4G Estado del Arte

Universidad de Santiago de Chile
Departamento de Ingeniería Eléctrica
Postítulo en Telecomunicaciones y Redes
“4G, Estado del Arte”
Carlos Manosalva Uhart
Santiago - 2010
“Telefonía Celular 4G, Estado del Arte”
Índice
1. Introducción y Objetivos
3
2. Los orígenes (0G)
3
2.1 Primera Generación (1G)
2.2 Segunda Generación (2G)
2.3 Tercera Generación (3G)
3. Cuarta Generación (4G)
3
4
4
5
3.1 Introducción
5
3.2 Requisitos para 4G
6
3.2.1 Acceso de banda ancha móvil y eficiencia de ancho de banda
3.2.2 Alta capacidad de red
3.2.3 Conectividad y roaming a través de redes heterogéneas
3.2.4 Alta calidad de servicio
3.3 Desarrollo y estado de las normas
3.3.1 WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access)
3.3.2 LTE (Long Term Evolution)
3.4 Especificaciones técnicas
3.4.1 Downlink
3.4.2 Uplink
3.4.3 Técnicas de Acceso
3.4.3.1 OFDMA
3.4.3.2 SC-FDMA
3.5 Arquitectura de red LTE
3.5.1 Arquitectura básica del sistema
3.5.1.1 User Equipment (UE)
3.5.1.2 E-UTRAN Nodo B (eNodeB)
3.5.1.3 Mobility Management Entity (MME)
3.5.1.4 Serving Gateways (S-GW)
3.5.1.5 PDN Gateway (PDN-GW)
3.5.1.6 Policy and Charging Resource Function (PCRF)
3.5.1.7 Home Subscription Server (HSS)
6
6
6
6
6
7
7
8
8
9
9
9
10
10
12
12
13
13
13
14
15
15
1
“Telefonía Celular 4G, Estado del Arte”
3.5.2 Soporte QoS IP
4. El Futuro: 5G, 6G y 7G
4.1 Quinta Generación (5G)
4.2 Sexta Generación (6G)
4.3 Séptima Generación (7G)
15
16
16
16
16
5. Conclusiones
17
6. Referencias
18
7. Anexos
19
2
“Telefonía Celular 4G, Estado del Arte”
1. Introducción y Objetivos
El presente trabajo tiene como objetivo establecer el estado del arte de las
comunicaciones móviles de cuarta generación (4G).
Para comenzar, necesariamente se expone una breve mirada a la evolución de las
tecnologías móviles hasta nuestros días (0G, 1G, 2G, y 3G).
A continuación, y como tema principal el trabajo se enfoca en los conceptos que definen
4G, sus requerimientos normativos, métodos de acceso, y la presentación de la
arquitectura LTE (Long Term Evolution). Sólo se considera una mirada superficial a la
tecnología WIMAX ya que esta es desarrollada en un nuevo trabajo del programa.
Por último, se plantea un pequeño desarrollo de los escenarios futuros de las
comunicaciones móviles durante los próximos años (5G, 6G y 7G).
2. Los orígenes (0G)
Los orígenes de la telefonía móvil se remontan a los inicios de la Segunda Guerra
Mundial, durante esos años, Motorola creó un equipo llamado Handie Talkie H12-16,
que permitía el contacto con las tropas vía ondas de radio cuya banda de frecuencias
en ese tiempo no superaban los 60 MHz.
Ya a principios de los 70’s en Estados Unidos, Martín Cooper, también de Motorola, fue
el pionero en introducir el primer teléfono móvil, conocido como Dyna-Trac, en 1973,
razón por la cual es considerado como "El padre de la telefonía celular”. Pero no fue
hasta 1979 cuando aparecieron los primeros sistemas comerciales en Tokio, Japón, por
la compañía NTT (Nippon Telegraph and Telephone Corporation) [1]. Recién en 1982 la
FCC de Estados Unidos aprobó el lanzamiento del primer sistema móvil comercial por
parte de la empresa Ameritech.
Para separar una etapa de la otra, la telefonía celular se ha caracterizado por contar
con diferentes generaciones. A continuación, se describe cada una de ellas.
2.1 Primera Generación (1G)
La Primera Generación de comunicaciones móviles esta basada en FDMA (Frequency
Division Multiple Access) y se caracteriza por se analógica y estrictamente para voz. La
tecnología predominante de esta generación es AMPS (Advanced Mobile Phone
System) usada principalmente en los Estados Unidos [1].
