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13SISTEMAS& TELEMÁTICA

ABSTRACTThis paper presents the cellular sys-tems architecture evolution. It iden-tifies the structural components in-cluded in every stage of this evolu-tion, describing their main functionsand the aditions and/or modificatio-ns that they make over the cellularsystem network architecture.

KEYWORDSCellular Systems, Wireless Commu-nications.

RESUMENEn el artículo se presenta la evolu-ción de las arquitecturas de los siste-mas móviles celulares, se identificanlos componentes estructurales encada una de las etapas, se describesu funcionalidad y se muestran lasadiciones y/o modificaciones que so-bre la arquitectura de la red tienencada uno de los pasos que han mar-cado su evolución.

PALABRAS CLAVESSistemas móviles celulares, comuni-caciones inalámbricas

Clasificación: B.

Evolución de los sistemas móvilescelulares GSM

Álvaro Pachón de la Cruz.Departamento Redes y Comunicaciones

Universidad Icesi-I2T.e-mail: [email protected]

Fecha de recepción: 26-07-2004 Fecha de aceptación: 29-10-2004

14 SISTEMAS& TELEMÁTICA

INTRODUCCIÓNEn este artículo vamos a efectuar unanálisis comparativo entre las dife-rentes arquitecturas de los sistemasmóviles celulares GSM. Para hacer-lo, es importante contar con un mar-co de referencia común desde el cualestas arquitecturas puedan ser expli-cadas y desde donde su proceso evo-lutivo pueda ser entendido (Ver Fi-gura 1).

Vamos a considerar que la arquitec-tura de estos sistemas se encuentracompuesta por cuatro bloques bási-cos: El equipo de usuario, desde don-de éste se conecta a la red y a travésdel cual recibe sus servicios; la red

de acceso, constituida por el subsis-tema de estaciones base, permite lamovilidad del usuario dentro del áreade cobertura de la red; el núcleo de lared, constituido por el subsistema deconmutación, responsable por el es-tablecimiento de la trayectoria a tra-vés de la cual el intercambio de in-formación tiene lugar; y finalmente,el bloque de las otras redes, redes decobertura amplia (WAN), con las cua-les la red celular se interconecta(RDSI, RTPC, etc.).

En cada una de las fronteras, de cadauno de estos bloques funcionales, debeexistir una interfaz que haga posibleel intercambio de información.

Figura 1. Marco de referencia para el análisis

Es bien sabido que los servicios móvi-les han evolucionado en generaciones,en cada una de ellas resulta plenamen-te reconocible un conjunto de caracte-rísticas que las definen. La primera

generación fue la de los servicios ana-lógicos, la segunda, la de los serviciosdigitales, y la tercera, la de los servi-cios multimedia. En la Tabla 1 se esta-blece una comparación entre ellas.


Cada una de las arquitecturas queanalizaremos representa a una deestas generaciones: GSM, es una tec-nología de segunda generación;GPRS, es una tecnología de genera-ción 2.5, es decir, representa un esta-do de transición entre la segunda ytercera generación; UMTS, por el con-trario, es una tecnología de tercerageneración.

Para cada una de las arquitecturasse seguirá el siguiente esquema depresentación: Se identificarán lasentidades funcionales, las interfa-ces entre ellas, los protocolos queoperan en estas interfaces, se efec-tuará una descripción de la inter-faz de aire (la interfaz que se en-cuentra entre el móvil y el subsis-tema de estaciones base) y los ser-vicios que se ofrecen. Finalmente sepresentan los análisis comparativoscorrespondientes.

