UNIVERSIDAD DON BOSCO FACULTAD DE INGENIERÍA ESCUELA DE INGENIERIA ELECTRONICA TRABAJO DE GRADUACIÓN: "ESTUDIO MONOGRÁFICO SOBRE LA RED UMTS" PARA OPTAR AL GRADO DE: INGENIERO ELECTRÓNICO PRESENTADO POR: ING. ANTONIO JOSE ZURA PERAZA AGOSTO 2003 SOYAPANGO – EL SALVADOR - CENTROAMERICA UNIVERSIDAD DON BOSCO RECTOR ING. FEDERICO MIGUEL HUGUET RIVERA VICE-RECTOR DE ASUNTOS ACADEMICOS Pbro. VICTOR BERMÚDEZ Sdb SECRETARIO GENERAL LIC. MARIO RAFAEL OLMOS DECANO DE LA FACULTAD DE INGENIERÍA ING. CARLOS BRAN ASESOR DEL TRABAJO DE GRADUACIÓN ING. OSCAR GIOVANNI DURAN VIZCARRA JURADO EXAMINADOR ING. JUAN CARLOS CASTRO ING. WENCESLAO RIVAS UNIVERSIDAD DON BOSCO FACULTAD DE INGENIERÍA JURADO EVALUADOR DEL TRABAJO DE GRADUACION “ESTUDIO MONOGRÁFICO SOBRE LA RED UMTS” _______________________ ____________________ ING. JUAN CARLOS CASTRO ING. WENCESLAO RIVAS JURADO JURADO _________________________ ING. OSCAR DURAN VIZCARRA ASESOR DEDICATORIAS A Dios Todopoderoso, por llenarme de confianza y sabiduría necesaria para poder llegar hasta aquí y finalmente culminar con éxito mi carrera universitaria escuchando siempre mis oraciones. A Maria Auxiliadora y San Juan Bosco, por su iluminación y compañía durante toda mi vida y carrera universitaria, motivando, fortaleciendo y guiándome con valor, tenacidad, humildad y alegría hoy y siempre. A mis Padres: Antonio y Gloria, cuna de mi vida, por todo su amor, paciencia, comprensión, consejos de justicia y rectitud, ayudándome así a crear el carácter con el cual seguiré su ejemplo del camino correcto, les dedico este logro y los futuros por suceder si Dios así me lo permite. A mi Esposa: Anabel, por su amor y apoyo incondicional que sustenta y motiva toda acción de seguir luchando, permitiéndome conocer el privilegio invaluable de la paternidad y complementar plenamente mí vida. A mi Hija: Andrea, por ser la inspiración mas reciente de mi vida y el regalo más hermoso que Dios y Maria me han concedido poder disfrutar... A mis Hermanos: Francisco y Verónica, con gratitud y fraterno amor, gracias por creer y darme valor para finalizar el camino elegido. A mis Abuelos: Jorge y Lota, Tin y Anita, por su ejemplo de superación, tenacidad y carácter forjado en mis padres que fue heredado a sus nietos. A Todos, por su amistad y apoyo en estos años de estudio les dedico este logro y comparto con ustedes el siguiente pensamiento: “Si deseamos alcanzar lo mas alto debemos empezar con lo más bajo usando nuestros talentos, aprovechando el tiempo y siguiendo siempre hacia adelante, trabajando arduamente para poder crear así nuestro propio destino...” ____________________________________________________________________________________________ Estudio Monográfico sobre la Red UMTS Pagina I INDICE CONTENIDO Página INDICE I INTRODUCCION IV CAPITULO I – INTRODUCCIÓN A LA TERCERA GENERACION 1. Génesis de los sistemas móviles de Tercera Generación 1.1. Introducción............................................................................................ 1 1.2. El UMTS como evolución de los sistemas móviles................................ 1 1.3. El Proceso Normativo de la Tercera Generación.................................... 4 1.4. El Proceso Normativo del sistema UMTS.............................................. 7 1.5. Las fases y el plan de evolución para GSM............................................ 8 1.6. Escenarios de Migración......................................................................... 10 1.7. El Negocio UMTS.................................................................................. 11 CAPITULO II – ARQUITECTURAS DEL SISTEMA 2. Arquitectura del Sistema UMTS 2.1. Introducción............................................................................................ 12 2.2. Análisis y Modelado de Redes................................................................ 13 2.3. La Familia de Sistemas IMT-2000.......................................................... 18 2.4. Arquitectura del Sistema UMTS............................................................. 21 2.5. La Red de Acceso.................................................................................... 29 2.6. La Red de Acceso UTRAN..................................................................... 33 2.7. La Red Central......................................................................................... 45 CAPITULO III – INFRAESTRUCTURA DE LA RED UMTS 3. Infraestructura de la Red UMTS 3.1. Introducción............................................................................................ 49 3.2. Historial de Conmutación de Circuitos................................................... 50 3.3. Historial de Conmutación de Paquetes................................................... 56 CAPITULO IV – TÉCNICAS DE ACCESO W-CDMA y TD-CDMA 4. Acceso Radio del Sistema UMTS 4.1. Introducción............................................................................................ 63 4.2. Técnica de Espectro Ensanchado............................................................ 64 4.3. La Técnica de Acceso W-CDMA........................................................... 67 4.4. La Técnica de Acceso TD-CDMA.......................................................... 73 4.5. La Interfaz Radio .................................................................................... 74 ____________________________________________________________________________________________ Estudio Monográfico sobre la Red UMTS Pagina II CAPITULO V – INTERFAZ RADIO DEL COMPONENTE TERRESTRE 5. Acceso Radio 5.1. Introducción.......................................................................................... 80 5.2. Descripción de la Capa Física............................................................... 80 5.3. Capa Física del Modo FDD (UTRA FDD)........................................... 81 5.4. Capa Física del Modo TDD (UTRA TDD).......................................... 90 5.5. Descripción de Protocolos de la Interfaz Radio.................................... 96 CAPITULO VI – GESTIÓN DE RECURSOS RADIO 6. Gestión de Recursos Radio 6.1. Introducción........................................................................................... 103 6.2. Concepto de Calidad en el Servicio....................................................... 104 6.3. Gestión del Recurso Radio..................................................................... 105 6.4. Gestión de la Movilidad......................................................................... 108 6.5. Gestión de la Localización..................................................................... 116 6.6. Gestión de la Seguridad.......................................................................... 122 CAPITULO VII – MODELOS DE PROPAGACIÓN Y MOVILIDAD 7. Modelos de Propagación y Movilidad 7.1. Introducción.......................................................................................... 127 7.2. Calculo de las Perdidas por Difracción................................................. 127 7.3. Modelos de Propagación para Macrocélulas........................................ 131 7.4. Modelos de Cálculo para Entornos Urbanos......................................... 132 7.5. Predicción de la Perdida Básica en Picocélulas de Interiores............... 133 7.6. Caracterización de Canales Radio en Banda Ancha.............................. 133 7.7. Modelos de Canal Radio y de Movilidad para UMTS.......................... 135 CAPITULO VIII – PLANIFICACIÓN Y CONTROL DE REDES UMTS 8. Planificación y Control de Redes UMTS 8.1. Introducción........................................................................................... 139 8.2. Parámetros de Calidad........................................................................... 139 8.3. Modelado de Entorno............................................................................ 140 8.4. Dimensionado Inicial de Recursos........................................................ 141 8.5. Planificación Radio............................................................................... 142 8.6. Planificación de Frecuencia.................................................................. 144 8.7. Planificación de Red............................................................................. 146 8.8. Planificación con Antenas Inteligentes................................................. 148 8.9. Compatibilidad entre UMTS y otros servicios en la banda 2 Ghz........ 150 8.10. Medidas de Control Soportadas por los Sistemas UMTS................... 151 8.11. Parámetros de Radiofrecuencia medidos para W-CDMA.................. 154 ____________________________________________________________________________________________ Estudio Monográfico sobre la Red UMTS Pagina III CAPITULO IX – INGENIERÍA Y TECNOLOGÍA RADIO DEL SISTEMA UMTS 9. Ingeniería y Tecnología Radio del Sistema UMTS 9.1. Introducción.......................................................................................... 160 9.2. Tecnología Radio.................................................................................. 160 9.3. Ingeniería Radio.................................................................................... 164 9.4. Configuración de emplazamiento Radio............................................... 167 9.5. Compatibilidad entre Redes y Sistemas................................................ 169 9.6. Impacto Medioambiental....................................................................... 171 9.7. Niveles de Emisiones............................................................................ 172 Capítulos de otros autores (Solamente en el CD) X. Diseño de Nodos B (Por W. Warzanskyj).................................. 175 XI. Componente Satélite (Por Miguel Calvo Ramón).................... 207 XII. Simulación (Por Miguel Calvo Ramón)........................................ 273 BIBLIOGRAFÍA....................................................................................... i ANEXO A - “Simulación”........................................................................ ii ANEXO B – “Especificaciones Detalladas del Interfaz Radio”............ iv ACRONIMOS............................................................................................ xxv ____________________________________________________________________________________________ Estudio Monográfico sobre la Red UMTS Pagina IV I. INTRODUCCION Estamos en la era de las innovaciones. Cualquier invento anunciado como revolucionario se queda anticuado en pocos años. Se ha anunciado la revolución tecnológica más importante desde la llegada del ordenador personal: la comunicación sin cables. Las mejoras innegables de la ciencia y la tecnología exigen primero una inversión económica y después una constante renovación de los usuarios para manejar los inventos de la última generación. Ahora bien, la telefonía móvil ha llegado en los últimos años a nuestras vidas para instalarse en ella de forma definitiva, es un hecho incontestable. A finales del año 2000 se habían contabilizado más de 500 millones de móviles activos en el mundo (según la UIT) con niveles de penetración que en algunos países superan hoy el 50% de la población. Se ha creado una red de comunicación demasiado extensa como para subestimar esa capacidad de tráfico de información entre usuarios, la Red de redes - Internet- estaba sujeta a conexiones a través de un cable -telefónico- que limitaba moderadamente su uso, ahora se puede acceder en cualquier momento y desde cualquier lugar. En el futuro que se avecina, el espacio y el tiempo dejarán de ser obstáculos reales para el flujo de información entre personas. Hasta hace pocos años, el avance fundamental que la telefonía móvil nos ofrecía era la casi absoluta libertad de movimientos a la hora de comunicarnos: la ausencia de cable telefónico. Sin embargo, en este período, él móvil ha dejado de ser una herramienta de comunicación telefónica tradicional ya que nos habituamos, por ejemplo, al fenómeno de los mensajes cortos de texto y sin saberlo, hemos abierto las puertas a la tecnología GSM (Global System for Mobile Communications), luego de ello hemos sentado las bases para sumergirnos en la tecnología GPRS (General Packet Radio Service) y ya sabemos cuál es el siguiente movimiento: la revolucionaria Tercera Generación UMTS (Universal Mobile Telecommunications System). Todo este conglomerado de siglas no es más que una forma de definir la expansión que se prevé de la capacidad de la telefonía móvil para acceder a la información. Él móvil dejará de ser simplemente un intercomunicador entre dos personas para ser una puerta al mayor flujo de comunicación que ha existido: todo el mundo en nuestras manos. Los cambios que pueden producirse en la sociedad de la información con el UMTS son enormes, llegando posiblemente hasta modificar nuestro comportamiento social y es por este motivo que debemos prepararnos con gran seriedad y responsabilidad al momento en el que este nuevo estándar sea utilizable, para ese momento se ha recopilado información en esta monografía. Es importante resaltar que el paso a la llamada “tercera generación” ocurre en un contexto muy distinto al de la introducción GSM ya que no es definido por un grupo reducido de operadores europeos cuyo objetivo principal fue la telefonía de voz. Una nueva era de comunicaciones multimedia, que permite combinar, en la misma llamada, voz, texto y video, esta implicando rápidamente al mundo de los sistemas móviles con perspectivas de crecimiento excepcional. En el ámbito de los sistemas radiomóviles, aunque con capacidades limitadas, algunos nuevos servicios basados en el acceso a ____________________________________________________________________________________________ Estudio Monográfico sobre la Red UMTS Pagina V Internet están gradualmente irrumpiendo en el mercado, a nivel radio sé esta tratando de introducir funciones que permitan una mayor flexibilidad en la asignación de los recursos para obtener una mayor velocidad de transmisión, aquí aparece la solución HSCSD (High Speed Circuit Switched Data) que permite a los usuarios GSM velocidades de transmisión hasta ocho veces superiores a las actuales, luego existe un cambio en la modalidad y es donde surge la tecnología GPRS que supondrá un importante avance sobre las bases sentadas por el GSM por la velocidad de transmisión de datos y su verdadera novedad es la “comunicación orientada a paquetes”, esta novedad es muy sencilla ya que hasta ahora la conexión a Internet se realizaba a través de una llamada telefónica que no finalizaba hasta que el usuario había concluido su consulta; con los sistemas de comunicación orientados a paquetes que abrirá el GRPS, el cobro de conexión se realiza únicamente mientras el usuario está bajando la página, no cuando la está consultando, por ende la conexión es solamente al inicio. La velocidad de conexión y acceso a los datos es muy superior y lo más importante es que la tarifa será por tiempo de uso real de la conexión, con lo que será un intercambio mucho más barato. Por último, EDGE (Enhanced Data rates for GSM Evolution), también llamado GSM384, abrirá el camino hacia las comunicaciones personales multimedia. Utiliza un esquema de modulación y codificación alternativo que alcanzan transferencias de datos de hasta 384 kbit/s, o sea 48 kbit/s por timeslot, (ya adecuada para soportar vídeo con calidad) sobre la portadora estándar de 200 kHz propia de GSM, siendo comparable con las que promete UMTS. Esta posibilidad permite seguir utilizando las actuales redes GSM por mucho tiempo, lo que es un factor muy importante para los operadores que actualmente ofrecen servicios de comunicaciones móviles celulares vía radio y para los fabricantes que están desarrollando terminales duales compatibles GSM y W-CDMA (Wideband Code Division Multiple Access). Además, las velocidades de transferencia de datos anteriormente comentadas pueden ser incrementadas utilizando la facilidad de compresión de datos. Y mientras las tecnologías GPRS/EDGE presionan a la GSM pidiendo paso para instalarse entre nosotros, ya se ha ideado el siguiente paso de la cadena evolutiva: la tecnología UMTS (Universal Mobile Telecommunications System). El Sistema Universal de Telecomunicaciones Móviles (UMTS) será un sistema de comunicaciones móviles que pueda ofrecer significativos beneficios a los usuarios, incluyendo una alta calidad y servicios inalámbricos multimedia sobre una red convergente con componentes fijos, celulares y por satélite. Suministrará información directamente a los usuarios y les proporcionará acceso a nuevos y novedosos servicios y aplicaciones. Ofrecerá comunicaciones personales multimedia al mercado de masas, con independencia de la localización geográfica y del terminal empleado (movilidad del terminal, personal y de servicios). Básicamente, esta tercera generación de móviles transformará nuestros pequeños inalámbricos en verdaderos equipos multimedia, que podrán trabajar con voz, datos, audio, vídeo, imágenes y acceso a Internet a una velocidad vertiginosa 200 veces superior a los terminales actuales. No cabe duda de que la movilidad generalizada, asociada a una amplia oferta de servicios de voz y datos presenta una serie beneficios para los usuarios, pero como contrapartida, también presenta algunos problemas ya que ____________________________________________________________________________________________ Estudio Monográfico sobre la Red UMTS Pagina VI exige una tecnología más avanzada, interconexión entre todas las redes por las que el usuario se mueve y unos sistemas de señalización muy potentes para garantizar la rapidez en el establecimiento de la comunicación, la seguridad de la misma y permitir un importante flujo de datos al utilizarse aplicaciones multimedia que demandan un gran ancho de banda. Así, surge UMTS (Universal Mobile Telecommunications System), que se está diseñando, básicamente en Europa, como un miembro de la familia global IMT-2000 de la UIT que contempla la validez para todas las regiones del mundo y sistemas tanto terrestres como por satélite. La estandarización de UMTS está siendo llevada a cabo por el ETSI (Instituto Europeo de Estándares de Telecomunicación) en estrecha colaboración con otros organismos como es la TIA (Asociación de Industrias de Telecomunicación) en Estados Unidos y la ARIB (Asociación de las Empresas de Difusión de Radio) en Japón, que también colaboran en la definición de los estándares de IMT-2000. La introducción de los nuevos servicios permitirá la entrada de la era de los multimedia personal. Así, buzón de voz y correo electrónico se convertirán en correo móvil multimedia; los mensajes cortos, en postales electrónicas con dibujos y video clips integrados y las llamadas de voz se complementarán con imágenes en tiempo real. Asimismo, se verán favorecidas las transacciones de negocio, que mejorarán gracias al equipo con multimedia y videoconferencia, permitirá un rápido desarrollo del comercio electrónico, facilitando las compras a distancia y el info-entretenimiento crecerá vertiginosamente. Para ello, los terminales se deberán adaptar a los nuevos servicios y, así, habrá complejos terminales que contarán con una serie de características evidentes como grandes displays y una resolución mejorada con capacidades de videoteléfono y navegadores, que coexistirán con otros mucho más sencillos para voz, pequeños y fáciles de usar, que permitirán comunicarse al usuario medio no interesado por estos sofisticados servicios. Como ya se ha dicho en general para los sistemas de tercera generación, UMTS representa una verdadera innovación respecto a los sistemas actuales. El sistema se ha planificado en un modo altamente flexible, para proveer una amplia gama de aplicaciones en una multiplicidad de escenarios y, mas en general, para extender a los usuarios móviles gran parte de los servicios ofrecidos a los usuarios fijos. Otro punto de gran interés es la compatibilidad entre UMTS y GSM, ya que visto el gran éxito de este ultimo se prevé una migración gradual hacia UMTS. Es por tanto previsible que inicialmente la cobertura UMTS se llevara a cabo únicamente en zonas de trafico elevado o con requerimientos especiales de los usuarios: la modalidad de los usuarios en amplias áreas, aunque con servicios reducidos, se asegurara por medio de GSM. Con tal perspectiva, se requiere por lo tanto que los terminales UMTS puedan operar también con terminales GSM (terminales dual mode). Finalmente señalar que, si bien UMTS posee una cobertura global (por tanto, en océanos y desiertos, para los cuales el uso del segmento satélite es indispensable), actualmente la actividad principal de especificación se concentra únicamente en el segmento terrestre del sistema, denominado UTRAN (UMTS Terrestrial Radio Access Network). ____________________________________________________________________________________________ Estudio Monográfico sobre la Red UMTS Pagina VII Ahora bien, el proceso actual de despliegue e implantación de las redes de Comunicaciones Móviles de tercera Generación plantea la necesidad de formación especializada para los profesionales que van a trabajar con estas tecnologías. El presente estudio muestra una descripción de la Arquitectura y Servicios del sistema UMTS tanto terrestre como satélite. También se revisan las interfaces radio, los métodos de planificación y la medida de sus prestaciones, así, en el primer capítulo se abarcan los aspectos generales y en los últimos capítulos aspectos técnicos de diseño, fabricación, construcción y explotación de las redes 3G. El presente estudio monográfico se estructura en diez capítulos coherentes entre sí, donde el primero es de carácter introductorio recogiendo los aspectos evolutivo y normativo que dan como resultado la versión actual UMTS presentando una visión general del sistema. El segundo y tercero se ocupa de la arquitectura e infraestructura de la red iniciando con la existente GSM para luego mostrar mejoras y avances con la incorporación de modificaciones físicas, redes central modificada y de acceso. El cuarto capítulo muestra otra de las diferencias con la red de segunda generación, las técnicas de acceso a red como los son W-CDMA y TD-CDMA. El quinto y sexto capitulo se muestra el acceso radio describiendo la capa física de los modos FDD y TDD junto con sus protocolos de comunicación para luego mostrar la gestión de recursos radio de movilidad, localización, calidad y servicio. El capitulo siete muestra los modelos de propagación en todos los entornos y sus perdidas por difracción, además, de la movilidad en los entornos urbanos e interiores. El capítulo ocho detalla una planificación y control de redes donde se modela el entorno y dimensionan los recursos para una planificación radio considerando frecuencia y red. El capitulo nueve presenta la ingeniería y tecnología radio del sistema, sus configuraciones y compatibilidad entre redes y sistemas, el impacto medioambiental, niveles de emisión de potencia y finalmente, diseño de nodos B. Finalmente, se dedica una anexo a la simulación de distintas características de estas redes y se incorpora un CD-ROM que permite a los lectores involucrados profundizar en detalles específicos de estos sistemas. Capítulo I Introducción a las Comunicaciones Móviles de Tercera Generación _____________________________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________________________ Estudio Monográfico sobre la Red UMTS Página 1 CAPITULO I INTRODUCCIÓN A LAS COMUNICACIONES MÓVILES DE TERCERA GENERACION 1. GENESIS DE LOS SISTEMAS MOVILES DE TERCERA GENERACION 1.1 Introducción En este tema exploraremos una de las posibles soluciones tecnológicas de partida, aquella que puede considerarse como una evolución y que parte de los sistemas de 2G pero con mejores características. Así, en primer lugar se consideran los factores que han hecho posible el éxito de la segunda generación: las normas, la competencia y los nuevos servicios que han provocado una gran demanda por parte de los usuarios, la cual puede satisfacerse por medio de mejoras a los sistemas, pero a mediano plazo es necesario buscar sistemas más económicos, con mejores servicios y con una mayor eficiencia espectral y es por ello que nace de la necesidad del mercado. En este capitulo se mostrara como debe ser el nuevo sistema de 3G, con una capacidad y eficiencia espectral mas elevada que la que 2G puede proveer. 