2. INTRODUCCIÓN A LA PLANIFICACIÓN UMTS.
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��������������������������������������� �� ������������������������������������� ���� ������������ Desde un punto de vista global los pasos a seguir para la implantación de una red UMTS son similares a los que se han tenido en cuenta para el caso de una red GSM: • Diseño y Planificación: Definiendo el número de elementos de red necesarios. • Instalación de los Elementos de Red. • Puesta en Servicio de los Elementos de Red: Carga de software en los diferentes equipos a poner en servicio. • Integración: Conexión de enlaces entre los diferentes elementos de la red. • Optimización: Sin añadir nuevos elementos se ajustan los parámetros de red y se intenta reducir la interferencia en la interfaz radio. • Ampliación de la Red: Instalación de nuevos equipos para mejorar la calidad de servicio, incrementar la capacidad y las áreas de cobertura. También se ponen en práctica nuevas tecnologías. Los objetivos principales que se plantean a la hora de elaborar la planificación de una red UMTS son los siguientes: • Máxima cobertura. • Máxima capacidad. • Máxima calidad del servicio (QoS). • Mínima interferencia. • Mínimo coste. ����������������������������������������������������� �� ��������������������������������������� Para alcanzar dichos objetivos se divide el proceso de planificación en una serie de fases: • Diseño previo y dimensionado de la red. • Planificación detallada. • Optimización. En la primera fase se fija de forma aproximada el número de estaciones base y emplazamientos, el tipo de configuración de nodos B y las necesidades de transmisión, a partir de los requerimientos del operador de cobertura, capacidad y calidad del servicio, así como las condiciones de propagación radio del área geográfica a cubrir. Capacidad y cobertura van íntimamente unidas en redes WCDMA, y por ello ambas deben ser consideradas simultáneamente en el dimensionado de dichas redes. En el proceso de planificación detallada, mapas de propagación reales y estimaciones de tráfico por parte del operador para la zona a planificar, son entradas básicas del proceso, además, teniendo en cuenta las conclusiones de la etapa anterior, se realiza una selección de emplazamientos, se establece la configuración de los nodos B, se llevan a cabo análisis de cobertura, capacidad y calidad del servicio y se fijan una serie de parámetros que gestionarán los recursos radio de las celdas. Por último, cuando la red se encuentre operando, su comportamiento puede evaluarse mediante la realización de medidas y drive tests, y los resultados de esas medidas pueden ser utilizadas para visualizar y optimizar el comportamiento de la misma, mediante el ajuste de diferentes parámetros tanto físicos (orientaciones y downtilt (inclinación en antenas) como lógicos (a nivel de funcionalidades software de cada equipo). ����������������������������������������������������� �� ��������������������������������������� ���� ������������������������������������� A la hora de planificar una red UMTS también resulta interesante tener en cuenta ciertas diferencias fundamentales con respecto a una red GSM. ������ �������������� Desde el punto de vista del acceso radio, UMTS rompe con GSM, éste está basado en TDMA, y tiene dos modalidades: • modo circuito (voz) • modo paquete (GPRS). Ilustración 2.1 TDMA En cambio UMTS se basa en CDMA, y tiene dos modos: ����������������������������������������������������� ��� ��������������������������������������� ������������������ Ilustración 2.2 CDMA • FDD o WCDMA, que responde al modelo clásico de CDMA: Ilustración 2.3 FDD TDD, que se basa en el modelo de TDMA: ����������������������������������������������������� ��� ��������������������������������������� ������������������������������ Ilustración 2.4 TDD Actualmente los desarrollos y productos UMTS se centran en FDD. WCDMA, pertenece a la familia de las técnicas de espectro ensanchado, es una técnica de acceso múltiple. Las transmisiones se separan multiplicando la señal digital en banda base por una secuencia de velocidad mucho mayor. La señal multiplicada modula a una portadora. En recepción se multiplica la señal recibida (señal útil más las transmisiones ajenas) por la secuencia de origen y se recupera la