Sistemas de Comunicaciones Móviles

Facultad de Ingeniería Eléctrica y Electrónica

Ingeniería de Telecomunicaciones

Sesión: 12Redes Móviles 3G y 4G

Prof. Ing. José C. Benítez P.

Sesión. Redes Móviles 3G y 4G

1. Introducción.2. Tercera generación (3G).3. UMTS.4. Cuarta generación (4G).5. LTE.6. LTE-Advanced.

1. IntroducciónOrganismos de estandarización

• ETSI (European Telecommunications Standards Institute)� Creado por la CEPT (Conferencia Europea de Administraciones de

Correos y Telecomunicaciones) en 1988, tiene su sede en Francia.� Estandarización inicial de GSM, GPRS y UMTS.� www.etsi.org

• 3GPP (Third Generation Partnership Project)� Creado en 1998.� Acuerdo de colaboración entre ETSI y otros organismos de

estandarización oficiales (Japón, China, Corea, USA)� Actualmente se ocupa de la estandarización de GSM, UMTS y LTE

(incluyendo sus evoluciones)� Formado por fabricantes, operadores y otros (afiliados a un organismo

de estandarización: ETSI u otros)� www.3gpp.org

• 3GPP2 (Third Generation Partnership Project 2)� Creado en 2000.� Similar a 3GPP pero para sistemas americanos (cdma2000).� www.3gpp2.org

1. Introducción3GPP

1. Introducción

Generaciones de comunicaciones móviles

1. Introducción

Generaciones de comunicaciones móviles

1. Introducción

Generaciones de comunicaciones móviles

1. Introducción

Origen y Evolución de GSM• 1982: Creación del Groupe Spéciale Mobile (GSM) en la CEPT.

Reserva de frecuencias en Europa para el futuro sistema.• 1987: Selección de características generales: tecnología digital, acceso

múltiple TDMA.• 1989: La estandarización del GSM pasa a depender del ETSI.• 1990: Termina la especificación de la fase 1: voz, SMS, datos en modo

circuito, roaming internacional, servicios suplementarios (desvío, restricción de llamadas).

• 1992: Comienzo de operación en algunos países.• 1996: Fase 2. Mejoras; DCS-1800 (luego GSM-1800).• 1998: Fase 2+ (varias releases). Mejoras: mayor velocidad de datos;

HSCSD; GPRS.• 1998: La estandarización pasa realizarse en el 3GPP, en el cual se

integra el ETSI.• 2004: 1000 millones de usuarios de GSM.• 2006: 2000 millones de usuarios de GSM.

1. Introducción

Arquitectura GSM (CR)PLMN: Public Land Mobile Network (GSM)

MS: Mobile StationSIM: Subscriber Identity ModuleME: Mobile equipment

BSS: Base Station SubsystemBSC: Base Station ControllerBTS: Base Transceiver Station

NSS: Network and Switching SubsystemGMSC: Gateway MSCEIR: Equipment Identity RegisterHLR: Home Location RegisterAuC: Authentication CenterMSC: Mobile Switching CenterVLR: Visitors Location Register

OSS: Operation and Supervision SubsystemNMC: Network Management CenterOMC: Operation and Maintenance Center

SMSC Short Message Service CenterPSTN: Public Switched Telephone Network

1. Introducción

Arquitectura GSM (CR)

1. IntroducciónOrigen de GPRS

• General Packet Radio Service (GPRS) o servicio general de paquetes vía radio.

• Creado en la década de los 80, es una extensión del Sistema Global para Comunicaciones Móviles (Global System for Mobile

Communications o GSM) para la transmisión de datos mediante conmutación de paquetes.

• Definido por ETSI/3GPP como parte de la fase 2+ de especificaciones GSM.

• Generación “2,5”.

• Existe un servicio similar para los teléfonos móviles, el sistema IS-136. Permite velocidades de transferencia de 56 a 114 kbps.

• Con GPRS se pueden utilizar servicios como Wireless Application Protocol (WAP), servicio de mensajes cortos (SMS), servicio de mensajería multimedia (MMS), Internet y servicios de comunicación, como el correo electrónico y la World Wide Web (WWW).