1.2 El UMTS como evolución de los sistemas móviles 2G Los sistemas 2G han experimentado un crecimiento en la demanda y esta influyendo de tal forma que ha sido el origen de la llamada “Nueva Economía” junto con el desarrollo de Internet. Sin embargo las comunicaciones móviles vía radio existen desde los principios del siglo pasado aunque con expansión limitada debido al recurso radioeléctrico y el precio de los sistemas. La utilización de frecuencias cada vez mas elevadas, invenciones clave (reutilización de frecuencias, métodos de modulación y codificación, etc.) y sobre todo la posibilidad tecnológica de fabricar sistemas extraordinariamente complejos a precios muy bajos. A parte de la tecnología la existencia de una serie de normas primero europeas y luego internacionales que han permitido el desarrollo de los mercados, organizados a través de la competencia, el crecimiento de la demanda y la mejora en la eficiencia espectral. 1.2.1 Estilo Gran parte del éxito del sistema GSM se debe a la elaboración de un conjunto de normas comunes a todos los países, las cuales permitieron compartir gastos de investigación y desarrollo del sistema, posibilitando las economías de escala. Capítulo I Introducción a las Comunicaciones Móviles de Tercera Generación _____________________________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________________________ Estudio Monográfico sobre la Red UMTS Página 2 La normativa europea tiene un carácter internacional de ámbito global y esta llevándola a cabo la Unión Internacional de Telecomunicaciones UIT, pero el trabajo técnico se realiza a través de los proyectos de consenso como 3GPP (Third Generation Partnership Project) y 3GPP2 (en el estándar mas especifico de la región 2 América). La norma que sé esta definiendo en la actualidad bajo la denominación IMT-2000 debe servir no solamente a las necesidades de Europa sino que nace con vocación global. 1.2.2 La Competencia Quizá una de las innovaciones más importante para la captación de clientes ha sido la tarjeta prepago, la cual se ha popularizado facilitando a los indecisos la entrada a este tipo de comunicaciones, es un cambio de paradigma ya que las comunicaciones no son el objeto de un contrato sino algo que se puede comprar en cualquier lugar. Además, el terminal móvil, elemento integrante de la oferta y factor decisivo para el cliente se ha convertido en un objeto personal que centraliza la interacción con el exterior. 1.2.3 El crecimiento de la demanda de los usuarios Gracias a los avances tecnológicos, las normas y a la competencia, la demanda de los usuarios de los sistemas de 2G es cada vez mas elevada y cabe preguntarse si dichos sistemas pueden ser capaces de soportar esta demanda y si las soluciones tecnológicas son validas todavía considerando la eficiencia espectral, los servicios, la capacidad y la cobertura. 1.2.4 La mejora de la eficiencia espectral El aumento del trafico se puede absorber colocando mas transceptores o más portadoras en la estación base, sin embargo, llega el momento en que esto no es posible debido a que cada portadora debe utilizar una frecuencia diferente y el espectro total destinado a las comunicaciones móviles y asignado por las administraciones de cada país son limitados. La forma de mejorar la capacidad es colocar mas estaciones de base de forma que puedan reutilizarse las frecuencias a distancias menores. Sin embargo este es un proceso muy caro, por lo que debe lograrse un sistema que tenga un mayor numero de usuarios por Mhz. El sistema GSM introdujo las técnicas digitales permitiendo con ello reducir los costes de fabricación, mejorar el numero de comunicaciones en un ancho de banda dado y la razón mas importante es que permite utilizar relaciones portadora - interferencia mucho mas bajas (desde unos 18dB en analógicos hasta 9dB en GSM). Sin embargo los niveles de utilización del sistema GSM empiezan a ser, sobre todo en los centros de las ciudades, muy elevados y por ello se han aplicado soluciones para mejorar la eficiencia espectral, todas ellas muy efectivas de las cuales podemos citar: • Utilización del control de potencia en enlace descendente • Salto de Frecuencias SFH (Slow Frequency Hopping) • Uso de estructuras jerárquicas de frecuencias Capítulo I Introducción a las Comunicaciones Móviles de Tercera Generación _____________________________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________________________ Estudio Monográfico sobre la Red UMTS Página 3 • Utilización el codec AMR (Adaptative Multirate Codec), etc. Sin embargo con estas soluciones a corto plazo no pueden introducirse nuevos servicios, sino que únicamente administrarse mejor lo existente. 1.2.5 EDGE y GPRS Una forma de lograr mejorar la capacidad de GSM es la conmutación de paquetes GPRS que incluye una nueva capa de acceso al medio MAC (Médium Access Control) y una nueva capa de control de radio RLC (Radio Link Control) con lo que la transmisión de la información se puede realizar a distintas velocidades (9,6; 13,4; 15,6 y 21,4 kbits/s) dependiendo del tipo de codificación. La velocidad es adaptativa, de forma que puede optimizarse dependiendo de las características del canal. El nuevo estándar EDGE permite a través de una interfaz radio que utiliza la misma canalización de 200 kHz que usa GSM, con técnicas de modulación adaptativas, mejorar la capacidad de GSM, especialmente en zonas de alto trafico. EDGE utiliza una modulación que varia de acuerdo con las condiciones de propagación y de interferencia a las que este sometido el móvil (la interfaz radio de EDGE utiliza 8PSK con codificación variable y puede revertir a GSM si la relación portadora interferente es baja) de esta forma es posible acomodar usuarios para que tengan unos requisitos relativamente altos de servicios con alta tasa binaria. 1.2.6 Una interfaz aire multimedia Pero el rendimiento espectral no es la única razón para introducir un nuevo estándar ya que los clientes exigen servicios cada vez mas avanzados. En el sistema GSM la capacidad de la portadora es de 115,2 kbit/s, utilizando EDGE alcanza 384 kbit/s y ya no permiten que la tasa de información del usuario sea significativamente mayor. Si el sistema UMTS debe permitir valores de pico de las tasas de usuario cercanos a los 2Mbit/s (500 kbit/s de forma continua), será preciso que la anchura de banda de la portadora sea superior a esta cantidad en un factor de 2 o 3. Esta condición no se cumplía en ninguno de los sistemas actuales, por lo que resulta evidente la necesidad de un sistema nuevo, que al mismo tiempo incorporara las ventajas de la eficiencia espectral antes mencionada. 1.2.7 Conclusiones En este capitulo se han identificado las claves que están permitiendo el desarrollo de los sistemas de comunicaciones móviles, desde sus orígenes en los sistemas analógicos, pasando por la denominada segunda generación: el GSM, que está estableciendo las bases de la nueva sociedad de la información hasta las tendencias futuras, bajo las perspectivas de la integración. Se han identificado las causas que han permitido el rápido desarrollo del GSM. Estas causas son: • Económicas: una mayor competencia • Técnicas: un estándar mucho más avanzado y modular. Capítulo I Introducción a las Comunicaciones Móviles de Tercera Generación _____________________________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________________________ Estudio Monográfico sobre la Red UMTS Página 4 Sin embargo, hay un constante flujo en el desarrollo de nuevos estándares que ponen de manifiesto la existencia de una serie de servicios, para los que existe demanda potencial y que no se cubren fácilmente con GSM. La evolución de banda ancha y, sobre todo, el desarrollo de los servicios multimedia, va a hacer necesario contar con sistemas radioeléctricos integrados capaces de soportar todo ello. En definitiva, está claro que va a existir una evolución hacia un sistema que: • Tenga más eficiencia espectral. • Esté mejor integrado con la red fija. • Integre los sistemas terrenales con los sistemas basados en satélites. • Puedan prestar servicios multimedia. • El terminal y la suscripción deben ser económicos y fáciles de utilizar, de forma que el sistema sea un objeto cotidiano. Por otra parte, el desarrollo de este nuevo sistema va a ser evolutivo. Los cambios más importantes se producirán mediante el desarrollo de una interfaz radioeléctrica más flexible que la actual del GSM. Por contra, la estructura de señalización seguirá un camino más lento, con la incorporación paulatina de las soluciones de red inteligente. A medio y largo plazo, el UMTS sustituirá progresivamente a las soluciones actuales. La sustitución se realizará dé acuerdo con las necesidades de los mercados y la presencia de nuevas aplicaciones que lo justifiquen. 