Qué es un femtonodo? término con el que denomina a los femtonodos [2][3]. Femtonodo: Los servicios 3G en tu ADSL. M. Pilar Ruiz Aragón.

Transcripción

1 Femtonodo: Los servicios 3G en tu ADSL M. Pilar Ruiz Aragón A Fondo Qué es un femtonodo y qué ventajas supone para el usuario en el hogar o la empresa? Descúbralo en este artículo... Qué es un femtonodo? Un femtonodo, también denominado nodo doméstico, es una estación base de telefonía móvil de reducidas dimensiones, pequeña potencia y capacidad, diseñada para proporcionar cobertura en interiores, concretamente en hogares y pequeñas empresas. El concepto de femtonodo es aplicable a todos los estándares de telefonía móvil, no sólo a los sistemas de telefonía de tercera generación (3G). Sin embargo, el interés y el esfuerzo de la industria está centrado en los femtonodos 3G con HSPA en la actualidad, y en un futuro no muy lejano en femtonodos LTE (Long Term Evolution ) [1], el nuevo estándar de banda ancha móvil. En la misma línea, el organismo encargado de la estandarización de estos sistemas, el 3GPP ( 3rd Generation Partnership Project), ha introducido el concepto de Home Node B (HNB) para UMTS o ehome Node B (ehnb) para LTE en las Releases 8 y 9, término con el que denomina a los femtonodos [2][3].

2 Como principales características que lo diferencian de una estación base convencional, cabe destacar además de su menor rango de cober tura: la utilización de un acceso de banda ancha tipo xdsl, de cable o fibra como medio de conexión hacia el núcleo de red móvil, mucho más barato y extendido que los enlaces de transmisión tradicionalmente utilizados entre las estaciones base y el núcleo de red, y la facilidad de instalación, al tratarse de un dispositivo plug-and-play con funcionalidades de autoconfiguración que eliminan la necesidad de personal especializado en la instalación propiamente dicha y de planificación por parte de los operadores de la red móvil. En resumen, es una estación base barata, fácil y rápida de instalar y que permite solucionar problemas de cobertura en interiores de forma sencilla y a un coste reducido. Qué ventajas tiene para el operador? El femtonodo es una solución para mejorar la cobertura en aquellos hogares y/o interiores que no disponen de buena cobertura de la capa macro, es decir, de las estaciones base exteriores, y para los que no se justifica económicamente la instalación de otra solución tipo piconodo o repetidor. Pero las ventajas de su uso no se limitan sólo al aumento de cobertura, sino que son una buena solución para incrementar la capacidad de tráfico de la red. El despliegue de femtonodos no sólo descarga a la red macro de los usuarios acampados en el femtonodo, sino que éstos obtienen mejores velocidades de transferencia de datos. Al tratarse de nuevas celdas de menor tamaño permiten trabajar a los terminales con mejores niveles de señal y, por lo tanto, con una mayor eficiencia espectral. Se puede decir que la gran ventaja para el operador es de tipo económico, pues no sólo el coste del femtonodo en sí es mucho menor que el de un pico nodo, sino que el proceso de instalación se simplifica tanto que lo puede hacer el usuario final, eliminando los costes y los plazos que ello conlleva [4]. El coste de operación se reduce también al hacer uso de una conexión de banda ancha (típicamente ADSL) barata, fácil de desplegar, y en muchos casos previamente existente. Y para el usuario? El cliente que instala un femtonodo en su hogar u oficina se beneficia de una mejor cobertura y, por lo tanto, de una mejora en la calidad de sus comunicaciones de voz y un gran aumento de la velocidad de transferencia de datos. De esta forma se garantiza el acceso a los servicios y ventajas de la tecnología 3G aunque viva en zonas de baja densidad poblacional o edificios con poca penetración de la cobertura exterior.