Algunos otros estándares de primera generación fueron el NMT (Nordic Mobile
Telephone), usado inicialmente en los países Nórdicos, Holanda, Europa del Este y
Rusia; TACS (Total Access Communications System) en el Reino Unido; C-450 en
Alemania Oriental, Portugal y el Sur de África; Radiocom 2000 en Francia y RTMI en
3
“Telefonía Celular 4G, Estado del Arte”
Italia. En Japón se implementaron múltiples sistemas, principalmente tres estándares,
TZ-801, TZ-802, TZ-803, desarrollados por NTT [2].
2.2 Segunda Generación (2G)
Se conoce como 2G a la segunda generación de sistemas de comunicación móvil. 2G
no es un estándar o un protocolo en si mismo, sino más bien una forma de marcar el
cambio de comunicación móvil analógica a digital [3], con la incorporación de TDMA
(Time Division Múltiple Access). 2G arribó alrededor de 1990 y su desarrollo derivó de
la necesidad de poder manejar un mayor manejo de llamadas en prácticamente los
mismos espectros de frecuencia.
Las tecnologías predominantes son: GSM (Global System por Mobile Communications),
IS-136 (conocido también como TIA/EIA136 o ANSI-136), CDMA (Code Division
Multiple Access) y PDC (Personal Digital Communications), éste último utilizado en
Japón. En Estados Unidos y otros países a 2G se la conoce también como PCS
(Personal Communication Services).
2G, a fin de satisfacer un mayor requerimiento en las tasas de transmisión de datos,
evolucionó a partir de 3 actualizaciones de TDMA: High Speed Circuit Switched Data
(HSCSD), General Packet Radio Service (GPRS) y Enhanced Data Rate para GSM
Evolution (EDGE), estos últimos categorizados comercialmente como 2.5 y 2.75G
respectivamente y que se caracterizan por incorporar nodos de conmutación de
paquetes (Packet-Switched) a los ya existentes nodos de conmutación de circuitos
(Circuit-Switched) [4].
2.3 Tercera Generación (3G)
Los sistemas de comunicaciones móviles 3G se caracterizan por la convergencia de
voz y datos con acceso a Internet; en otras palabras, es apta para aplicaciones
multimedia y altas tasas de transmisión de datos [5].
Los sistemas de este estándar son básicamente una mejora lineal de los sistemas 2G y
al igual que sus evoluciones intermedias, está basado en una infraestructura de
backbone paralela, consistente por un lado en nodos de conmutación de circuitos y por
otro lado en nodos de conmutación de paquetes (Circuit-Switched and Packet-Switched
Domains) [4].
La International Telecommunication Union (ITU) definió las demandas de las redes 3G
bajo el estándar IMT-2000. Este sistema se desarrollo principalmente bajo las
tecnologías UMTS (Universal Mobile Telecommunications System) usando WCDMA
como sucesora 3G de GSM [7].
4
“Telefonía Celular 4G, Estado del Arte”
3. Cuarta Generación (4G)
3.1 Introducción
4G son las siglas de la cuarta generación de los sistemas de comunicación móvil y está
basada totalmente en IP, siendo considerada un sistema de sistemas y una red de
redes. 4G se utiliza en un sentido amplio para definir varios tipos de acceso móvil de
banda ancha, no sólo sistemas de telefonía celular, para proveer velocidades de acceso
entre 100 Mbps y 1 Gbps tanto Indoor como outdoor, con alta calidad de servicio (QoS)
y óptima seguridad [4][6], permitiendo la oferta de servicios de cualquier clase en
cualquier momento y en cualquier lugar, con el mínimo costo posible.
Tabla1. Tabla comparativa, 1G a 4G [8]
Estas redes de nueva generación necesitarán desarrollar servicios para todos los tipos
de terminales, los cuales se moverán entre redes fijas (Fibra Óptica, DSL, Cable) y
distintas tecnologías de acceso móvil (basadas en 3GPP, 3GPP2 e IEEE)
5
“Telefonía Celular 4G, Estado del Arte”
3.2 Requisitos para 4G
Los estándares 4G deben cumplir los siguientes requisitos [6]
3.2.1 Acceso de banda ancha móvil y eficiencia de ancho de banda
4G esta principalmente centrado en el tráfico de datos. Esto se deduce de la tendencia
e incremento del tráfico de datos en comparación al tráfico de voz durante la evolución
de las distintas generaciones de las comunicaciones móviles antes vistas.
3.2.2 Alta capacidad de red
El estándar 4G requiere una alta capacidad de red conseguida a través del uso eficiente
de múltiples técnicas de acceso unido a avanzados sistemas de antenas (Smart or
Intelligent Antennas).
