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Proyecto Fin de Carrera Ingeniería deTelecomunicación

Optimización de una red móvil 2G y 3G en vías de expansión

Autora: Lidia González Rodríguez

Tutor: Luis JavierReinaTosina

Dep. Teoría de la Señal yComunicaciones

Escuela Técnica Superior deIngeniería

Universidad deSevilla Sevilla,2017

Proyecto Fin deCarrera Ingeniería de Telecomunicación

Optimización de una red móvil 2G y 3G en vías de expansión

Autora:

Lidia González Rodríguez

Tutor: Luis Javier ReinaTosina

Profesor titular

Dep.deTeoríadelaSeñalyComunicaciones Escuela Técnica Superior

deIngenieríaUniversidad deSevilla Sevilla ,2017

Proyecto Fin de Carrera: Optimización de una red móvil 2G y 3G en vías de expansión Escuela Técnica Superior de Ingeniería de Sevilla

Autora: Lidia González Rodríguez

Tutor: Luis Javier Reina Tosina

El tribunal nombrado para juzgar el Proyecto arriba indicado, compuesto por los siguientes miembros:

Presidente: Vocales:

Secretario:

Acuerdanotorgarlelacalificaciónde:

Sevilla, 2017

ElSecretariodelTribunal

Agradecimientos

Agradezco a mi tutor, Luis Javier Reina, su tiempo, su dedicación y su gran disposición para ayudarme en todo.

Agradezco a mi familia y a mi marido, su apoyo y comprensión incondicional siempre.

Sevilla, 2017

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Resumen

La idea de este proyecto fin de carrera es describir parte de mi actividad profesional llevada a cabo este último año.

El servicio que realicé junto con mi equipo se llevó a cabo en Guinea Ecuatorial, concretamente en Malabo (capital de la Isla de Bioko) y formaba parte del proceso de modernización de la red de telecomunicaciones de dicho país.

El proyecto se realizó para el operador principal y el único que presta servicios de datos en el país: Getesa, la cual es una filial de France Telecom. La red cuenta con dos proveedores diferentes: Alcatel-Lucent y Huawei, distribuidos estratégicamente de manera geográfica. Prácticamente el 100% de los equipos en la isla de Bioko cuentan con tecnología Alcatel-Lucent y en la parte del país que se extiende sobre el continente africano, cuenta en casi su totalidad con equipos Huawei.

Getesa fue la encargada de la gestión del proyecto mientras que mi equipo, compuesto por ingenieros y técnicos de campo, se responsabilizó de todas las operaciones de red, tanto hardware como software.

A lo largo de todo el servicio nuestra principal tarea fue optimizar la red 2G y 3G para lograr una mejora sustancial en la calidad del servicio de la red de Getesa, la cual estaba muy degradada.

En junio de 2016 llegamos a Malabo con el objetivo principal de mejorar los indicadores de calidad de red o KPIs de referencia para poder alcanzar los valores objetivos impuestos por el operador.

Durante el tiempo que estuvimos desplazados nos encargamos de elaborar junto con Getesa, un plan de acción que nos llevara a la consecución de los objetivos de calidad impuestos. Dicho plan de acción abarcó tanto actuaciones físicas en la red móvil como actuaciones lógicas, las cuales describiremos a lo largo de la memoria del proyecto.

iii

Índice

Agradecimientos

ResumenÍndice

Índice de Figuras

Índice de Figuras

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iiiv

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1 Introducción 1 1.1 Motivación 1 1.2 Objetivos del proyecto 1 1.3 Estructura de la memoria 2 2 Fundamentos deredes 2G/3G 3 2.1 Fundamentos de redes 2G/3G 3 2.1.1 Segunda generación (2G) 3 GSM: Global System for Mobile Communications 4

2.1.2 Evolución de la segunda generación: GPRS y EDGE 18 GPRS 18 EDGE 19

2.1.3 Tercera generación (3G) 20 Introducción al sistema UMTS 20

2.2 Planificación de sistemas móviles 40 2.2.1 Planificación de una red GSM 40 2.2.2 Planificación de una red UMTS 43

3 KPIs y estrategias de optimización 52 3.1 KPI (Key Performance Indicator) 52 3.1.1 KPIs red acceso 2G Alcatel‐Lucent 53 3.1.2 KPIs red acceso 3G Alcatel‐Lucent 62 3.2 Estrategias de optimización 77 3.2.1 Estrategias de optimización 2G 78 3.2.2 Estrategias de optimización 3G 86 3.2.3 Resumen 90

4 Descripción de herramientas y equipos 93 4.1 Descripción de herramientas 93 4.1.1 Network Performance Operation (NPO) 94 4.1.2 Operation and Management Center (OMC‐R) 101 4.1.3 Wireless Management System for UTRAN (WMS) 107 4.2 Descripción de Equipos 116

Alcatel‐Lucent Lucent 9370 RNC 116 Alcatel‐Lucent Lucent 9326 UMTS BTS (Node B) 118

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5 Resultados 126 5.1 Estado inicial (especificación de requisitos) 126 5.2 Servicio de monitorización 127 5.3 Propuestas de optimización 2G 127 5.3.1 Plantilla acta de replanteo 128 5.3.2 Refinamiento de consultas KPIs 128 5.3.3 Estudio de disponibilidad red Alcatel‐Lucent 128 5.3.4 Revisión de orientaciones en el clúster de Malabo 130 5.3.5 Auditoría de partámetros 2G 132 5.3.6 Activación funcionalidades 2G 138 5.3.7 Colisiones de frecuencia en la banda de GSM900 139 5.3.8 Conflictos HSN 142 5.3.9 Cambios BSIC 142 5.3.10 Mejora de la red de vecinas 142 5.3.11 Corrección de fallos por TRC en la BSC de Malabo 144 5.3.12 Ajustes de potencia en la estación de Semu Este 145 5.3.13 Corrección de ruido IDLE por sobre alcance 147 5.4 Propuestas de optimización 3G 151 5.4.1 Análisis de red Huawei 3G 151 5.4.2 Análisis de red Alcatel‐Lucent 3G 160 5.5 Resumen de actuaciones 169 6 Evolución global KPIs 2G y 3G: conclusiones 171 6.1 Evolución estadística 2G 171 6.2 Evolución estadística 3G 172 6.2.1 Evolución estadística RNC Bata 172 6.2.2 Evolución estadística RNC Malabo 175 6.3 Líneas de acción futuras 178

Índice

acrónimosRefere

ncias

i

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Índice de acrónimos

AMR AdaptativeMulti-Rate AMRC AdaptativeMulti-Rate Control Algorithm BBU BaseBandUnit BCCH Broadcast Control Channel BER Bit Error Rate BLER Block Error Rate BSC Base StationController BSIC Base StationIdentityCode BSS Base StationSubsystem BTS Base TransceiverStation CDMA CodeDivisionMultiple Access CE ChannelElement CEM ChannelElement Module CN Core Network CNBAP Common Nodo B ApplicationProtocol CPICH CommonPilotChannel CPP ConnectivityPacketPlatform CQI ChannelQualityIndicator CQI FB ChannelQualityIndicatorFeedback CS CircuitSwitching CS1 CodingScheme 1 CS2 CodingScheme 2 CSSR CallSetupSuccessRate DCR DropCallRate DL Down Link EDGE Enhanced Data Ratesfor GSM Evolution EFD EventForwardingDiscriminator EFR Enhanced Full Rate EGPRS Enhanced General Packet Radio System FACH Forward Access Channel FD FastDomancy FDD FrequencyDivisionDuplexing FDMA FrequencyDivisionMultiple Access) FFM FastFadeMargin FH FrequencyHopping FR Full Rate GMSC Gateway MSC GMSK GaussianMinimumShiftKeying. GPRS General Packet Radio System GSM Global Systemfor Mobile Communications HHO Hard Hand Over HLR Home LocationRegister HO Hand Over

HR HalfRate HSDPA High SpeedDownlink Packet Access HSN HoppingSequenceNumber HSPA High SpeedPacket Access HSUPA High SpeedUplinkPacket Access IMSI International Mobile SubscriberIdentity ITU International Telecommunication Union KPI Key Performance Indicator LAC LocationAreaCode LAU LocationAreaUpdate LDR Load Reshuffling MAIO Mobile AllocationIndex Offset MCS Modulation and CodingScheme MFS GPRS Multi-BSS Fastpacket Server MM Mobility Management MOC Mobile OriginatingCall MS Mobile Station MSC Mobile Switching Centre MTC Mobile TerminatingCall NPO Network Performance Operation OFDMA OrthogonalFrequencyDivisionMultiple Access OLC Overload Control OLPC OuterLoop Power Control OMC-R Operation and Management Center OVSF Orthogonal Variable Spreading Factor OSS Operation Support System PCH Paging Channel PDC Personal Digital Cellular PDCH Packet Data Channel PRS Performance Surveillance PS Packet Switching QoS Quality of Service R99 Release 99 RAB Radio Access Bearer RACH Random Access Channel RAN Radio Access Network RANAP Radio Access Network ApplicationPart RAU RoutingAreaUpdate RF Radio Frequency RLC Radio Link Control RNC Radio Network Controller RNL Radio Network Layer RNP Radio Network Planning RNS Radio Network Subsystem RRC Radio Resource Control RRH Remote Radio Head RRU Radio Remote Unit RSCP ReceivedSignalCodePower RSSI ReceivedSignalStrengthIndicator

RTWP Received Total Wideband Power SC ScramblingCode SCCP SignallingConnection Control Part SDCCH StandAloneDedicated Control Channel SF Spreading Factor SFM SlowFadeMargin SGSN Serving GPRS SupportNode SHO Soft Hand Over SIM Subscriber Identity Module SIR SignaltoInterference Ratio SMS Short Message Service SPU Signaling Processing Unit TA TimingAdvance TBF Temporary Block Flow TCH Traffic Control Channel TDD Time Division Duplexing TDMA Time Division Multiple Access TMA Tower MountedAmplifier TMU Transportable MonitoringUnit TNL Transport Network Layer TRX Transceiver TS Time Slot UE User Equipment UL Up Link UMTS Universal Mobile Telecommunications System UTRAN UMTS Terrestrial Radio Access Network VLR VisitorLocationRegister WBBP WCDMA Baseband Process Unit WCDMA Wideband Code Division Multiple Access WLAN Wireless Local Area Network WMAN Wide MetropolitanArea Network WPAN Wide Personal Area Network WWAN Wireless Wide Area Network