1. IntroducciónRed de GPRS

• Una conexión GPRS está establecida por la referencia a su APN (nombre del punto de acceso).

• Para fijar una conexión de GPRS para una MS, un usuario debe especificar un APN, opcionalmente un nombre y contraseña de usuario, y muy raramente una dirección IP, todo proporcionado por el operador de red.

• La transferencia de datos de GPRS se cobra por volumen de información transmitida (en kilo o megabytes), mientras que la comunicación de datos a través de conmutación de circuitos tradicionales se factura por minuto de tiempo de conexión, independientemente de si el usuario utiliza toda la capacidad del canal o está en un estado de inactividad.

• Por este motivo, se considera más adecuada la conexión conmutada para servicios como la voz que requieren un ancho de banda constante durante la transmisión, mientras que los servicios de paquetes como GPRS se orientan al tráfico de datos.

• La tecnología GPRS como bien lo indica su nombre es un servicio (Service) orientado a radio enlaces (Radio) que da mejor rendimiento a la conmutación de paquetes (Packet) en dichos radio enlaces.

1. IntroducciónCSD vs GSM vs GPRS

• Para comparar GPRS con GSM se utiliza normalmente la velocidad de transmisión de SMS.

• Sobre una red GPRS se pueden enviar aproximadamente 30 SMS por minuto, frente a los 6 a 10 SMS que permite GSM.

1. Introducción

Características de GPRS

• Red de conmutación de paquetes.• Se aprovecha gran parte de la estructura de red GSM.• Reserva flexible de canales radio.• Adecuado para tráfico a ráfagas.• Requiere cambios en la red:

– Terminal móvil: compatible con GPRS (todos actualmente).

– Red fija: no requiere cambios de hardware en las BTS; sí en los BSC y en el núcleo de red.

• Velocidad de hasta 21,4 kbps por intervalo.

1. Introducción

Arquitectura de GPRS (CR)

Elementos nuevos en GPRS:

• PCU: Packet Control Unit. Forma parte del BSC. Gestiona las funciones relacionadas con la transmisión de paquetes en la interfaz radio.

• SGSN: Serving GPRS Support Node. Nodo de conmutación de paquetes.• GGSN: Gateway GPRS Support Node. Nodo de conmutación de paquetes

con funciones de interconexión con otras redes de datos.• BG: Border Gateway. Interconexión con otras PLMN’s.• MS: debe ser compatible con GPRS.

2. Tercera generación (3G)Características:

• Las tecnologías de la 3G se categorizan dentro del IMT-2000 (International Mobile Telecommunications-2000) de la ITU, que define el estándar para que todas las redes 3G sean compatibles.

• Gran capacidad.• Variedad de servicios:

‒ Velocidad binaria elevada: hasta▫ 144 kb/s en entornos rurales.▫ 384 kb/s en entornos suburbanos.▫ 2 Mb/s en entornos urbanos.

‒ Velocidad binaria variable dinámicamente.‒ Conmutación de circuitos y de paquetes.

• Estructura modular y arquitectura abierta para la introducción de nuevas aplicaciones.

• UMTS permite introducir muchos más usuarios a la red global del sistema, y además permite incrementar la velocidad a 2 Mbps por usuario móvil.

3. UMTS

Características de UMTS:• UMTS es una de las tecnologías usadas por los móviles de 3G,

sucesora de GSM, debido a que la tecnología GSM propiamente dicha no podía seguir un camino evolutivo para llegar a brindar servicios considerados de 3G.

• Aunque inicialmente esté pensada para su uso en teléfonos móviles, la red UMTS no está limitada a estos dispositivos, pudiendo ser utilizada por otros.

• Sus grandes características son:

• Las capacidades multimedia,

• Velocidad de acceso a Internet elevada, la cual también le permite transmitir audio y video en tiempo real; y

• una transmisión de voz con calidad equiparable a las redes fijas.

