Femtonodos: Servicios 3G en ADSL - Cobertura y Ventajas

Femtonodo: Los servicios 3G en tu ADSL
M. Pilar Ruiz Aragón
A Fondo
¿Qué es un femtonodo y qué ventajas supone para el usuario en el hogar o la empresa? Descúbralo en este artículo...
¿Qué es un femtonodo?
Un femtonodo, también denominado nodo doméstico, es una estación base de telefonía móvil de
reducidas dimensiones, pequeña potencia y capacidad, diseñada para proporcionar cobertura en interiores,
concretamente en hogares y pequeñas empresas.
El concepto de femtonodo es aplicable a todos los estándares de telefonía móvil, no sólo a los sistemas de
telefonía de tercera generación (3G). Sin embargo, el interés y el esfuerzo de la industria está centrado en
los femtonodos 3G con HSPA en la actualidad, y en un futuro no muy lejano en femtonodos LTE (Long
Term Evolution) [1], el nuevo estándar de banda ancha móvil. En la misma línea, el organismo encargado
de la estandarización de estos sistemas, el 3GPP (3rd Generation Partnership Project), ha introducido el
concepto de Home Node B (HNB) para UMTS o eHome Node B (eHNB) para LTE en las Releases 8 y 9,
término con el que denomina a los femtonodos [2][3].
Como principales características que lo diferencian de una estación base convencional, cabe destacar
además de su menor rango de cober
tura:
la utilización de un acceso de banda ancha tipo xDSL, de cable o fibra como medio de conexión
hacia el núcleo de red móvil, mucho más barato y extendido que los enlaces de transmisión
tradicionalmente utilizados entre las estaciones base y el núcleo de red,
y la facilidad de instalación, al tratarse de un dispositivo plug-and-play con funcionalidades de
autoconfiguración que eliminan la necesidad de personal especializado en la instalación
propiamente dicha y de planificación por parte de los operadores de la red móvil.
En resumen, es una estación base barata, fácil y rápida de instalar y que permite solucionar problemas de
cobertura en interiores de forma sencilla y a un coste reducido.
¿Qué ventajas tiene para el operador?
El femtonodo es una solución para mejorar la cobertura en aquellos hogares y/o interiores que no
disponen de buena cobertura de la capa macro, es decir, de las estaciones base exteriores, y para los que
no se justifica económicamente la instalación de otra solución tipo piconodo o repetidor.
Pero las ventajas de su uso no se limitan sólo al aumento de cobertura, sino que son una buena solución
para incrementar la capacidad de tráfico de la red. El despliegue de femtonodos no sólo descarga a la red
macro de los usuarios acampados en el femtonodo, sino que éstos obtienen mejores velocidades de
transferencia de datos. Al tratarse de nuevas celdas de menor tamaño permiten trabajar a los terminales
con mejores niveles de señal y, por lo tanto, con una mayor eficiencia espectral.
Se puede decir que la gran ventaja para el operador es de tipo económico, pues no sólo el coste del
femtonodo en sí es mucho menor que el de un pico nodo, sino que el proceso de instalación se simplifica
tanto que lo puede hacer el usuario final, eliminando los costes y los plazos que ello conlleva [4]. El coste
de operación se reduce también al hacer uso de una conexión de banda ancha (típicamente ADSL) barata,
fácil de desplegar, y en muchos casos previamente existente.
¿Y para el usuario?
El cliente que instala un femtonodo en su hogar u oficina se beneficia de una mejor cobertura y, por lo
tanto, de una mejora en la calidad de sus comunicaciones de voz y un gran aumento de la velocidad de
transferencia de datos. De esta forma se garantiza el acceso a los servicios y ventajas de la tecnología 3G
aunque viva en zonas de baja densidad poblacional o edificios con poca penetración de la cobertura
exterior.
A la mejora de cobertura y velocidad de datos experimentada por el cliente, se suma otra ventaja: el
incremento en la duración de la batería del móvil al poder trabajar con menores niveles de potencia
transmitida.