señal en banda base más las otras ajenas, que permanecen ensanchadas. ����������������������������������������������������� ��� ��������������������������������������� Ilustración 2.5 Esquema de demodulación en UMTS El interés de ensanchar la banda radica en la protección que se obtiene ante interferencias selectivas en banda, a mayor ensanchado se pierde una menor porción de energía transmitida por la interferencia en una porción de la banda. De este proceso se deriva una ganancia denominada ganancia de procesado. Cuanto mayor sea la ganancia de procesado, mayor será la protección frente a interferencias. ������ ������������������� A la hora de diseñar la red UMTS, tanto calidad como capacidad deben tratarse conjuntamente. En GSM, la calidad es independiente del número de conexiones servidas por una portadora, en cambio en UMTS, la calidad condiciona la capacidad del enlace, ya que el ruido de fondo viene determinado por el número de transmisiones simultáneas (separadas por secuencias diferentes cada una). ����������������������������������������������������� ��� ��������������������������������������� Ilustración 2.6 Relación portadora / señal interferente ������ �������������� Del mismo modo, capacidad y cobertura pueden ser planificadas separadamente en GSM, en cambio, en UMTS el proceso de planificación debe ser conjunto, ya que en caso de incrementarse la carga del sistema, la cobertura del mismo decrece. Este es el fenómeno conocido como cell breathing (respiración de la celda). En la figura se observan los niveles de señal correspondientes a los móviles que se encuentran en una celda, así como el radio correspondiente a la misma; cuando el número de móviles se incrementa, el radio de la célula disminuye debido a la mayor carga que soporta. ����������������������������������������������������� ��� ��������������������������������������� Ilustración 2.7 Efecto del cell-breathing ������ ���������������������� Al planificar una red UMTS hay que considerar una ganancia adicional asociada al SHO o traspaso gradual. En UMTS existen diferentes tipos de traspaso • Hard Handover: � Traspaso inter-frecuencia o traspaso no gradual � Traspaso entre modos FDD-TDD � Traspaso entre sistemas 3G-2G • Soft Handover : Traspaso intra-frecuencia o Traspaso gradual • Softer Handover : Traspaso entre sectores de una estación El primero de ellos, hard handover, hace referencia al mismo tipo de traspaso definido en GSM, donde se abandonaba el enlace radio establecido con la estación ����������������������������������������������������� ��� ��������������������������������������� base antes de que se establezca uno nuevo. En cambio, en los dos últimos, siempre hay un enlace radio operativo. Esto provoca que la comunicación sea más robusta ante interferencias y que se pueda considerar una ganancia por diversidad. ������ ���������������������������� Otra diferencia a destacar es que en UMTS no existe distancia de reutilización, las celdas vecinas utilizan la misma frecuencia, lo que conlleva una interferencia adicional. ������ ������������������� A la hora de gestionar los recursos radio, el control de potencia resulta esencial en UMTS, en GSM no es de obligado uso y su utilización va unida a una mejora de calidad en la red en determinados casos y a la reducción de consumo por parte del terminal móvil. En cambio, en UMTS el control de potencia es imprescindible para el control de la interferencia del sistema. Si todos los terminales móviles transmitieran con igual potencia, la señal del móvil que estuviera más cerca de la estación base interferiría en gran medida a las señales provenientes de otros móviles más alejados. Las diferencias descritas en los puntos anteriores implican la existencia de algunos parámetros específicos en el cálculo del balance del enlace para una red WCDMA, no utilizados en sistemas GSM basados en TDMA. Además de todo esto, a la hora de planificar la red UMTS será necesario realizar una serie de hipótesis y suposiciones muy variadas, tales como el estado de la red en situaciones reales de carga, posición y velocidad de los receptores móviles respecto a las estaciones base, y otra serie de parámetros difícilmente predecibles. Con lo cual, muchos de los resultados variarán en función de las suposiciones