3.2.3 Conectividad y roaming a través de redes heterogéneas
Para sostener la idea de ubicuidad, el estándar 4G debe proveer los medios para
proporcionar conectividad y handover a través de redes heterogéneas, es decir redes
de diferentes tamaños y funcionalidades. Los handover verticales y horizontales son
críticos a fin de permitir una adecuada transición a 4G con el objeto de garantizar su
adecuada masificación y viabilidad comercial.
3.2.4 Alta calidad de servicio
Permitiendo un adecuado soporte para las aplicaciones multimedia (audio en tiempo
real, datos de alta velocidad, HDTV, televisión móvil, etc.)
3.3 Desarrollo y estado de las normas
A fin de habilitar la Internet móvil, la ITU lanzó la iniciativa IMT-Advanced con el
propósito que las organizaciones de normalización realizaran propuestas de
comunicación en materia de tecnologías 4G. Las propuestas recibidas están basadas
principalmente en dos tecnologías: WIMAX, referida a la familia de normas IEEE
802.16, y Long-Term Evolution (LTE), desarrollado por la 3GPP [9].
La siguiente figura muestra la evolución de las normas WIMAX y LTE.
6
“Telefonía Celular 4G, Estado del Arte”
Figura 1. Desarrollo y evolución de las normas LTE y WIMAX [9]
3.3.1 WIMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access)
IEEE desarrolló los estándares IEEE 802.16, que comprenden en particular IEEE
802.16-2004, la primera norma WIMAX importante para acceso fijo. Luego, esta fue
sustituida por la norma IEEE 802.16e-2005, conocida como WIMAX móvil, conteniendo
disposiciones de acceso fijo y móvil. En octubre de 2009, el grupo de trabajo IEEE
802.16 presentó su propuesta basada en la norma en IEEE 802.16m, que mejora la
IEEE 802.16e-2005 para satisfacer los requerimientos del IMT-Advanced.
El WIMAX Forum, que cuenta con más de 300 empresas asociadas de la industria de la
informática y las telecomunicaciones, certifica la interoperabilidad de productos WIMAX
de diversos proveedores y ha trabaja para asegurar y garantizar el espectro de
frecuencia necesario para su implementación.
3.3.2 LTE (Long Term Evolution)
La norma LTE fue desarrollada por 3GPP a partir de HSPA (High Speed Packet
Access). El desarrollo de la norma LTE comenzó en 2005 y dio lugar a las
especificaciones para el Evolved Packet Core (EPC) y una nueva forma de acceso de
radio denominada Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network (E-UTRAN) [10].
Todo esto se conoce oficialmente como "3GPP Release 8”.
7
“Telefonía Celular 4G, Estado del Arte”
LTE Versión 8 casi logra la plena conformidad con los requisitos de IMT-Advanced, por
lo que algunos la han denominado 3.9G. En septiembre de 2009, 3GPP presentó su
propuesta LTE-Advanced para IMT-Advanced, oficialmente llamado "3GPP Release 10"
En diciembre de 2009, el operador de telecomunicaciones sueco TelioSonera lanzó el
primer despliegue comercial de LTE en Estocolmo, Suecia y Oslo. La red de Estocolmo
fue suministrada por Ericsson, mientras que la red de Oslo fue suministrada por
Huawei. Los módems fueron suministrados por Samsung.
3.4 Especificaciones técnicas
Tanto LTE y WIMAX hacen uso de la técnica de acceso OFDMA (Orthogonal
Frequency Division Multiple Access) en el downlink, pero no así en el uplink.
La siguiente tabla muestra las especificaciones técnicas para LTE y WIMAX
Tabla 2. Especificaciones técnicas para LTE y WIMAX [9]
3.4.1 Downlink
Si bien OFDMA es considerada ineficiente en términos de potencia, es utilizado en
downlink debido a que el amplificador de potencia se coloca en la estación base (o en el
8
“Telefonía Celular 4G, Estado del Arte”
e-Nodo-B en la terminología 3GPP) en donde la potencia está asegurada, y los
terminales móviles comparten con ella muchas de sus la complejidades adicionales. Sin
embargo, en el uplink, en inicio de transmisiones se realizan desde los dispositivos
móviles, los cuales sólo funcionan con baterías [9]
Un aumento de la capacidad en las redes OFDMA puede lograrse mediante el uso de
múltiples antenas, tanto en el emisor como en el receptor. Las antenas MIMO (MultipleInput Multiple-Output) por ejemplo, aprovechan las características multipath en la
propagación de ondas UHF para incrementar la tasa de transmisión y reducir la tasa de
error. En breves palabras MIMO aumenta la eficiencia espectral de un sistema de
comunicación móvil por medio de la utilización del dominio espacial.