Por otro lado, se favorece la convergencia fijo-movil y, por lo tanto, la transparencia en el acceso a la red
para los usuarios: el cliente tiene un único dispositivo, su teléfono móvil, para sus comunicaciones tanto
dentro como fuera del hogar, ya sean llamadas de voz, navegación web y acceso al correo electrónico o
redes sociales; todo ello, sin necesidad de recurrir a dispositivos duales (con WiFi y 3G, por ejemplo).
Frente a otras opciones de comunicaciones inalámbricas en el hogar basadas en el uso de espectro libre,
por el cual no hay que pagar, el uso de espectro licenciado permite al usuario disfrutar de una calidad en
el servicio garantizada. Las bandas de frecuencia no licenciadas suelen estar muy interferidas al poder
usarlas cualquiera libremente, como es el caso de WiFi.
Adicionalmente, el usuario podría beneficiarse de ofertas comerciales asociadas al femtonodo, como
tarifas más baratas para las llamadas cursadas por el femto dentro del hogar de acuerdo a las tendencias
comerciales imperantes.
Femtonodos para el hogar y para la empresa
En la actualidad existen dos entornos de uso de los femtonodos bien diferenciados, con requisitos
diferentes para ambos: el femtonodo residencial o del hogar y el femtonodo de empresa. El ámbito de
aplicación principal del primero es, como su nombre indica, los hogares o en su defecto pequeñas oficinas
o tiendas de tamaño reducido. Este era originalmente el uso previsto de los femtonodos, de ahí su
denominación como nodos domésticos.
En los femtonodos residenciales la potencia máxima transmitida es de aproximadamente unos 13 dBm,
suficiente para cubrir una vivienda de más de 100 m2, similar a los puntos de acceso Wifi que tenemos en
las casas. En cuanto a la capacidad, el número de servicios simultáneos, ya sean llamadas de voz o datos,
suele ser 4, suficiente para una familia típica. Estos femtonodos se contemplan de forma aislada, es decir,
un femtonodo sería suficiente para cubrir el recinto completo y sólo se considera la movilidad
(reselección y traspaso) con la capa macro, y no con otros femtonodos. Este femtonodo está conectado al
núcleo de red mediante la conexión ADSL del hogar. Por ello, habitualmente trabajan con acceso cerrado,
es decir, el usuario define una lista de usuarios móviles a los que está permitido acampar en el femtonodo
y, por lo tanto, cursar servicios en él.
Adicionalmente al uso residencial, se ha visto la posibilidad de utilizar los femtonodos para ofrecer una
solución de cobertura en empresas. En este caso la superficie a cubrir sería mucho mayor, así como el
número de usuarios simultáneos al tratarse de recintos de mayor tamaño, incluso de varias plantas, y con
una ocupación muy superior. Por ello, no sólo se aumenta la potencia máxima transmitida de cada
femtonodo (20 dBm) y su capacidad (8 a 16 usuarios simultáneos), sino que se necesitarán varios
femtonodos para cubrir todo el recinto garantizando la movilidad entre ellos. Esto supone introducir un
nuevo concepto: el grupo de femtonodos, que se conocen entre sí, entre los cuales hay continuidad del
servicio (traspaso de llamadas) y que comparten listas de acceso en caso de acceso cerrado.
Los fabricantes están desarrollando y tienen ya en el mercado soluciones específicas para cada uno de
ellos.
¿Cómo se integran con el resto de la red móvil?
La arquitectura más extendida para los femtonodos 3G se muestra en la Figura 2. Se trata de una
arquitectura colapsada, es decir, el femtonodo realiza las funciones de estación base o Nodo B e incluye
en el mismo elemento parte de las funciones del controlador radio o RNC (Radio Network Controller),
frente a la arquitectura tradicional del subsistema radio. De este modo, desaparece el RNC y, a cambio,
aparece un nuevo nodo de red, el Agregador de Femtonodos para la conexión del conjunto de los
femtonodos al núcleo de red móvil de forma transparente [5].