1.3 El Proceso Normativo de la Tercera Generación 1.3.1 Introducción El concepto de Tercera Generación hace mención a un nuevo conjunto de tecnologías, pero también a una colección de Normas de dominio publico, en este capitulo se ocupa de los aspectos relacionados con su proceso de elaboración y responde a interrogantes como que documentos normativos la definen y donde se pueden encontrar, cuales son las organizaciones involucradas y que nos espera mas allá de 3G. Este capítulo se centrara en la componente terrestre de 3G, comenzando con una exposición del proceso de normalización de los sistemas y el resultado del mismo junto al papel de la UIT. 1.3.2 Proceso Normativo de Tercera Generación El ámbito mundial y armonizado de 3G descarta la filosofía basada en la presentación al mercado de una iniciativa de empresas privadas de manera que con el tiempo se impusiera como vencedor, en su lugar, se recurrió a la UIT como foro en el que debatiese el contenido y los requisitos de 3G. Todo ello fue plasmado en una serie de recomendaciones que trazaron el marco Capítulo I Introducción a las Comunicaciones Móviles de Tercera Generación _____________________________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________________________ Estudio Monográfico sobre la Red UMTS Página 5 general de aquella, posteriormente convoco un proceso de presentación de soluciones tecnológicas para la interfaz radio y que eran aptas para ser incluidas en 3G. Fuera de su contenido quedo la evaluación de las propuestas que se reservo para los miembros y especificar en detalle las diferentes soluciones de 3G. 1.3.3 La estandarización Hay dos organismos que están trabajando en la estandarización del nuevo sistema de comunicaciones personales: La UIT y el ETSI. Los dos tienen concepciones similares, pero objetivos diferentes: El FPLMTS (IMT-2000), La UIT ha establecido un grupo para definir, en cierto modo, un estándar mundial. El sistema a estandarizar se denominó Future Public Land Mobile Telecommunication System (FPLMTS). Recientemente se ha cambiado a International Mobile Telecommunications 2000 (IMT-2000). El sistema IMT-2000 debe dar servicio de voz, vídeo y datos en cualquier lugar y en cualquier momento. El concepto va bastante más allá de un simple acceso sin hilos o comunicaciones móviles, ya que incluye aspectos como localización o de seguridad de tráfico rodado. Otro aspecto importante es la utilización del bucle radioeléctrico para dar servicio a áreas en desarrollo. Un aspecto importante es la estandarización de frecuencias. Está sometido a debate continuo, aunque el UMTS tiene ya una asignación de bandas mostrada en la figura 1.1. El ETSI, como organismo encargado de la normalización de los aspectos relacionados con las telecomunicaciones en Europa, ha establecido numerosos grupos que trabajan en los aspectos de comunicaciones móviles. Asimismo, y a instancias de la Comunidad Europea, se ha establecido un Foro de debate, el UMTS Forum, encargado de canalizar y dirigir las actividades, tanto de normalización como, en cierto modo, de investigación para el desarrollo del UMTS. 1.3.4 El proceso normativo en la UIT La especificación de los sistemas 3G supuso en su momento un fuerte reto por tener el objetivo de un sistema de telecomunicaciones móviles global, que con los sistemas 2G no dejaban de responder a estándares definidos con carácter local acompañada de una falta de coordinación en la asignación de bandas de frecuencias, lo que exigía un cambio de mentalidad dirigido a unificar los esfuerzos y un acuerdo con carácter global para las bandas de frecuencia de los sistemas 3G. El organismo mejor situado era la UIT produciendo debates sobre las bandas de frecuencias preparatorias de las conferencias mundiales de radiocomunicaciones (WRC), discutido y establecido los requisitos que han de cumplir con las tecnologías radio. El denominado grupo interino 8/13 establecido por la UIT investiga aspectos como las bandas de frecuencia, niveles de compatibilidad, necesidades en los países en vías de desarrollo y el de la vecindad entre la componente terrenal y la satelital. Capítulo I Introducción a las Comunicaciones Móviles de Tercera Generación _____________________________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________________________ Estudio Monográfico sobre la Red UMTS Página 6 Los primeros resultados establecieron objetivos y requisitos del espectro fijando las bandas de 1.885-2.025 Mhz y 2.110-2.200 Mhz para la componente terrestre y las bandas 1.980-2.010 Mhz y 2.170-2.200 Mhz para el componente satélite. En la figura 1.1 se presentan las bandas de frecuencia asignadas para IMT-2000 y su uso previsto en diferentes regiones. Figura 1.1 Bandas de frecuencia asignadas para IMT-2000 Luego, el Task Group 8/1 elaboro una serie de documentos que paulatinamente dieron forma al concepto de 3G, cambio el nombre para ser IMT-2000 (Banda de Trabajo 2Ghz y año), designó una familia de tecnologías de acceso radio (RTT) denominada Recomendación RKEY y presentó 10 candidaturas para la componente terrestre IMT-2000 tales como DECT (Digital Enhanced Cordless Telecommunications), UWC (Universal Wireless Communications), WCDMA (Wideband CDMA), TD-SCDMA (Time Division Synchronous CDMA),etc. y 6 para la satelital. Esta lista fue el punto de partida que inicio el proceso de convergencia entre propuestas que afecto sobre todo a las componentes FDD y WCDMA, una consecuencia importante fue la creación de sendos foros de especificación ligados a dos de las propuestas el 3GPP de la propuesta UTRA y el 3GPP2 de la propuesta CDMA 2000, pero siempre surgieron conflictos por los derechos de propiedad que fueron motivo de tensiones y estuvieron a punto de botar el proyecto y la solución de los mismos fue la que abrió puerta a la ultima y definitiva maniobra de acercamiento entre candidaturas la OHG (Operators Harmonization Group) que sirvió para aproximar al máximo las tecnologías IMT-2000 y de reducir las tecnologías a tres modos: IMT-DS (UTRA-FDD, componente FDD de los sistemas WCDMA) IMT-MC (UTRA-FDD, variante de la propuesta CDMA2000 compatible con los sistemas IS-95) TDD (componente TDD de las propuestas IMT-2000) Capítulo I Introducción a las Comunicaciones Móviles de Tercera Generación _____________________________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________________________ Estudio Monográfico sobre la Red UMTS Página 7 Las especificaciones de los tres modos se modificarán para permitir el uso de cualquiera de sus tecnologías radio en combinación con cualquiera de los dos posibles núcleos de red y para ello se introducen en los protocolos afectados los denominados ganchos y extensiones que permiten el soporte de ambos tipos de núcleo de red. A mediados de 1999 dicha propuesta fue aceptada y como consecuencia el 3GPP2 paso a ceñirse exclusivamente en la componente de banda estrecha de la opción CDMA 2000 ya que el resto pasaba a unificarse con la UTRA y con dicha aceptación sé cerro prácticamente el proceso de selección de las tecnologías radio de la componente terrestre IMT-2000. 1.4 El proceso normativo del sistema UMTS El sistema UMTS nació como una propuesta netamente europea, de tecnología de 3G. Como tal fue presentada en plazos y formato conforme lo estableció la UIT, quien recibió la propuesta de la ETSI que al mismo tiempo responsabilizo a la encargada de la capa física del sistema GSM e ingeniería de radio la SGM2 que decidiera sobre la tecnología radio en la que se basaría el sistema UMTS identificando alternativas agrupándose en cinco Grupos de concepto: 1. Alfa, que englobaba a aquellas propuestas basadas en la tecnología DS-CDMA tales como WCDMA de Fujitsu, Wideband DS de NEC y DS-CDMA de Panasonic. 2. Beta, incluyendo las soluciones que utilizaban la técnica OFDMA tales como BDMA de Sony, OFDMA de Telia y OFDMA de Lucent. 3. Gamma, fue establecido para incluir las propuestas basadas en la técnica TDMA que comprendía únicamente el modo 1 Frames FMA sin ensanchamiento. 4. Sigma, destinado a las propuestas basadas en la combinación de las técnicas TDMA y CDMA que comprendía CTDMA y Modo 1 Frames FMA. 5. Ignus, constaba con una sola opción basada en la técnica ODMA promovida por Vodafone y Salbu R & D. El objetivo inicial era concluir con la unificación de todas las propuestas en una sola que correspondiese a UTRA y aunque en el reporte se detallaron las utilidades de cada uno de los Grupos fue hasta Diciembre de 1997 en Madrid que se puso de manifiesto que la elección se circunscribía a los Grupos Alfa y Sigma, que es lo mismo, a las tecnologías WCDMA y TDMA / CDMA, donde también sucedió un desacuerdo para la obtención de por lo menos un 71% de mayoría en el cual el Grupo Alfa ostentaba de un 58% que era claramente insuficiente. El tema volvió a plantearse en Paris, Enero de 1998 por medio de una votación formal llegando hasta un 61% a favor del Grupo Alfa lo que no fue suficiente pero si necesario para una negociación entre ambas partes con lo que se denomino “acuerdo de Paris”, donde según sus términos la solución UTRA contiene dos componentes: FDD y TDD. La primera se basa en la solución WCDMA y es de aplicación en las proporciones emparejadas de la banda UMTS. La segunda utiliza la combinación CDMA / TDMA y se ubica en las proporciones no emparejadas Capítulo I Introducción a las Comunicaciones Móviles de Tercera Generación _____________________________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________________________ Estudio Monográfico sobre la Red UMTS Página 8 de la banda. En definitiva, una solución de compromiso, que incorpora parte de los elementos de los dos finalistas y que explica el carácter bicéfalo de UTRA. Una vez tomada la decisión sobre la interfaz radio se creo un nuevo foro para la especificación de sistema el 3GPP y le siguió en poco tiempo el 3GPP2 reflejo de actividades similares en el campo de la propuesta CDMA 2000 cuyo objetivo básico es el de elaborar las especificaciones del sistema, no las normas del mismo de las cuales se encarga la ETSI. Como sistema vivo y en evolución el 3GPP ha considerado dos versiones, la primera (99) se estableció con la intención de proporcionar una especificación del sistema a tiempo para el desarrollo de redes UMTS en Japón y la segunda (00) esta ajustada a las versiones documentales de las especificaciones. 1.5 Las fases y el plan de evolución para GSM La introducción de UMTS tendrá lugar gracias a la ejecución de una serie de fases para con ello reducir el riesgo y coste para los operadores y asegurar la temprana adopción de servicios por parte de los usuarios finales. Las fases hacia el desarrollo de UMTS son las siguientes: • La extensión de las capacidades GSM para incluir conmutación de circuitos a alta velocidad HSCSD, de paquetes GPRS y operación de datos de alta velocidad EDGE. Sin embargo no todas serán implementadas por los operadores ya existentes. • Fases de prueba PRE-UMTS, durante la que los prototipos de estaciones base UMTS se probaran tanto en subconjuntos de redes GSM reales como en pruebas aisladas en redes basadas en paquetes. • Fase de despliegue básico que incluye la primera incorporación de estaciones base para el acceso radio UMTS dentro de redes en funcionamiento, nuevos servicios basados exclusivamente en las capacidades UTRA proporcionando servicios de banda estrecha y banda ancha sobre las mismas interfases UTRA. • Fase comercial completa que incorporara mejoras en su funcionamiento y capacidad junto con la introducción de nuevos y sofisticados servicios basados en UMTS. 1.5.1 Plan de evolución para GSM Mientras llega UMTS se ha desarrollado el plan de evolución de GSM denominado también la generación 2.5, una nueva funcionalidad multimedia que va mas allá de las aplicaciones actuales capaz de soportar 384 kbit/s con movilidad restringida y hasta 115 kbit/s con movilidad total. Todo empezó con los servicios de mensajes cortos y la transmisión de datos desde acceso móvil basada en circuitos que presentaron latencia excesiva y ancho de banda limitado (9.6 kbit/s para transmisión de datos y 160 bytes para cada transacción por SMS) que a pesar de las dificultades se han mejorado pero a los clientes les gustaría que fuesen más fáciles (limitación del teléfono), mas rápidos (limitación en la red) y mas personalizados (limitación en los servicios). Para ello el Instituto Europeo de Estándares de Telecomunicaciones ETSI ha desarrollado nuevas tecnologías de datos sobre redes GSM de segunda generación basadas en conmutación de circuitos, HSCSD y en conmutación de paquetes, GPRS. La figura 1.2 resume esta evolución. Capítulo I Introducción a las Comunicaciones Móviles de Tercera Generación _____________________________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________________________ Estudio Monográfico sobre la Red UMTS Página 9 Figura 1.2 Evolución de los sistemas de comunicaciones móviles 1.5.2 HSCSD (High Speed Circuit Switched Data) Es un desarrollo de conmutación de circuitos de alta velocidad que proporciona mayor velocidad en la transmisión de datos desde el móvil utilizando simultáneamente varios intervalos temporales de la portadora y permite conseguir un flujo de datos cercano a los 100 kbit/s. Esta diseñada para que sea soportada por la red GSM y es adecuada para transferencias de información a velocidad constante (transferencias de ficheros y videoconferencia), pero necesita establecimiento de llamada y obliga a la red a mantener el circuito aunque no haya trafico. 