Índice defiguras

Figura 1.1 KPIs de referencia Figura 1.2 Objetivos fijados por el operador Figura 2.1 Arquitectura de red de sistemas celulares Figura 2.2 Especificaciones básicas sistema GSM Figura 2.3 Diferentes técnicas de acceso al medio Figura 2.4 Técnica de acceso al medio sistema GSM (FDMA) Figura 2.5 Técnica de acceso al medio sistema GSM (TDMA) Figura 2.6 Organización de la trama de acceso al medio en GSM Figura 2.7 Jerarquía de tramas GSM Figura 2.8 Cálculo de canales ARFCN Figura 2.9 Rendimiento espectral de la modulación GSMK Figura 2.10 Entidades funcionales del sistema GSM Figura 2.11 Estructura del IMSI (International Mobile SubscriberIdentity) Figura 2.12 Estructura del MSISDN (Mobile Station International ISDN Number) Figura 2.13 Estructura del MSISDN (Mobile Station International ISDN Number) Figura 2.14 Estructura del IMEI (International Mobile EquipmentIdentity) Figura 2.15 Canales lógicos GSM Figura 2.16Multiplexación de canales lógicos GSM Figura 2.17 Procesos de transmisión y recepción de la señal vocal Figura 2.18 Estructura de la codificación del canal vocal Figura 2.19Esquema del entrelazado ointerleaving Figura 2.20 Proceso de ecualización adaptativa Figura 2.21 Procedimientos de handover Figura 2.22 Servicios portadores UMTS Figura 2.23 Clasificación de servicios UMTS Figura 2.24 Esquema básico de la arquitectura UMTS Figura 2.25 Elementos de la red UMTS y sus conexiones para la transferencia de datos Figura 2.26Técnica de espectro ensanchado por secuencia directa Figura 2.27 Bits, chips y símbolos Figura 2.28Difusión y ganancia de procesamiento Figura 2.29Canales radioeléctricos Figura 2.30Receptor RAKE Figura 2.31Macrodiversidad Figura 2.32Control de potencia Figura 2.33Tabla de correspondencia SF con tasa de datos de usuario Figura 2.34Tabla de correspondencia tipo de servicio con SF Figura 2.35Tabla de correspondencia tipo de servicio con CE Figura 2.36Fases principales de la planificación de red

Figura 2.37Cálculo del CellRadius ynúmero de nodos B Figura 2.38 Mecanismo de Control de Potencia Figura 2.39Márgenes de desvanecimiento rápido y lento Figura 2.40Correspondencia margen de desvanecimiento lento y probabilidad de cobertura Figura 2.41Fórmula de la Sensibilidad en recepción Figura 2.42Fórmula de la Ganancia de Procesado Figura 2.43Fórmula del Ruido en uplink Figura 2.44Margen de interferencia en downlink Figura 2.45Cobertura en función de la carga del enlace Figura 3.1 Organización de KPIs por clases Figura 3.2 Estructura de un contador Alcatel‐Lucent Figura 3.3 Tipo de contador según elementos de la BSS Figura 3.4 Fases de los procedimientos Alcatel‐Lucent Figura 3.5 Clasificación de los indicadores GSM Alcatel‐Lucent Figura 3.6 Clasificación contadores SDCCH Alcatel‐Lucent Figura 3.7 Tasa de congestión en los canales SDCCH. Figura 3.8 Definición de KPI IDs Alcatel‐Lucent Figura 3.9 Tasa de caídas de canales SDCCH. Figura 3.10 Definición de KPI IDs Alcatel‐Lucent Figura 3.11 Clasificación contadores TCH Alcatel‐Lucent Figura 3.12 Tasa de fallos en el proceso normal de asignación de canales RTCH Figura 3.13 Definición de KPI IDs Alcatel‐Lucent Figura 3.14 Tasa de fallos en el proceso normal de asignación de canales debida a congestión Figura 3.15 Definición de KPI IDs Alcatel‐Lucent Figura 3.16 Tasa de congestión en canales RTCH durante un proceso de HO Figura 3.17 Definición de KPI IDs Alcatel‐Lucent Figura 3.18 Tasa de congestión en canales RTCH Figura 3.19 Tasa de congestión de llamadas Figura 3.20 Definición de KPI IDs Alcatel‐Lucent Figura 3.21 Tasa de éxito en el establecimiento de llamada Figura 3.22 Tasa de éxito de llamada Figura 3.23 Diferencias entre callsetup y callsuccess Figura 3.24 Flujo de mensajes en el establecimiento de una llamada Figura 3.25 Esquema de la fase de conexión RRC Figura 3.26 Contadores asociados a la fase RRC Figura 3.27 Definición de contadores RRC Figura 3.28 Tasa de éxito de conexión RRC desde el sistema Figura 3.29 Tasa de éxito de conexión RRC desde el usuario Figura 3.30 Tipos de conexiones RRC Figura 3.31 Accesibilidad de voz Figura 3.32 Accesibilidad de datos Figura 3.33 Contadores asociados a la fase RAB

Figura 3.34 Definición de contadores RAB Figura 3.35 Tasa de éxito de establecimiento RAB Figura 3.36 Tasa de éxito de establecimiento RAB voz Figura 3.37 Tasa de éxito de establecimiento RAB datos Figura 3.38 Flujo establecimiento de un RB y sus contadores asociados Figura 3.39 Definición de contadores RB Figura 3.40 Tasa de éxito de establecimiento del RB Figura 3.41 Tasa de éxito de establecimiento del RB para HSDPA Figura 3.42 Flujo de mensajes en la caída de una llamada a nivel RNC Figura 3.43 Definición de contadores asociados a la caída de llamada Figura 3.44 Tasa de caída de llamadas Figura 3.45 Tasa de caída de llamadas de voz Figura 3.46 Tasa de caída de llamadas de datos Figura 3.47 Tasa de caída de llamadas HSDPA Figura 3.48 Flujo de mensajes en las fases preparación y ejecución de un HO Figura 3.49 Tasa de éxito global de los HO de voz 3G2G Figura 3.50 Definición de KPI IDs Alcatel‐Lucent Figura 3.51 Tasa de éxito en la fase de ejecución de los HO de voz 3G2G a nivel RNC y celda Figura 3.52 Gráfica que muestra los KPI IDs #154, #155, #156, #157, #160 y #161 Figura 3.53 Tasa de fallos en la fase de ejecución de los HO de voz 3G2G Figura 3.54 Tasa de éxito global de los HO de datos 3G2G Figura 3.55 Esquema que muestra los fallos en la fase de ejecución Figura 3.56 Tasa de fallos en la fase de ejecución de los HO de datos 3G2G nivel RNC Figura 3.57 Tasa de fallos en la fase de ejecución de los HO de datos 3G2G nivel celda Figura 3.58 Definición de KPI IDs Alcatel‐Lucent Figura 3.59 Esquema de softhandover Figura 3.60 Tasa de éxito de softhandover Figura 3.61 Contador de número medio de llamadas Figura 3.62 Contador de número medio de llamadas según tipo Figura 3.63 Indicadores de tráfico PS UL y DL Figura 3.64 Contadores que indican el tráfico UL y DL por RNC Figura 3.65 Rango de medidas de Rxlevel y Rxquality Figura 3.66 Bandas de interferencia Figura 3.67 Contador de número medio de llamadas Figura 3.68 Contador de número medio de llamadas según tipo Figura 3.69 Indicadores de tráfico PS UL y DL Figura 3.70 Contadores que indican el tráfico UL y DL por RNC Figura 3.71 Medidas de Rxlevel y Rxquality Figura 3.72 Umbrales de las bandas de interferencia Figura 3.73 Objetivos de calidad Alcatel‐Lucent Figura 3.74 Accesibilidad de red Figura 3.75 Tasa de llamadas caídas

Figura 3.76 Principales KPIs de movilidad Figura 4.1 Herramientas para la ingeniería de la red radio Figura 4.2 Diagrama de funcionamiento del NPO Figura 4.3 Topología de red del NPO en un entorno LAN Figura 4.4 Intercambio de datos del NPO con el RNP y el OMC‐R Figura 4.5 Interfaz gráfico del NPO Figura 4.6 Ejemplo para búsqueda de celda y bandas de frecuencia Figura 4.7 Árbol de buscadores (ejemplo para contadores e indicadores) Figura 4.8 Vista del buscador (ejemplo para el spreadsheet mode) Figura 4.9 Vista del buscador (ejemplo para el graph mode) Figura 4.10 Ejemplo de reporte con varios tipos de vistas Figura 4.11 Vista de la cartografía Figura 4.12 Ejemplo de modificación de relaciones de vecindad Figura 4.13 Interfaces externos del OMC‐R Figura 4.14 Pantalla de iconos del OMC‐R Figura 4.15 Buscador radio SC del RNUSM Figura 4.16 Ventana del buscador radio PRC del RNUSM Figura 4.17 Ventana principal del BSSUSM Figura 4.18 Ventana con alarmas en tiempo real Figura 4.19 Ejemplo de vista del Resource Browser Figura 4.20 Ventana con listado de alarmas Figura 4.21 Ejemplo de información adicional sobre una alarma Figura 4.22 Vista principal del UTRAN Access supervisor Figura 4.23 Ejemplo de shelf display a nivel de BTS Figura 4.24 Porcentaje de uso de la BBU de cada CEM Figura 4.25 Árbol de códigos OVSF Figura 4.26 Estado de los canales comunes Figura 4.27 Vista principal del Object Editor Figura 4.28 Vista principal del Command Manager Figura 4.29 Ejemplo del árbol de objetos del WPS Figura 4.30 Editor de componentes del WPS Figura 4.31 Editor de componentes del WPS en forma de tabla Figura 4.32 Ayuda online del asistente del WPS Figura 4.33 Esquema de la UTRAN Alcatel‐Lucent Figura 4.34 RNC 9370 Figura 4.35 Datasheet 1 de la RNC 9370 Figura 4.36 Datasheet 2 de la RNC 9370 Figura 4.37 BTS UMTS 9326 Figura 4.38 Arquitectura general de la BTS UMTS 9326 Figura 4.39 Arquitectura de la tarjeta CEM Figura 4.40 Arquitectura de la tarjeta CCM Figura 4.41 Arquitectura de los transceivers