3.4.2 Uplink
WIMAX continúa utilizando OFDMA, pero las especificaciones 3GPP para LTE
proponen una reducción del parámetro PAPR (Peak to Average Power Ratio) para la
señal uplink. Este modelo de transmisión usado por LTE para uplink es una versión no
codificada de OFDMA llamado SC-FDMA (Single Carrier - Frecuency Division Multiple
Access), el cual facilita al terminal móvil mantener una transmisión de señal de alta
eficiencia utilizando su propio amplificador de potencia. El uplink LTE logra esta
propiedad y ahorra energía sin degradar la flexibilidad del sistema o su rendimiento. Un
bajo valor de PAPR da como resultado una mejor cobertura y mejores rendimientos en
las celdas extremas.
Figura 2. Esquemas de acceso para LTE [11]
3.4.3 Técnicas de acceso
3.4.3.1 OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiplexing Access) [11][12]
OFDMA es una técnica de multiplexación que consiste en enviar un conjunto de ondas
portadoras de diferentes frecuencias, donde cada una transporta información modulada
digitalmente. Los canales de banda estrecha de OFDMA son ortogonales entre sí, lo
9
“Telefonía Celular 4G, Estado del Arte”
que evita el uso de bandas de guarda, proporcionando un uso eficiente del espectro. La
multiplexación de portadoras OFDMA es muy robusta frente al multipath, siendo capaz
de recuperar la información de entre las distintas señales que llegan con distintos
retardos y amplitudes que llegan al receptor.
OFDMA soporta diferentes bandas de frecuencias portadoras (1,4 a 20 MHz) tanto en
en FDD (Frecuency Division Duplex), como en TDD (Time División Duplex) proveyendo
gran flexibilidad a los operadores para el uso de sus actuales y futuros espectros de
frecuencia.
En OFDM se transmiten “M” símbolos en paralelo, repartiendo el ancho de banda entre
ellos y en donde cada símbolo tiene una duración igual al tiempo de símbolo.
3.4.3.2 SC-FDMA (Single-Carrier FDMA) [11][12]
Como ya vimos anteriormente, en uplink, 3GPP utiliza SC-FDMA como técnica de
acceso múltiple, tanto para FDD como TDD. La forma básica de SC-FDMA puede ser
vista con similitud a la modulación QAM, donde cada símbolo es enviado uno a la vez,
de manera similar a TDMA.
En SC-FDMA se transmiten “M” símbolos secuencialmente, cada uno ocupando todo el
ancho de banda disponible y con una duración igual a una parte del tiempo de símbolo.
Figura 3. OFDMA y SC-FDMA [11]
10
“Telefonía Celular 4G, Estado del Arte”
3.5 Arquitectura de red LTE
Cuando la evolución de la interfaz de radio para 4G comenzó, pronto quedó claro que la
arquitectura del sistema también debía ser desarrollada.
Fig. Arquitectura general 2G, 3G, 4G (LTE) [10]
En el plano de usuario (User Plane, UP) del Evolved Packet System (EPS) sólo hay dos
tipos de nodos (Estaciones Base y Gateways), mientras que en las actuales jerarquías
de red existen cuatro tipos (Nodo B, RNC, SGSN, GGSN).
El Gateway consiste en dos entidades User Plane lógicas: El Serving Gateway (S-GW)
y el Packet Data Network Gateway (PDN-GW), llamados en su conjunto el SAEGW. Esta arquitectura plana, con menos nodos involucrados, ayuda a reducir latencias
y mejorar los rendimientos.
Otra simplificación es la separación del Control Plane, con un elemento de red de
gestión de movilidad independiente. Esta nueva arquitectura ha sido denominada
System Architecture Evolution (SAE)
11
“Telefonía Celular 4G, Estado del Arte”
Los conceptos y la arquitectura LTE-SAE han sido diseñados para soportar
eficientemente la utilización masiva de cualquier servicio basado en IP. La arquitectura
esta basada en una evolución de la actual red CORE GSM/WCDMA, con operaciones
simplificadas y una implementación fluida y eficiente en costos.
Por otra parte, ya se iniciaron los trabajos entre el 3GPP y 3GPP2 (el organismo de
normalización CDMA) para optimizar el trabajo entre CDMA y LTE-SAE. Esto significa
que los operadores CDMA podrán evolucionar sus redes a LTE-SAE y disfrutar de las
economías de escala y volúmenes globales que han sido tan beneficiosas para GSM y
WCDMA.