2. GSMEn los comienzos de los años ochen-ta, muchos países en Europa habíandesarrollado su propio sistema de te-lefonía celular análoga que impedíala interoperabilidad más allá de lasfronteras de cada país. En 1982, elCEPT (Conference of European Postand Telecommunications) establecióun grupo de trabajo para desarrollar

un sistema paneuropeo al que se de-nominó GSM-Groupe Speciale Mobi-le. El grupo propuso desarrollar unnuevo sistema inalámbrico móvil conlas siguientes premisas: itinerancia(roaming) internacional, soporte parala introducción de nuevos servicios,eficiencia espectral y compatibilidadcon la RDSI. En 1989, la responsabi-lidad por el desarrollo de GSM fuetransferida al ETSI-European Tele-communications Standards Instituteque denominó al proyecto como Glo-bal System for Mobile Communicatio-ns. La evolución de GSM ha estadomarcada por tres fases de evolución,la fase 1, en la que se produjeron susespecificaciones; la fase 2, en la quese propuso la inclusión de serviciosde datos y de fax; y finalmente, laFase 2+, en la que se realizan mejo-ras sobre la codificación de voz y seimplementan servicios de transmi-sión de datos avanzados, entre ellosGPRS y EDGE.

GSM es un sistema de conmutaciónde circuitos, diseñado originalmentepara voz, al que posteriormente se leadicionaron algunos servicios de da-tos: servicio de mensajes cortos, unservicio de entrega de mensajes detexto de hasta 160 caracteres y unservicio de datos GSM, que permiteuna tasa de transferencia de 9.6 kbps.

Tabla 1. Comparación entre diferentes generaciones de servicios móviles.

Criterio Primera Segunda TerceraGeneración Generación Generación

Servicios Voz Voz y Mensajería Corta Voz y DatosCalidad de Servicio (QoS) Baja Alta AltaNivel estandarización Bajo Fuerte FuerteVelocidad de Transmisión Baja Baja AltaTipo de Conmutación Circuitos Circuitos Paquetes (IP)


2.1. Arquitectura de la Red GSMUna red GSM se encuentra formadapor los siguientes componentes queintegran la red pública móvil terres-tre (PLMN-Public Land Mobile Net-work):

• La estación móvil (MS:MobileStation). Es el punto de entradaa la red móvil inalámbrica. Es elequipo físico usado por el usuarioGSM para acceder a los serviciosproporcionados por la red.

• El módulo de identidad del abo-nado (SIM:Subscriber IdentityModule). GSM distingue entre laidentidad del abonado y la delequipo móvil. El SIM está asocia-do con el abonado, se trata de unchip que el usuario debe introdu-cir en el terminal GSM.

• La estación transmisora-recepto-ra de base o estación transcepto-ra de base (BTS-Base Transcei-ver Station). Se encarga de pro-porcionar, vía radio, la conectivi-dad entre la red y las estacionesmóviles.

• El controlador de estaciones base(BSC-Base Station Controller). Seencarga de todas las funcionescentrales y de control del subsis-tema de estaciones base(BSS:Base Station Subsystem)que está constituido por el BSC ylas BTSs.

• La unidad de Transcodificación(TRAU-Transcoding Rate andAdaptation Unit). Se encarga decomprimir la información en elinterfaz aéreo cuando se hace ne-cesario. La TRAU forma parte delsubsistema BSS. Permite que ta-sas de datos GSM (8,16,32 Kbps)

puedan ser enviadas hacia la in-terfaz RDSI del MSC que sóloacepta tasas de 64 Kbps.

• El centro de conmutación de ser-vicios móviles o centro de conmu-tación de móviles (MSC-MobileServices Switching Center). Seencarga de enrutar el tráfico dellamadas entrantes y salientes, yde la asignación de canales deusuario en la interfaz entre elMSC y las BSC.

• El registro general de abonados(HLR-Home Location Register).Es una base de datos que contie-ne y administra la información delos abonados, mantiene y actuali-za la posición del móvil y la infor-mación de su perfil de servicio.

• El registro de abonados itineran-tes (VLR-Visitor Location Regis-ter). Diseñado para NO sobrecar-gar el HLR. Guarda localmente lamisma información que el HLR,cuando el abonado se encuentraen modo de itinerancia (roaming).