Figura 4.42 Arquitectura del GPSAM Figura 4.43 Arquitectura del módulo DDM Figura 4.44 Arquitectura del módulo MCA Figura 4.45 Familia de productos 9300 W‐CDMA Figura 4.46 Macro Nodo_B indoor y outdoor Figura 4.47 Diferentes soluciones de Nodo_B distribuidas 1 Figura 4.48 Diferentes soluciones de Nodo_B distribuidas 2 Figura 4.49 Descripción de la cabina del Nodo_B indoor Figura 4.50 Especificaciones del Nodo_B indoor Figura 4.51 Descripción de la cabina del Nodo_B outdoor Figura 4.52 Especificaciones del Nodo_B outdoor Figura 5.1 Extracto de hoja Excel para el cálculo de la disponibilidad Figura 5.2 Horas de indisponibilidad acumulada Figura 5.3 Screenshot de Google Earth que muestra los sectores de Estadio La Paz Figura 5.4 Screenshot de Google Earth vacío de cobertura entre Getesa_Malabo y Sofitel Figura 5.5 Celdas sin hopping Figura 5.6 Celdas con ho_intracell deshabilitado Figura 5.7 Celdas con bs_txpwr_attenuation con un valor distinto de cero Figura 5.8 Aumento de las llamadas iniciadas en Primatura S1 Figura 5.9 Aumento de las llamadas iniciadas en Primatura S2 Figura 5.10 Aumento de las llamadas iniciadas en Primatura S3 Figura 5.11 Aumento de las llamadas iniciadas en Buena_Esperanza S1 Figura 5.12 Aumento de las llamadas iniciadas en Buena_Esperanza S2 Figura 5.13 Aumento de las llamadas iniciadas en Buena_Esperanza S3 Figura 5.14 Aumento de las llamadas iniciadas en Getesa_Malabo S1 Figura 5.15 Aumento de las llamadas iniciadas en Getesa_Malabo S2 Figura 5.16 Aumento de las llamadas iniciadas en Getesa_Malabo S3 Figura 5.17 Aumento del tráfico en la BSC de Malabo tras la modificación del nivel de acceso Figura 5.18 Celdas con Half Rate deshabilitado Figura 5.19 Screenshot de Google Earth con la colisión de BCCH 12 Figura 5.20 Screenshot de Google Earth con la colisión de BCCH 2 (Los_Ángeles S3 – Sofitel S3) Figura 5.21 Screenshot de Google Earth colisión de BCCH 3 (Primatura S1 – Hotel_Bantú S2) Figura 5.22 Screenshot de Google Earth colisión de BCCH 2 (Hotel Galaxy S1 – Los_Ángeles S3) Figura 5.23 Screenshot de Google Earth con la colisión de BCCH 4 Figura 5.24 Screenshot de Google Earth con la colisión de BCCH 13 Figura 5.25 Screenshot de Google Earth con la colisión de BCCH 2 Figura 5.26 Screenshot de Google Earth con la colisión de BCCH 3 Figura 5.27 Colisiones de BSIC y solución Figura 5.28 Screenshot de Google Earth con los sectores de Peage y sus vecinas Figura 5.29 Informe de reporte a Getesa Figura 5.30 Call drops BSC Malabo Figura 5.31 Caídas por RTC en la BSC Malabo

Figura 5.32 Evolución de los valores de potencia en los TRX Figura 5.33 KPIs del sector 1 de Semu_Este Figura 5.34 KPIs del sector 2 de Semu_Este Figura 5.35 KPIs del sector 3 de Semu_Este Figura 5.36 Distribución de muestras del sector 2 de Hotel Bantú en las bandas de interferencia Figura 5.37 Distribución muestras del sector 3 de Santa María III en las bandas de interferencia Figura 5.38 Número de muestras por TA Figura 5.39 Tabla de celdas con sobrealcance potencial Figura 5.40 Bajada del DCR en el sector 2 de Hotel Bantu Figura 5.41 Bajada del DCR en el sector 3 de Ela_Nguema Figura 5.42 Bajada del DCR en el sector 1 de Seminario Figura 5.43 Bajada del DCR en el sector 3 de Santa María III Figura 5.44 Congestión por falta de CEs en los nodos de la RNC de Bata Figura 5.45 Extracto del informe de las ampliaciones hardware y software Figura 5.46 Screenshot de la alarma Board Overload Figura 5.47 Porcentaje de carga del DSP Figura 5.48 Caídas de accesibilidad debido a la alarma de sobrecarga Figura 5.49 Mejora de la accesibilidad CS y PS tras ampliación de tarjeta Figura 5.50 Picos de caída de accesibilidad en Bikui Figura 5.51 Mejora de la accesibilidad PS tras reducción del CPICH Figura 5.52 Mejora de la accesibilidad de datos tras ajuste del bitrate Figura 5.53 Mejora en la accesibilidad de voz en la RNC de Bata tras ajuste del CAC Figura 5.54 Mejora en la accesibilidad de datos tras la reconfiguración del switch Figura 5.55 Evolución del DCR de datos tras activación de funcionalidades en la RNC de Bata Figura 5.56 Fallos por sobrecarga en la RNC de Malabo Figura 5.57 Número de minutos ULCEM color negro Figura 5.58 Número de minutos ULCEM color rojo Figura 5.59 Número de minutos ULCEM color amarillo Figura 5.60 Fallos por potencia en downlink Figura 5.61 Fallos en la carga uplink Figura 5.62 Fallos en el radiolink debido a sincronización Figura 5.63 Evolución accesibilidad sector 3 de Buena_Esperanza Figura 5.64 Evolución accesibilidad sector 3 de Seminario Figura 5.65 Mejora en la accesibilidad de los nodos de Malabo Figura 5.66 Mejora en la accesibilidad en la RNC de Malabo Figura 5.67 Cambios hardware Total Figura 5.68 Cambios hardware Mane_Ela Figura 5.69 Evolución de la carga en uplink Figura 5.70 Evolución Call Drop Rate vs RSSI Figura 5.71 Recuperación de la accesibilidad tras los cambios realizados Figura 6.1 Evolución en la tasa de llamadas caídas en la BSC de Malabo Figura 6.2 Evolución de la accesibilidad 2G en la BSC de Malabo

Figura 6.3 Evolución accesibilidad de voz en la RNC de Bata Figura 6.4 Evolución de la accesibilidad de datos en la RNC de Bata Figura 6.5 Evolución de tasa de llamadas caídas en la RNC de Bata Figura 6.6 Evolución de la tasa de conexiones de datos caídos en la RNC de Bata Figura 6.7 Evolución del tráfico en la RNC de Bata Figura 6.8 Evolución accesibilidad de voz en la RNC de Malabo Figura 6.9 Evolución accesibilidad de datos en la RNC de Malabo Figura 6.10 Evolución tasa de llamadas de voz caídas en la RNC de Malabo Figura 6.11 Evolución del tráfico en la RNC de Malabo

1 INTRODUCCIÓN

1.1 Motivación El proyecto que nos llevó a estar durante un año en el continente africano, surge como consecuencia de que la empresa propietaria de la red de telecomunicaciones de Guinea Ecuatorial, Getesa, empezó a observar una degradación constante en la evolución de su red en los últimos años.

La empresa realizó un análisis técnico y profundo de las consecuencias reales que tendrían estas degradaciones en un plazo relativamente corto y necesitaban una solución con impacto positivo inmediato y con un bajo coste de inversión para la empresa.

El equipo de optimización que se formó para llevar a cabo el proyecto estaba compuesto por el coordinador, un ingeniero senior de optimización radio, cuyas funciones fueron asumidas por mí, un ingeniero radio junior que prestaba apoyo directamente al coordinador y un equipo técnico formado por cuatro personas cuyas funciones eran realizar los trabajos de campo.

Se sopesaron las posibles soluciones que se podían implementar de manera más rápida y efectiva y se decidió presentar un plan de acción a la Dirección Técnica y Dirección General de Getesapara su aprobación y puesta en ejecución.

Parte de ese plan de acción llevado a cabo durante la duración del servicio que presté a Getesa, será el objeto de este proyecto fin de carrera.

1.2. Objetivos del Proyecto El objetivo general de este proyecto es mostrar cómo se lleva a cabo la Optimización Radio 2G y 3G de una red de telecomunicaciones que aunqueya está en funcionamiento, se encuentra aún en vías de expansión.

Básicamente el servicio consistió en mejorar los indicadores de calidad de red o KPIs (del inglés Key Performance Indicator)de referenciapara poder alcanzar los valores objetivos impuestos por el operador. Con KPIs de referencia nos referimos a aquellos con impacto directo en la calidad percibida por el cliente.

Los KPIs que abordamos se muestran a continuación en la figura 1.1:

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Figura 1.1 KPIs de referencia

Trataremos de plasmar también las dificultades que nos encontramos durante todo el servicio a la hora de realizar el trabajo de manera eficiente y cómo finalmente se lograron conseguir los objetivos de calidad impuestos por el operador, que de manera resumida se muestran en la figura 1.2:

Figura 1.2 Objetivos fijados por el operador

Asímismo describiremos la manera de obtener dichos KPIs, junto con todo el proceso que nos lleva a establecer determinadas soluciones o a establecer determinados valores en los diferentes parámetros de la red radio.

1.3. Estructura de la Memoria

La memoria de este proyecto está estructurada en cinco capítulos. Tras un primer capítulo de introducción y objetivos, pasamos a realizar, en el capítulo segundo, una revisión teórica de las tecnologías empleadas, así como una introducción a la planificación de redes, centrándonos en describir la planificación de redes radio 2G y 3G.

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En el capítulo tercero abordaremos las diferentes estrategias de optimización que hemos seguido e intentaremos explicar y definir qué son los indicadores clave de desempeño de una red y cómo los emplea un operador de telecomunicaciones para evaluar la calidad del servicio ofrecido.

La descripción de los equipos y las herramientas usadas para obtener la información del estado de la red, se incluyen en el capítulo cuarto. Por último, en el capítulo quinto, el proceso y los resultados obtenidos tras un año trabajando en la optimización de una red real de telecomunicaciones en vías de expansión.

Debe puntualizarse que todo el trabajo que ha sido la base para este proyecto fin de carrera, se realizó paralelamente con dos tecnologías: Alcatel-Lucent y Huawei, dependiendo, como se ha dicho anteriormente, de la zona geográfica donde se encontraran. Sin embargo, resulta imposible, por tedioso y repetitivo, describir en esta memoria los mismos procesos para las dos.

En los capítulos tercero y cuarto en los que se describen los KPIs, equipos y herramientas concretas, se ha elegido detallarlo para Alcatel-Lucent, pues es una tecnología poco común en Europa yparece ilustrativo abordarla. No obstante, los resultados de todo el proceso de optimización, que se describen en el capítulo cinco, vienen dados para ambas tecnologías.

