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Hacia los servicios globales en movilidad HSPA, el salto cualitativo Desde que el mundo de las comunicaciones móviles se ha convertido un fenómeno de alcance planetario, una de los retos más deseados y en los que la tecnología tenía un gran camino que recorrer ha sido poder ofrecer servicios de datos en movilidad. Algo que permiten las nuevas tecnologías 3G. Pero, ¿qué son y en qué consisten? ¿Cómo funcionan? El primer paso en el camino por llevar datos desde las redes móviles se consiguió a partir de GPRS y EDGE, dos tecnologías que han marcado un antes y un después en el mundo de la transferencia de datos en movilidad pero que, en la actualidad, se van quedado obsoletas y con velocidades de transferencia incapaces de ofrecer a los usuarios los nuevos servicios y utilidades que se demandan en el siglo XXI. Es por ello que las actuales redes móviles están migrando desde una arquitectura de conmutación de circuitos (GSM) a las redes de 3G, basadas en IP multiservicio. Las siglas más conocidas para el gran público son UMTS. El primer paso para poder desarrollar dicha tecnología ha sido la estandarización de este proceso, realizándose de forma incremental, mediante la definición de sucesivas versiones de especificaciones técnicas (releases), que definen las distintas fases de introducción de la tecnología de paquetes en la red móvil. Las diferentes etapas de migración definidas en 3GPP son: GPRS. Superpone un núcleo de red IP a la red de circuitos GSM, para ofrecer servicios de datos de forma nativa. Se introducen en el núcleo de red los elementos SGSN y GGSN, y se utilizan los sistemas de radio de segunda generación. UMTS Release 99. Introduce una nueva interfaz de radio (UTRAN), con una mayor capacidad de transferencia de datos. Mantiene prácticamente el mismo núcleo de red que las redes GPRS/GSM. UMTS R4. Incorpora algunas nuevas funciones a la R99, pero no implica cambios sustanciales. UMTS R5. Migra el núcleo de red a una única red IP e incorpora servicios multimedia sobre esa red. Se basa en la arquitectura anterior (UTRAN, SGSN y GGSN), e introduce en la red funcionalidad IP multimedia, basada en el uso de la arquitectura de Media Gateways (MG) y el protocolo SIP (Session Initiation Protocol).
Aparición de tecnologías HSPA (HSDPA). UMTS R6. Ofrecerá E-DCH para proveer una capacidad significativa para datos en el uplink (subida de datos) y mejoras de la velocidad de transmisión; especificaciones de desempeño mínimo mejoradas para el soporte de receptores avanzados que mejorarán la capacidad en el downlink (bajada de datos) y la velocidad de transmisión; y MBMS para habilitar servicios de broadcast y multicast más eficientes. Otras optimizaciones (por ejemplo, menor latencia o mejoras para servicios en tiempo real como VoIP.) UMTS R7. La versión 7 traerá mejor soporte y rendimiento para servicios de conversación y servicios interactivos en tiempo real tales como fotos y videos compartidos, y voz y vídeo sobre IP. Las optimizaciones de HSPA+ son totalmente compatibles en sentido reverso con las versiones Rel-99/Rel-5/Rel-6, lo que hace que la evolución a HSPA+ para el operador sea fluida y sencilla. EDGE Evolution también se está normalizando con la versión 7 y mejorará la experiencia del usuario en todos los servicios, al reducir la latencia para la telefonía multimedia; incremento las velocidades máxima y promedio para una mejor navegación en la web y carga y descarga de música, fotos y vídeos; mejorar la eficiencia espectral; e impulsar la cobertura de servicio. EDGE Evolution garantizará la transparencia entre EDGE y HSPA como así también los servicios futuros basados en LTE. EDGE Evolution también continuará con la versión 8. Paralelamente a la evolución de las redes móviles, la red de transmisión ha evolucionado para poder conseguir el transporte eficiente de la información de voz y datos que van a generar dichas redes. Es a partir de dicha necesidad cuando surgen nuevos conceptos como puede ser el de las Redes Multiservicio, redes capaces de transportar todo tipo de tráfico, sea de la naturaleza que sea (voz y datos), de manera eficiente y satisfaciendo los requisitos de QoS (calidad de servicio) que cada fase de evolución de la red móvil exige, es decir, con capacidad de cambio y adaptación (escalabilidad). HSPA, el salto hacia adelante Pero la tecnología sobre la cual se va a dar un salto cualitativo y cuantitativo en lo que a nuevos servicios y velocidades se