1.5.3 GPRS (General Packet Radio Service) Este conjunto de servicios portadores da soporte al acceso vía radio utilizando el protocolo IP a Internet y a redes de conmutación de paquetes como X.25, con una velocidad de hasta 115 kbit/s usando el mismo subsistema de estaciones base que para los servicios de voz, pero con pasarelas especificas para el encaminamiento de la información GPRS a través de una red de datos. GPRS es una técnica de conmutación de paquetes que emplea una codificación reducida del canal para alcanzar una velocidad neta de 14.4 kbit/s por ranura de tiempo consiguiendo un caudal máximo de 115 kbit/s, basada en una nueva codificación de los canales radio asignándolos solamente cuando se envían datos en modo paquete, en la compartición de los canales entre mas de un usuario y en la asignación de canales distintos para transmisión y recepción. Por lo tanto es una técnica de conmutación de paquetes adecuada para manejar trafico a ráfagas que puede suministrar datos directamente al terminal del usuario si este se encuentra apagado o fuera de cobertura y que solamente ocupa ancho de banda cuando se envían datos, lo que permite una utilización más eficiente del espectro al permitir compartir un canal entre distintos usuarios en el proceso conocido como multiplexación estadística. La revolución implicada por GPRS en los aspectos técnicos son las siguientes: • El acceso radio permite que hasta siete usuarios puedan compartir eficientemente un único intervalo temporal de la portadora radio que hasta ahora era asignado a un único usuario, que puede utilizar simultáneamente hasta ocho intervalos temporales. Capítulo I Introducción a las Comunicaciones Móviles de Tercera Generación _____________________________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________________________ Estudio Monográfico sobre la Red UMTS Página 10 • El subsistema de red GPRS constituye una infraestructura paralela a la de GSM, que conmuta y transmite los datos de una manera eficiente e interacciona con otros elementos clásicos como el MSC (Mobile Switching Centre) y el SMS-C (Short Message Service Centre) con el objetivo de extender las ventajas de eficiencia de GPRS en el servicio convencional SMS de GSM. • Son necesarios nuevos terminales móviles y su tarifación cambia de duración y destino de llamada se pasa a una por volumen de datos intercambiados, calidad y tipo de servicio. • Puede comunicarse con redes Internet externas (publicas o privadas) o internas del propio operador. La interconexión con redes de datos externas implica aspectos de seguridad y gestión de direcciones IP. • Ofrece un gran potencial para la creación de nuevos servicios de valor añadido de una manera rápida y flexible pues pueden basarse en servidores de la red Internet. 1.5.4 EDGE (Enhanced Data Rates for GSM Evolution) También llamado GSM384, introduce nuevos métodos en la capa física, incluyendo un nuevo esquema de modulación, 8PSK (Phase Shift Key) y diferentes formas de codificación de datos para la protección contra errores, el resultado es que avanza velocidades de transferencia de datos de hasta 384 kbit/s, es decir 48 kbit/s por intervalo temporal de la portadora de 200 Khz propia de GSM, que ya son adecuadas para el acceso a Internet de alta velocidad e incluso para videoconferencia. Su importancia radica en el hecho pueden converger tanto GSM como TDMA IS-36 un estándar adoptado por numerosos operadores de Norte y Suramérica. 1.6 Escenarios de Migración Por su propia naturaleza HSCSD no es eficiente y aunque requiere solo cambios de software en la infraestructura del operador GPRS necesita cambios estructurales más profundos y fundamentalmente en los sistemas de tarifación que ahora facturan por volumen de trafico y no por establecimiento y tiempo de conexión. Para el operador GPRS abre segmentos de mercado como el control y la medición remotos, además el principal beneficio para el operador es la posibilidad de aprovechar de forma sostenida, que de otro modo se emplearía únicamente en cubrir el trafico en la hora cargada. GPRS tendrá como una de sus aplicaciones el correo electrónico y a diferencia de SMS es que a todos los usuarios de correo electrónico de Internet son desde el principio una parte sustancial de la población receptora potencial para GPRS, por tanto desarrolla un servicio que ya esta globalmente soportado y usado. La arquitectura del sistema GSM incluyendo GPRS, será la base para la red central del sistema de tercera generación, de esta forma los operadores minimizaran los costes de su implantación. Capítulo I Introducción a las Comunicaciones Móviles de Tercera Generación _____________________________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________________________ Estudio Monográfico sobre la Red UMTS Página 11 La red básica GSM se desarrollara para cubrir todos los requisitos de sistema de tercera generación, o más concretamente se podría ver el nuevo subsistema radio UMTS como una nueva red acceso superpuesta al subsistema de estación base, BSS, de GSM, donde las palabras clave son “reutilización” y “compartición”. Así se promoverá el uso de estaciones base GSM y UMTS en el mismo emplazamiento (con el consiguiente ahorro de costes para el operador) lo mismo podrá decirse respecto a las controladoras UMTS y GSM. Con el centro de conmutación basado en ATM, el interfaz de transmisión entre el BSS y el subsistema de red, NSS se basara previsiblemente en esta tecnología. GPRS servirá para comenzar a implantar aplicaciones, servicios e infraestructura que serán plenamente desarrollados posteriormente con UMTS. La evolución de la red proporcionara nuevas capacidades que podrán utilizarse para proporcionar nuevos servicios. Sin embargo, es posible seguir una estrategia en la que la migración hacia UMTS vía GPRS se realice sin cambiar la percepción del usuario final sobre los servicios que utiliza, simplemente añadiendo mas contenido al servicio a medida que la capacidad de transmisión de la red aumenta, de tal manera que pueda ser percibido independientemente de la tecnología subyacente implicando el uso de una serie de interfaces comunes en las aplicaciones, API (Application Programming Interface). Estas incluirán API para monitorizar y controlar aspectos de la llamada, presentación de textos / gráficos, interacción con la interfaz de usuario y acceso al contenido. Por tanto y como conclusión los operadores deben educar de forma paulatina a los usuarios para que sepan aprovechar las nuevas velocidades de transmisión y prestaciones, al mismo tiempo que tendrán que desarrollar toda una estrategia de migración. 1.7 El negocio UMTS Los sistemas UMTS permitirán la integración de todo tipo de servicios en un sistema único y estarán accesibles desde un único terminal, en este sentido, el móvil del futuro puede constituirse como una excelente plataforma de negocio, es decir, un canal de distribución ideal, personalizable de forma inmediata y a un coste razonable, que permite llegar al publico objetivo de forma directa, en cualquier momento y en cualquier lugar. El negocio UMTS presenta una alta sensibilidad a las decisiones del regulador, a los niveles de inversión y a la incertidumbre del mercado, y que los aspectos económicos de UMTS no son atractivos a las redes móviles de segunda generación. Otras conclusiones del negocio UMTS es que será muy sensible al numero de operadores, la compartición de infraestructuras entre operadores facilita una reducción en el coste de base y aumenta el retorno de la inversión, es altamente sensible a cambios en los ingresos de clientes y los periodos de payback sugieren que las licencias sean concebidas por un periodo mayor a 10 años. UMTS evoluciona desde la estructura de funciones de telecomunicaciones tradicional existente como resultado de los criterios comerciales actuales y forma parte importante de un entorno global de telecomunicaciones futuras que representara un subconjunto de las necesidades de movilidad global en un mercado dinámico y en crecimiento. Capítulo II Arquitectura del Sistema UMTS _____________________________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________________________ Estudio Monográfico sobre la Red UMTS Página 12 CAPITULO II ARQUITECTURA DEL SISTEMA UMTS 2. ARQUITECTURA DEL SISTEMA UMTS 2.1 Introducción El sistema UMTS es un sistema complejo en una evolución permanente que integra distintas tecnologías y realizaciones de cada una de sus partes. Por su complejidad cualquier presentación del sistema desde un determinado punto de vista será necesariamente incompleta y en este capitulo se describe la arquitectura del sistema desde distintos puntos de vista complementarios. El sistema UMTS es miembro de la familia de sistemas IMT-2000 (International Mobile Telecommunication) destinados a prestar servicios de telecomunicación a usuarios fijos y móviles mediante un enlace de acceso inalámbrico que integrará una amplia variedad de usuarios, tecnologías radio, coberturas y equipos terminales, prestando servicios multimedia tanto en modo circuito como en modo paquete, por lo que la infraestructura del sistema tendrán que incorporarse ambas tecnologías de red. El sistema IMT-2000 debe soportar itineráncia global (posibilidad de acceder a los servicios que proporciona una red central desde distintas redes de acceso, utilizando distintas tecnologías) que como consecuencia ha desarrollado una metodología y modelado de redes de acceso y redes centrales basada en la identificación de funciones dependientes de la tecnología radio y funciones independientes de la misma, centrando la especificación de la red central en funciones independientes de la tecnología radio. Otro elemento notable en la estandarización de estos sistemas es facilitar la evolución de los actuales hacia los que constituirán definitivamente UMTS, incorporando la prestación de servicios específicos y haciendo uso de las infraestructuras existentes, posibilitando con ello que los operadores acomoden los ritmos de actualización e incorporación de nuevos servicios y tecnologías a la medida de sus posibilidades y conveniencias. El presente capítulo se desarrolla con una breve exposición del análisis y modelado de redes, la descripción de los planos de control y usuario y la arquitectura de referencia GSM, la red de acceso UTRAN y finalmente la Red Central. El