2 FUNDAMENTOS DE REDES2G/3G

2.1 Fundamentos de redes 2G/3G

2.1.1 Segunda generación (2G)

Las redes móviles de segunda generación comprenden los primeros sistemas celulares digitales, cuyos estándares fundamentales son IS-95 CDMA, IS-136 TDMA, GSM y JDC. Estos sistemas tienen una arquitectura de red como la que muestra en la figura 2.1:

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Figura 2.1 Arquitectura de red de sistemas celulares

GSM: Global System for Mobile Communication

GSM es el estándar creado por ETSI (European Telecommunication Standard Institute) para los sistemas móviles celulares [1]. El estándar, en su primera fase, fue terminado a finales de los 80, y los primeros sistemas comerciales comenzaron para el año 1992. Es el sistema celular digital más extendido del mundo, y cuenta como principal ventaja es que está completamente estandarizado, lo que permite la interoperabilidad entre suministradores.

Como características básicas se destacan:

• Base de señalización en ISDN y CCS7.

• Acceso radio a 9600 bps.

• Red de conmutación de circuitos (no está orientado inicialmente a redes de datos).

• Gran portabilidad (uso de la tarjeta SIM).

• Diversidad de servicios:

o Servicios básicos: servicios portadores con velocidades de 2,4. 4,8 y 9,6 kbps.

o Teleservicios: Telefonía digital con códec a 13Kbps en conmutación de circuitos, SMS (Short Message Service) de 160 bytes, fax, etc...

o Servicios complementarios: llamadas en espera, multiconferencias, identificación de llamadas, restricción de llamadas, desvío de llamada, etc…

o Otros servicios como los de valor añadido USSD (Unustructured Supplementary Service Data), CAMEL (red inteligente, movilidad de servicios a otras redes), WAP (acceso a internet móvil), etc…

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Bandas de frecuencia GSM

Las bandas de frecuencia GSM son las bandas para telefonía móvil designadas por la Unión Internacional de Telecomunicaciones para la operación de redes GSM. Hay catorce bandas definidas, con sus respectivas asignaciones de canal.

Las bandas GSM-900 y la GSM-1800 son las más usadas en Europa, Oriente Medio, África, Oceanía y la mayor parte de Asia:

• GSM-900 usa 890–915 MHz para enviar información desde la estación móvil a la estación base (uplink)

y 935–960 MHz para la otra dirección (downlink), proveyendo 124 canales de radiofrecuencia (del 1 al 124) espaciados a 200 kHz. Se usa el espaciado dúplex de 45 MHz. Las bandas de guarda de 100 kHz de ancho están situadas en cada extremo del rango de frecuencias.

• GSM-1800 usa la banda de 1710 a 1785 MHz para enviar información desde la estación móvil al transceptor de la estación base y la de 1805 a 1880 MHz para el otro sentido, proporcionando 374 canales numerados desde el 512 hasta el 885. El espaciado dúplex es de 95 MHz.

• En algunos países como España se ha ampliado la banda GSM-900 para cubrir un rango de frecuencias mayor. Esta GSM extendida, denominada E-GSM, usa para el enlace ascendente la banda desde 880 hasta 915 MHz y para el descendente, la de 925 a 960 MHz, añadiendo 50 canales (desde el canal 975 hasta el 1023 y el 0) a la banda GSM-900 original.

Especificaciones básicas GSM

Resumimos las especificaciones básicas de GSM en la figura 2.2:

Figura 2.2 Especificaciones básicas sistema GSM

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A continuación, explicamos brevemente las más relevantes:

• Técnicas de acceso múltiple: tienen como función permitir a varios usuarios compartir el mismo

medio físico de transmisión. Lo consiguen “separando” el medio en frecuencia, tiempo y código:

Figura 2.3 Diferentes técnicas de acceso al medio

En GSM la interfaz radio utiliza un método de acceso múltiple que combina por el acceso por división de frecuencia FDMA (Frequency Division Multiple Access) con el acceso por división en tiempo TDMA (Time Division Multiple Access).

Los usuarios comparten la misma frecuencia en breves instervalos de tiempo, denominados time slot (TS), que se repiten periódicamente y a cada usuario se le asigna un intervalo puntual.

Figura 2.4 Técnica de acceso al medio sistema GSM (FDMA)

En frecuencia, cada radiocanal soporta 8 usuarios simultáneos mediante TDMA y el radiocanal_0 se usa como banda de guarda con otros sistemas radio:

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Figura 2.5 Técnica de acceso al medio sistema GSM (TDMA)

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Veamos a continuación, en la figura 2.6, como queda organizada la trama del acceso múltiple:

Figura 2.6 Organización de la trama de acceso al medio en GSM

Se produce un desplazamiento de 3 TS entre tramas de UL (uplink) y DL (downlink) para evitar el uso de duplexoresen los terminales móviles. Este tiempo es suficiente para realizar la alineación temporal adaptativa, la sintonización del transceptor y la conmutación entre recepción y transmisión.

Estas tramas, a su vez, tienen una estructura jerárquica de la siguiente manera:

Figura 2.7 Jerarquía de tramas GSM

• Canal radio GSM: el móvil se comunica con una estación base BTS (del inglés Base Station System) mediante un radiocanal FDD (del inglés Frequency Division Duplex). Cuando hablamos de radiocanal, nos referimos a dos frecuencias distintas, una para el enlace ascendente (MS → BTS) y otra para el enlace descendente (BTS → MS).

Cada radiocanal se designa mediante un número absoluto de canal RF denominado ARFCN (Absolute Radio Frequency Channel Number). La diferencia entre una frecuencia y su homóloga es igual a 45MHz para facilitar la generación de ambas en los transceptores. Los canales ARFCN se corresponden con las frecuencias asignadas a cada banda, según la banda de frecuencia de GSM que estemos usando lo calcularemos de diferentes maneras, tal como se muestra en la figura 2.8:

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Figura 2.8 Cálculo de canales ARFCN

• Modulación GMSK: es el acrónimo de Gaussian Minimum Shift Keying. Es un tipo de modulación derivada de la MSK (Minimum Shift Keying). Las principales características de esta modulación en GSM son:

o Modulación digital continua en fase, de modo que se consigue suavizar las transiciones de fase entre estados de la señal, consiguiendo por lo tanto reducir los requisitos de ancho de banda.

o Realiza un prefiltrado gaussiano: para atenuar los lóbulos laterales se realiza un procesamiento en banda base de la señal digital previo a la modulación que hace pasar la señal por un filtro gaussiano.

o La envolvente de la onda modulada es constante para que puedan utilizarse amplificadores no lineales (alto rendimiento de potencia).

o Generación mediante modulación de frecuencia directa o en cuadratura.

o Posibilidad de aplicación de diversos métodos de detección: detección coherente, detección no coherente y detección diferencial.

o Las especificaciones de GSM, Bb*T (producto del ancho de banda del filtro gaussiano, Bb, por el periodo de bit, T), nos da un rendimiento espectral de 1bit/s/Hz:

Figura 2.9 Rendimiento espectral de la modulación GSMK

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Arquitectura del sistema GSM

Veamos sobre la figura 2.10, cómo se estructura una red GSM, sus entidades funcionales y los diferentes interfaces:

Figura 2.10 Entidades funcionales del sistema GSM

Explicaremos brevemente cada una de ellas:

• Estación móvil o MS (Mobile Station), se trata del dispositivo físico y en él cabe diferenciar el radio transmisor/receptor, el procesador de señal digital y el módulo de identidad del abonado o cliente (SIM). El SIM es una pequeña tarjeta electrónica que contiene información específica del abonado como el número de identidad, la red que el abonado está autorizado a utilizar, las llaves de encriptación, etc.

• BTS (Base Tranceiver Station),consiste en un radio transmisor/ receptor y es donde llega o termina la comunicación, además de poseer un enlace con la estación controladora base BSC (Base Station Controller). La BTS no es inteligente, todo el control viene desde el BSC y este es responsable de la asignación de canales y frecuencias, mediciones de la señal del teléfono, traspasos, paging, etc. Cada BSC controla varias BTS y la interfaz entre estos dos componentes es llamada Abis. El BSC y la BTS juntos constituyen el subsistema de estación base (BSS) de la red GSM.

• MSC (Mobile Services Switching Center), es el núcleo de la red y se encarga de realizar las labores de conmutación dentro de la red y señalización básica. Realiza la gestión completa de las llamadas desde y hacia usuarios GSM (establecimiento, encaminamiento, control y finalización). Realiza los traspasos entre dos BSC que estén conectadas a él o a otro MSC. Proporciona el control de la autentificación y de la actualización de posición de los móviles, la prestación de servicios suplementarios y la tarificación de las llamadas.

• GMSC (Gateway Mobile Switching Center), es un nodo que permite interrogar al HLR, descrito a continuación, para obtener información de encaminamiento para una llamada dirigida a un móvil. Por lo tanto, es el nexo de unión de la red GSM con otras redes externas.

• HLR (Home Location Register)es la base de datos distribuida (única por red GSM) que contiene información estática relativa al servicio de todos los clientes de la red GSM y también información dinámica, como por ejemplo la MSC y VLR en el que se encuentran.

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• VLR (Visitor Location Register)es la base de datos en la que se guarda información temporal de cada cliente que se encuentra en el área de influencia de los MSC. Se guardan datos de identificación del usuario (como el IMSI o el TMSI), datos para el encaminamiento como el MSRN, etc…

• AuC (Authentication Center), gestiona los datos de seguridad y autentificación de los usuarios. Proporciona al HLR la tripleta de autentificación (RAND, SRES y Kc) que permite la autentificación del móvil en cada MSC/VLR.

• EIR (Equipment Identity Register),registro de identificación de equipos. Su función consiste en evitar que se utilicen equipos móviles no autorizados en la red. Para la comprobación se utiliza el IMEI o identificación internacional del equipo móvil.

• OMSS es el subsistema de operación y mantenimiento, se encarga de la gestión, explotación y mantenimiento del sistema GSM.

• LA (Location Area). Un LA se define como un conjunto de celdas dentro de la red GSM, la localización de un usuario es conocido por el LA en el cual se encuentra. La identificación del LA, en el cual una MS se encuentra actualmente, está guardada en el VLR. Cuando una MS cruza la frontera entre LA, es decir, pasa a otro LA, la MS reporta su nueva localización a la red. La división de las celdas por LA es muy importante para no sobrecargar el MSC, ya que, si es necesario localizar a una MS debido a una llamada entrante en la red, lo primero que hace el MSC es buscar entre las celdas del LA en donde se registró la última vez.

• Interfaz Um: la radio interfaz es utilizada por las estaciones móviles para acceder a todos los servicios y utilidades del sistema GSM, empleando para ello los Sistemas de Estación Base como punto de conexión en la red.

• Interfaz A: esta interfaz es entre la MSC y el BSS, se utiliza fundamentalmente para el intercambio de información relacionada con la gestión del BSS, manejo de las llamadas y gestión de la movilidad.

