produce una alta tasa de transmisión, pero si existen fallas en la decodificación de la información transmitida, bits adicionales de codificación (redundancia) son enviados hasta que la decodificación obtenga éxito. Esa codificación a más que fue enviada disminuye el resultado de la tasa de datos con información del usuario, sin embargo, garantiza la performance del sistema. Soportar redundancia incremental es obligatorio para terminales que van a operar con EGPRS, siendo utilizadas memorias extras para que esa funcionalidad sea posible. 11

12 EDGE: Consideraciones Finales Este tutorial ha presentado los conceptos básicos del EDGE, que expande la capacidad de transmisión por datos de las redes GSM/GPRS, siendo posible en un promedio, triplicarla. El EDGE implica en pequeñas alteraciones de las redes GSM/GPRS actualmente implantadas en el mundo, pero exige terminales que tengan soporte a esa tecnología. El EDGE puede ser insertado de forma gradual en la red de una operadora, focalizando áreas con mayores demandas por datos y por servicios avanzados. Referencias 3GPP Responsable por la estandarización de la evolución del GSM para 3G. ETSI Desarrolló las normas para el GSM. Es posible hacer download gratuito de las normas. GSM WORLD Sitio web de la asociación del GSM. GSA Sitio web de la Asociación de los fabricantes mundiales de GSM - (Global Mobile Supplier Association). Siemens Uno de los principales fabricantes de redes móviles y terminales en el padrón GSM/GPRS/EDGE/UMTS. Wireless BR Sección con varios artículos sobre tecnologías móviles. 12

13 EDGE: Evalúe su Entendimiento 1. Qué es el EDGE? Comunicación de datos por paquetes en redes GSM. Es una evolución de la transmisión de datos en los sistemas GSM/GPRS, que posee conmutación por paquetes (EGPRS) y conmutación por circuitos (ECSD). Comunicación de datos en el GSM que utiliza una portadora de 250KHz. Una expansión de la capacidad de transmisión del GPRS. Único sistema de datos en el GSM que posibilita tarifación por calidad de datos intercambiados y no por tiempo. 2. El EDGE presenta modulación: GMSK. GMSK y QPSK. GMSK y 8PSK. 8PSK. QPSK y 8PSK. 3. Cuál de las característica de abajo sólo existe en el sistema EDGE? Modulación GMSK. Link adaptation. Conmutación por paquetes. Interface Abis. Incremental Redundancy. 4. Cuál es la principal ventaja del EDGE? Transportar tres veces más datos que el GPRS en la misma portadora de 200KHz. Implantar conmutación por paquetes en el GSM/GPRS. Desarrollar un ambiente IP para los usuarios móviles. Ser igual al sistema UMTS, pero más barato. Tener tasa de transmisión menor que el GPRS, pero con mayor calidad. 13