sistema UMTS es descrito desde una perspectiva de evolución temporal, donde se pueden identificar los tres dominios básicos: el equipo de usuario, la red de acceso y la red central, donde estos dos últimos son los diferenciadores de los distintos miembros de la familia de los sistemas IMT-2000. Capítulo II Arquitectura del Sistema UMTS _____________________________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________________________ Estudio Monográfico sobre la Red UMTS Página 13 2.2 Análisis y Modelado de Redes Los modernos sistemas de telecomunicaciones son capaces de proporcionar de forma integral una gran variedad de servicios, reutilizando recursos y adecuando o adaptando los primeros a las demandas de los usuarios y es por ello que a partir del desarrollo de la Red Digital de Servicios Integrados (ISDN) y las que en esta se han inspirado como lo son la red 2G y 3G es necesario un método riguroso de caracterización de servicios que defina las capacidades de la red. El método consiste en tres fases o etapas, aplicadas de forma secuencial: • Primera Fase: Descripción de servicios • Segunda Fase: Identificación de funcionalidades de red que soporten estos servicios • Tercera Fase: Proyección de las funcionalidades de red en la arquitectura de red y diseño de protocolos La primera etapa cubre la descripción global de los servicios desde el punto de vista del usuario, descomponiéndose en la definición y descripción textual del servicio, la descripción estática del servicio mediante atributos y la descripción dinámica del servicio mediante medios gráficos. La segunda fase proporciona una visión intermedia de lo que sucede en la interfaz del usuario red y en el interior de la red, entre distintos nodos de esta. En esta etapa se hace una descripción global de la organización de las funciones de la red para hacer corresponder los requisitos de servicio y las capacidades de la red. La tercera etapa describe los nodos de conmutación y servicio, así como los protocolos y el formato que se debe adoptar, para soportar los servicios definidos. Los pasos a dar en esta etapa son la especificación de protocolos y formatos y la descripción de nodos de conmutación y servicio. 2.2.1 Modelo OSI El modelo Open System Interconnection (OSI) responde a una visión jerárquica de los sistemas de comunicación desde un punto de vista funcional, el cual conforme se va ascendiendo en la jerarquía de niveles o capas aumenta la abstracción, la complejidad de las funciones y el tiempo involucrado en el desarrollo de las mismas. Cada capa o nivel debe desarrollar unas funciones bien definidas, de las que numero y naturaleza debe ser un compromiso entre la complejidad de la capa y él número de las mismas. La función o funciones de cada nivel deben establecerse teniendo en consideración los protocolos relacionados con las mismas y los limites de la capa deben buscar que entre niveles exista el mínimo intercambio de información posible. El nivel físico comprende las funciones relacionadas con la transmisión de los datos a escala elemental, tratando detalles tales como la duración de un bit, los niveles de señal que soportan Capítulo II Arquitectura del Sistema UMTS _____________________________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________________________ Estudio Monográfico sobre la Red UMTS Página 14 los datos, los mecanismos de iniciación y finalización de la conexión, el significado lógico de las señales y otras características del mismo. Las funciones y acciones ligadas al nivel físico suelen ordenarse en tres grupos: mecánica, eléctrica y de procedimiento. Dependiendo del medio físico por el que se transmiten los datos, estos son mas o menos fiables en el receptor donde la principal justificación del nivel de enlace reside en transformar la conexión física, a menudo poco fiable, en una comunicación de suficiente fiabilidad. En las ocasiones en las que el medio físico transmite datos sin solución de continuidad o sin estructura, el nivel de enlace debe agruparlos de forma que cada unidad de datos sea tratada independientemente en este nivel. Basándose en esta estructura de datos el nivel de enlace puede detectar y/o corregir errores, controlar el flujo de datos perdidos o duplicados, lo que hace basándose en mecanismos de reconocimiento de datos recibidos, avisando al origen de la transmisión, haciendo que repita la trama correspondiente o que deje de transmitir hasta nuevo aviso. También cuando se trata de un canal compartido por diferentes usuarios, el nivel de enlace controla el acceso al canal. Mientras que entre el emisor y el receptor no haya mas que una conexión física no es preciso añadir mas funciones que las contempladas en los niveles físico y de enlace. Si los sistemas finales que se comunican están conectados a redes diferentes, aparece una nueva funcionalidad derivada del encaminamiento de los mensajes. En las redes con conmutación de circuitos y en las redes con conmutación de paquetes, que soporten circuitos virtuales, antes de comenzar la transferencia de información debe establecerse el camino que esta debe seguir, siendo las funciones del nivel de red las encargadas de hacerlo. También en este nivel se contemplan las funciones capaces de resolver los problemas de congestión que puedan aparecer en los nodos. La capa de transporte tiene una misión simple de enunciar y a la vez que difícil de alcanzar. Esta capa trata de independizar la infraestructura de red de las aplicaciones que corren sobre ella, de forma que estas ultimas se apoyen en unos servicios o funcionalidades no dependientes de los inevitables cambios evolutivos que debe tener la red. Múltiples son las funciones que desarrolla la capa de transporte de las cuales cabe subrayar que establece una conexión punto a punto entre los extremos, virtualmente libre de errores, sea cual fuere la infraestructura de red. Finalmente las capas de sesión, presentación y aplicación, completan la arquitectura de protocolos para la interconexión de sistemas abiertos. 2.2.2 Planos de Control y Usuario En el modelado del intercambio de información, además del modelo de referencia OSI, se utiliza el modelo de referencia de protocolo RDSI. Ambos modelos tienen semejanzas y diferencias, ambos organizan y agrupan las funciones de comunicaciones por capas. Una diferencia notable es que el modelo de referencia de protocolo PRM RDSI modela los flujos de información en toda la gama de servicios portadores, teleservicios y servicios suplementarios, incluyendo escenarios que se ajustan mal al modelo OSI, como la telefonía. Capítulo II Arquitectura del Sistema UMTS _____________________________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________________________ Estudio Monográfico sobre la Red UMTS Página 15 El modelo PRM RDSI introduce nuevos conceptos, sustituyendo la descripción de las capas 1, 2 y 3 por estrato (generalmente compuesta por dos capas, una de red y otra de enlace de datos) y una capa adicional de infraestructura, que puede ser la capa física o bien una conexión de red de una capa subyacente. Si es necesario la ultima capa puede modelarse como otro estrato. Otra diferencia notable entre los modelos es la división entre plano de control o señalización y el plano de usuario. Un plano esta compuesto por un conjunto de protocolos del mismo tipo; en el plano de usuario (plano U) se consideran los protocolos con la tarea de transferencia de información entre las aplicaciones de usuario, mientras que en el plano de control (plano C) la tarea es la de soportar la señalización, es decir, la transferencia de información para el control de las conexiones del plano de usuario. Además de la información de usuario, toda la información que controla el intercambio de datos dentro de una conexión, pero que no altera el estado de esta conexión, pertenece la plano U. Toda información de control que implica modificación de recursos pertenece al plano C. 2.2.3 Arquitectura de Referencia La PLMN (Public LAN Mobile Network), soporta una serie de servicios de comunicación marcados por la movilidad, lo que confiere a la red de características peculiares con funciones propias y exclusivas de este tipo de red. La figura 2.1 muestra la arquitectura de referencia del sistema GSM lo suficientemente genérica como para que pueda servir de base a los sistemas 2G desarrollando una serie de funciones especificas reflejadas en las entidades funcionales de la misma en las que se debe dar el intercambio de datos, pero que también sirve de punto de partida para los sistemas 3G, utilizando las siguientes interfaces: MS (Mobile Station), la estación móvil consiste en el equipo utilizado por el abonado al PLMN, constituido por el modulo de identidad de abonado, SIM (Subscriber Identity Module) y el equipo móvil, ME (Mobile Equipment). BSS (Base Station System), el sistema de estación base es el conjunto de equipos de estación base que ve el centro de conmutación de móviles, MSC (Mobile Switching Center), a través de una sola interfaz A, responsables de comunicar con las estaciones móviles dentro de una cierto área. El BSS comprende un controlador de estación base, BSC (Base Station Controller) y una o más estaciones base transceptoras, BTS (Base Transceiver Station). BTS (Base Transceiver Station), la estación base receptora es un componente de red capaz de atender una célula, consiste básicamente en un transmisor / receptor radio con los componentes de control asociados. BSC (Base Station Controller), el controlador de estación base es un componente de red capaz de controlar una o más BTS. MSC (Mobile Switching Center), el centro de conmutación de móviles es la que desarrolla todas las funciones de conmutación y señalización relativas a los MS localizadas en un área geográfica denominada área MSC. Además desarrolla los procedimientos de registro de la localización Capítulo II Arquitectura del Sistema UMTS _____________________________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________________________ Estudio Monográfico sobre la Red UMTS Página 16 (GSM 03.12) y de “handover” o traspaso (GSM 03.09) al servicio de la movilidad de los abonados. GMSC (Gateway MSC), el MSC pasarela es capaz de interrogar al registro general de abonados, HLR (Home Location Register), para encaminar una llamada, procedente de otras redes al MSC en el que se encuentra el usuario en ese momento. Estos GMSC hacen interfaz con otras redes, encaminando las llamadas procedentes de estas. La elección de los MSC que pueden actuar como GMSC es decisión del operador. HLR (Home Location Register), el registro general de abonados es la base de datos encargada de la gestión de los abonados móviles. Una PLMN puede tener uno o varios HLR, dependiendo del volumen de abonados, de la capacidad de los equipos que constituyen el HLR y de la organización de la red. Los datos del usuario y su organización se describen en GSM 03.08. VLR (Visitor Location Register), toda estación móvil que se encuentre en el área atendida por un MSC esta registrada en el VLR asociado a ese MSC. El registro de visitantes se actualiza siempre que un nuevo móvil entra en el área de servicio de uno o más MSC. AuC (Authentication Centre), es el centro de autenticación es una identidad funcional asociada al HLR en la que se almacenan los algoritmos y las claves de seguridad asociadas a los abonados móviles (generalmente una por abonado). Con cada clave se generan