• Además, dispone de una variedad de servicios muy extensa, roaming internacional e interoperatividad.

3. UMTS

Origen de UMTS:• “Universal Mobile Telecommunication System”.• 1995: Proyecto europeo FRAMES para selección de método de

acceso múltiple: propuesta con dos modos TDMA y CDMA.• 1997: Proceso de selección de tecnologías para UMTS por parte

de ETSI: propuesta con cinco categorías.• 1998: Selección de dos tecnologías por parte de ETSI: WCDMA

(FDD) y TD-CDMA (TDD).• 1999: Creación de 3GPP y 3GPP2. Armonización de propuestas

para IMT-2000.• 2000: Definición de IMT-2000: cinco modos (posteriormente seis)• 2001: Pruebas no comerciales de UMTS.• 2003: Primeros terminales UMTS/GSM. Explotación comercial.• 2006: Comienzo de explotación comercial de HSDPA (3.5G).• 2007: Comienzo de explotación comercial de HSUPA (3.75G).• 2009: Comienzo del despliegue comercial de HSDPA+.

3. UMTS

• Release 99: Especificación básica.• Release 4: Mejoras en Release 99.• Release 5: HSDPA. Otras mejoras.• Release 6: HSUPA. Mejoras en HSDPA.• Release 7: Evolución de HSPA (HSPA+)• Release 8: LTE• Release 9: Estudio inicial para LTE-Advanced. Otras mejoras.• Release 10: LTE-Advanced

Evolución 3GPP:

3. UMTSEvolución 3GPP:

• Release 6: HSUPA. Mejoras en HSDPA.• Release 7: Evolución de HSPA (HSPA+)• Release 8: LTE

3. UMTSEvolución 3GPP:

3. UMTSEvolución 3GPP:

3. UMTSEvolución 3GPP:

3. UMTSEvolución 3GPP:

3. UMTSEvolución 3GPP:

3. UMTSEvolución 3GPP:

3. UMTSEvolución 3GPP:

3. UMTSEvolución 3GPP:

3. UMTSEvolución 3GPP:

3. UMTSEvolución 3GPP:

3. UMTSEvolución 3GPP:

3. UMTSArquitectura general:

3. UMTSArquitectura de la red de acceso (UTRAN):

• RNS: Radio Network Subsystem

• RNC: Radio Network Controller. Se encarga del control de la red de acceso radio.

• Nodo B (Node B): Estación base• El interfaz Iur es necesario para gestionar el traspaso

con continuidad entre bases de RNC diferentes.

3. UMTSArquitectura básica del núcleo de red (CN):

Hay dos núcleos de red diferenciados:

• CS (Circuit Switched): similar al núcleo de red de GSM (MSC).

• PS (Packet Switched): similar al núcleo de red de GPRS (SGSN).

3. UMTS

Zonas e identidades:• MCC, MNC, IMSI, TMSI, P-TMSI, IMEI: como en GSM/GPRS• Áreas de localización:

– LA (LAC): como en GSM.– RA (RAC): como en GPRS.– URA (UTRAN Registration Area): concepto nuevo en UMTS. Una

célula puede pertenecer a varias URA. Se consigue así una histéresis, similar a la utilizada en los cambios de LA o de RA.

• Célula (CI): como en GSM/GPRS.• En UMTS existen varios estados de conexión. En función del estado,

el móvil tiene que enviar a la red actualizaciones (normales y periódicas) de alguna de estas áreas:– LA y RA (LA Update, RA Update); o bien– URA (URA Update); o bien– Célula (Cell Update; normales y periódicas).

3. UMTSInterfaz radio: Características generales:

• UMTS: componente terrestre / por satélite. Actualmente sólo terrestre: UTRA (UMTS Terrestrial Radio Access).

• UTRA: FDMA/DS-CDMA (“WCDMA”) con FDD / TDD. Actualmente sólo el modo FDD está en funcionamiento.

• Separación entre portadoras: 5 MHz• Velocidad de chip: 3.84 Mc/s• Ensanchamiento espectral:

– Códigos de canalización: códigos ortogonales con factor de ensanchamiento variable (OVSF) en potencias de 2.