refiere es la tecnología HSPA (High-Speed Packet Access), que no es más que la posibilidad de transferir datos en movilidad a velocidades de los actuales ADSL. HSPA se compone de protocolos pertenecientes a la familia de tercera generación (3G) para redes celulares cuyo objeto es aumentar la tasa de transferencia de datos a través de un teléfono móvil y de esta forma satisfacer la creciente demanda de servicios de datos inalámbricos avanzados. Dicha tecnología se va a ir implementando en 2 pasos. La fase inicial del despliegue de dicha tecnología se basa en HSDPA, es decir, la inclusión de la “D” nos anuncia que la alta velocidad será en el downlink, es decir, el tradicional canal de bajada
o de descarga desde internet hacia los usuarios. Posteriormente, dicha tecnología implementará HSUPA cuya mejora es la alta velocidad de subida de datos hacia internet (uplink) lo que generará enormes posibilidades de nuevos servicios que actualmente están condicionados por el ancho de banda de subida de datos como pueden ser los juegos en red o la edición de streaming de vídeo hacia internet en tiempo real. En la actualidad, todas la operadoras están haciendo grandes esfuerzos para implementar dicha tecnología sobre sus actuales redes 3G UMTS adecuándolas para poder ofrecer HSDPA. Actualmente, HSDPA puede soportar velocidades que van desde 1,8 megabits por segundo a 14,4 megabits por segundo. Si bien ésta no es una velocidad muy alta en comparación con diversas redes de cable, es un hito muy importante en la velocidad disponible en redes de telefonía móvil. Tal y como hemos indicado anteriormente, HSDPA se soporta sobre las actuales redes de UMTS. Para ello realizaremos un breve repaso de UMTS para, posteriormente, adentrarnos en mejoras y servicios que esta tecnología nos ofrece respecto a las redes de tercera generación actuales. Topología de la red Tal y como se ha descrito anteriormente, estudiando la arquitectura de UMTS podemos entender qué servicios nos van a ofrecer tanto HSDPA como HSUPA. La topología general de la red UMTS se muestra en la Figura 1. La descripción de las interfaces que se va a realizar en este apartado corresponde a la R99 de UMTS. Se distinguen los siguientes elementos dentro de UTRAN: • Nodo B: estación radio que da cobertura a los teléfonos móviles. En general es sectorial, con lo que una estación cubre tres células. Las funciones que realiza están relacionadas con el nivel físico (codificación de canal, modulación, spreading) y algunas del RRC como el control de potencia o la ejecución del softer handover. Equivale a la BTS de GSM. • RNC (Radio Network Controller): equipo que controla a un grupo de Nodos-B. Es equivalente a la BSC de GSM. Realiza funciones de terminación de los protocolos radio y control de los recursos radio. Normalmente se distribuyen de forma geográfica ya que cada RNC controla una serie de Nodos B de una zona geográfica concreta. • UE: consiste en el equipo terminal del usuario formado por el ME (terminal móvil) y por el USIM (tarjeta que almacena la identidad del usuario y que lleva a cabo los algoritmos de autentificación y encriptación). Las interfaces de la red UTRAN se pueden clasificar en internos y externos. Dentro de los primeros tenemos: • Interfaz Iub: interfaz entre los Nodos B y el RNC que permite el transporte de las tramas radio desde el UE hasta el RNC. Utiliza, para
ello, el protocolo NBAP de señalización. La tecnología de transmisión propuesta para la red de acceso en el R99 de UMTS es ATM, cuya funcionalidad va integrada en todos los elementos de red (es decir, tanto los Nodos B como el RNC son conmutadores ATM). De esta manera se puede ofrecer un transporte eficiente y con la calidad de servicio requerida tanto para los servicios de conmutación de circuitos como para los de conmutación de paquetes, presentándose así una red dinámica capaz de transportar todo tipo de tráfico. Sobre el nivel ATM se desarrolla una capa de adaptación, que será AAL2 para el plano de usuario (para tráfico de voz o datos por motivos de eficiencia), y AAL5 para los planos de control y gestión, según se indica en la recomendación del 3GPP de la interfaz Iub (rec 25.430). Existen numerosas topologías básicas que se pueden emplear en redes 3G, las cuales vienen determinadas por la capacidad necesaria en los enlaces, los tipos de interfaces de los equipos, la ubicación de los RNC con respecto a los Nodos B y los medios de transmisión a utilizar. Las interfaces típicas que soportarán los equipos