3 A la mejora de cobertura y velocidad de datos experimentada por el cliente, se suma otra ventaja: el incremento en la duración de la batería del móvil al poder trabajar con menores niveles de potencia transmitida. Por otro lado, se favorece la convergencia fijo-movil y, por lo tanto, la transparencia en el acceso a la red para los usuarios: el cliente tiene un único dispositivo, su teléfono móvil, para sus comunicaciones tanto dentro como fuera del hogar, ya sean llamadas de voz, navegación web y acceso al correo electrónico o redes sociales; todo ello, sin necesidad de recurrir a dispositivos duales (con WiFi y 3G, por ejemplo). Frente a otras opciones de comunicaciones inalámbricas en el hogar basadas en el uso de espectro libre, por el cual no hay que pagar, el uso de espectro licenciado permite al usuario disfrutar de una calidad en el servicio garantizada. Las bandas de frecuencia no licenciadas suelen estar muy interferidas al poder usarlas cualquiera libremente, como es el caso de WiFi. Adicionalmente, el usuario podría beneficiarse de ofertas comerciales asociadas al femtonodo, como tarifas más baratas para las llamadas cursadas por el femto dentro del hogar de acuerdo a las tendencias comerciales imperantes. Femtonodos para el hogar y para la empresa En la actualidad existen dos entornos de uso de los femtonodos bien diferenciados, con requisitos diferentes para ambos: el femtonodo residencial o del hogar y el femtonodo de empresa. El ámbito de aplicación principal del primero es, como su nombre indica, los hogares o en su defecto pequeñas oficinas o tiendas de tamaño reducido. Este era originalmente el uso previsto de los femtonodos, de ahí su denominación como nodos domésticos. En los femtonodos residenciales la potencia máxima transmitida es de aproximadamente unos 13 dbm, suficiente para cubrir una vivienda de más de 100 m2, similar a los puntos de acceso Wifi que tenemos en las casas. En cuanto a la capacidad, el número de servicios simultáneos, ya sean llamadas de voz o datos, suele ser 4, suficiente para una familia típica. Estos femtonodos se contemplan de forma aislada, es decir, un femtonodo sería suficiente para cubrir el recinto completo y sólo se considera la movilidad (reselección y traspaso) con la capa macro, y no con otros femtonodos. Este femtonodo está conectado al núcleo de red mediante la conexión ADSL del hogar. Por ello, habitualmente trabajan con acceso cerrado, es decir, el usuario define una lista de usuarios móviles a los que está permitido acampar en el femtonodo y, por lo tanto, cursar servicios en él. Adicionalmente al uso residencial, se ha visto la posibilidad de utilizar los femtonodos para ofrecer una solución de cobertura en empresas. En este caso la superficie a cubrir sería mucho mayor, así como el número de usuarios simultáneos al tratarse de recintos de mayor tamaño, incluso de varias plantas, y con una ocupación muy superior. Por ello, no sólo se aumenta la potencia máxima transmitida de cada femtonodo (20 dbm) y su capacidad (8 a 16 usuarios simultáneos), sino que se necesitarán varios femtonodos para cubrir todo el recinto garantizando la movilidad entre ellos. Esto supone introducir un nuevo concepto: el grupo de femtonodos, que se conocen entre sí, entre los cuales hay continuidad del servicio (traspaso de llamadas) y que comparten listas de acceso en caso de acceso cerrado. Los fabricantes están desarrollando y tienen ya en el mercado soluciones específicas para cada uno de ellos. Cómo se integran con el resto de la red móvil? La arquitectura más extendida para los femtonodos 3G se muestra en la Figura 2. Se trata de una arquitectura colapsada, es decir, el femtonodo realiza las funciones de estación base o Nodo B e incluye en el mismo elemento parte de las funciones del controlador radio o RNC ( Radio Network Controller), frente a la arquitectura tradicional del subsistema radio. De este modo, desaparece el RNC y, a cambio, aparece un nuevo nodo de red, el Agregador de Femtonodos para la conexión del conjunto de los femtonodos al núcleo de red móvil de forma transparente [5].