con- ����������������������������������������������������� ��� ��������������������������������������� sideradas, lo que implicará realizar tareas de optimización de red en paralelo a la etapa de planificación. Con esto se pretende ofrecer una visión real de la planificación UMTS, que difiere en gran medida con la planificación metódica llevada a cabo en redes GSM. ���� ���������������������������� ������ ����������������������������� La estructura de la red UMTS está compuesta de 2 bloques perfectamente diferenciados, la red de acceso radio o UTRAN y red troncal de conmutación, más conocida como Core Network. En la mayoría del despliegue, esta red se hereda de la red GPRS, por lo que en un inicio no se aprecia un aumento de la complejidad con respecto a la red de conmutación actual. Los cambios más significativos tienen lugar en la red de acceso UTRAN, ya que la tecnología CDMA supone grandes cambios en la filosofía de diseño y despliegue de la red, en comparación con lo que ha sido el despliegue de las redes GSM basadas en TDMA. Sin embargo, también la Core Network llevará asociada muchas novedades, encaminadas hacia su evolución hacia las redes “All IP” o “UMTS Release 2”, dónde la voz pasará del ámbito de conmutación de circuitos al de conmutación de paquetes, mediante la introducción de tecnologías ATM y VoATM. ����������������������������������������������������� ��� ��������������������������������������� �� ��� ������ ������ ��� ��� ��� ��� ����� Ilustración 2.8 Esquema red híbrida GSM /UMTS Obviamente, el objetivo final de las redes UMTS es sustituir definitivamente a las redes GSM/GPRS, pero el despliegue existente de GSM hace que continúen coexistiendo, ya que en realidad las redes 2G se hayan todavía en fase de optimización. ������ �������������������� La red UTRAN (“UMTS Terrestrial Radio Access Network”) es la red de acceso al sistema UMTS y se compone de los elementos de red destinados a la gestión de recursos radio. En muchos aspectos es similar al subsistema de estaciones base o BSS de GSM, apareciendo nuevos elementos en la red debido a la utilización de ATM. ����������������������������������������������������� ��� ��������������������������������������� Ilustración 2.9 Arquitectura general UMTS La red de acceso está compuesta por varios subsistemas radio RNS (“Radio Network Subsystems”) que se conecta a la red de Core a través de los interfaces Iu mediante el backbone de ATM. Cada sistema RNS gestionará todos los recursos radio de sus conexiones activas y el control de los usuarios no activos. El sistema RNS estará formado por los siguientes elementos: • RNC (“Radio Network Controller”). Es el elemento controlador de la red radio, gestionará todas las conexiones móviles que se establezcan en el interfaz radio Uu de cada nodo B a través del interfaz IuB, así como el thoughput de estas conexiones. Está conectada a la Gíreles Gateway de Core a través del interfaz Iu y a otras RNC por el interfaz IuR. • Nodos B. Son las estaciones base del sistema UMTS y estarán conectados a la RNC a través del interfaz IuB. Funcionalmente están compuestos por 3 bloques en el módulo interior más el sistema radiante exterior. El módulo interior está compuesto por un CCM o módulo de control, varios CEM o módulos de canalización y codificación y un único TRM o módulo de radiofrecuencia que es el que conecta el nodo b con el sistema radiante en el exterior. Cada nodo B, actúa en el interfaz IuB frente a la red de acceso como un nodo ATM con una capacidad máxima de 8 E1 por nodo B. La capacidad depende del CEM instalado. ����������������������������������������������������� ��� ��������������������������������������� • Nodos ATM (o “Passports ATM”). Son necesarios puesto que el tráfico de los nodos B es tráfico ATM, y se utilizan como combinadotes de tráfico y conmutadores de rutas en el interfaz IuB permitiendo la optimización de la capacidad de transmisión en este interfaz. Las principales funciones de la red UTRAN permiten que la red de acceso radio y las características de movilidad sean transparentes para el resto de la red UMTS. Las principales funciones son: • Control de recursos radio. El control y asignación de los recursos radio para el establecimiento, transferencia y liberación de cada conexión solicitada, tanto con origen en el usuario