– Códigos de aleatorización: varios tipos de códigos PN.• Modulación: BPSK / QPSK• Estructura de trama temporal (no TDMA)• Potencia máxima del terminal móvil: 21 ó 24 dBm habitualmente.• Conmutación de circuitos y de paquetes.• Velocidad binaria variable de forma estática y dinámica.• Traspaso con continuidad (soft) y entre portadoras o hacia otros

sistemas (hard).

3. UMTS

Bandas de frecuencia:

• Modo FDD: bandas “emparejadas”: 12 portadoras para cada sentido de transmisión

– UL: 1920–1980 MHz

– DL: 2110–2170 MHz.

Hay otras bandas, aunque se utilizan menos.

• Modo TDD: bandas “no emparejadas”: 7 portadoras para ambos sentidos de transmisión

– 1900–1920 MHz

– 2010–2025 MHz.

• UARFCN (UTRA ARFCN): f = 0,2n (MHz).

3. UMTS

Canales lógicos, de transporte y físicos:

• Canales lógicos: definen el tipo de información enviada: De control / de tráfico.

Un canal lógico se puede usar para enviar información de control de las capas superiores (signalling radio bearer, SRB) o de tráfico (radio bearer, RB).

• Canales de transporte: definen el formato de envío: Comunes / dedicados.

• Canales físicos: definen los recursos físicos utilizados: frecuencia, secuencias de código. Además pueden distinguirse por división temporal (en DL) o por fase I/Q (en UL).

Comunes / dedicados

Asociados a canales de transporte / no.

3. UMTS

Canales lógicos:

• De control

‒ BCCH (Broadcast Control Channel, DL): información general de configuración de la red.

‒ PCCH (Paging Control Channel, DL): avisos a móviles.

‒ CCCH (Common Control Channel, DL y UL): otros tipos de señalización común.

‒ DCCH (Dedicated Control Channel, DL y UL): señalización dedicada.

• De tráfico

‒ DTCH (Dedicated Traffic Channel, DL y UL): información dedicada.

‒ CTCH (Common Traffic Channel, DL): información punto multipunto.

3. UMTS

Canales de transporte:• Comunes

– BCH (Broadcast Channel, DL): sustenta el BCCH.

– PCH (Paging Channel, DL): sustenta el PCCH.

– RACH (Random Access Channel, UL): se utiliza para transacciones cortas cuando el móvil no tiene canal dedicado.

– FACH (Forward Access Channel, DL): se utiliza para transacciones cortas cuando el móvil no tiene canal dedicado.

• Dedicado

– DCH (Dedicated Channel, DL y UL): se utiliza para transferencias largas de información.

3. UMTSCanales físicos:

• Asociados a canales de transporte‒ P-CCPCH (Primary Common Control Physical Channel):

transmite el BCH.‒ S-CCPCH (Secondary Common Control Physical Channel):

FACH y PCH.‒ PRACH (Physical Random Access Channel): RACH.‒ DPDCH (Dedicated Physical Data Channel): DCH, parte de

datos (información de capas superiores: tráfico o señalización).‒ DPCCH (Dedicated Physical Control Channel): DCH, parte de

señalización (de nivel físico).• No asociados a canales de transporte.

‒ CPICH (Common Pilot Channel): piloto.‒ SCH (Synchronization Channel): primario (P-SCH) y

secundario (S-SCH): sincronización.‒ PICH (Paging Indication Channel): se usa junto con PCH.‒ AICH (Access Indication Channel): se usa junto con RACH.

3. UMTSCorrespondencias:

4. Cuarta generación

Introducción:• La UIT creó el comité IMT-Advanced que define los requisitos

necesarios para que un estándar sea considerado de la generación 4G.

• Entre los requisitos técnicos que se incluyen hay uno muy claro, las velocidades máximas de TxD que debe estar entre 100Mbit/s para una movilidad alta y 1Gbit/s para movilidad baja.