serán: E1, 2 Mbit/s estructurados según la norma G-704, o transmisión ATM full rate, E3, 34 Mbit/s, de acuerdo a los estándares europeos PDH, o transmisión ATM full rate, o interfaces SDH (Synchronous Digital Hierarchy, o JDS, Jerarquía Digital Síncrona): STM-1(155,520 Mbit/s),STM-4 (622,080 Mbit/s), ATM full rate. Interfaz eléctrica G.703 u óptica G.957. En la Figura 3 se muestra la torre de protocolos del Interfaz Iub. • Interfaz Uu: es el interfaz que se encuentra entre el móvil y el Nodo B. Se encuentra basado en la tecnología WCDMA. Puede realizarse una división de la red en dos estratos desde un punto de vista de agrupación de funciones. Un estrato es una agrupación de protocolos (flujos de comunicación) asociados a uno o más aspectos de servicio. Se distingue entonces: Estrato de Acceso: representa la comunicación entre el UE y la UTRAN. Comprende las capas 1, 2 y parte de la 3 del modelo OSI. Se considera que es la capa portadora de las funciones del estrato de no acceso. Es dependiente de la tecnología de acceso utilizada en el interfaz radio. Estrato de No acceso: representa la comunicación entre el UE y el CN y se considera que comprende parte de la capa 3 y las capas 4 al 7 del modelo OSI. • Interfaz Iur: La Interfaz Iur se extiende entre dos RNC dentro del UTRAN. La solución más empleada para ella consiste en una interfaz punto a punto lógica multiplexada físicamente en la interfaz Iu (típicamente en un STM-1 adicional, a través de la interfaz Iu). La interfaz Iur proporciona la capacidad para soportar la movilidad de la interfaz radio entre RNC (Subsistemas de Red de Radio de equipos que tienen conexión con UTRAN). Esta capacidad incluye el soporte de soft handover (entre dos nodos B que pertenecen a distintos
RNC), manejo de recursos de radio y sincronización entre RNC. La arquitectura del protocolo de transporte en la interfaz Iur está basada en ATM. El plano de usuario (protocolos de trama) se adapta a ATM mediante AAL2. El plano de control de la red incluye señalización de AAL2 que se basa en Q.2630.1, PTM3b, SAAL y AAL5. Por último, el plano de control de la red de radio transfiere el protocolo RNSAP a través de los protocolos CCS, PTM3b, SAAL y AAL5. A continuación se representa en la Figura 4 la torre de protocolos de la Interfaz Iur. Enlaces entre RNC y UMSC/SGSN (Interfaz Iu) Fundamentalmente, los enlaces correspondientes a esta interfaz, que se extienden entre el RNC y el UMSC, y entre el RNC y el SGSN, se soportarán sobre fibra óptica y estarán basados en enlaces puntopunto síncronos STM-1. De acuerdo con la arquitectura general de UMTS, la interfaz Iu define las características de la unión entre la parte de acceso radio (UTRAN) y la parte de tránsito (Núcleo de Red). Físicamente estará constituida por uno o más enlaces que interconectarán los RNC con los diferentes equipos que constituyen el CORE (dispuestos en una red de conmutadores IP/ATM). En este sentido, la interfaz Iu no es más que el punto de acceso donde los usuarios de una red IP/ATM vuelcan el tráfico procedente de la parte de acceso radio. Desde el punto de vista lógico, la interfaz se divide en dos dominios: Iu-Cs que transporta la información de voz que interactúa con las centrales de conmutación de circuitos (MSC 2G/3G) e Iu-ps con la información de datos destinada a los equipos de procesamiento SGSN y GGSN La arquitectura del protocolo de transporte en la interfaz Iu (Iu-ps e Iu-Cs) está basada, al igual que la interfaz Iur, en ATM. En la interfaz Iu-ps, el plano de usuario (protocolos de trama) se adapta a ATM mediante AAL5, y el plano de control de la red de radio transfiere el protocolo RANAP a través de los protocolos SCCP, MTP3b, SAAL y AAL5. En la interfaz Iu-Cs, el plano de usuario se adapta al nivel ATM mediante AAL2 y el plano de control de red se basa, al igual que la interfaz Iur, en señalización AAL2. El protocolo RANAP se transporta, por parte del plano de control de la red de radio, a través de SCCP, MTP3b, SAAL y AAL5 de forma similar al Iur. Las interfaces típicas que soportarán los equipos serán: E1, 2 Mbit/s estructurados según la norma G-704, o transmisión ATM full rate, E3, 34 Mbit/s, de acuerdo a los estándares europeos PDH, o transmisión ATM full rate o interfaces SDH: STM-1(155,520 Mbit/s),STM-4 (622,080 Mbit/s), ATM full rate. Interfaz eléctrica G.703 u óptica G.957. Se pueden observar en la Figura 5 y la Figura 6 la torre de protocolos del Interfaz Iu-cs e Iu-ps en la parte superior e inferior, respectivamente.