4 Como medio de transmisión se utiliza el acceso xdsl, conectando el femtonodo a la pasarela residencial (o módem xdsl) del hogar. La seguridad de la comunicación entre el femtonodo y el núcleo de red está garantizada por el empleo de un túnel IPSec ( Internet Protocol Security) extremo a extremo entre el femtonodo y una pasarela de Seguridad o SeGW( Security GateWay) que actúa como puerta de acceso a la red móvil. Autoconfiguración radio Para que el femtonodo sea un dispositivo plug-and-play que cualquiera puede comprar en una tienda e instalar en su casa de forma similar a como hace con el módem-router ADSL, el femtonodo dispone de una funcionalidad de autoconfiguración, entre la que se incluye la autoconfiguración radio, y que permite que se instale en cualquier lugar sin necesidad de una planificación radio previa. Esta autoconfiguración se basa en dos pilares: un Servidor de Configuración situado en la red del operador móvil, con el que contacta durante el arranque y del cual obtiene toda la información de configuración que necesita para su entrada en funcionamiento, y la exploración del espectro radio o escaneo realizado por el propio femtonodo durante el arranque. La selección del canal que va a radiar se realiza dentro de un conjunto indicado por el servidor de configuración en base a las medidas realizadas por el escáner integrado dentro del mismo. De todos los canales posibles se seleccionan aquellos no utilizados o recibidos con menor potencia, minimizando así la interferencia entre nodos e impactando los menos posible con las celda macro existentes. Además, para garantizar la movilidad hacia la red macro y la continuidad del servicio al cambiar de celda, es necesario detectar y configurar las celdas vecinas, tarea que se realiza también durante el arranque en función de las celdas detectadas durante el escaneo. El proceso de autoconfiguración radio no es un proceso estático que se realice una sola vez al inicio, sino que la exploración del espectro se repite periódicamente para adaptarse a eventuales cambios en el entorno radio y, por supuesto, cada vez que se apaga y se enciende el femtonodo. Ancho de banda en transmisión y calidad de servicio (QoS) La utilización del acceso a internet del usuario (básicamente acceso xdsl) para la transmisión entre el femtonodo y el núcleo de red móvil supone una ventaja en coste, pero introduce limitaciones en cuanto al ancho de banda disponible que pueden reducir seriamente las prestaciones ofrecidas por los femtonodos [6]. Los fabricantes de femtonodos ofrecen ya equipos comerciales que soportan llamadas de voz, videollamadas, y servicios de datos HSPA con velocidades teóricas de hasta 7,2 Mbps de bajada y 1,4 Mbps de subida. Esta capacidad desde el punto de vista radio se ve claramente disminuida si el ancho de banda de transmisión disponible no es suficiente. En el caso del acceso xdsl, el enlace ascendente (tráfico de subida hacia la red) se convierte en el cuello de botella del sistema, con tasas típicas de 320 Kbit/sg. El femtonodo, además, no dispone de un ancho de banda reservado, sino que comparte el acceso xdsl con el resto de dispositivos del hogar. Esto puede ocasionar, si no se toman medidas de priorización de tráfico, que las llamadas móviles se corten o la imagen de la videollamada se congele si se tiene un servicio Peer-to-Peer (P2P) activo sobre el mismo ADSL. Los servicios de datos ofrecidos por el femtonodo también ven disminuida su velocidad efectiva. La solución a estas limitaciones pasa por la implementación de políticas de calidad de servicio en el acceso que permitan establecer prioridades según el tipo de tráfico, dando la máxima prioridad a la