• Interfaz A-bis: esta interfaz entre el BSC y la BTS, permite conectar de una forma normalizada estaciones base y controladores de estación base, independientemente de que sean realizadas por un único suministrador o por suministradores distintos.

• Interfaz B: esta interfaz permite una conexión entre el MSC y el VLR para tener un control de los móviles visitantes y poder ofrecerle los servicios del sistema:

• Interfaz C: esta interfaz es entre el MSC y el HLR, se utiliza fundamentalmente para enviar mensaje de tarificación al HLR o para cuando la red fija no puede realizar el procedimiento de interrogación necesario para el establecimiento de una llamada hacia un usuario móvil la MSC de cabecera y debe interrogar al HLR del usuario llamado para conocer el número de seguimiento del móvil llamado.

• Interfaz D: esta interfaz es entre el HLR y el VLR, se utiliza para intercambiar los datos relacionados con la posición de la estación móvil y los datos de la suscripción del usuario. Estos intercambios de datos se producen cuando la estación móvil requiere un servicio determinado, cuando el usuario quiere cambiar algunos da relacionados con su suscripción, o bien cuando los parámetros de la suscripción se modifican por el operador del sistema.

• Interfaz E: cuando una estación se desplaza del área controlada por una MSC al área de otra MSC distinta, es necesario realizar un procedimiento de traspaso para poder continuar la conversación. En este caso las MSCs implicadas deben intercambiar datos para poder llevar a cabo esta operación.

Sistema de numeración en GSM

Llevando a cabo un plan de numeración, GSM consigue identificar a los abonados móviles, a las estaciones móviles y también a los equipos móviles.

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GSM identifica a los clientes móviles con dos números:

• IMSI (International Mobile Subscriber Identity), es la identidad internacional del cliente móvil y se puede dividir en los siguientes campos (véase figura 2.11):

Figura 2.11 Estructura del IMSI (International Mobile SubscriberIdentity)

o MCC (Mobile Country Code), compuesto por 3 dígitos. Identifica el país donde está domiciliado el usuario. La asignación la realiza el ITU-T (International Telecommunication Union). A Guinea Ecuatorial por ejemplo le corresponde el 627.

o MNC (Mobile Network Code), compuesto por 2 dígitos. Identifica la red a la que pertenece el cliente. La asignación la realiza la administración de cada país.

o MSIN (Mobile Subscriber Identification Number), compuesto por 10 dígitos. Identifica al usuario dentro de su red. Lo asigna el operador y si existe más de un HLR en la red, los primeros dígitos referencian al HLR donde está dado de alta el usuario.

• TMSI (Temporary Mobile Subscriber Identy), para asegurar la privacidad del IMSI y evitar que esté viajando continuamente por la interfaz radio, el VLR asigna un número temporal a cada uno de sus visitantes, éste es el TMSI.

En el plan de numeración para estaciones móviles se utilizan números diferentes:

• MSISDN (Mobile Station International ISDN Number), es el número ISDN internacional de la estación móvil. Identifica de forma única al cliente móvil dentro del plan de numeración de la red telefónica pública. Se divide en los campos que podemos ver en la figura 2.12:

Figura 2.12 Estructura delMSISDN (Mobile Station International ISDN Number)

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o CC (Country Code), código del país donde está registrado el móvil

o NDC (National Destination Code), código que se asigna a cada red GSM dentro de un país. Cada red GSM puede tener asignados más de un NCD.

o SN (Subscriber Number), dígitos que identifican al usuario. Lo asigna el operador y si existe más de un HLR en la red, los primeros dígitos referencian al HLR donde está dado de alta el usuario.

o NMN = NDC + SN (NMN = National Mobile Number)

• MSRN (Mobile Station Roaming Number), es el número de itinerancia o seguimiento de la estación móvil y sirve para que el GMSC pueda encaminar una llamada terminada en móvil al MSC correcto.

La identificación del equipo móvil se realiza a través del IMEI:

• IMEI (International Mobile Equipment Identity), es la identidad internacional del equipo móvil y permite identificar a dicho equipo de forma unívoca:

Figura 2.13 Estructura delIMEI (International Mobile EquipmentIdentity)

o TAC (Type Approval Code), 6 dígitos. Indica que el equipo está aprobado por un organismo central GSM.

o FAC (Final Assembly Code), 2 dígitos. Código que identifica al fabricante.

o SNR (Serial Number), 6 dígitos. Código de serie único que identifica al equipo dentro de cada TAC y FAC. El fabricante debe asignarlo de forma secuencial.

Estructura de canales lógicos GSM

Según lo revisado en los puntos anteriores podemos decir que en GSM diferenciamos tres tipos de canales:

• Radiocanalo pareja de frecuencias uplink y downlink→ FDMA

• Canal físicoo intervalo temporal de un radiocanal → TDMA

• Canal lógicoo cada tipo de información enviada por el canal físico→multiplexación temporal

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Un canal lógico no es más que una combinación ordenada de ráfagas dentro de una estructura de tramas. En el sistema GSM existen dos grupos de canales lógicos:

• Canales comunes: transmiten información de señalización común a todos los móviles ubicados en una célula determinada. Son canales punto a multipunto.

• Canales dedicados: transmiten información correspondiente a una conexión establecida entre un móvil concreto y la red. Son canales punto a punto.

Dentro de estos dos grupos se diferencian además canales de tráfico, canales de señalización y canales de difusión:

• Canales de tráfico: constituidos físicamente por un par de portadoras e intervalos de tiempo, asignados al móvil para efectuar una comunicación. Sirven para llevar la voz codificada o los datos de usuarios en forma de ráfagas. Existen dos grupos: voz y datos.

• Canales de señalización: formados por un par de portadoras en sentido ascendente y descendente, cuyos intervalos sustentan una serie de canales comunes de control.

• Canales de difusión: están permanentemente activos y proporcionan al móvil información suficiente para su sincronización con la red. Difunden información general de la red móvil y parámetros de configuración del sistema.

En la figura 2.14 Veamos una tabla con los más relevantes:

Figura 2.14 Canales lógicos GSM

En cada canal físico los canales lógicos se multilplexan en el tiempo mediante mutitramas (multiframes, MF), MF26 para tráfico y canales de señalización asociados y MF51 para el resto de señalización.

Se asigna una frecuencia y un intervalo a un canal lógico para ser transmitido. Contamos con N portadoras (N BTS), desde C0 hasta CN con 8 TS:

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Figura 2.15 Multiplexación de canales lógicos GSM

Son necesarios procedimientos de sincronización y “avance temporal” para que el sistema TDMA funcione correctamente.

La estación base evalúa la distancia a la que se encuentra un móvil y le indica el retardo con el que debe transmitir para evitar que se produzcan solapamientos entre emisiones procedentes de diferentes móviles. El TA o Timing Advancees la compensación de la distancia entre el móvil y la estación base y es evaluado y enviado por la BSC. Cada unidad de TA equivale a un retardo de transmisión igual a la duración del intervalo de bit en el trayecto de ida y vuelta, es decir, unos 550 m en el TA=1 el móvil se encuentra a una distancia de ella comprendida entre 550m y 1100m.

Procesos de transmisión y recepción

En este apartado explicaremos de manera simplificada el proceso que sufre la señal vocal (analógica) desde el micrófono del equipo móvil hasta su modulación y salida al canal radio.

Figura 2.16 Procesos de transmisión y recepción de la señal vocal

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• Conversión Analógica/Digital: en el sistema GSM este proceso de conversión A/D se realiza mediante la técnica PCM (Pulse Code Modulation). La conversión de la señal se divide en tres pasos: muestreo de la señal analógica a 8 kHz/s, cuantificación de las muestras, 8192 niveles (13 bits por muestra) y codificación de los bits obtenidos (104 kbits/s).

• Codificación de la Voz: Se trata de eliminar la redundancia inherente a la información vocal y minimizar de esta forma la cantidad de información a transmitir. El estándar GSM (REC. Serie 06) contempla varias posibilidades: velocidad total,FR (Full Rate, voz codificada a 13kbit/s), velocidad mitad, HR (Half Rate, voz codificada a 6,5 kbit/s) y velocidad total mejorada, EFR (Enhanced Full Rate 15,1 kbits/s). Se usa un códec predictivo lineal excitado por pulsos regulares con predictor a largo plazo (RPE-LTP) con segmentación en bloques de 20ms y un factor de compresión 8:13 kbits/s, es decir, en 20ms 260 bits.

• Codificación del Canal: Se realiza una protección de la información digital (voz, datos, señalización) con K bits, mediante la adicción de r=n-kbits de redundancia contra los errores producidos por las perturbaciones de la transmisión. En GSM se usa una estructura de codificación consistente en la concatenación de dos códigos (Rec. GSM 05.03): código externo tipo bloque usado como detector de errores y código interno de tipo convolucional, empleado como corrector de errores. Los 260 bits cada 20ms se clasifican en tres categorías Ia, Iby II:

Figura 2.17 Estructura de la codificación del canal vocal

• Entrelazado (Interleaving): Los 456 bits codificados de cada segmento se distribuyen en tramas TDMA sucesivas con el fin de que los errores agrupados que introduce cada móvil no afecten a bits consecutivos. Existe un primer nivel de entrelazado donde 456 bits/20ms se agrupan en 8 bloques de 57bits y un segundo nivel de entrelazado donde en una ráfaga se envía un bloque de un tramo y otro del siguiente con un retardo de 37,5 ms:

Figura 2.18 Esquema del entrelazado ointerleaving

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• Ecualización: La dispersión temporal provoca interferencia entre símbolos y mediante la ecualización adaptativa puede solucionarse parcialmente. El ecualizador usado en GSM es el ecualizador de Viterbi. Vemos el proceso en la figura 2.19:

Figura 2.19 Proceso de ecualización adaptativa

Control del enlace radio

Es muy necesario realizar medidas de señal en la MS, tanto en la frecuencia propia como en la de las células vecinas para el control del enlace radio (traspasos, control de potencia, etc.). Su objetivo es mantener la calidad de la red, gestionar el tráfico y controlar la potencia. Una vez realizadas, estas medidas serán evaluadas y transformadas en los parámetros RXLEV (nivel de señal en recepción) yRXQUAL (nivel de calidad en recepción). El móvil controla el RXLEV de su BS y el de sus vecinas, el rango varía entre -110 y -48 dBm. El RXQUAL es la calidad de la señal en recepción y se evalúa mediante la tasa de error binario, BER (Bit Error Rate), por ejemplo, un valor de RXQUAL igual a 0 corresponde a una BER 12,8%.