Como medio de transmisión se utiliza el acceso xDSL, conectando el femtonodo a la pasarela residencial
(o módem xDSL) del hogar. La seguridad de la comunicación entre el femtonodo y el núcleo de red está
garantizada por el empleo de un túnel IPSec (Internet Protocol Security) extremo a extremo entre el
femtonodo y una pasarela de Seguridad o SeGW(Security GateWay) que actúa como puerta de acceso a la
red móvil.
Autoconfiguración radio
Para que el femtonodo sea un dispositivo plug-and-play que cualquiera puede comprar en una tienda e
instalar en su casa de forma similar a como hace con el módem-router ADSL, el femtonodo dispone de
una funcionalidad de autoconfiguración, entre la que se incluye la autoconfiguración radio, y que permite
que se instale en cualquier lugar sin necesidad de una planificación radio previa.
Esta autoconfiguración se basa en dos pilares:
un Servidor de Configuración situado en la red del operador móvil, con el que contacta durante el
arranque y del cual obtiene toda la información de configuración que necesita para su entrada en
funcionamiento, y
la exploración del espectro radio o escaneo realizado por el propio femtonodo durante el arranque.
La selección del canal que va a radiar se realiza dentro de un conjunto indicado por el servidor de
configuración en base a las medidas realizadas por el escáner integrado dentro del mismo. De todos los
canales posibles se seleccionan aquellos no utilizados o recibidos con menor potencia, minimizando así la
interferencia entre nodos e impactando los menos posible con las celda macro existentes.
Además, para garantizar la movilidad hacia la red macro y la continuidad del servicio al cambiar de celda,
es necesario detectar y configurar las celdas vecinas, tarea que se realiza también durante el arranque en
función de las celdas detectadas durante el escaneo.
El proceso de autoconfiguración radio no es un proceso estático que se realice una sola vez al inicio, sino
que la exploración del espectro se repite periódicamente para adaptarse a eventuales cambios en el
entorno radio y, por supuesto, cada vez que se apaga y se enciende el femtonodo.
Ancho de banda en transmisión y calidad de servicio (QoS)
La utilización del acceso a internet del usuario (básicamente acceso xDSL) para la transmisión entre el
femtonodo y el núcleo de red móvil supone una ventaja en coste, pero introduce limitaciones en cuanto al
ancho de banda disponible que pueden reducir seriamente las prestaciones ofrecidas por los femtonodos
[6].
Los fabricantes de femtonodos ofrecen ya equipos comerciales que soportan llamadas de voz,
videollamadas, y servicios de datos HSPA con velocidades teóricas de hasta 7,2 Mbps de bajada y 1,4
Mbps de subida. Esta capacidad desde el punto de vista radio se ve claramente disminuida si el ancho de
banda de transmisión disponible no es suficiente. En el caso del acceso xDSL, el enlace ascendente
(tráfico de subida hacia la red) se convierte en el cuello de botella del sistema, con tasas típicas de 320
Kbit/sg.
El femtonodo, además, no dispone de un ancho de banda reservado, sino que comparte el acceso xDSL
con el resto de dispositivos del hogar. Esto puede ocasionar, si no se toman medidas de priorización de
tráfico, que las llamadas móviles se corten o la imagen de la videollamada se congele si se tiene un
servicio Peer-to-Peer (P2P) activo sobre el mismo ADSL. Los servicios de datos ofrecidos por el
femtonodo también ven disminuida su velocidad efectiva.
La solución a estas limitaciones pasa por la implementación de políticas de calidad de servicio en el
acceso que permitan establecer prioridades según el tipo de tráfico, dando la máxima prioridad a la
señalización y los servicios conversacionales (llamadas de voz y videollamadas). Los paquetes IP se
marcan con una prioridad en función del tipo de tráfico a que corresponden, y en caso de congestión en un
nodo de red se enrutan antes aquellos que tienen una mayor prioridad.
En este sentido, el despliegue de la fibra hasta el hogar supone una oportunidad de mejorar las
prestaciones reales de los femtonodos, soslayando las limitaciones actuales derivadas del uso de las
tecnologías xDSL. Esta mejora en el ancho de banda de transmisión será especialmente necesaria con la
evolución de las interfaces radio hacia HSPA+ o LTE, que ofrecen tasas de datos potencialmente muy
superiores.