móvil como con origen en la red, es realizado por la RNC en la subcapa RRC. • Control de admisión. El CAC evita situaciones de sobrecarga en el interfaz radio Uu y en el interfaz IuB. Cada nueva conexión consumirá recursos radio y recursos ATM, y será la RNC quien decidirá admitir o no nuevas conexiones basándose en medidas de interferencia, throughput y carga de red. Si no existen recursos disponibles o aún habiéndolos no se puede ofrecer la QoS solicitada, se rechazará el acceso del nuevo usuario a la red. • Control de congestión. Las situaciones de congestión o sobrecarga en la red, son causadas por los usuarios activos en determinadas circunstancias, siendo el control de congestión de la RNC el encargado de reconducir al sistema a una situación estable. Las principales medidas del sistema para reducir la congestión: forzar Hard-Handovers hacia otro Nodo B (permite reducir los niveles de interferencia en el Uu o disminuir la carga en un enlace concreto del IuB); forzar HardHandovers Inter.-System (hacia 2G); reducir la velocidad de trasmisión de algunos usuarios activos (downgrade); interrumpir de forma controlada alguna conexión activa (generalmente tráfico en modo PS procedente de aplicaciones background). Aunque en principio el control de admisión no debe asignar más recursos de los disponibles, la característica de movilidad de los usuarios puede ����������������������������������������������������� ��� ��������������������������������������� provocar situaciones de congestión debido a la duplicidad de tráfico que produce el soft-handover o a un excesivo tráfico de señalización en la red. • Asignación de códigos: la RNC es la responsable de asignar códigos de scrambling a cada una de las conexiones activas y de supervisar continuamente los códigos usados en cada sector de los nodos B, asegurando que cada código sea exclusivo de un sector y sus vecinos. • Control de potencia: el uso de las mismas frecuencias en un sector y sus adyacentes hace que una potencia de transmisión superior a los estrictamente necesario enmascare a otras conexiones aumentado el nivel de interferencia en el sector y reduciendo la capacidad del sistema. El control de potencia asume la función de adaptar la potencia de transmisión de los terminales de manera que se emita la potencia mínima suficiente para alcanzar el nodo B con la QoS solicitada. • Gestión de Handovers: en UMTS existe la posibilidad de transferir la conexión entre sectores adyacentes ya sea por movilidad del usuario o por degradación de la QoS. Existen diferentes tipos: Sofá-Handover (Soft & Softer) y Hard Handover (Inter-frequency & Inter.-System). • Macrodiversidad: la función de macrodiversidad permite al terminal de usuario estar conectado a varios sectores de forma simultánea, recibiendo datos de diferentes conexiones e incrementando la calidad de la comunicación. Esta función se realiza de forma conjunta al control de potencia y a la gestión de handover y hace posible que el terminal transmita con menos potencia ya que al disponer de varios caminos se reduce a la interferencia en cada sector. ������ ������������ El núcleo de red o Core Network incorpora funciones de transporte, inteligencia y encaminamiento. Es el encargado de realizar las conexiones en la red UMTS y está soportado por una red de transmisión troncal ATM tanto para conmutación de cir����������������������������������������������������� ��� ��������������������������������������� cuitos como de paquetes. La Core Network proporciona a la red las funciones de gestión de la conexión de sesión y de movilidad. • La gestión de conexión CM (“Conection Management”) proporciona los servicios portadores y los procedimientos para las conexiones de circuitos conmutados. Entre sus principales funciones están la gestión de los Radio Access Bearer para garantizar la QoS de los servicios RT (“Real Time”) y N-RT (“No-Real Time”) sobre la red ATM así como la gestión del control de llamadas. • La gestión de sesión SM (“Sesion Management”) es la responsable del establecimiento, supervisión y liberación de las conexiones de conmutación de paquetes. La principal función es la gestión de los contextos PDP donde se definen los perfiles de servicio. • La gestión de movilidad MM (“Mobility Management”) se encarga de determinar la