• Control de Potencia: Mediante el control de potencia, se realiza la adaptación de la potencia transmitida tanto por el móvil como por la BTS a las condiciones de propagación. El objetivo es minimizar la potencia transmitida por la BTS y la MS manteniendo la calidad en la comunicación. Utiliza las medidas de RXQUAL Y RXLEV y sus principales objetivos son reducir la interferencia cocanal, aumentar de la duración de la batería de los móviles.

Esta regulación de potencia sólo es efectiva cuando el móvil se encuentra en una determinada zona de la celda, denominada área de regulación. En zonas próximas y lejanas a la BS, se transmite al mínimo y al máximo, respectivamente. Los saltos de potencia los fija el operador (un valor típico es 2 dB).

• Procedimiento de Traspaso: El procedimiento de handover(HO) o traspaso, lo decide la red a partir de medidas del móvil y medidas de las estaciones bases (RXLEV, RXQUAL, TA). La red prepara la nueva conexión y envía una orden de traspaso al móvil de modo que éste iniciará la transmisión en la nueva célula. Los procedimientos de traspaso pueden ser intra BSC, inter BSC, inter MSC o subsecuente. Vemos los diferentes procedimientos de traspaso en la figura 2.20:

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Figura 2.20 Procedimientos de handover

• Transmisión Discontinua (DTX):En una conversación normal, cada uno de los interlocutores está en silencio durante aproximadamente el 50% del tiempo. Esto ha permitido desarrollar en GSM una funcionalidad denominada transmisión discontinua (DTX).Cuando se activa la DTX sólo se transmite señal cuando existe conversación, de este modo, al reducir la energía transmitida, se reducen los niveles de interferencia y en el caso de las MS, además se prolonga la duración de la batería.

Cuando se aplica la DTX, si existe conversación, la voz se codifica a su velocidad normal de 13 kbps y cuando hay silencio, se transmite una señal a una velocidad mucho menor (500bps) que simula el ruido de fondo, mejorando así la sensación subjetiva del oyente y evitando que éste piense que la llamada se ha cortado.

• Recepción Discontinua (DRX):El móvil sólo escucha el canal PCH durante una fracción de tiempo total, y para ello los usuarios se dividen en grupos en función de los tres últimos dígitos del IMSI. La ventaja es que se reduce el consumo de batería en modo desocupado, pero aparece un pequeño retardo adicional en el establecimiento de las llamadas.

• Salto de Frecuencia FH (Frequency Hopping):Se realiza para disminuir la influencia de los desvanecimientos multitrayecto, los cuales al ser selectivos en frecuencia afectan de distinta manera a señales de frecuencias diferentes, por ello, cuando una ráfaga transmitida se ve afectada por un desvanecimiento, las ráfagas sucesivas tienen una elevada probabilidad de verse afectadas por el mismo fenómeno lo que originará una elevada tasa de tramas erróneas, con el consiguiente perjuicio en la calidad del sistema.

Con esta técnica se realiza un cambio de frecuencia en la transmisión en cada trama para evitar que los desvanecimientos e interferencias de canal adyacente actúen de forma permanente a un determinado canal. El patrón de salto se define por medio de:

o Lista de frecuencias entre las que se salta

o HSN (Hopping Sequence Number), secuencia de salto que va de 0 a 63.

o MAIO (Mobile Allocation Index Offset), origen temporal.

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Seguridad en GSM

GSM se ha diseñado con un elevado grado de seguridad en la interfaz radio Um para evitar intrusiones y accesos indebidos y ofrecer la máxima confidencialidad. Hablaremos de seguridad en dos niveles:

• Seguridad del Acceso (Autenticación del Usuario): Protección que realiza el AUC, el cual permite el acceso a la red únicamente a los usuarios que superen un proceso de validación.

Existe también seguridad en los terminales a través de las listas blanca, gris y negra. Todos los terminales están obligados a utilizar el mecanismo de autenticación de usuarios y verificación de equipos antes de cada registro en la red, en cada tentativa de llamada y al solicitar la obtención de los servicios suplementarios.

• Confidencialidad de los datos de usuario y de la información. Se realiza una protección frente a escuchas intencionadas mediante cifrado de la información transmitida. Es el subsistema de comunicación SSS el que decide la versión del algoritmo a utilizar y la clave de cifrado que se usará cada vez.

2.1.2 Evolución de la segunda generación: GPRS y EDGE

GPRS

GPRS (General Packet Radio System) o también conocido como 2.5G es una extensión de GSM y se basa en la conmutación de paquetes de datos a velocidades bajas y medias, permitiendo velocidades de transferencia de 56 a 144 kbps [13].

La conmutación depaquetes no establece un circuito físico de comunicaciones como ocurría con GSM, sino queun mismo canal es compartido por varios usuarios.

La tecnología GPRS mejora y actualiza a GSM con los servicios siguientes:

• Servicio de mensajes multimedia (MMS)

• Mensajería instantánea

• Aplicaciones en red para dispositivos a través del protocolo WAP

• Servicios P2P utilizando el protocolo IP

• Servicio de mensajes cortos (SMS)

• Posibilidad de utilizar el dispositivo como módem USB.

La principal ventaja de esta tecnología radica en que la facturación se hace en proporción al volumen de información intercambiada, además de no cobrar el coste de llamada. El método de cobro típico para transferencias de datos usando GPRS es el pago por MegaBytes de transferencia, mientras que el pago de la comunicación tradicional mediante conmutación de circuitos se cobra por tiempo de conexión, independientemente de si el usuario está utilizando el canal o éste se encuentra inactivo. Este último método es poco eficiente debido a que mantiene la conexión incluso cuando no se están transmitiendo datos, por lo que impide el acceso al canal a otros usuarios.

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El método utilizado por GPRS hace posible la existencia de aplicaciones en las que un dispositivo móvil se conecta a la red y permanece conectado durante un período prolongado de tiempo sin que ello afecte en gran medida a la cantidad facturada por el operador.

En GSM sólo se puede tener asignado un canal para cada conexión, mientras que el número de ellos en GPRS puede ser de varios, por lo que la velocidad de envío o descarga de información en éste último es mayor.

El modo de trasmisión es asimétrico, más adaptado al tipo de tráfico de navegación HTML o WML. Por ejemplo, un terminal GPRS 4+1 tendrá 4 veces mayor capacidad de transmisión de bajada que de subida. La velocidad de acceso que puede experimentar en la práctica es de unos 40 kbit/s descendentes y 9,6 kbit/s ascendientes, aunque las velocidades máximas en teoría son bastante mayores.

Dentro de GPRS existen diferentes evoluciones del estándar que llevaron consigo unamejora de las prestaciones de sus predecesores.

La primera de ellas ofrecía velocidades de hasta 57,6 kbps para transmisión o recepción de datos, mientras que la segunda alcanzaba hasta 115,2 kbps en ambos sentidos de la comunicación.

GPRS y GSM emplean la misma modulación, aunque mantienen importantes diferencias en la capacidad de procesado de los terminales y en el uso de equipos de red adicionales. Así se estima que GPRS requiere al menos el doble de capacidad de procesado que la utilizada en GSM, además de tener un consumo mayor de energía (con la consiguiente repercusión en las prestaciones y diseño de las baterías).

EDGE

El estándarEDGE (Enhanced Data Ratesfor GSM Evolution)o también denominado 2.75G, cuadriplica las mejoras en elrendimiento de GPRS con la tasa de datos teóricos anunciados de 384 Kbps, y por lo tanto,admite aplicaciones multimedia.

En realidad, el estándar EDGE permite velocidades de datos teóricas de 473 Kbits/s pero ha sido limitado para cumplir con las especificaciones IMT-2000 de la ITU por lo tanto, EDGE da la posibilidad de ofrecer servicios de datos a velocidades cercanas a aquellas que ofrecen las redes UMTS.

EDGEse puede desplegar en múltiples bandas del espectro (800, 900, 1800 y 1900 MHz actuales) y complementa a UMTS.

Los objetivos de EDGE consisten en:

• Incrementar las tasas de bit de GSM.

• Introducir un nuevo esquema de modulación y codificación de canal.

• Reutilizar tanto de la capa física de GSM como sea posible.

• Existen dos modalidades: EDGE GPRS (EGPRS) yECSD (EDGECircuitSwitched Data).

• Usa codificación de canal adaptativa y Modulación (GMSK y 8-PSK).

• Soporta tasas de bits hasta 384 Kbps usando hasta 8 ranuras GSM.

• Emplea redundancia incremental a fin de mejorar la eficiencia en el uso del canal apropiado para aplicaciones con requisitos de retardo relajados.

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Figura 2.21 Características EDGE.

2.1.3 Tercera generación (3G)

En este apartado se presenta una breve introducción al sistema UMTS. En primer lugar, se explica el proceso de estandarización del sistema y como ha sido su evolución. En segundo lugar, se presentan las características generales del sistema y los servicios ofrecidos por el mismo y la clasificación según la calidad y finalidad del servicio. En tercer lugar, se explica la arquitectura del sistema a nivel físico y a nivel de interfaces. El objetivo de esta sección es entender la base del sistema UMTS en que se basa este proyecto. Por último, se explican algunos conceptos teóricos del acceso radio UMTS, entre los que se encuentran la tecnología W-CDMA utilizada en este sistema para el acceso radio, el concepto de ensanchado y desensanchado de la señal y los elementos principales de W-CDMA, tales como el receptor RAKE y el mecanismo de control de potencia. Finalmente, se comentan los aspectos que hay que tener en cuenta a la hora de diseñar el sistema.

Introducción al Sistema UMTS

Proceso de estandarización

El organismo internacional responsable del proceso de estandarización de los sistemas 3G es la ITU (International Telecommunication Union) a través del IMT-2000 o International Mobile Telecommunications 2000, que es el encargado de definir los estándares. Empezó su trabajo en 1985, para cumplir los siguientes objetivos:

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• Personalización de los servicios de comunicación a través de un uso eficiente del espectro y mejora de terminales.

• Globalización de los usuarios que serían capaces de comunicarse y recibir servicios uniformes en cualquier lugar del mundo con un único terminal.

• Se buscan servicios multimedia con alta velocidad y calidad de transmisión. Para lo cual se definieron las siguientes velocidades: 144 kbps a alta movilidad, 384 kbps en exteriores a baja movilidad y 2 Mbps en ambientes interiores. Los servicios debían ser para ambientes públicos, privados y de negocios.

Una vez definidos los objetivos de la tercera generación, la ITU invitó, en 1998, a presentar las propuestas de tecnologías que cumpliesen los requisitos. De los sistemas terrestres, la mayor parte de las tecnologías propuestas se basaron en acceso múltiple por división de código, CDMA (Code Division Multiple Access) y se podían agrupar en dos:

• CDMA de banda ancha con modos de duplexión en frecuencia, FDD (Frequency Division Duplex) y en tiempo TDD (Time Division Duplex), (WCDMA/UTRA).