La descripción completa de todos los protocolos que intervienen en cada una de las capas requiere una dedicación específica en posteriores números. Por último, para poder entender toda la tecnología de acceso UMTS (UTRAN) es necesario conocer el medio físico utilizado para dicha tecnología. Cabe destacar que, como los anchos de banda requeridos para UMTS son sustancialmente mayores que para GSM, las operadoras de telefonía móvil han tenido que realizar un esfuerzo inversor enorme para dotar a los usuarios de cobertura. Eso ha sido debido a razones técnicas. Para poder ofrecer dichos anchos de banda y mantener la comunicación Nodo B-terminal en términos de potencia (dB) acordes con la normativa y frecuencia de emisión, ha sido necesaria la creación de una red de Nodos B mucho más densa por parte de las operadoras para que la distancia entre Nodo B y terminal (interfaz Iub) sea la adecuada para dichos anchos de banda vía radio en relación a la tecnología GSM tradicional. La Capa Física de UMTS en UTRAN La Capa Física de UMTS está basada en la técnica de acceso por división de códigos de banda ancha WCDMA. En los sistemas CDMA tradicionales los usuarios comparten los recursos radioeléctricos: ancho de banda, tiempo y espacio (zona de cobertura). CDMA tiene su fundamento teórico en las técnicas de espectro ensanchado (spread spectrum) donde la señal ocupa una anchura de banda muy superior a la que sería estrictamente necesaria para su transmisión. Para ensanchar la señal se utiliza una secuencia de código que es independiente de la señal de información. Existen dos modalidades fundamentales para la generación de un código de expansión: - Modulación por secuencia directa (Direct Sequence, DS) que se realiza en banda base. WCDMA es una técnica de modulación por secuencia directa. - Modulación por saltos de frecuencia (Frequency Hopping, FH) que se realiza en radio frecuencia. Estas técnicas presentan frente a las TDMA/FDMA mayor capacidad, mejor calidad de voz al eliminar los efectos audibles de los desvanecimientos, disminución del número de llamadas interrumpidas en traspasos y la posibilidad de compartir la banda con otros sistemas. En la técnica CDMA-DS las señales de espectro ensanchado se generan mediante modulación lineal con secuencias ortogonales o cuasi-ortogonales de banda ancha que son asignadas a los usuarios. Estas secuencias pueden diferir en enlace ascendente y descendente. El proceso consiste en multiplicar la señal de información x(t) por la secuencia de expansión, llamada signatura o código de expansión, del usuario c(t), transmitir el producto y en recepción multiplicarlo de nuevo por c(t), y realizar el procesado (correlación), recuperando la señal original. Al proceso de multiplicación en transmisión se le denomina ensanchado (spreading) ya que origina la expansión de la señal de banda estrecha a toda la
banda de frecuencias y al proceso de multiplicación en recepción se le denomina desensanchado (de-spread) ya que con él se recupera la señal original. En el transmisor cada bit de la señal se multiplica por el código de dirección que tiene N chips, quedando codificado, para lo cual la velocidad de chip (asociada al ancho de banda del sistema) debe ser mayor que la velocidad binaria de la señal (asociada al ancho de banda de la misma). Por lo tanto, si la velocidad de chip es Rc y la velocidad binaria Rb, Rc = N Rb. De la relación existente entre la velocidad de chip (Rc) y la velocidad binaria (Rb) se obtiene la ganancia de proceso de la siguiente forma: G =Rc/Rb. Si se tiene en cuenta que Rc = 1/Tc Bc, siendo Tc el período de la señal ensanchada y Bc su ancho de banda, y que Rb= 1/Tb Bb, siendo Tb el período de la señal original y Bs su ancho de banda se puede expresar la ganancia de proceso como la relación entre los anchos de banda: G = Bc/Bb. Finalmente si se expresa la ganancia de proceso en función del período de las señales se tendrá: G = Tb/Tc. Por otro lado, suponiendo que la potencia transmitida por la señal ensanchada es la misma que la transmitida por la original, la densidad espectral de potencia de la señal ensanchada es Ps(Bc/Bb) = Ps(G) = P/G, siendo P la densidad espectral de potencia de la señal original y Ps la densidad espectral de potencia de la señal ensanchada. La ganancia de proceso tiene habitualmente un valor entre 10 y 30 dB. Cuanto mayor sea la ganancia de proceso, mejor reducirá el sistema los problemas del multitrayecto, así como los de interferencia.