• Los WG de la ITU no son puramente teóricos, sino la industria forma parte de ellos y estudian tecnologías reales existentes en dichos momentos.

• El Estándar LTE de la norma 3GPP no es 4G porque no cumple los requisitos definidos por la IMT-Advanced en características de velocidades pico de transmisión y eficiencia espectral.

• La 4G está basada completamente en el protocolo IP, siendo un sistema y una red, donde las redes de cables e inalámbricasconvergen.

4. Cuarta generación

Introducción:• La principal diferencia con las generaciones predecesoras será la

capacidad para proveer velocidades de acceso mayores de 100 Mbit/s en movimiento y 1 Gbit/s en reposo, manteniendo una calidad de servicio (QoS) de punta a punta de alta seguridad que permitirá ofrecer servicios de cualquier clase en cualquier momento, en cualquier lugar, con el mínimo coste posible.

• La empresa NTT DoCoMo en Japón, fue la primera en realizar experimentos con las tecnologías de 4G, alcanzando 100 Mbit/s en un vehículo a 200 km/h. La firma lanzó los primeros servicios 4G basados en tecnología LTE en diciembre de 2010 en Tokio, Nagoya y Osaka.

4. Cuarta generación

Características técnicas:• El concepto de 4G trae unas velocidades mayores a las de 301

Mbit/s con un rating radio de 8 MHz; entre otras, incluye técnicas de avanzado rendimiento radio como MIMO y OFDM. Dos de los términos que definen la evolución de 3G, siguiendo la estandarización del 3GPP, serán LTE (Long Term Evolution) para el acceso radio, y SAE (Service Architecture Evolution) para la parte núcleo de la red.

• Los requisitos ITU y estándares 4G indican las siguientes características:• Para el acceso radio abandona el acceso tipo CDMA

característico de UMTS.• Uso de SDR (Software Defined Radios) para optimizar el

acceso radio.• La red completa es todo IP.• Las tasas de pico máximas previstas son de 100 Mbit/s en

enlace descendente y 50 Mbit/s en enlace ascendente (con un ancho de banda en ambos sentidos de 20Mhz).

5. LTE

Tecnologías pilares de LTE:

5. LTE

Tasa de bits y latencia en LTE:

5. LTE

Requerimientos:

5. LTE

Requerimientos:

5. LTE

Características:

5. LTE

Acceso Múltiple:

5. LTE

Acceso Múltiple:

5. LTE

Flexibilidad del espectro:

5. LTE

Diversidad, beamforming, MIMO:

5. LTE

Arquitectura:

5. LTE

Arquitectura genérica:

5. LTE

Arquitectura 3GPP:

5. LTE

Arquitectura LTE:

EPS = E-UTRAN + EPC

5. LTE

Evolved Packet System (EPS):

5. LTEE-UTRAN:

Arquitectura 4G y 3G:

5. LTE

Arquitectura 4G y 3G:5. LTE

Elementos de la Arquitectura

A pesar de que los equipos que forman parte de una red LTE tienen funciones similares a las de sus análogos en tecnologías anteriores, existe un cambio notable en la arquitectura de red.

La red E-UTRAN, hace referencia a la parte de la conexión del equipo móvil con la red cableada, y la red EPC (Evolved Packet Core), es la encargada de transportar los datos entre los diferentes equipos del corehasta el destino.

La unión de estas dos redes se conoce como EPS (Evolved Packet System).

Arquitectura 4G y 3G:5. LTE

E-RAN (Evolved Radio Access Network) y los eNodeB

• Es el fragmento de red encargado de comunicarse con el equipo móvil, lo cual consigue a través de su elemento principal, los eNodeB.

• Los eNB contienen la capa física, MAC, RLC (Radio Link Control) y PDCP (Packet Data Control Protocol) que incluyen las funcionalidades del plano de usuario de compresión de cabecera y encriptación.

• También provee funcionalidades típicas del plano de control como la de RRC (Radio Resource Control), la cual se encarga del control de admisión, scheduling, cifrado y descifrado de los datos del plano de usuario y de control.