• El centro de autentificación (AuC-Authentication Center). Genera yalmacena información relativa ala seguridad, genera las clavesusadas para autentificación y en-criptación.

• Registro de Identidad de Equipos(EIR: Equipment Identity Regis-ter). Los terminales móviles tie-nen un identificador único, elIMEI (International Mobile Equi-pment Identity), el EIR se utilizapara mantener una relación de lasidentidades de los equipos abona-dos; a través de él resulta posibleidentificar aquellos usuarios au-torizados.


• El GMSC: Gateway Mobile Swit-ching Center. Es el punto hacia elcual es encaminada una termina-ción de llamada cuando no se tie-ne conocimiento de la ubicación dela estación móvil. Este componen-te tiene la responsabilidad por elencaminamiento de la llamada alMSC correcto.

• SMS-G. Este término es usadopara describir colectivamente ados Gateways que soportan el ser-vicio de mensajería corta (ShortMessage Services Gateways) des-critos en las recomendacionesGSM. El SMS-GMSC (Short Mes-sage Service Gateway MobileSwitching Service) encargado dela terminación de los mensajescortos y el IWMSC (Short Messa-

ge Service Inter-Working MobileSwitching Center) encargado deoriginar los mensajes cortos.

• Las conexiones originadas o diri-gidas hacia otras redes son ma-nejadas por un gateway dedicado,el GMSC (Gateway Mobile Swit-ching Center).

En la Figura 2 se muestra la arqui-tectura del sistema GSM. Sus com-ponentes pueden ser agrupados entres subsistemas: El subsistema deestaciones base (BSS: Base StationSubsytem), el subsistema de conmu-tación y gestión (SMSS: Switchingand Management Subsystem) y elsubsistema de operación y manteni-miento (OMSS: Operation and Ma-intenance Subsystem).

2.2. Interfaces y protocolosEntre cada par de elementos de la ar-quitectura GSM existe una interfazindependiente. Cada interfaz requie-re de su propio conjunto de protoco-

Figura 2. Arquitectura del Sistema GSM.

los. En la Tabla 2 se describen lasprincipales interfaces, los tipos deinformación y los protocolos de la ar-quitectura GSM.


Interfaz

A MSC-BSC

Abis BSC-BTS

VLR-MSCasociados

B

HLR-GMSCC

D

E

F

G

H

I

HLR-HLR

MSC-MSC

MSC-EIR

VLR-VLR

MSC-SMS-G

Descripción

Um

Intercambiode informaciónSituada

entre TráficoUsuario

ProtocoloSeñalización

Permite intercambiar informaciónentre ambas bases de datos, estainformación se encuentra relacio-nada con la posición del móvil y lagestión del servicio contratado porel usuario.

NO MAP/B (2)

NO MAP/C

Es la interfaz utilizada por los ga-teways GMSC para enrutar la lla-mada hacia el MSC destino. LaGMSC no necesita contar con unVLR, se trata de un nodo que sólotransmite llamadas.

VLR es la base de datos que con-tiene toda la información que per-mite ofrecer el servicio a los clien-tes que se encuentran en el área deinfluencia de sus MSC asociados.Por lo tanto, cuando un MSC nece-site proporcionar información sobreun móvil acudirá a su VLR. Estainterfaz NO debe ser externa (pordesempeño, por el volumen de in-formación intercambiado).

SI LAPD

SI (1) SS7

NO MAP/D

SI MAP/E, RDSI,64 Kbps ISUP (3)

Permite intercambiar la informa-ción necesaria para iniciar y reali-zar un intercambio Inter-MSCcuando el móvil cambia de área deinfluencia de un MSC a otro.

Utilizada cuando el MSC deseacomprobar el IMEI de un equipo.Utilizada para permitir la interco-nexión entre dos VLRs de diferen-tes MSCs

Permite el intercambio transparen-te de datos entre el MSC y el MS através del BSSEs la interfaz de radio, se encuen-tra entre la estación móvil y el BSS.