los datos para la autenticación de los usuarios y las claves para el cifrado de la comunicación entre el terminal móvil y la red. Los procedimientos de autenticación y cifrado se describen en la GSM 03.20 EIR (Equipment Identity Register), el registro de identidad de equipos almacena los números de identificación de los terminales móviles, IMEI (International Mobile Equipment Identity) utilizados en el sistema GSM. Cada estación móvil es marcada y registrada en una de tres listas. Puede darse el caso de que una estación móvil no este registrada en el EIR. Figura 2.1 Arquitectura de Referencia GSM (Fuente ETSI) Capítulo II Arquitectura del Sistema UMTS _____________________________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________________________ Estudio Monográfico sobre la Red UMTS Página 17 La implementación del servicio móvil con itineráncia internacional implica el intercambio de datos entre equipos involucrados en el servicio. Este flujo de datos atraviesa las interfases definidas entre cada pareja de entidades funcionales relacionadas tal y como se detalla en la figura 2.1, las cuales se explican a continuación: La interfaz Um: conocida también como interfaz aire o interfaz radio, se define entre la estación móvil y el BSS. La interfaz A: es la interfaz entre el MSC y el BSS, que transporta la información relacionada con la gestión del BSS, la gestión de movilidad, el control de la llamada y los datos del usuario. La interfaz A bis: Definida para conectar uno o más BTS a un solo BSC, es atravesada tanto por datos de usuario como por los de control y señalización. La interfaz B: esta localizada entre la pareja MSC-VLR, siendo interna a la entidad MSC / VLR; no esta estandarizada la señalización sobre la misma. La interfaz C: es la interfaz localizada entre el MSC y el HLR. El GMSC interroga al HLR para obtener la información de encaminamiento de llamadas o mensajes dirigidos al móvil. La señalización sobre la interfaz utiliza MAP (Mobile Application Part). La interfaz D: entre el HLR y el VLR se define esta interfaz para soportar el intercambio de datos relacionados con la gestión del abonado y con la gestión de la localización siguiendo su itineráncia. La principal funcionalidad, capaz de proporcionar servicio cuando un abonado se mueve sin restricciones por el área de cobertura del sistema, se basa en el intercambio de datos entre las bases de datos relacionadas con la localización, HLR y VLR. Este ultimo envía al primero los datos de localización y el HLR le responde con los datos asociados al servicio contratado y que permiten gestionar las comunicaciones del mismo. También sobre esta interfaz la señalización utiliza MAP. La interfaz E: es la interfaz existente entre dos MSC soportando la señalización que se produce entre estos cuando un móvil debe hacer un traspaso ínter-MSC durante una comunicación; también soporta la transferencia de mensajes cortos cuando el MSC que atiende al abonado en un momento determinado no coincide con el MSC que actúa como interfaz con el centro de servicio del SMS. La señalización en esta interfaz utiliza MAP. La interfaz F: es atravesada por los datos y señalización que intercambian MSC y EIR con el fin de verificar el estatus del IMEI de una estación móvil. La señalización sobre esta interfaz también utiliza el MAP. La interfaz G: definida entre dos VLR, es atravesada por los datos que estos intercambian cuando un móvil cambia de la zona de servicio de un VLR a la de otro, que puede incluir los parámetros de autenticación y el IMSI. La señalización utiliza MAP. La interfaz H: es la interfaz existente entre un HLR y el AuC, por la que intercambian datos de autenticación y cifrado de los móviles. El protocolo sobre esta interfaz no esta estandarizado. Capítulo II Arquitectura del Sistema UMTS _____________________________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________________________ Estudio Monográfico sobre la Red UMTS Página 18 2.3 La Familia de Sistemas IMT-2000 Un sistema IMT-2000 puede describirse como un conjunto de subsistemas funcionales, entidades funcionales y comunicación funcional, capaz de proporcionar servicios y capacidades IMT-2000 específicos. Al mas alto nivel los subsistemas que componen un sistema IMT-2000 es: - El Modulo de Identidad de Usuario UIM (User Identity Module), - El Terminal Móvil MT (Mobile Terminal), - La Red de Acceso a Radio RAN (Radio Access Network) y - La Red Central CN (Core Network). Figura 2.2 Subsistemas componentes de un miembro de la familia IMT-2000 y comunicaciones entre ellos. (Fuente ETSI) Las funciones que desarrolla la UIM están relacionadas con la seguridad y servicios de usuario donde residirá en una tarjeta inteligente, extraíble y transportable a diferentes terminales, lo que conduce a la especificación de una interfaz entre él modulo y los equipos terminales, los cuales, además de presentar la interfaz con el UIM, proporcionan acceso radioeléctrico a la red y soportan los servicios de usuario, específicamente los aspectos relacionados con la movilidad. La RAN proporciona comunicación entre el MT y la CN, para lo que desarrolla funciones de encaminamiento y pasarela entre los dos anteriores además de contribuir decisivamente a la movilidad local. La red central proporciona las capacidades para soportar los servicios y la movilidad personal. Capítulo II Arquitectura del Sistema UMTS _____________________________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________________________ Estudio Monográfico sobre la Red UMTS Página 19 El concepto de familia facilita y posibilita la especificación de IMT-2000 en dos niveles. En el nivel mas alto, que cae en el ámbito de trabajo de la UIT, se especifica el marco general de desarrollo y evolución de las redes de acceso y las interfaces de red que facilitan la interoperabilidad entre sistemas IMT-2000. El otro nivel se ocupa de las especificaciones de los miembros de la familia. Hasta este momento se han identificado cuatro miembros, diferenciados por la red de acceso y la red central que los componen. El primero se trata del sistema cuya red central es una red UMTS evolucionada de GSM y la red de acceso es la propuesta UTRAN (UMTS Terrestrial Access Network), el segundo tiene como CN una red ANSI-41 (American National Standard Institute – 41) evolucionada y una red CDMA2000 como la red de acceso, el tercero incorpora una CN evolucionada de ANSI-41/GPRS y como RAN la UWC-136 (Universal Wireless Communication) y el cuarto incorpora el estándar DECT (Digital Enhanced Cordless Telecommunication). Los elementos básicos del nivel mas alto son las capacidades de red y de servicio y las interfaces entre subsistemas. La funcionalidad de los sistemas IMT-2000 se define mediante conjuntos de capacidades, formando parte de las iniciales las siguientes: Capacidades del Portador, incluyendo términos tales como caudales de acceso, negociación de la QoS, comunicación orientada y no orientada a conexión, servicios de paquetes, comunicaciones punto a punto y punto a multipunto, enlaces de acceso simétricos o no y tráficos con distintas velocidades. Capacidades de red de acceso, soportando el servicio de paquetes, velocidad binaria constante y variable con y sin conexión, control de recursos radio y soporte de aplicaciones de acceso inalámbrico fijo similares a las de RDSI. Capacidades de red central, que comprenden el soporte de velocidades binarias fijas y variables con y sin conexión, soporte de conexión de circuitos y paquetes, interconexiones con RDSI, RDSI-BA (Banda Ancha), red de paquetes, IP y RTCP (Red Telefónica Publica Conmutada), soporte de movilidad de terminal, personal y de servicio, itineráncia global y transporte de red central. Las siguientes capacidades de red en las que no se especifica que red esta involucrada, se refieren a las redes de acceso y central, en la medida en que afecte a cada cual en cada caso. Estas capacidades de red se agrupan por la funcionalidad que cubren o con la que se relacionan. Capacidades de red relacionadas con el control de llamada, relacionadas con el direccionamiento de usuario, el soporte de los conjuntos de capacidades 1 y 2 de la red inteligente, llamadas simultaneas, correo y llamadas multimedia, llamadas de emergencia, posicionamiento geográfico del usuario o terminal. Capacidades de red relacionadas con la seguridad, incluyendo el cifrado y la autenticación, dependientes e independientes del servicio, identificación del terminal, interceptación legal, privacidad de usuario y abonado, negociación de los mecanismos de autenticación. Capacidades de red relacionadas con la atribución de recursos. Entre ella esta la atribución basada en la QoS, controles de sobrecarga, eficaz uso del espectro en servicios multimedia con componentes de requisitos diferentes, optimización del encaminamiento. Capítulo II Arquitectura del Sistema UMTS _____________________________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________________________ Estudio Monográfico sobre la Red UMTS Página 20 Capacidades de red relacionadas con la numeración y el direccionamiento. Comprenden el soporte de la portabilidad de numeración y direccionamiento y el plan de identificación, direccionamiento y numeración. Capacidades de red relacionadas con la tasación y la contabilidad, donde se introducen perfiles de usuario de facturación y tasación normalizadas, registro detallado de llamada, nuevos mecanismos de tasación basados en el volumen de información y la QoS, tasación en tiempo real y acceso en tiempo real a la información de facturación entre otras. Capacidades relacionadas con la itineráncia en el seno de la familia de sistemas IMT-2000, incluyendo términos que complementan la gestión de la movilidad y el control de autenticación. Capacidades de red relacionadas con la portabilidad de servicio: traspaso, puesta en servicio, soporte suplementario, terminales y módulos de interfaz de usuario. Capacidades de red relacionadas con el control de transferencia de paquetes. Finalmente, en el desarrollo de futuros conjuntos de capacidades se debe tener en cuenta que estos deben estar constituidos por las capacidades de los conjuntos anteriores ampliados con capacidades mejoradas unas y nuevas otras, garantizándose la compatibilidad de los conjuntos hacia atrás y hacia adelante. En la figura 2.3 se han representado los subsistemas de un sistema IMT-2000 y las interfaces entre los mismos. Se han identificado las siguientes interfaces, sujetas a estudio y normalización. Figura 2.3 Interfaces físicas internas a un miembro de la familia IMT-2000 (Fuente ITU) Interfaz UIM – MT, entre él modulo de identidad de usuario y el terminal móvil. Se trata de una interfaz física que debe reunir los requisitos de seguridad física y existirá cuando el UIM sea un modulo removible. Las comunicaciones funcionales a través de esta interfaz son la comunicación UIM – MT y las comunicaciones UIM – CN, bien sea CN originaria o visitada. Interfaz MT – RAN o Interfaz Radio, entre el terminal móvil y la red de acceso. Debe soportar las comunicaciones funcionales entre MT y RAN y entre MT y CN. Esta ultima comunicación es transparente al subsistema RAN. Interfaz RAN – CN, entre las redes de acceso y central. Esta interfaz puede soportar conexiones de diferente RAN a distintas CN. Es una de las interfaces relevantes en la evolución 2G a 3G, tanto de las redes de acceso y como de las centrales. Capítulo II Arquitectura del Sistema UMTS _____________________________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________________________ Estudio Monográfico sobre la Red UMTS Página 21 Interfaz CN – CN o interfaz NNI (Network to Network Interface). Es una interfaz entre dos redes centrales de sistemas IMT-2000. Las interfaces anteriores son suficientes para soportar las distintas comunicaciones funcionales previstas para los miembros IMT-2000. 