• CDMA multiportadora (CDMA2000).

UMTS es la propuesta de la ETSI para la tercera generación de telefonía celular. La responsabilidad de normalización de UMTS recae en el proyecto de colaboración para el desarrollo de sistemas 3G conocido como 3GPP (Third Generation Partnership Project).

El trabajo del 3GPP se ha estructurado en Releases, que conctituyen una agrupación lógica y cronológica de los resultados a los que se ha llegado. Los primeros Releases, o versiones, correspondieron a avances sobre redes GSM, y fue en laRelease 99 (R99, marzo de 2000) en donde aparece por primera vez UMTS.

Desde su mismo inicio UMTS fue concebido para ser compatible con GSM y constituir su evolución hacia la 3G.

Servicios y aplicaciones de UMTS

La tendencia en comunicaciones móviles ha sido siempre alcanzar velocidades de transmisión de datos cada vez más altas teniendo como resultado la aparición de nuevos servicios y aplicaciones multimedia que complementaran los servicios de voz ya existentes y ofertados en las redes 2G.

• Servicios portadores: La red UMTS es capaz de transmitir voz y datos simultáneamente, por lo que en este aspecto, los sistemas 3G suponen una considerable evolución, ya que en redes GSM la interfaz aire ha sido optimizada únicamente para la transmisión de voz, por lo que la capacidad de transmisión de datos GPRS es limitada e insuficiente para los requisitos de transmisión futuros. UMTS ofrece un potente interfaz radio para la transmisión de voz y datos a distintas velocidades tanto en modo circuito (CS) como en modo paquete (PS), según los requisitos específicos de calidad de servicio (QoS) de cada servicio.

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Figura 2.22 Servicios portadores UMTS

En fases iniciales de desarrollo del sistema UMTS, sólo se ofrecían servicios portadores a 12.2 y 64 kbps en modo circuito y de 64, 144 y 384 kbps en modo paquete. En fases más avanzadas se ofrecieron adicionalmente servicios portadores en modo circuito de 144 y 384 kbps y de 768 y 1920 kbps en modo paquete. Estas velocidades tan elevadas en modo paquete se consiguen mediante la adición de canales a 384 kbps. Así, para la obtención de 768 kbps en modo PS se ofrecían de forma transparente al usuario 2 canales de 384 que se transmiten independientemente, del mismo modo, para ofrecer tasas de 1920 kbps se le ofrecían 5 canales de 384 kbps.

En un principio se pensó que la mayor parte del tráfico UMTS sería tráfico de voz y donde no todas las funciones de QoS estuvieran definidas, por lo que servicios como la voz o videotelefonía se transportaban sobre circuitos conmutados CS. En etapas posteriores de desarrollo, viendo el aumento continuado del tráfico de datos, se produjo la introducción progresiva en las redes UMTS de servicios de voz sobre paquetes hasta llegar al concepto conocido como “All IP” donde todos los servicios y aplicaciones disponibles se transmitían en modo PS mediante la definición de distintas funciones de QoS específicas para cada servicio.

• Clasificación de los Servicios: Las aplicaciones y servicios definidos para el sistema UMTS se dividen en diferentes grupos. La clasificación se ha realizado atendiendo a la calidad de servicio (QoS) requerida por cada servicio definiéndose así 4 clases o tipos de servicio cuyo principal factor diferenciador es la sensibilidad al retardo de transferencia: Conversacional, Streaming, Interactiva y Background. Los servicios definidos en clase conversacional serán los más sensibles al retardo, mientras que los definidos sobre la clase background serán los menos afectados:

Figura 2.23 Clasificación de servicios UMTS

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Veamos cada uno de ellos:

o Clase Conversacional: Orientada a servicios en tiempo real, como telefonía o videotelefonía principalmente, donde la información transmitida es muy sensible a los retardos. Los servicios de esta clase se ofrecen sobre circuitos conmutados CS, similar al que se ofrece en las redes GSM. Los servicios definidos sobre la clase conversacional se caracterizan por un tiempo de transferencia muy bajo. Los valores límite vienen dados por la percepción humana, y se exige que las variaciones de retardo sean mínimas para que no sean perceptibles. Generalmente en estas aplicaciones no es necesario mantener la integridad de los datos, pues el hecho de retransmitir un paquete erróneo introduciría mucho retardo en el sistema y desde un punto de vista de calidad, es preferible descartar un paquete de voz erróneo que retrasar el flujo de datos para esperar a recuperarlo. Es la única clase de servicio de las cuatro definidas, cuyas restricciones vienen impuestas directamente por la percepción humana.

o Clase Streaming: El modelo o patrón de flujo (stream) en tiempo real corresponde a aplicaciones multimedia basadas en técnicas de transferencia de datos que pueden ser procesadas como flujos estáticos y continuos. Las aplicacionesstreaming son muy asimétricas y son menos sensibles al retardo que los servicios descritos para clase conversacional. Se trata en general de servicios unidireccionales. Mediante el streaming, el navegador cliente accede a un servidor streaming y puede comenzar a mostrar parte de los datos antes que el fichero completo haya sido transmitido. El navegador cliente recibe los datos y debe ser capaz de realizar la concatenación y consolidación de los mismos para su procesado y conversión en música o imágenes. Los principales productos que necesitan los servicios de la clase streaming son el web broadcasting y los servicios bajo de demanda. Los servicios de web broadcasting proporcionan radio y televisión a través de Internet. Un ejemplo de servicio bajo demanda puede ser la conexión a un distribuidor de música en el móvil.

o Clase interactiva: Dentro de esta clase se encuentran las aplicaciones en las que el usuario final, ya sea una persona o una máquina, se encuentra conectado solicitando datos desde un equipo remoto. Las aplicaciones típicas que soportan este tipo de tráfico serán los servicios de navegación web, el acceso a bases de datos, las transacciones de comercio electrónico, oficina móvil y conexión a Intranets, los juegos interactivos por Internet o aplicaciones basadas en localización. Entre las características fundamentales de este tipo de servicios destaca el que respondan a un modelo o patrón petición-respuesta en el que en el extremo desde el que se ha realizado la solicitud hay una entidad que espera la respuesta en un cierto plazo de tiempo. Otra de las características es que el contenido de los paquetes debe transferirse de forma transparente, es decir, con tasas de bit erróneo bajas.

o Clase Background: En este caso el usuario final envía y recibe ficheros de datos en background (en segundo plano). Las principales aplicaciones que se enmarcan dentro de esta clase serán e-mail, postales electrónicas, descarga de bases de datos, envío de datos a servidores… y en general cualquier aplicación que no requiera de una transmisión inmediata y que pueda soportar retrasos de transferencia superiores a segundos o incluso a minutos. Este tipo de tráfico es de naturaleza asimétrica y necesita una transmisión fiable donde se mantenga la integridad de los datos.

Arquitectura del sistema UMTS

Desde su mismo inicio UMTS fue concebido para ser compatible con GSM y constituir su evolución hacia la 3G. Por este motivo, la arquitectura de los sistemas de tercera generación no presenta grandes diferencias con la de los sistemas precedentes GPRS. En este entono, el despliegue conjunto de la red para UMTS con la red existente de los sistemas de segunda generación, posibilitó el uso de Core Networks ya existentes en los sistemas 3G.El esquema básico de la arquitectura UMTS es el que se muestra en la figura 2.24:

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Figura 2.24 Esquema básico de la arquitectura UMTS

Los elementos que forman parte del esquema son los siguientes:

• Terminal de usuario (UE -User Equipment): es el conjunto de elementos que permiten que el usuario final pueda hacer uso del interfaz radio.

• UTRAN (UMTS -Terrestrial Radio Access Network): se encarga de toda la funcionalidad radio del sistema.

• Red Troncal (CN -Core Network): parte fija de la red, que posibilita la interconexión de UTRANs y/o la conexión a redes externas.

En la figura 2.25 se observan los componentes, de los anteriores elementos de red, así como los interfaces definidos por el 3GPP, que son los puntos de unión entre los diferentes elementos [18]:

Figura 2.25 Elementos de la red UMTS y sus conexiones para la transferencia de datos

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Veamos en más detalle los diferentes elementos:

• El terminal de usuario (UE): Consiste en dos partes, Equipo Móvil (ME), el cual es la parte radio que permite la radiocomunicación y Módulo de identidad de UsuarioUMTS (USIM – UMTSSubscriber Identity Module) que es la tarjeta que contiene información sobre la identidad del usuario, realiza las tareas de autentificación y guarda las claves necesarias para autentificación y encriptado.

• Red de acceso radio (UTRAN): Consta de uno o más subsistemas RNS (Radio Network Subsystem). Cada RNS cubre un conjunto de células UMTS, siendo el responsable de la gestión de los recursos asociados a ellas. Así pues, un RNS está formado por un controlador RNC (Radio Network Controller) y un conjunto de estaciones base (Nodos B).

• Interfaz RNC – Nodo_B(Iub): Es la interfaz entre un Nodo_B y su RNC. El RNC puede indicar al Nodo_B mediante este enlace que establezca o libere los enlaces radio en el área de cobertura del grupo de celdas que el nodo controla.

• Interfaz RNC – RNC (Iur): Es la interfaz existente entre dos RNC pertenecientes a la red de acceso UTRAN. Permite liberar al Núcleo de Red de las decisiones relativas a traspasos entre celdas adscritas a RNC diferentes. En esta interfaz se sitúa la gestión de la movilidad de las conexiones radio dentro de la red de acceso.

• Interfaz radio (Uu): Esta interfaz supuso la verdadera revolución de UMTS, ya que en el tramo radioeléctrico se optó por una técnica de acceso múltiple DS-CDMA, frente a la TDMA utilizada en 2G.

• Interfaz Núcleo de Red – RNC (Iu): Es el punto de conexión entre el subsistema de red radio (RNS) y el núcleo de red. Se estructura en tres componentes separadas, cada una destinada a un dominio concreto del núcleo de red:

o Iu-CS: Conmutación en modo circuito, por donde se encaminan las conexiones en este modo.

o Iu-PS: Conmutación en modo paquete.

o Iu-BC: Difusión.

• Núcleo de Red (Core Network): El núcleo de red incorpora funciones de transporte y de inteligencia. Las funciones de transporte soportan el transporte de la información de tráfico y señalización, incluida la conmutación. Las funciones de inteligencia incluyen prestaciones como el encaminamiento y la gestión de la movilidad. A través del núcleo de red, UMTS se conecta con otras redes de telecomunicación, de forma que resulte posible la comunicación no sólo entre usuarios móviles de UMTS, sino también con los que se encuentran conectados a otras redes. En una primera fase de UMTS, el núcleo de red se configura en dos dominios: de conmutación de circuitos CS y de paquetes PS. A través del modo CS se encaminarán los tráficos de voz y datos en modo circuito, mientras que el PS haría lo propio con datos en modo paquete.