ubicación de un terminal de usuario, de modo que pueda establecerse la conexión con independencia de su localización en la red. Mediante esta función la red aísla las características de movilidad inherentes a la red móvil, gestionando los handovers, actualizaciones de posición, etc… La red de conmutación estará compuesta por 3 dominios asociados a cada una de las funciones descritas, interconectados entre sí mediante una red troncal de paquetes sobre ATM, conocida como backbone, por lo que se hace necesario la introducción de nodos ATM o passports para el acceso a la red. La clasificación de estos dominios no es una separación física, sino lógica, ya que ambos coexisten en la red. Estos dominios serán: dominio de conmutación de circuitos o CS, dominio de conmutación de paquetes o PS y dominio de registro y servicio. • El dominio de conmutación de circuitos es una versión modificada del “Network Switching Subsystem” heredada de GSM. Utiliza la tecnología de conmutación de circuitos y consta de la central de conmutación UMSC (“UMTS Mobile Services Switching Center”) y el registro de visitantes asociado VLR (“Visitor Location Register”). ����������������������������������������������������� ��� ��������������������������������������� • El dominio de conmutación de paquetes es una red de conmutación basada en la actual red GPRS. Incluye los elementos funcionales específicos del dominio PS como el U-SGSN (“UMTS Serving GPRS Support Node”) y U-CGSN (“UMTS Gateway GPRS Support Node”). • El dominio de registro y servicio es común a los dominios CS y PS. Está compuesto por los elementos para la gestión y control de la red de conmutación y al igual que ocurre con el dominio CS son heredados en su mayoría de las actuales redes 2G. los principales elementos de este dominio son el registro de localización local HLR (“Home Location Register”) y el centro de autenticación AUC (“Authentication Center”). ������ ��������������� Uno de los objetivos principales de UMTS es facilitar el acceso a una amplia gama de servicios, mucho mayor que la disponible en las redes GSM/GPRS. La consecución de este objetivo se materializa mediante la formalización de una serie de mecanismos de provisión de servicios. El punto de partido para posibilitar el soporte de múltiples servicios es la definición de una arquitectura de servicios portadores capaz de adaptarse a los requisitos de las distintas clases de tráfico previstas en UMTS. Este objetivo se concreta en la definición de los mecanismos de calidad de servicio QoS. Un segundo conjunto de mecanismos encaminados a facilitar el soporte de servicios en UMTS son los encuadrados bajo el concepto VHE (Virtual Home Environment). Su objetivo es permitir la personalización y portabilidad de servicios, facilitando su provisión y desarrollo por terceros. ����������������������������������������������������� ��� ��������������������������������������� �������� ���������������������������� Siguiendo un enfoque contrario al de 2G, la provisión de servicios en UMTS se aborda desde una perspectiva abierta. Así, en vez de especificar un repertorio cerrado de servicios finales, se apuesta por la definición de una arquitectura de servicios portadores robusta y flexible, capaz de adaptarse a los requisitos de QoS de las distintas aplicaciones a soportar. La arquitectura de servicios portadores UMTS se basan en un modelo jerárquico mostrado en la figura. La calidad de un servicio final UMTS, tal y como la percibe el usuario, viene determinada por la de los distintos tramos involucrados en el trayecto de la comunicación. En una primera aproximación, el trayecto se descompone en servicio portador local, servicio portador UMTS y el servicio portador externo. Las especificaciones 3GPP se centran únicamente en el servicio portador UMTS. De este modo, evitamos imponer limitaciones innecesarias a los terminales a emplear, o a las posibles redes destino. El servicio portador UMTS se descompone en el servicio portador radio, RAB, y el servicio portador de núcleo de red. El primero abarca el trayecto comprendido entre el móvil y el nodo de acceso al núcleo de red (un MSC o un SGSN, según el caso). El servicio portador del núcleo de red, por su parte, abarca el tramo comprendido desde el nodo de acceso hasta el nodo pasarela (GMSC o