5 señalización y los servicios conversacionales (llamadas de voz y videollamadas). Los paquetes IP se marcan con una prioridad en función del tipo de tráfico a que corresponden, y en caso de congestión en un nodo de red se enrutan antes aquellos que tienen una mayor prioridad. En este sentido, el despliegue de la fibra hasta el hogar supone una oportunidad de mejorar las prestaciones reales de los femtonodos, soslayando las limitaciones actuales derivadas del uso de las tecnologías xdsl. Esta mejora en el ancho de banda de transmisión será especialmente necesaria con la evolución de las interfaces radio hacia HSPA+ o LTE, que ofrecen tasas de datos potencialmente muy superiores. Impacto en la capa macro El despliegue de una capa de femtoceldas de forma no planificada puede tener un impacto negativo en la red celular macro existente, fundamentalmente en forma de interferencia. Especial dificultad plantean los femtonodos con acceso cerrado, que sólo permiten acampar en ellos a un grupo de móviles autorizados, y desplegados en la misma frecuencia que la capa macro 1. En este caso, para un móvil no autorizado (macroue) la señal del femtonodo supone una interferencia que, en las proximidades del mismo impide la recepción de la señal macro. Esto genera un agujero de cobertura o zona muerta en la capa macro alrededor del femtonodo, tal y como se muestra en la Figura 3. Los móviles autorizados (femtoue), sin embargo, acampan en la femtocelda sin problema obteniendo una cobertura mejor que la ofrecida por la macro. Se han propuesto diversas soluciones a este problema [7], algunas de las cuales ya están siendo adoptadas por los fabricantes: Despliegue de femtonodos en una frecuencia dedicada. En la actualidad pocos operadores disponen de una frecuencia libre, menos cuando se está haciendo cada vez más necesario el uso del espectro disponible para incrementar la capacidad. Traspaso de llamadas a una frecuencia distinta de la macro, o incluso a GSM, cuando la interferencia del femtonodo en la frecuencia utilizada sea significativa 2. Autoajuste de potencia transmitida por el femtonodo, en base a la potencia recibida de la macro inicialmente y a las medidas reportadas por los móviles durante su funcionamiento, con el fin de minimizar la interferencia y no emitir por encima de lo necesario. Implementación de políticas de acceso semiabierto, que permitan a todos los móviles acampar y recibir servicio del femtonodo, dando prioridad siempre a los pertenecientes a la lista de acceso. Conclusiones Los femtonodos se perfilan como una solución sencilla y económica para dar cobertura celular en interiores y/o aumentar la capacidad de las redes descargando a la capa macro de gran parte del tráfico, especialmente de datos. Aunque en la actualidad se está comenzando el despliegue comercial por parte de algunas operadoras [8], existen todavía una serie de aspectos relacionados con la ausencia de calidad de servicio en la transmisión y el posible impacto en la capa macro que deben ser resueltos para garantizar el éxito de los mismos. El avance en la estandarización [9] y la evolución de las redes de acceso de banda ancha en los hogares representan un notable impulso de cara a la consecución de la tantas veces anunciada expansión de los femtonodos no sólo en los hogares sino también como solución de cobertura en empresas y lugares públicos de alta densidad de tráfico, denominados hot-spots. REFERENCIAS [ 1 ] P i c o C h i p P C L T E d e v e l o p m e n t s y s t e m ( [2] 3GPP TS , Service requirements for Home Node B (HNB) and Home enode B (HeNB).

6 [3] 3GPP TR25.967, Home Node B Radio Frequency Requirements (FDD). [4] Femtocell installation ( [5] 3GPP TS , UTRAN architecture for 3G Home Node B (HNB). [6] P.Ruiz, C.Gandarillas, V.Iglesias, E.Mino, E.Ortego, V.Alonso y L.Cucala. Despliegue de femtonodos convergente con la red de acceso de fibra, Telecom I+D 2009 [7] Interference Management in UMTS Femtocells Febrero 2010 ( [8] Femtocell Market Status. Febrero 2010 ( [9] Standardization of femtocells ( NOTAS AL PIE 1 Incluso utilizando códigos de scrambling distintos en WCDMA, la interferencia intrafrecuencia es muy grande y el valor de Ec/Io se degrada. 2 Si la macro dispone de una segunda frecuencia