• Es el único componente del segmento de red de la E-UTRAN. El resto de equipos ya forman parte de la EPC.

Arquitectura 4G y 3G:5. LTE

MME (Mobility Management Entity)

• Es el nodo de control clave para el acceso a la red LTE.

• Es responsable del seguimiento del UE (User Equipment) cuando se encuentra en el modo idle.

• También forma parte de la activación y desactivación de los bearers para asociar el UE a una red en particular seleccionando un SGW para la asociación inicial y la re-localización de nodos cuando se produce un handover intra-LTE.

• Además autentica al usuario interactuando con el HSS.

• Cuando se necesita hacer un paso de una red LTE a una red 2G/3G, provee funciones del plano de control haciendo llegar los datos al SGSN de la red legacy.

Arquitectura 4G y 3G:5. LTE

HSS (Home Subscriber Server)

• Es la unión del HLR y el AuC, ambos presentes en las redes 2G y 3G.

• La parte que corresponde a lo que sería el HLR es la del almacenamiento y actualización de la base de datos, que contiene la información de suscripción del usuario.

• Por otra parte, la función anteriormente realizada por el AuC es la de la generación de la información de seguridad del suscriptor a partir de sus claves de identificación.

SGW (Serving Gateway)

• El Serving Gateway es el punto de terminación de la interfaz de los paquetes de datos que se dirigen hacia la E-UTRAN.

• Cuando el UE se mueve a través de los diferentes eNodeB el SGW sirve como un anclaje de movilidad, de modo tal que los paquetes ruteados atraviesan este nodo para el cambio de un equipo a otro, tanto dentro de LTE como con otras tecnologías 3GPP.

Arquitectura 4G y 3G:5. LTE

PDN GW (Packet Data Network Gateway)

• De modo similar al SGW, el PDN GW es el punto de terminación para la interfaz de los paquetes de datos que se dirigen hacia el PDN (Packet Data Network).

• Funciona como el punto de anclaje para la salida a PDN externos y provee características de PolicyEnforcement y filtrado de paquetes.

• Asimismo, es el punto de cambio entre LTE y tecnologías no 3GPP como WiMAX y 3GPP2.

PCRF (Policy and Charging Rules Function) Server

• El PCRF gestiona las políticas de servicio y las QoS de las sesiones de cada usuario del sistema.

• Realiza funciones equivalentes a las que los equipos de PDF y CRF realizaban en redes UMTS.

5. LTEInterfaces de la arquitectura LTE:

5. LTEInterfaces de la arquitectura LTE:

5. LTEInterfaces de la arquitectura LTE:

5. LTEInterfaces de la arquitectura LTE:

5. LTE

Nuevas características:

5. LTE

Adaptación del enlace:

5. LTE

Adaptación del enlace:

5. LTE

Control de potencia del enlace de subida:

5. LTE

Manejo de retransmisiones:

5. LTE

Bandas FDD y TDD:

5. LTE

Cobertura y capacidad:

5. LTE

Capacidad:

5. LTE

Tecnologías multiportadora:

5. LTE

Flexibilidad:

5. LTE

WCDMA:

5. LTE

MIMO:

5. LTE

Interfaz de radio basado en Cx de paquetes:

5. LTE

Capacidades del UE:

5. LTE

Capacidades del UE:

5. LTE

Capacidades del UE:

5. LTE

Capacidades del UE:

5. LTE

Opciones del espectro:

5. LTE

Opciones del espectro:

5. LTE

Opciones del espectro:

5. LTE

Opciones del espectro:

5. LTE

Opciones del espectro:

6. LTE-Advanced

Capacidades del UE:

Bibliografía

• “Evolved Packet System (EPS): The LTE and the SAE Evolution of 3G UMTS”, P. Lescuyer, and T. Lucidarme, John Wiley & Sons Ltd.

• www.4gamericas.com. Última visita agosto 2014.

• “Long Term Evolution (LTE): A Technical Overview”, Motorola

S12. 3G y 4G

Blog del curso:http://uniscm.blogspot.com