MSC-MS

BSS-MS

Permite el intercambio de informa-ción sobre la gestión del subsiste-ma BSS, de las llamadas y de la mo-vilidad. A través de ella, se nego-cian los circuitos que serán utiliza-dos entre el BSS y el MSC.

Permite el control del equipo de radio.

NO

NO MAP/G

SI MAP/H

LAPDmVoz: 13 KbpsDatos: 9.6 Kbps

Tabla 2. Interfaces GSM


En la Figura 3 se muestran los pro-tocolos de señalización entre la esta-ción móvil (MS) y la estación base(BTS), entre la estación base (BTS) yla controladora de estaciones base(BSC) y entre la controladora de es-taciones base (BSC) y el centro deconmutación de móviles (MSC).

En el gráfico aparecen tres niveles:CM, MM y RR. El nivel CM-Commu-nications Management es responsa-ble por la gestión de las llamadas asolicitudes de los usuarios. El nivelMM-Mobility Management es respon-sable por el mantenimiento de la in-formación de localización del usuario.El nivel RR-Radio Resource es res-ponsable por el establecimiento ymantenimiento del enlace entre elMS y el MSC, que corresponden con

el nivel 3 del modelo de referenciaOSI. El nivel RR’ corresponde conaquella parte de la funcionalidad delnivel RR que es administrada por elBTS. Los protocolos LAPD y LAPmcorresponden con el nivel dos delModelo OSI. El protocolo BTSM (BaseTransceiver Station Management) esresponsable por la transferencia deinformación de nivel RR al BSC. Losprotocolos SCCP (Signalling Connec-tion Control Part) y MTP (MessageConnection Control) hacen parte delsistema de señalización 7 (SS7).

1. La BSC se comunica con el GMSCa través de la unidad de transco-dificación (TRAU) que se encargade efectuar el traslado entre unatasa de 16 Kbps, que recibe dellado de la BTS, a una tasa de 64

CM - Connection Management

MM - Mobility Management.

RR - Radio Resource Management.

LAPDm - Link Access Protocol on Dm Channel.

BTSM - BTS Management.

BSSAP - Base Station System Application Part.

SCCP - Signaling Connection Control Part.

TCAP - Transaction Capabilities Application Part.

MAP - Mobile Application Part.

ISUP - ISDN Part User.

TUP - Telephone User Part.

MTP - Message Transfer Part.

Figura 3. Protocolos sobre las interfaces A, Abis y Um


Kbps, que debe entregar del ladodel GMSC.

2. A través de algunas interfaces setransfiere únicamente informa-ción de señalización, para hacer-lo, se utiliza el protocolo MobileApplication Part-MAP del proto-colo SS7.

3. El GMSC establece una llamadade tráfico (64 Kbps) en la RTPC através del protocolo ISDN UserPart-ISUP que es un protocoloSS7.

2.3. Acceso al medioGSM utiliza una combinación deTDMA (Time Division Multiple Acce-ss) y FDMA (Frecuency Division Mul-tiple Access). Dos bandas de frecuen-cias, de 25 Mhz cada una, han sidoasignadas a GSM-900, estas bandasson usadas en modo FDD (FrecuencyDivision Duplex). El enlace de subi-da (uplink, entre el móvil y la esta-ción base), se implementa entre 890y 915 Mhz. El enlace de bajada (do-