GGSN) hacia la red de destino de interés (por ejemplo, la red telefónica conmutada o internet). El RAB es el responsable de garantizar los recursos necesarios para el intercambio de información entre el móvil y el núcleo de red. El concepto de RAB es determinante en la provisión de servicios UMTS con distintos perfiles de QoS, ya que implica la utilización de recursos sobre la interfaz radio y la interfaz de acceso, precisamente donde se dan las mayores limitaciones de capacidad. En función de los servicios ofrecidos por el operador, una red UMTS puede ofrecer distintos tipos de RAB. Dentro de un RAB se distinguen dos tramos, cada uno sustentado por el correspondiente servicio portador. Así, el servicio portador radio, RBS (Radio Bearer Setup) abarca el trayecto comprendido entre el móvil y la RNC, incluyendo todos ����������������������������������������������������� ��� ��������������������������������������� los aspectos relativos al transporte de la información sobre la interfaz radio UTRA (FDD o TDD según el caso), así como las interfaces Iub e Iur (en situaciones de traspaso). Dentro del RAB se incluyen también las facilidades para el transporte de información entre la red de acceso y el núcleo de res, esto es, sobre la interfaz Iu. La calidad de servicio del servicio portador del núcleo de red, por su parte, se apoya en el que le proporciona el correspondiente “Backbone” (de circuitos o de paquetes). El soporte de QoS en este tramo presenta menos dificultades que en la red de acceso ya que habitualmente se dispone de capacidades de transmisión elevadas. El problema se reduce, básicamente, a dar un tratamiento prioritario a los servicios con requisitos de retardo más prioritario. �������� �������������������� En UMTS se definen cuatro clases de tráfico, desde el punto de vista de QoS y atendiendo al criterio de su tolerancia al retardo: • Conversacional: comunicaciones de audio y vídeo en tiempo real entre personas. Retardo de extremo a extremo muy reducido para no perder la sensación de interactividad. • Streaming: aplicaciones de descarga de contenidos multimedia (audio y videoclips) para su reproducción on-line, con una sensación que, sin serlo, se aproxima a la del tiempo real. El hecho de que sea unidireccional permite el uso de buffers para retrasar su inicio y absorber así las fluctuaciones del retardo. • Interactivo: aplicaciones de acceso remoto a información en la modalidad online, donde el usuario envía peticiones hacia el equipo remoto en espera que las respuestas lleguen en un tiempo relativamente reducido. Ejemplos son la navegación web, consultas a bases de datos o acceso remoto (telnet). • “Background” (diferible): da cabida a un gran número de aplicaciones en los que el usuario no exige respuesta inmediata por parte de la red, admitiendo re- ����������������������������������������������������� ��� ��������������������������������������� tardos que oscilan entre unos pocos segundos e incluso varios minutos. Ejemplos son el e-mail y la descarga de archivos. �������� ����������������������������������� La caracterización de los requisitos de QoS de los servicios portadores UMTS se concreta en base a un conjunto de atributos definidos es la especificación, que también indica el rango de valores permitido para cada atributo. No todos los atributos son aplicables a todos los tipos de tráfico. Los atributos definidos son: Tasa de bit máxima; Entrega ordenada; Tamaño máximo de SDU; Información de formato de SDU; Ratio de SDU erróneos; Ratio de error de bit residual; Entrega de SDU erróneas; Retardo de transferencia; Tasa de bit garantizada; Prioridad de tráfico; Prioridad de asignación/retención. �������� ������������������������������������ En la especificación TS 23.107 (Funciones de gestión de QoS en UMTS) se identifican de manera genérica las funciones de gestión de QoS a proporcionar en una red UMTS, así como su posible ubicación. Hay funciones de QoS definidas tanto en el plano de usuario como en el plano de control. En la práctica, la arquitectura de QoS definida por el 3GPP constituye un simple marco de referencia, dejando libertad absoluta en lo relativo a cómo y dónde se realizan las funciones, aspectos concretados entre operadores y fabricantes. ����������������������������������������������������� ���
