REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA UNIVERSIDAD RAFAEL BELLOSO CHACÍN DECANATO DE INVESTIGACIÓN Y POSTGRADO MAESTRÍA EN TELEMATICA REDES DE AREA LOCAL

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1 REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA UNIVERSIDAD RAFAEL BELLOSO CHACÍN DECANATO DE INVESTIGACIÓN Y POSTGRADO MAESTRÍA EN TELEMATICA REDES DE AREA LOCAL Tecnología HSDPA/W-CDMA (3.5G). Evaluación de la Transferencia de Datos de Audio/video. Integrantes: Ing. Ender A. Licero M. Ing. Lenin R. López Z. Ing. José A. Delgado R. Prof. Ing. Luis G. Molero Msc. Maracaibo, Abril de 2009

2 INTRODUCCION En los últimos años hemos podido observar como han ido evolucionando de forma vertiginosa los sistemas de transmisión de datos y voz. Hemos vivido los diferentes saltos, desde la llamada tecnología 1D desarrollada e implementada en los años 80, la tecnología 2G implementada en los años 90 junto con la denominada generación 2.5 (2.5G) hasta llegar a la tecnología 3G desarrollada e implementada a principios de los años Vemos con asombro como a medida que evolucionan las tecnologias de transferencias de datos de audio/video de igual manera los tiempos de implementación se reducen cada vez más. Es por este motivo que en este informe analizaremos la evolución de la tercera generación (3G), el rendimiento o la eficacia en la transferencia de datos de audio/video mediante redes HSDPA/W-CDMA (3.5G) y conoceremos que nos depara la 4G.

3 La tecnología HSDPA (High Speed Downlink Packet Access) es la más reciente evolución de otra tecnología espectral como la UMTS/WCDMA, incluida en las especificaciones de 3GPP release 5. Esta tecnología consiste en un nuevo canal compartido en el enlace descendente (downlink) que mejora significativamente la capacidad máxima de transferencia de información y puede alcanzar tasas de hasta 14 Mbps. Soporta tasas de throughput promedio cercanas a 1 Mbps y se complementa con HSUPA (High Speed Up Packet Access). Esta tecnología es la evolución de la tercera generación (3G) de tecnología móvil, llamada 3.5G, y se considera la predecesora de la cuarta generación (4G) aunque actualmente se desarrolla la especificación 3.9G previo al lanzamiento de 4G. Entre las caracteristicas más resaltantes de la tecnología HSDPA podemos señalar el aprovechamiento y mejoramiento exponencial en la prestación de servicios de banda ancha con un aumento significativo en la capacidad de datos celulares, con throughput más elevado. Igualmente HSDPA incrementa la eficiencia espectral en comparación con WCDMA, ya que permite que la red sea utilizada simultaneamente por un número mayor de usuarios al ofrecer hasta cuatro veces mayor capacidad que WCDMA gracias a su eficiencia espectral y el aumento de la velocidad.. Igualmente reduce la latencia de la red (<100ms) disminuyendo con esto los tiempos de respuesta y mejorando significativamente la interfaz de las aplicaciones en tiempo real (videoconferencias, juegos multiusuarios, etc). Otros aspectos que contribuyen al aumento de las tasas de velocidad son: El agregado de modulación de mayor orden (Modulación de Amplitud de Cuadratura QAM), la codificación variable de errores y la redundancia incremental.

4 IMPLEMENTACION Y EVALUACION DE LA TRANSFERENCIA DE DATOS EN REDES HSPDA/W-CDMA. La principal utilidad de este servicio es el acceso a Internet con mayor ancho de banda y menor latencia, por lo que se ofrece navegar, descargar correo electrónico, música y video a mayor velocidad. HSDPA es considerado altamente compatible con la versión 99 de UMTS (R99), con la adición de una entidad de repetition/scheduling dentro del nodo B que reside debajo de la capa de control de acceso al medio R99 (MAC). HSPDA. A continuación mostraremos los principios operativos básicos de La Figura 1 muestra los seis subsistemas que intervienen en una red HSDPA/W-CDMA: el equipo de usuario (UE), el nodo B (estación base), el controlador de la red de radio, el nodo 3G-SGSN (Serving GPRS Support Node), el nodo 3G-GGSN (Gateway GPRS Support Node) y el servidor IP.

5 Técnicamente, los principios operativos básicos de HSDPA son fáciles de entender. El RNC encamina los paquetes de datos destinados para un UE particular al Nodo-B apropiado. El Nodo-B toma los paquetes de datos y programa su transmisión al terminal móvil emparejando la prioridad del usuario y el ambiente de funcionamiento estimado del canal con un esquema apropiadamente elegido de codificación y de modulación (es decir, el 16QAM). El UE es responsable de reconocer la llegada de los paquetes de datos y de proporcionar al Nodo-B información sobre el canal, control de energía, etc. Una vez que envíe el paquete de datos al UE, el Nodo-B espera un asentimiento. Si no recibe uno dentro de un tiempo prescrito, asume que el paquete de datos fue perdido y lo retransmite. La base que procesa el chasis (CPC) es la piedra angular del Nodo-B. Contiene el transmisor-receptor de RF, el combinador, la tarjeta del interfaz de red y el control del sistema, la tarjeta de timming, la tarjeta del canal y la placa base. De estos elementos de CPC, solamente la tarjeta del canal necesita ser modificada para apoyar HSDPA. La tarjeta típica del canal de UMTS abarca un procesador de uso general que maneja las tareas de control. En cambio para soportar HSDPA, se deben realizar dos cambios a la tarjeta del canal. Primero, la capacidad de chip del enlace descendente (downlink chip-rate ASIC, o ASSP) se debe modificar para apoyar los nuevos esquemas de la modulación 16QAM y los nuevos formatos de la ranura del enlace descendente asociados a HSDPA. El siguiente cambio requiere una nueva sección de proceso, llamada el MAC-hs, que se debe agregar a la tarjeta del canal para apoyar el procesado, el buffer, la transmisión y la retransmisión de los bloques de datos que se reciben del RNC. Éste es el cambio más significativo a la tarjeta del canal porque requiere la introducción de una entidad de procesador programable junto con un buffer para retransmitir. Finalmente, hay que añadir en la RNC un bloque denominado Mac-d, que establece la comunicación con el Nodo-B..

6 Conforme aumenta la complejidad del diseño de los dispositivos móviles, es cada vez más importante comprobar el rendimiento de cada aspecto de la transferencia de datos. Los diseñadores de dispositivos móviles suelen comprobar la eficiencia de las transferencias de datos a partir del análisis de datos de banda base. Un mejor escenario consiste en someter a prueba los dispositivos en un entorno de red real. Sin embargo, las redes móviles plantean tres problemas durante las pruebas. En primer lugar, es posible que la red no esté disponible, por ejemplo, una red HSDPA o W-CDMA. En segundo lugar, si el dispositivo está conectado a una red real y surge un problema (por ejemplo, la desconexión de un enlace o una ralentización del rendimiento), es muy difícil conocer la causa real en cualquiera de los subsistemas. Asimismo, la red real varia con el paso del tiempo y la calidad que proporciona al equipo de usuario (UE) no está garantizada ni es reproducible. De este modo, la evaluación del rendimiento de dicho equipo no es fiable cuando se conecta a una red real. En tal sentido, se sustituye la conexión a una red real por la utilización de un equipo de prueba (Agilent 8960) para evaluar el rendimiento IP de los equipos de usuario (UE) HSDPA/W-CDMA. El dispositivo de prueba incorpora un simulador de red HSDPA/W-CDMA y herramientas de verificación de software y se ha diseñado específicamente para desarrolladores de equipos de usuario HSDPA/W-CDMA que necesitan realizar verificación e integración de diseños de radio, protocolos y hardware/software, además de evaluación del rendimiento.

7 8960 Series 10 Collection A continuación se muestra como puede utilizarse el dispositivo de prueba para sustituir los subsistemas de una red HSDPA/W-CDMA. Este dispositivo ofrece simulación realista de redes y proporciona conexión con Internet con flujos reales de tráfico de datos. También puede obtenerse capacidad adicional a través de completas herramientas de registro y análisis de protocolos en tiempo real. Asimismo, el dispositivo de prueba puede servir de plataforma para comparar el rendimiento de distintos equipos de usuario (UE) proporcionando un entorno de red estable y reproducible.

8 PRUEBA DE RENDIMIENTO.- Se ha seleccionado el emulador de red HSDPA/W-CDMA de Agilent para experimentos sobre caudal de datos. El terminal de pruebas ofrece un completo servicio de datos en paquetes de extremo a extremo compatible con el servicio de datos en paquetes GPRS. El usuario puede conectar el puerto LAN del terminal de pruebas a su red de ordenadores y establecer una conexión completa del equipo de usuario a esa red a través del terminal de pruebas. La configuración del servicio GPRS que admite el terminal de pruebas proporciona una serie de distintas configuraciones de portadora de acceso por radio (RAB). Las configuraciones específicas estudiadas aquí son el modo de datos por conmutación en paquetes (PSD) de 64 k para enlace ascendente (UL)/384 k para enlace descendente (DL), y el modo PSD de 64 k para UL/3,6 M para DL. La Figura muestra el intercambio de mensajes de la capa de protocolo entre el equipo de usuario y el dispositivo de prueba inalámbrico. Los mensajes indican que el teléfono móvil se inicia para establecer una conexión de datos en paquetes con procesos de activación de protocolos de datos en paquetes y vinculados a GPRS. En la primera prueba se conecta un PC a un equipo de usuario y lo utiliza como módem inalámbrico para descargar archivos de distintos tamaños desde el servidor a través del equipo de pruebas.

9 La Figura muestra el tiempo necesario para descargar con relación al tamaño de archivo en dos equipos de usuario distintos. Puede observarse a velocidades de datos de DL de 384 Kbps y 7,2 Mbps que ambos equipos de usuario (UE) tienen un rendimiento similar y que el UE1 presenta un rendimiento ligeramente superior al UE2. Además, el tiempo necesario aumenta linealmente con el tamaño de archivo. Las velocidades de transmisión de datos en bruto, calculadas a partir de la inversa de las pendientes de las líneas, son aproximadamente de 195 Kbps y Kbps para la DL de 384 y la DL de 7,2 Mbps, respectivamente. Los resultados muestran que cuando la velocidad de la DL se multiplica por seis, de 384 Kbps a 7,2 Mbps, el incremento real en la velocidad de transmisión de datos en bruto aumenta más de 25 veces. En la segunda prueba, los equipos de usuario operan solos y descargan archivos de tamaños diferentes. La Figura muestra el tiempo necesario para descargar según el tamaño de archivo en los dos equipos de usuario. El rendimiento de los equipos de usuario es similar al del caso anterior, salvo en un escenario. Con una velocidad de transmisión de datos de DL de 7,2 Mbps, el UE2 requiere bastante más tiempo para descargar archivos, proporcionando una velocidad de transmisión de datos en bruto mucho más baja, de 1 Mbps

10 aproximadamente. Esto puede deberse a la menor potencia de procesamiento o al menor tamaño del búfer de memoria móvil en el UE2. Por tanto, podemos concluir que el diseño del UE1 es mejor que el del UE2 en la descarga de datos. Comparando las condiciones con y sin módem y el análisis de datos gráficos, resultará mucho más fácil familiarizarse con el rendimiento móvil. El dispositivo de prueba Agilent 8960 proporciona un entorno estable y reproducible que permite a los ingenieros evaluar el rendimiento de los equipos de usuario. El simulador se ha implementado con éxito y se ha medido el caudal de datos IP de dos marcas distintas de equipos de usuario en dos escenarios diferentes. Con el 8960, los ingenieros pueden medir y optimizar el rendimiento del equipo de usuario de forma más sencilla. QUE NOS DEPARA LA CUARTA GENERACION? Si hay algo mas complicado que las denominaciones de algunos modelos de móviles, es la gran cantidad de siglas y palabras que conforman la jerga del sector. Una de las más interesantes es LTE (Long Term Evolution), es decir, Evolución a Largo Plazo. Mientras que en España y Latinoamérica todavía se están desplegando las tecnologías 3G (UMTS-WCDMA) y 3,5G (HSDPA), la industria ya tiene puestos los ojos en el próximo paso, el llamado 4G. Las operadoras Vodafone, Verizon Wireless y China Mobile se han reunido con los fabricantes de móviles, chips y equipos de red. Estas reuniones tienen el objetivo de pedirles equipos capaces de operar en las dos versiones que aparecerán de LTE. Vodafone y Verizon apuestan por LTE FDD (Frequency Division Duplex) que utiliza varias zonas del espectro de radio, mientras que China Mobile desarrollará LTE TDD (Time Division Duplex) que ocupa una sola zona. En caso de llegar a un acuerdo y disponer de móviles y redes que funcionen

11 con estas dos especificaciones, el 4G sería un enorme paso para la industria a nivel mundial. Las empresas involucradas en el tema son las mas importantes del sector: Ericsson, Alcatel-Lucent o Nokia Siemens a nivel de red, Nokia, LG, Motorola, Sony-Ericsson e incluso Apple en cuanto a fabricantes de terminales, y también el gigante Huawei y otras empresas chinas como proveedores de equipamiento. El objetivo ahora es conseguir desarrollar un chip que funcione en ambas versiones de LTE. Los participantes en esta iniciativa compartirán los resultados de las pruebas que se realicen con este fin, algo que nunca se había hecho hasta ahora con el objetivo de lograr un estándar mundial. Actualmente el 3,5G HSDPA consigue velocidades de 3,6 megabits por segundo, y 7,2 mbps en algunas ciudades concretas. Antes del 2010 la tecnología 3G podría alcanzar los 30 mbps, pero se prevé que la cuarta generación LTE suponga velocidades de entre 50 y más de 100 megabits. El principal escollo para un móvil que funcione en cualquier país del mundo, es que las autoridades chinas no estarían muy dispuestas a este paso. Un desarrollo tecnológico propio supone una forma de proteger su industria nacional, aunque, por otra parte, debilita su enorme capacidad exportadora. Tampoco hay que olvidar que WiMAX no debería quedar fuera LTE, sino mas bien quedar incluida. Hay también que tener en cuenta la llamada convergencia con las redes tradicionales y la desaceleración económica, que hacen que LTE y 4G sean precisamente eso, una evolución a largo plazo. Muchos de nosotros nos hemos preguntado alguna vez, cual será la mejor tecnología para el acceso inalámbrico de banda Ancha?, y a pesar de tener a la mano tanta información no hemos podido llegar a una respuesta del todo contundente, lo que si queda claro es que las tecnologías que cuentan con una arquitectura de red basada en IP como WiMAX y LTE (Long Term Evolution) se perfilan como las mejores opciones a futuro.

12 Echando un vistazo al estado actual de las licencias otorgadas para el acceso inalámbrico por región para las bandas de 2.5 y 3.5GHz, podemos observar una fuerte actividad en el despliegue de redes inalámbricas de banda ancha, en donde estas tecnologías vienen haciendo un esfuerzo por incrementar sus eficiencias espectrales prometiendo alcanzar para el caso de LTE hasta 5 bits/hz en el canal de bajada, y seguir la mejora de esta eficiencia con el uso de antenas con tecnología MIMO (Múltiple Input Múltiple Output). Número de Licencias por región y banda de frecuencia Fuente: Nokia-Siemens Networks Hemos revisado las diferentes generaciones de los sistemas de telefonía celular, luego los sistemas de tercera generación como HSPA (High Speed Packet Access), y se nos viene LTE (Long Term Evolution) como la tecnología que promete darnos velocidades picos de hasta 100 Mbps. Sistemas inalámbricos como LTE tendrían que ir acompañados por el despliegue de redes de próxima generación (NGN).

13 En una charla técnica que dió Nokia hace unos meses, comentaron que para el 2009 desplegarían su primera red LTE, tecnología que Nokia llama 3.9G porque no alcanza las velocidades de hasta 1 Gbps que se propone como estándar para sistemas móviles de cuarta generación 4G. El 3GPP (Third Generation Partnership Project), los principales fabricantes de equipos de telecomunicaciones y operadores de servicio móvil vienen trabajando en el desarrollo de este nuevo estándar LTE. A continuación presentamos una reseña de prensa publicada el 2 de Abril de 2009 donde se señala el inicio de las pruebas por parte de la compañía Telefónica de la tecnología LTE (Long Term Evolution) Telefónica empieza a probar el LTE Sacha Fuentes 2 de abril de 2009

14 Todavía falta tiempo para que llegue la evolución de las redes 3G, pero los operadores ya están empezando a probar lo que está llamado a ser su sucesor, las redes de cuarta generación con tecnología LTE (Long Term Evolution). Telefónica ha hecho hoy sus primeras demostraciones del uso de diferentes servicios sobre una red real con LTE. Entre las pruebas realizadas se ha hecho una llamada a través de VoIP y una videoconferencia. Además, se ha probado la descarga de datos, consiguiendo velocidades de unos 140 megabits por segundo. Evidentemente, todo esto dentro de un entorno de pruebas y controlado, aunque en otros entornos de pruebas han conseguido velocidades de bajada de más de 236 megabits por segundo y de subida de 86 megabits por segundo. Lo que me parece triste es que pronto las conexiones móviles ofrecerán mayores velocidades que las que tenemos en casa, que siguen siendo caras para lo que ofrecen. De hecho, conozco a alguna persona que cuando sube ficheros grandes le sale más a cuenta hacerlo por una conexión 3G que por el ADSL de casa, pues es más rápida. Pero las operadoras siguen ofreciendo ofertas que no se adecuan a lo que muchos usuarios buscan. Mientras no nos llega LTE, podremos usar HSPA+, que Telefónica empezará a ofrecer este año y que permite, de momento, hasta 21 megabits por segundo de bajada y 5 de subida, pudiendo llegar hasta los 84 de bajada en un futuro. Por ahora se ofrecerá solo con módems, pero solo es cuestión de que empiecen a aparecer terminales que aprovechen esta tecnología.