wnlink, entre la estación base y elmóvil), se implementa entre los 935y los 960 Mhz. Cada banda se encuen-tra dividida en canales portadores de200 Khz de tamaño. En GSM, el en-foque de TDMA es aplicado a los ca-nales de subida y de bajada, cada ca-nal es dividido en ocho ranuras (slots)en cada una de las cuales se trans-mite una unidad de información. Esteproceso se muestra en la Figura 4. Elesquema de modulación usado en unaranura es GMSK-Gaussian Mini-mum Shift Keying, con él, se puedenalcanzar tasas de bits de 270 Kbpsaproximadamente. Los datos en unaranura son denominados ráfagas(burst) y alcanzan los 148 bits de lon-gitud, los 8.25 bits restantes son uti-lizados como guardas en el tiempo.El número de bits que constituyen lacabecera y la cola son constantes. Siun usuario es propietario de una ra-nura puede alcanzar una tasa máxi-ma de 24.7 Kbps (sin ningún esque-ma de corrección de errores). Todoesto se muestra en la Figura 4.

Figura 4. FDMA y TDMA en GSM


2.4. Canales físicos y lógicosGSM distingue entre canales físicos(las ranuras de tiempo) y canales ló-gicos (la información portada por loscanales físicos). Algunas ranuras detiempo en una portadora constituyenun canal físico el cual es usado pordiferentes canales lógicos para trans-ferir información, tanto de señaliza-ción como del usuario. Existen dostipos de canales lógicos en GSM: Loscanales de tráfico (TCH-Traffic Chan-nels), que transportan información(voz o datos) del usuario y los cana-les de control (CCH-Control Chan-nels), que transportan señalización ysincronización entre la estación basey la estación móvil. Sus funciones yformas varían según el enlace. En laTabla 3 se presentan detalles de cadauno de estos canales.

3. GSM/GPRSGPRS significa General Packet RadioSystem, es una tecnología que proveeacceso de radio paquetes sobre la redGSM existente, en este sentido, cons-tituye una extensión de conmutaciónde paquetes sobre dicha red. Fue in-troducida para proporcionar un acce-so más eficiente de las redes celula-res sobre las redes públicas de datosen comparación con aquellos propor-cionados por los servicios tradiciona-les, basados en conmutación de cir-cuitos, que eran ofrecidos por la tec-nología GSM tradicional. Esta tecno-logía permite acomodar, de una for-ma más eficiente, fuentes de datosque tienen, por lo general, una natu-raleza a ráfagas.

Entre sus premisas de diseño vale lapena mencionar las siguientes: Sediseñó como una arquitectura abier-ta sobre la cual pudieran ser ofreci-

dos servicios IP, la misma infraestruc-tura debería soportar diferentes in-terfaces de aire, debería permitir laintegración de la infraestructura detelefonía y la infraestructura de In-ternet. Entre los beneficios derivadosde su implantación se mencionan: latransmisión de información sobre lared GSM existente para proveer unservicio de datos de alta velocidad quepermanezca «siempre activo» (alwayson), reduciendo de esta forma el tiem-po empleado en la configuración y li-beración de las conexiones.

3.1. Arquitectura de la red GSM/GPRSGPRS es una red de datos que utilizala infraestructura de la red GSM parapermitir la transmisión de paquetesde datos a tasas que fluctúan entrelos 9.6 y los 171 Kbps. Aunque se in-tenta reutilizar la red GSM existen-te tanto como sea posible, resultanecesario adicionar algunos nuevoselementos de red, interfaces y proto-colos, para manejar este nuevo tipode tráfico y construir de esta manerauna red móvil celular de paquetes. Laarquitectura de la red GSM/GPRS semuestra en la Figura 5.

3.1.1. Terminales GPRS del suscriptorNuevas terminales son requeridas, losteléfonos GSM existentes no manejanla interfaz de aire extendida, ni lospaquetes de datos. Estas terminalesdeben ser compatibles con la red GSMpara poder efectuar llamadas de voz.