2.4 Arquitectura del Sistema UMTS UMTS es uno de los miembros de la familia IMT-2000, el que se ha denominado como un sistema cuya red central es una red UMTS evolucionada de GSM y la red de acceso responde a la propuesta UTRAN (UMTS Terrestrial Radio Access Network). La arquitectura propuesta finalmente, a la que se ha llegado por diferentes caminos, ha tenido que dar cabida a las distintas evoluciones que un operador pueda seguir, contemplando escenarios evolutivos comprendiendo la red de acceso, la red central o ambas, con la confianza de caminar, en cualquier caso hacia UMTS. Probablemente el éxito de UMTS se fundamentara en posibilitar a los operadores de red y los proveedores de servicio los mecanismos para la creación y provisión de nuevos servicios, ampliamente aceptados por el usuario, que percibirá como algo distinto, con inversiones razonables de rentabilización a corto o mediano plazo, de forma que posibilite reinversiones en un modelo de crecimiento sostenido hacia UMTS. Esta propuesta tiene un carácter modular capaz de evolucionar gradualmente, compatible entre sí en el presente, pasado y futuro. 2.4.1 El Concepto GMM En el año 1996 se llego a la conclusión de eliminar las barreras artificiales entre las redes privadas, móviles y fijas de tal forma que los servicios serán provistos con la misma apariencia para el usuario independientemente de la red que atienda. La arquitectura de los sistemas GMM debe soportar una amplia variedad de servicios con aplicaciones transparentemente accesibles y en diferentes entornos, dependiendo de las condiciones locales, por esto, comprende cuatro dominios que son: a) el terminal, b) la red de acceso, c) la red central de transporte y d) la aplicación de servicios. 2.4.2 Configuración de Referencia de una PLMN – UMTS En una división funcional básica de una PLMN se identifican tres partes esenciales que tienen una estrecha relación con los dominios las cuales son: Red Central (CN), Red de Acceso (AN) y el Equipo de Usuario (UE) y las dos interfaces que son aportaciones esenciales y genuinas de la especificación UMTS, todas relevantes constituyendo la arquitectura básica de UMTS. Capítulo II Arquitectura del Sistema UMTS _____________________________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________________________ Estudio Monográfico sobre la Red UMTS Página 22 En un análisis estructurado, comenzando por el estudio de las partes mas generales, se puede hacer una división funcional básica de una PLMN, la cual es representada en la figura 2.4, en la que se identifican las partes esenciales. Figura 2.4 Arquitectura básica y simplificada de UMTS Una representación mas detallada de la arquitectura se da en la figura 2.5 donde se representa la configuración básica de referencia y las interfaces que pueden identificarse en una PLMN, donde las líneas continuas que conectan entidades funcionales representan conexiones soportando tráfico de usuario y las líneas discontinuas señalización. En la Red Central (CN), los nodos GSN (GPRS Support Nodes) son elementos que añaden el servicio GPRS a los ya existentes GSM, para dar soporte especifico al servicio de conmutación de paquetes en el acceso de otras redes fijas, redes de paquetes de datos, etc. SGSN (Servicing GSN) es el nodo que establece la conexión lógica al nivel de enlace de datos con las estaciones móviles que están en su área de servicio, siendo responsable de la gestión de la movilidad local de las mismas. Maneja dos tipos de datos, relacionados con los abonados, uno que depende de los datos de la suscripción y otro de la localización. GGSN (Gate GSN), es el nodo encargado de conectar al móvil, por medio del SGSN, con redes externas a la propia PLMN. Para hacerlo maneja información de dos tipos, suministradas por el HLR y el SGSN. Relacionada con la suscripción maneja información como el IMSI y las direcciones PDP, mientras que en relación con la localización conoce la dirección del SGSN que atiende en ese momento al móvil. • Los siguientes elementos se localizan en la Red de Acceso (AN): RNS (Radio Network Subsystems), la red de acceso UMTS consiste en una serie de subsistemas de red radio o RNS interconectados y conectados a la red central. Cada RNS es responsable de la localización y liberación de los recursos radio específicos que permiten establecer la conexión entre los equipos de usuario y la red de acceso dentro del área de cobertura. Red Central (CN ) Red de Acceso (AN ) Equipo de U suario (UE) Interfaz Iu Interfaz Uu Capítulo II Arquitectura del Sistema UMTS _____________________________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________________________ Estudio Monográfico sobre la Red UMTS Página 23 Figura 2.5 Configuración de referencia de una PLMN que incluye elementos GSM y UMTS. (Fuente ETSI) Capítulo II Arquitectura del Sistema UMTS _____________________________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________________________ Estudio Monográfico sobre la Red UMTS Página 24 RNC (Radio Network Controller), los controladores de red radio se encargan de controlar el uso e integridad de los recursos radio. Por ejemplo, son responsables de las decisiones de traspaso que requieren señalización a los terminales de usuario, también comprende la función de separación / combinación para soportar la macro diversidad entre diferentes nodos B. Nodo B: Los nodos B son entidades lógicas responsables de la transmisión / recepción radio a / desde los terminales de usuario en una o más células. Se conectan con los RNC a través de la interfaz Iubis. MS (Mobile Station) se trata del equipo físico de comunicaciones que utiliza el abonado para hacer uso del servicio, compuesto del ME y del SIM o USIM (UMTS Subscribe Identity Module). El ME esta constituido por MT (Mobile Termination) dependiente a las aplicaciones y los servicios y el TE (Terminal Equipment). • Las siguientes son interfases entre las redes central y de acceso: IuPS (Iu Packet Switch) definida entre MSC y RNC, soporta la transferencia de datos y señalización relacionados con el servicio de conmutación de paquetes. IuCS (Iu Circuit Switched) entre MSC y RNS, es atravesada por la información con la gestión RNS, el manejo de llamadas (conmutación de circuitos) y la gestión de la movilidad. Gb: es la interfaz BSS-SGSG utilizada para transferencia de información relacionada con la transmisión de paquetes de datos y la gestión de movilidad. • Las siguientes interfaces entre la red de acceso y las estaciones móviles: Um: descrita en la parte relacionada con GSM. Se trata de la interfaz radio para servicio de conmutación de circuito. Uu: es la interfaz radio que soporta el servicio de conmutación de paquetes, físicamente localizada entre el terminal móvil y la propia red de acceso. Iu-bis: soporta los servicios ofrecidos a los usuarios y permite colocar el equipo radio en los nodos B (GSM TS 28.5X) definida entre RNC y los nodos B. Iur: entre RNC distintos. • Las siguientes interfaces localizadas en la red central. Gr: Se ubica en la pareja HLR-SGSN, intercambiando datos de localización los móviles y de gestión de los abonados. El SGSN informa al HLR de la localización de los móviles en su área de servicio y el HLR envía al SGSN los datos de gestión de los móviles. La señalización utiliza MAP (Mobile Application Part) (GSM 09.02). Gs: entre el MSC / VLR y el nodo SGSN se establece una interfaz opcional. En caso de implementarse soporta transferencia de información de localización con origen en SGSN y peticiones de alertas originadas en el MSC / VLR. La señalización utiliza SCCP (Signaling Capítulo II Arquitectura del Sistema UMTS _____________________________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________________________ Estudio Monográfico sobre la Red UMTS Página 25 Connection Control Part) sin conexión, como parte del SS7 – Sistema de Señalización Numero 7 – (GSM 09.16 y 09.18). Gn: es una interfaz que soporta la señalización de movilidad, definida entre SGSN y GGSN, cuando ambos pertenecen a la misma PLMN. Gp: es una interfaz similar a la Gn, definida cuando ambos pertenecen a distintos PLMN. La señalización sobre esta interfaz utiliza UDP/IP – UDP, User Datagram Protocol – (GSM 09.60). Gc: localizada entre GGSN y HLR, es una interfaz opcional utilizada por el GGSN para obtener información acerca de la localización y los servicios del abonado móvil (GSM 09.02). Gf: interfaz entre SGSN y EIR (Equipment Identity Register) para transferencia de datos relacionados con la verificación del estatus del IMEI (International Mobile Equipment Identity) de las estaciones móviles. Los GGSN se conectan con otras redes (publicas o privadas) a través de Gi (GSM 09.61). Finalmente la red central tiene una serie de interfaces con el resto del mundo dependiente del tipo de red con la que se conecta. Los MSC presentan una interfaz basada en un intercambio normal RDSI. 2.4.3 Dominios y Puntos de Referencia En las especificaciones UMTS se modelan los aspectos físicos utilizando el concepto de dominio y las funciones usando el concepto de estrato. El dominio es un grupo de entidades físicas de alto nivel. Entre los dominios se definen puntos de referencia. El estrato es una agrupación de protocolos relacionados con una característica de los servicios proporcionados por uno o varios dominios. En la figura 2.6 se representan los dominios básicos de la arquitectura UMTS, que de forma general se desarrollaran evolucionando desde las redes actuales existentes. Entre cada par de dominios, delimitando y conectando, se localizan los puntos de referencia: • Cu, punto de referencia entre USIM y ME; • Iu, punto de referencia entre los dominios de las redes de acceso y servidora; • Uu, punto de referencia entre el equipo de usuario y la infraestructura; • Yu, punto de referencia entre los dominios de las redes servidora y de tránsito; • Zu, punto de referencia entre los dominios de las redes servidora y originaria. Capítulo II Arquitectura del Sistema UMTS _____________________________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________________________ Estudio Monográfico sobre la Red UMTS Página 26 Figura 2.6 Dominios y puntos de referencia en la arquitectura UMTS (Fuente ETSI) La división arquitectural básica determina dos dominios, el del equipo de usuario y el de la infraestructura. El equipo de usuario proporciona la interfaz entre el usuario y el sistema, permitiendo al primero acceder a los servicios que proporciona el segundo. El equipo de usuario presenta una interfaz radio con los nodos de la infraestructura que le dan acceso a la misma. La infraestructura es compartida por todos los usuarios autorizados. El punto de referencia entre los dos dominios se denomina Uu y representa la interfaz radio UMTS. El Dominio Equipo de Usuario se divide nuevamente en otros dominios, el de equipo móvil (ME) y el de USIM (User Services Identity Module Domain), entre los que se establece el punto de referencia Cu.