Impacto en la capa macro
El despliegue de una capa de femtoceldas de forma no planificada puede tener un impacto negativo en la
red celular macro existente, fundamentalmente en forma de interferencia.
Especial dificultad plantean los femtonodos con acceso cerrado, que sólo permiten acampar en ellos a un
grupo de móviles autorizados, y desplegados en la misma frecuencia que la capa macro 1. En este caso,
para un móvil no autorizado (macroUE) la señal del femtonodo supone una interferencia que, en las
proximidades del mismo impide la recepción de la señal macro . Esto genera un “agujero de cobertura”
o “zona muerta” en la capa macro alrededor del femtonodo, tal y como se muestra en la Figura 3. Los
móviles autorizados (femtoUE), sin embargo, acampan en la femtocelda sin problema obteniendo una
cobertura mejor que la ofrecida por la macro.
Se han propuesto diversas soluciones a este problema [7], algunas de las cuales ya están siendo adoptadas
por los fabricantes:
Despliegue de femtonodos en una frecuencia dedicada. En la actualidad pocos operadores disponen
de una frecuencia libre, menos cuando se está haciendo cada vez más necesario el uso del espectro
disponible para incrementar la capacidad.
Traspaso de llamadas a una frecuencia distinta de la macro, o incluso a GSM, cuando la
interferencia del femtonodo en la frecuencia utilizada sea significativa 2 .
Autoajuste de potencia transmitida por el femtonodo, en base a la potencia recibida de la macro
inicialmente y a las medidas reportadas por los móviles durante su funcionamiento, con el fin de
minimizar la interferencia y no emitir por encima de lo necesario.
Implementación de políticas de acceso semiabierto, que permitan a todos los móviles acampar y
recibir servicio del femtonodo, dando prioridad siempre a los pertenecientes a la lista de acceso.
Conclusiones
Los femtonodos se perfilan como una solución sencilla y económica para dar cobertura celular en
interiores y/o aumentar la capacidad de las redes descargando a la capa macro de gran parte del tráfico,
especialmente de datos. Aunque en la actualidad se está comenzando el despliegue comercial por parte de
algunas operadoras [8], existen todavía una serie de aspectos relacionados con la ausencia de calidad de
servicio en la transmisión y el posible impacto en la capa macro que deben ser resueltos para garantizar el
éxito de los mismos. El avance en la estandarización [9] y la evolución de las redes de acceso de banda
ancha en los hogares representan un notable impulso de cara a la consecución de la tantas veces anunciada
expansión de los femtonodos no sólo en los hogares sino también como solución de cobertura en
empresas y lugares públicos de alta densidad de tráfico, denominados hot-spots.
REFERENCIAS
[1]
PicoChip
PC9608
LTE
(http://www.picochip.com/page/79/PC9608LTE-Dev-sys).
development
system
[2] 3GPP TS 22.220, Service requirements for Home Node B (HNB) and Home eNode B (HeNB).
[3] 3GPP TR25.967, Home Node B Radio Frequency Requirements (FDD).
[4] Femtocell installation (http://www.thinkfemtocell.com/Operation/femtocell-installation.html).
[5] 3GPP TS 25.467, UTRAN architecture for 3G Home Node B (HNB).
[6] P.Ruiz, C.Gandarillas, V.Iglesias, E.Mino, E.Ortego, V.Alonso y L.Cucala. “Despliegue de
femtonodos convergente con la red de acceso de fibra”, Telecom I+D 2009
[7]
Interference
Management
in
UMTS
(http://www.femtoforum.org/femto/publications.php)
Femtocells
Febrero
2010
[8] Femtocell Market Status. Febrero 2010 (http://www.femtoforum.org/femto/publications.php)
[9] Standardization of femtocells (http://www.airvana.com/print/technology_1059.htm)
NOTAS AL PIE
1Incluso
utilizando códigos de scrambling distintos en WCDMA, la interferencia intrafrecuencia es muy
grande y el valor de Ec/Io se degrada.
2Si
la macro dispone de una segunda frecuencia