3.5.1 Arquitectura básica del sistema [13][14]
Figura 4. Arquitectura de red LTE [14]
3.5.1.1 User Equipment (UE)
UE es el dispositivo que el usuario final utiliza para comunicarse. Normalmente se trata
de un dispositivo de mano como un teléfono inteligente o una tarjeta de datos, como las
utilizadas actualmente en 2G y 3G.
Un equipo LTE utiliza también una tarjeta USIM (Universal Subscriber Identity Module).
La USIM es una aplicación guardada una tarjeta inteligente (Smart Card) extraíble
llamada Universal Integratde Circuit Card (UICC), y es usada para identificar y
autentificar al usuario, y para deducir las claves de seguridad y proteger la transmisión
de la interfaz de radio.
12
“Telefonía Celular 4G, Estado del Arte”
3.5.1.2 E-UTRAN Nodo B (eNodeB)
El único nodo en eUTRAN es el eUTRAN Nodo-B (eNodeB). Se trata de la estación
base que está en control de todas las funciones de radios relacionadas a la parte fija del
sistema. Un hecho destacable es que la mayoría de los protocolos implementados hoy
en día para el Radio Network Controller (RNC) se trasladan al eNodeB.
El eNodeB también es responsable de compresión de cabecera, cifrado y la entrega
confiable de paquetes. En el User Plane, funciones tales como la admisión, control y
gestión de los recursos de radio también se han incorporado en el eNodeB. Como
beneficios de esta fusión se logra una menor latencia, debido a que existen menos
saltos en la ruta de comunicación, y una distribución de la carga de procesamiento del
RNC.
3.5.1.3 Mobility Management Entity (MME)
El MME es la entidad encargada de la gestión de movilidad de los usuarios, y sólo
implica señalización, por lo tanto los paquetes IP del usuario no pasan por él. Por otro
lado, el MME también realiza la autenticación y autorización, el seguimiento del usuario
en modo IDLE, de la seguridad de las negociaciones, y de la señalización del Network
Arquitecture Specific (NAS). Una ventaja de un elemento de red independiente para
la señalización es que los operadores puedan crecer independientemente en sus
capacidades de tráfico y señalización.
3.5.1.4 Serving Gateways (S-GW)
El S-GW es la parte de la infraestructura de red que se mantiene en los centros de
operación. En la configuración de la arquitectura básica del sistema, la función de más
alto nivel del S-GW es la gestión de canalización y conmutación del User Plane.
El S-GW tiene un papel muy secundario en las funciones de control. Es responsable de
sus propios recursos, y los asigna sobre la base de las solicitudes de las demás
entidades de la red, tales como MME, PDN-GW, o PCRF que a su vez actúan según la
necesidad de establecer, modificar o liberar las portadoras para el UE.
Si la solicitud fue recibida por el PDN-GW o PCRF, el S-GW retransmitirá el comando
hacia el MME de manera que pueda controlar el canal para el eNodeB. Del mismo
modo, cuando el MME inicia una solicitud, el S-GW señaliza hacia el PDN-GW o hacia
el PCRF.
Durante handover entre eNodeBs, el S-GW actúa soporte local de movilidad. El MME
comanda al S-GW cambiar el canal desde una eNodeB a otra. El MME también puede
solicitar el S-GW proporcionar recursos para la transmisión, cuando es necesario enviar
datos del eNodeB fuente al eNodeB objetivo mientras el UE realiza el handover.
13
“Telefonía Celular 4G, Estado del Arte”
Los escenarios de movilidad también incluyen el paso de un S-GW a otro, controlado
por el MME, quien remueve los canales en el S-GW origen para crearlos en el nuevo SGW destino.
Para todos los flujos de datos que pertenecen a una UE en modo conectado, el
S-GW retransmite los datos entre el eNodeB y el PDN-GW. Sin embargo, cuando un UE
está en modo IDLE, los recursos en el eNodeB son liberados, y la ruta de datos finaliza
en el S-GW.
Si el SGW recibe paquetes de datos de PDN-GW en cualquier canal, almacenará los
paquetes y solicitará al MME iniciar el proceso de paging al UE. El paging hará que la
UE reconecte y que los paquetes sean enviados. El S-GW realizará monitoreo de datos
en los canales y también podrá recolectar los datos necesarios para la contabilidad y
cargos al usuario.
3.5.1.5 PDN Gateway (PDN-GW)
El Packet Data Network Gateway (PDN-GW) corresponde al router edge entre la EPS y
las redes de datos externas.
Corresponde al más alto nivel de movilidad en el sistema y por lo general actúa como
punto de conexión IP de la UE. Realiza la entrega de tráfico y realiza funciones de
filtrado según lo requiera el servicio prestado. Al igual que el S-GW, los PDN-GWs se
encuentran ubicados y operados en una ubicación centralizada.
Normalmente, el PDN-GW asigna la dirección IP al UE, quien la utiliza para
comunicarse con otros host IP en redes externas, por ejemplo, Internet.
También es posible que PDN externos a los que el UE esté conectado asignen la
dirección que será utilizada por el UE, y PDN-GW canalizará todo el tráfico de esa
red. La dirección IP es asignada cuando el UE requiere una conexión al PDN, lo cual
sucede al menos cuando el UE se conecta a la red y puede suceder posteriormente,
cuando se requiere una nueva conexión.
El PDN-GW llevará a cabo la necesaria funcionalidad DHCP (Dinamic Host
Configuration Protocol), o en su defecto, requerirá un servidor DHCP externo para
asignar direcciones IP al UE. Sólo direcciones IPv4 e IPv6, o ambos tipos de
direcciones podrán ser asignadas según sea necesario, el UE puede indicar si desea
recibir la dirección(es) en la señalización de Atach, o si desea llevar a cabo la
configuración de direcciones después que la capa de enlace ya esté conectada.
El PDN-GW realiza también funciones de liberación y filtro según se requiera en las
políticas establecidas para el UE y el servicio en cuestión, y además recoge y reporta
los informes relacionados a los cargos del usuario.
14
“Telefonía Celular 4G, Estado del Arte”
El tráfico User Plane entre el PDN-GW y las redes externas se realiza en forma de
paquetes que pertenecen a distintos servicios IP. Si la interfaz a través del S-GW se
basa en canalización, el PDN-GW realiza la asignación a los flujos de datos IP a
canalizar, representados por las RAB. El PDN-GW establece portadoras a petición, ya
sea a través del PCRF o del S-GW, el cual retransmite información del MME.
En último caso, el PDN-GW puede necesitar interactuar con el PCRF para recibir la
información adecuada sobre las políticas de control, si estas no estuvieran configuras
localmente en PDN-GW. El PDN-GW también posee una funcionalidad para el control
del flujo de datos para efectos de contabilidad
Cada PDN-GW puede ser conectado a uno o más PCRFs, S-GWs y redes
eternas. Para un UE que ya que esta asociado a un PDN-GW, hay solo un S-GW, pero
si la conectividad a múltiples PDNs es soportada a través de un PDN-GW, serán
necesarias conexiones a diversas redes externas y distintas PRCF respectivamente.
3.5.1.6 Policy and Charging Resource Function (PCRF)
El PCRF es el elemento de red responsable de la política y control de cargos (Policy
and Charging Control, PCC). Toma decisiones sobre la forma de manejar los servicios
en términos de QoS, y proporciona información al PDN-GW, y si aplica, también al SGW, de modo de establecer las políticas y portadoras adecuadas. El PCRF es un
servidor usualmente ubicado junto a los demás nodos CORE de la red en los centros de
conmutación.
3.5.1.7 Home Subscription Server (HSS)
El HSS es el registro de datos de suscripción de todos los usuarios de datos. También
registra la ubicación del usuario a nivel de MME. Es una base de datos centralizada
datos mantenida en las instalaciones del operador.
.
El HSS almacena la copia maestra del perfil de usuario, que contiene información sobre
los servicios que le son aplicables, incluyendo información acerca de las conexiones de
datos permitidas, y si un usuario de roaming es o no permitido.
3.5.2 Soporte QoS IP
Un aspecto importante para cualquier red de datos es un mecanismo para garantizar la
diferenciación de los flujos de paquetes en función de los requerimientos de QoS. Las
aplicaciones como video streaming, HTTP, o videollamada tienen necesidades
especiales de QoS, y debe recibir servicio diferenciado en la red.
Con EPS, los flujos de QoS (también llamados portadoras EPS) se establecen entre el
usuario y el PDN-GW. Cada portador EPS se asocia con un perfil de QoS, compuesto
15
“Telefonía Celular 4G, Estado del Arte”
por una portadora de radio y un canal de movilidad, permitiendo de esta forma a la red
dar prioridad a los paquetes según les corresponda.
El procedimiento de QoS para los paquetes que llegan desde Internet es como sigue:
Figura 4. Procedimiento QoS [14]
Cuando se recibe un paquete IP, el PDN-GW realiza la clasificación de los paquetes
basados en los parámetros recibidos, y lo envía a través de un adecuado canal de
movilidad. Basado en el canal de movilidad, el eNodeB puede asignar los paquetes a
una adecuada QoS en la portadora de radio.
4. El Futuro: 5G, 6G y 7G [15]
4.1 Quinta Generación (5G)
La quinta generación de redes móviles (5G) será el verdadero mundo de Internet móvil,
el cual estará soportado por LAS-CDMA, OFDMA, MC-CDMA, UWB, Network-LMDS e
IPv6
4.2 Sexta Generación (6G)
La sexta generación integrará sistemas de comunicación satelital, con 5G dando
cobertura global. Estas redes satelitales están compuestas por redes de navegación
(utilizadas para determinar la posición global), por redes de telecomunicaciones
(usadas para brindar telefonía satelital, video multimedia, y conectividad a Internet) y
redes de imagen (usadas para el monitoreo de recursos naturales e información
climática)
En la actualidad, cinco países poseen o han anunciado desarrollo de sistemas de
navegación por satélite mundiales (GNSS). En la práctica EE.UU. lleva desplegado
16
“Telefonía Celular 4G, Estado del Arte”
desde hace ya muchos años el Global Positioning System (GPS), el cual ya se
encuentra liberado al uso civil. En Europa existe Galileo, en China COMPASS y en
Rusia GLONASS, pero sólo enfocado para usos militares. Si 6G integra 5G con estas 4
redes satelitales, 6G podría llegar a tener cuatro estándares distintos, en otras palabras,
existirían 4 tecnologías, redes y sistemas en 6G.
Gráfico 1. Despliegue de las distintas generaciones móviles [15]
4.3 Séptima Generación (7G)
A partir de 6G, el handover y roaming en estas nuevas redes debería ocurrir en el
espacio, lo cual impulsaría la nueva generación de comunicaciones móviles (7G). En
comparación con los satélites, las estaciones base son mucho más baratas y
estables. Los satélites son muy caros y deben moverse para poder cubrir zonas de
mayor cobertura. Estos satélites se mueven constantemente en velocidades de unos
7.000 Kmh, lo que implica dos órbitas completas en menos de 24 horas, que es el
escenario dende el handover y el roaming deberá ocurrir.
5. Conclusiones
En este trabajo se ha realizado una compacta revisión de la evolución de las distintas
generaciones de la comunicación móvil, pasadas y futuras, centrando como objetivo
principal, la revisión y desarrollo del estado del arte de la cuarta generación de las
comunicaciones móviles (4G).
17
“Telefonía Celular 4G, Estado del Arte”
Se han establecido los principios que definen 4G, y se han planteado las distintas
propuestas para su implementación basada en 3GPP e IEEE. Se ha desarrollado LTE
como tema principal debido a que WIMAX será estudiado en un trabajo distinto.
La introducción de LTE/SAE, cuyo propósito inicial fue expandir las redes 3.5G ya no es
sólo un proceso de upgrade de red, sino que será necesaria la implementación de un
nuevo acceso de red a través de la infraestructura 2G/3G ya existente a fin de explotar
las máximas capacidades de las redes completamente basadas en IP
6. Referencias
[1] “Evolución de la Tecnología Celular”, Evelio Martínez, Revista NET, Julio, 2001.
[2] “Telefonía Móvil 1G”, http://es.wikipedia.org
[3] “Telefonía Móvil 2G”, http://es.wikipedia.org
[4] “4G as a Next Generation Wireless Network”, A. H. Khan, M. A. Qadeer, J. A. Ansari
and S. Waheed, International Conference on Future Computer and Communication,
2009.
[5] “Telefonía Móvil 3G”, http://es.wikipedia.org
[6] “Fourth Generation of Mobile Communication Systems: Evolution, Objectives,
Prospects and Challenges”, S. Kumar, First Asian Himalayas Conference on Internet,
November, 2009.
[7] “Telefonía Móvil 4G”, http://es.wikipedia.org
[8] “2G-5G Networks: Evolution of Technologies, Standars, and Deployment”, S. Akhtar,
College of Information Technology, UAE University, 2008.
[9] “WIMAX vs LTE. Who Will Lead the Bradband Mobile Internet?”, Z. Abichar, M.
Chang y C. Hsu, IEEE Mobile Computing, Mayo-Junio, 2010.
[10] “LTE Part I:Core Network” K. Bogineri, R. Ludwig, P.Mogensen, V. Nandlall, V.
Vucetic, B. K. Yi and Z. Zvonar, IEEE Communication Magazine, February 2009.
[11] “LTE for UMTS: OFDMA and SC-FDMA Based Radio Access” H. Holma and A.
Toskala, Jhon Whisley & Sons, 2009
[12] “Single-carrier FDMA (SC-FDMA)”, http://en.wikipedia.org
18
“Telefonía Celular 4G, Estado del Arte”
[13] “The Challenge of Implementation of Long Term Evolution/System Architecture
Evolution (LTE/SAE)”, A. Skopljak and S. Pivac, BH Telecom, Boznia y Herzegovina,
2009.
[14] “Long-Term Evolution network Architecture” R. Nossenson, 2009
[15] “The Future of Mobile Wirelles Communication Networks”, X li, A Gani, R Slleh and
O. Zakaria, International Conference con Communication Software and Networks, 2009
7. Anexos
ITU, International Telecommunication Union (www.itu.int)
La Unión Internacional de Telecomunicaciones (UIT) es el organismo especializado de
la Organización de las Naciones Unidas encargado de regular las telecomunicaciones a
nivel internacional entre las distintas administraciones y empresas operadoras.
El día 3 de septiembre de 1932, se inició en Madrid la reunión conjunta de la XIII
Conferencia de la Unión Telegráfica Internacional (UTI), y la III de la Unión
Radiotelegráfica Internacional (URI), y el día 9 de diciembre del mismo año, en virtud de
los acuerdos alcanzados en dicha reunión, se firmó el convenio por el que se creaba
la Unión Internacional de Telecomunicaciones (ITU) y que en el futuro sustituiría a los
dos organismos anteriores. El nuevo nombre comenzó a utilizarse a partir de enero de
1934.
WWRF, Wireless World Research Forum (www.wireless-world-research.org)
El WWRF es una organización internacional de telecomunicaciones fundada en agosto
de 2001. El objetivo de la WWRF es la formulación de visiones estratégicas sobre la
orientación de las investigaciones futuras en el ámbito móvil entre la industria y la
academia, y para generar, identificar y promover las áreas de investigación y las
tendencias técnicas de estas tecnologías. El WWRF contribuye al trabajo interno de
otros órganos competentes en relación con las cuestiones comerciales y de
normalización.
IEEE, Institute of Electrical an Electronic Engineer (www.ieee.org)
Es una asociación técnico-profesional mundial dedicada a la estandarización, entre
otras cosas. Es la mayor asociación internacional sin fines de lucro formada por
profesionales
de
las
nuevas
tecnologías
como
ingenieros
eléctricos,
electrónicos, en informática, en biomedicina, en telecomunicaciones y robótica.
Su creación se remonta al año 1884, contando entre sus fundadores a personalidades
de la talla de Thomas Alva Edison, Alexander Graham Bell y Franklin Leonard Pope.
19
“Telefonía Celular 4G, Estado del Arte”
En 1963 adoptó el nombre de IEEE al fusionarse asociaciones como el AIEE (American
Institute of Electrical Engineers) y el IRE (Institute of Radio Engineers).
3GPP, 3rd Generation Partnership Project (www.3gpp.org)
Es un acuerdo de colaboración en tecnología de telefonía móvil, que fue establecido en
diciembre de 1998. Esta cooperación es realizada entre entidades normativas de
Europa (ETSI), Japón (ARIB/TTC), China (CCSA), EEUU (ATIS) y Corea del Sur (TTA).
El objetivo del 3GPP es hacer global aplicaciones de tercera generación (3G) con
especificaciones de sistemas ITU IMT-2000. Los sistemas 3GPP están basados en la
evolución de los sistemas GSM, conocidos como sistemas UMTS, y LTE para 4G.
3GPP2, 3rd Generation Partnership Project 2 (www.3gpp2.org)
Es un acuerdo de colaboración en tecnología de telefonía móvil, que fue establecido en
diciembre de 1998. Esta cooperación es realizada entre entidades normativas de Japón
(ARIB/TTC), China (CCSA), EEUU (ATIS) y Corea del Sur (TTA). Es un acuerdo de
colaboración entre las asociaciones de las telecomunicaciones para hacer global
aplicaciones de tercera generación (3G) con especificaciones ITU IMT-2000. En la
práctica, 3GPP2 es el grupo de normalización para CDMA2000, las normas 3G
basadas en CDMA 2G y UMB para 4G.
WIMAX Forum (www.wimaxforum.com)
El WiMAX Forum es una organización sin fines de lucro constituida para fomentar la
adopción de los productos y servicios WiMAX compatibles. Un papel importante para la
organización es certificar la interoperabilidad de los productos WiMAX. Otra función del
Foro WiMAX es promover la difusión del conocimiento sobre WiMAX.
20