UMTS utiliza la técnica WCDMA donde el chip rate de la señal ensanchada es fijo e igual a 3.84 Mcps lo que conduce a un ancho de banda de 5 MHz. A cada usuario se le asigna tramas de duración 10 ms durante las cuales su tasa de bits es constante aunque puede variarse de una trama a otra (variando el SF). Ésta es la razón por la que lo servicios con altas tasas de bits de usuario requieren una mayor potencia que los de baja velocidad. Puede encontrarse una relación entre la ganancia de procesado y la capacidad de una celda Cmax=Gp/(Eb/No) De donde se deduce que cuando aumenta el número de usuarios lo hace también el ruido siendo por tanto menor la ganancia de procesado para un (Eb/No) requerido dando lugar a una disminución de la capacidad. En WCDMA los códigos de spreading se componen de dos códigos: Scrambling: se utilizan para separar usuarios en el UL y celdas en DL. Estos códigos pueden ser largos (38400 chips) o cortos (256 chips) en el UL y son largos en el DL. Los códigos largos son códigos Gold mientras los cortos pertenecen a la familia de códigos extendidos S(2). Canalización: se utilizan para separar los canales físicos de datos y de control de un mismo UE y en el DL para separar las conexiones de diferentes usuarios dentro de una celda. Son códigos cortos de 256 chips (en DL es posible 512 chips) y pertenecen a la familia OVSF. Toda esta estructura de códigos se muestra en la Figura 8. Cabe señalar que WCDMA soporta dos modos básicos de operación: 1- FDD Frecuency Division Duplex: donde el uplink y el downlink utilizan frecuencias diferentes separadas 190 Mhz. Este modo de operación es el más habitual. 2- TDD Time Division Duplex: donde el uplink y el downlink utilizan la misma frecuencia pero se encuentran separados en el tiempo. En posteriores números profundizaremos en la capa de CORE de UMTS, que es el verdadero centro neurálgico de la tecnología UMTS. Explicaremos los elementos que la componen así como laboratorios específicos de los distintos protocolos de UTRAN y CORE que intervienen en las comunicaciones de 3G para posteriormente introducirnos en las tecnologías emergentes HSDPA Y HSUPA, no por ser nuevas sino por la llegada de ofertas para todo los usuarios por parte de todas las operadoras de nuevos servicios en movilidad basados en dicha tecnología.
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para dispositivos móviles. Una extensión de ASP.NET que libera a los desarrolladores de reescribir sus programas para cada tipo de dispositivo. Los controles incluidos en esta caja de herramientas permiten que el servidor de ASP.NET pueda servir las páginas con el formato adecuado, según el dispositivo que conecta. Más detalles se pueden encontrar en http://www.asp.net/mobile. Los técnicos de soporte son candidatos perfectos para este tipo de servicios de Exchange. Pueden recibir la orden de intervención y los datos necesarios para realizarla, sin necesidad de tratar de localizarlos desde la oficina, donde se reciben las incidencias. El cliente puede dar aviso por teléfono y el operador que recibe la llamada puede inmediatamente asignarlo a un técnico y enviarle la orden de intervención con todos los datos necesarios, con un simple mensaje de correo que el técnico recibirá cuando su teléfono móvil o PDA en cuanto tenga cobertura. Del mismo modo, los técnicos pueden reportar su trabajo. Y es un tratamiento que puede estar perfectamente integrado con cualquier procedimiento de la compañía.
GLOSARIO DE ACRÓNIMOS -----------------------------------UTRAN - UMTS Terrestrial Radio Access Network. GGSN - Gateway GPRS Support Node (Nodo Pasarela de Soporte GPRS). SGSN - Serving GPRS Support Node (Nodo Servidor de Soporte de GPRS). AAL2 - ATM Adaptation Layer 5. AAL5 - ATM Adaptation Layer 2. RANAP - Radio Access Network Application Part. WCDMA - Wideband Code Division Multiple Access. CDMA - Code Division Multiple Access. OSI - Open Systems Interconnection. ATM - Asynchronous Transfer Mode. IP - Internet Protocol. UMTS - Universal Mobile Telecommunications System. BSC - Base Station Controller (Controlador de Estaciones Base). BTS - Base Transceiver Station (Estación Base).
Carlos Sánchez es Ingeniero de Telecomunicaciones por la UPC (Universidad Politécnica Catalunya) y Experto en Redes de Comunicaciones para Servicios Móviles
PcWorld [01/03/2008 ]