Los elementos del núcleo de red son los siguientes:

• Registro de Localización en zona habitual (HLR – Home Location Register): Es una base de datos que guarda los perfiles de los usuarios que generalmente se encuentran en esa zona. También se encarga de almacenar la posición de sus usuarios (referenciando a una MSC, VLR o SGSN), cuando no se encuentran en la zona. Esto sirve para enrutar las llamadas hacia el terminal cuando no se encuentra en la zona propia.

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• Centro de Conmutación y Registro de Localización de Visitantes (MSC/VLR–Mobile Services Switching Center / Visitor Location Register): Son el conmutador y la base de datos que sirven al usuario en una zona no habitual, para servicios de conmutación de circuitos. El VLR guarda una copia del perfil de usuario obtenida del HLR.

• GMSC (Gateway MSC): Es el punto del conmutador donde la red se conecta a redes externas. Utilizado por servicios de conmutación de circuitos.

• SGSN (Serving GPRS Support Node): Debido a que UMTS está basado en la red GSM el dominio PS es un sistema GPRS (Servicio General de Radio por Paquetes) evolucionado formado por SGSN(Nodo de Soporte de Servicio GPRS) y GGSN (Nodo de Soporte de Pasarelas GPRS). Utilizando estos nodos el UE puede establecer una conexión a través de la red GSM hasta una red de paquetes externa, Internet. El SGSN que en 3G comparte la gestión de la movilidad (MM: Mobility Management) con el RNC hace, que no todos los cambios de celda que realiza el abonado en una UTRAN sean visibles en el dominio PS, aunque sea el RNC el que gestione estas situaciones.

Conceptos teóricos de acceso radio UMTS

En este punto, se explican los diferentes tipos de técnicas de acceso al medio, técnicas de duplexado y técnica de ensanchamiento estandarizadas en UMTS.

• Técnica de acceso radio: La principal tecnología radio empleada en las redes UMTS es WCDMA, es decir, el Acceso Múltiple por División de Código de Banda Ancha, en concreto en su variante Dúplex por División de Frecuencia (FDD).

La tecnología WCDMA utiliza la técnica de Espectro Ensanchado por Secuencia Directa (DSSS). Supongamos que se emite una señal radioeléctrica desde un Nodo_B a hacia un UE. En el Nodo_B la señal transmitida con una velocidad V se ensancha a lo largo de la banda ancha, originando una señal de espectro ensanchado con un ancho de banda W. En el móvil la señal recibida se multiplica por una réplica de la señal generada localmente. Entonces si la réplica se sincroniza con el código o también llamado señal de espectro ensanchado, el resultado será la señal original más, posiblemente, algunos componentes falsos de frecuencias más altas que no forman parte de la señal original y que por tanto pueden filtrarse fácilmente. Si se presenta alguna señal no deseada en el UE, el efecto que el ensanchamiento tenga sobre ella, será el mismo que la señal original, es decir, la ensanchará hasta el ancho de banda de la señal.

Figura 2.26Técnica de espectro ensanchado por secuencia directa

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Este proceso básico ofrece al WCDMA robustez, flexibilidad, resistencia a las interferencias y solidez contra las interferencias intencionadas (jamming) y las intercepciones ajenas.

Dado que ambas señales están formadas por bits, es necesario diferenciarlas:

o En la interfaz aérea la información se transmite en forma de símbolos. Antes de la modulación, el flujo de datos formado por bits pasa por un proceso de codificación de canal, de codificación convolucional y adaptación a la velocidad. En el caso del método WCDMA-FDD en concreto, un símbolo transmitido en dirección ascendente equivale a un bit; mientras que un símbolo transmitido en dirección descendente es igual a 2 bits, debido a que se utilizan métodos de modulación en cada sentido.

o Un bit de la señal de código utilizada para la multiplicación de la señal es un chip:

Figura 2.27 Bits, chips y símbolos

La velocidad binaria del código utilizado para el ensanchamiento de la señal original es de 3,84 Mbps. Es conocida como Tasa de Chip del Sistema (SCR) y se expresa como 3,84 Mchip/s.

Figura 2.28Difusión y ganancia de procesamiento

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• Canales radioeléctricos: El acceso radio WCDMA asigna un ancho de banda a los usuarios y de la gestión de ese ancho de banda asignado y de sus funciones de control se encargan los canales. La funcionalidad implementada a través de WCDMA define qué tipos de canales son necesarios y cómo deben organizarse. La organización de los canales empleada en WCDMA se divide en tres capas: los canales lógicos, los canales de transporte y los canales físicos. Los canales lógicos describen el tipo de información transmitida, los canales de transporte describen cómo se transfieren los canales lógicos y por último los canales físicos son los medios que proporcionan la plataforma radioeléctrica y a través del cual se transmitirá la información.

Figura 2.29Canales radioeléctricos

A grandes rasgos la red tiende a realizar estas tareas:

o Informar al UE sobre el entorno radioeléctrico. La red facilita al UE esta información a través del canal lógico conocido como Canal de Control de Difusión (BCCH).

o Cuando surge la necesidad de establecer una comunicación con un UE concreto, es necesario emplear el servicio pagingpara determinar la posición exacta del UE. Esta solicitud de red se entrega por el canal lógico denominado Control de Paging o radiobúsqueda (PCCH).

o La red puede tener que realizar ciertas tareas que pueden ser comunes a todos los UE que residen en esa celda. Con este fin la red utiliza un canal lógico denominado Canal de Control Común (CCCH).

o Ante una conexión activa dedicada, la red envía información de control sobre esta conexión a través del Canal de Control Dedicado (DCCH).

o El tráfico de usuarios dedicado para un servicio de usuario en dirección descendente se envía a través del canal lógico llamado Canal de Tráfico Dedicado (DTCH).

o El Canal de Tráfico Común (CTCH) es un canal unidireccional (descendente) utilizado para transmitir información a todos los UE de una celda o a un grupo específico de los mismos.

Los canales de transporte correspondiente son: Canal de Difusión (BCH), Canal de Paging (PCH), Canal de Acceso Directo (FACH) y Canal Dedicado (DCH). Además, está el canal compartido descendente (DSCH) y el DSCH de alta velocidad (HS-DSCH).

En sentido ascendente sólo hay tres canales lógicos, el CCCH, el DTCH y el DCCH y otros tres canales de transporte: el Canal de Acceso Aleatorio (RACH), el DCH y el Canal de Paquetes Común (CPCH).

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El RACH transporta información de control y puede transformar pequeñas cantidades de datos por paquetes. El DCH es igual que en el enlace descendente, es decir, un canal de transporte dedicado que opera con información de DCCH y DTCH. El CPCH es un canal de transporte común destinado a la transmisión de datos por paquetes. Podría decirse que es una extensión del RACH y que su homólogo en sentido descendente es el FACH.

Cuando se recopila información de los canales lógicos y se organizan para que los canales de transporte, la utilicen, se hace en formato listo para transferir. Antes del inicio de la transmisión, unos canales físicos organizan los canales de transporte. Los demás canales físicos presentes se emplean para el control, la modificación y el acceso a los medios radioeléctricos físicos.

Los canales físicos se encuentran entre el UE y el Nodo_B:

o El Canal de Control Físico Común Primario (P-CCPCH) transporta el BCH en sentido descendente y se presenta se forma que todos los terminales de un área de cobertura celular puedan demodular su contenido.

o El Canal de Control Físico Común Secundario (S-CCPCH) incluye dos canales de transporte el PCH y el FACH. Estos canales pueden utilizar el mismo S-CCPCH o uno distinto, por lo que una celda siempre contiene al menos un S-CCPCH. Una de las alternativas de configuración del S-CCPCH para aumentar el rendimiento es multiplexar la información del PCH junto con el FACH al S-CCPCH y las indicaciones de paging relacionadas con el PCH enviarlas en un canal físico diferente llamado Canal de Indicador de Búsqueda (PICH).

o El Canal de Datos Físico Dedicado(DPDCH) se encarga del tráfico dedicado de usuario. Los canales físicos dedicados se asignan siempre por pares a una conexión: un canal para la transferencia de la información de control y otro para tráfico propiamente dicho. El Canal Común Físico Dedicado (DPCCH) transfiere información de control durante la conexión dedicada. En dirección descendente el DPDCH que transporta datos de usuario y el DPCCH, se multiplexan en el tiempo. Juntos transportan el contenido del canal de transporte DCH.

o El Canal Compartido Físico Descendente(PDSCH) contiene el canal de transporte DSCH.

• Controlador de la Red Radioeléctrica:El RNC es el elemento de conmutación y de control de la UTRAN y se ubica entre las interfaces lub e lu. Además, tiene una tercera interfaz, la Iur, utilizadas para las conexiones establecidas entre Subsistemas de la Red Radioeléctrica (RNS).

Las funciones del RNC pueden dividirse en dos:

o La Gestión de Recursos Radioeléctricos (RRM), que consiste en el conjunto de algoritmos utilizados para garantizar la estabilidad del trayecto de radio y la QoS de la conexión radio mediante una gestión y un uso compartido y eficiente de los recursos radioeléctricos.

o Las funciones de control de la UTRAN, que son todas las relacionadas con el establecimiento, el mantenimiento y la liberación de servicios RB (conexiones de radio entre el UE y el RN C que transmiten datos de usuario), incluyendo las funciones de soporte de los algoritmos de la RRM.

• Gestión de Recursos Radioeléctricos (RRM):La RRM se sirve de varios algoritmos con el propósito de estabilizar el trayecto radio y conseguir que cumpla así los requisitos de QoS definidos por el servicio que lo está utilizando.

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Asegura el equilibrio entre capacidad, cobertura y calidad: con tantos usuarios como sea posible, gestionará los recursos de tal manera que se pueda alcanzar la mínima calidad requerida.

Los algoritmos RRM deben enviar información a través del trayecto radio, el cual recibe el nombre de UTRA. El protocolo de control utilizado con esta finalidad es el protocolo de Control de Recursos Radioeléctricos (RRC).

• Control de traspasos (Handover control):El traspaso es uno de los principales medios utilizados para garantizar la movilidad del usuario en las redes de comunicaciones móviles. Gracias a esta función es posible mantener la conexión de tráfico mientras el abonado se está desplazando. El concepto básico es muy sencillo, cuando el abonado cambia del área de cobertura

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