3.1.2. Subsistema de estacionesbase GPRSSe necesitan dos nuevas unidadespara el servicio GPRS con funcionesespecíficas para soportar los serviciosde paquetes de datos: La unidad decontrol del protocolo (PCU:Protocol


Canales de

Tráfico

(Traffic Chan-nel-TCH)

Tipo decanal DescripciónDenominación

Canales deBroadcast(BroadcastCHannels)

-BCH-

TCH/FS

TCH/F9.6

TCH/F4.8

TCH/F2.4

TCH/HS

TCH/H4.8

TCH/H.24

Canales de

Control

(Control CHan-nel-CCH)

Canales de control utilizados para per-mitir el enganche de los móviles y el mo-nitoreo de las potencias de los móvilesen celdas vecinas (MAHO).

Estos canales permiten el establecimien-to de las llamadas y la asignación de ca-nales de control.

Canales de control bidireccionales utili-zados para prestar los servicios de seña-lización y supervisión al usuario.

SDCCH

SACCH

FACCH

BCCH

FCCH

SCH

CanalesComunes

de Control(CommonControl

CHannels)-CCCH-

PCH

RACH

AGCH

Canalesde

ControlDedicados(Dedicated

ControlCHannels)

-DCCH-

S: Voz (Speech) 9.6: Datos a 9600 bps.

4.8: Datos a 4800 bps 2.4: Datos a 2400 bps.

F: Full Rate. La información de un usuariose envía en una ranura de tiempo, en cadatrama.

H: Half Rate. La información de un usua-rio se envía en una ranura de tiempo, tra-ma de por medio. Dos usuarios compartenuna misma ranura en diferentes instantesde tiempo.

Tabla 3. Canales lógicos en GSM


Control Unit) y la unidad de controlde Canal (CCU:Channel ControlUnit). La unidad de control del pro-tocolo es responsable por la segmen-tación LLC, la manipulación del ac-ceso al canal, el reparto de los cana-les, el tratamiento de las retransmi-siones y por la administración de loscanales de radio. La unidad de con-trol de canal es responsable por lacodificación del canal, la corrección deerrores FEC, el intercalado y las me-didas de radio. GPRS no establece laforma como se reparten las respon-sabilidades el BSC y el BTS; este as-pecto es, por lo tanto, específico de laimplementación. Una nueva interfaz,Gb, conecta los BSC y los SGSN, esnecesario entonces un nuevo proto-colo, BSSGP. El impacto derivado dela implementación de GPRS sobre elBSS supone la actualización de lainterfaz de radio entre la BTS y elmóvil. Cada BSC requiere de la ins-talación de una o más PCUs y de laactualización en software. La BTStambién requiere de una actualiza-

ción en software, sin embargo, típi-camente no requiere de ninguna ex-pansión hardware. Cuando el tráficode voz o de datos es originado en laterminal del suscriptor, es transpor-tado sobre la interfaz de aire al BTS,y desde allí hasta la BSC, de la mis-ma forma que una llamada GSM es-tándar lo hace. Sin embargo, el tráfi-co es separado a la salida del BSC, eltráfico de voz es enviado al MSCusando GSM estándar y los datos sonenviados a un nuevo dispositivo lla-mado SGSN a través de la PCU conuna interfaz Frame Relay.

3.1.3. Nodos de soporte GPRSLa estructura convencional de GSMha sido extendida con una nueva cla-se de nodos de red que permiten crearun modo de transferencia de conmu-tación de paquetes de extremo a ex-tremo, los GSN (GPRS Support Node)tienen la responsabilidad por la en-trega y por el enrutamiento de lospaquetes de datos entre el móvil y lasredes de datos públicas externas.

Figura 5. Arquitectura de la Red GSM/GPRS


El SGSN, por Servicing GSN, es res-ponsable por la transferencia de pa-quetes desde/hacia los móviles en suárea de servicio, esta tarea incluye:el enrutamiento de los paquetes, sutransferencia, la gestión de la movi-lidad y del enlace lógico y las funcio-nes de autentificación y facturación.Al igual que en el GSM convencional,toda la información del usuario quese debe conocer en el nodo SGSN, sealmacena en el registro GR (GPRSRegister) que conceptualmente haceparte del registro HLR. El GR alma-cena el perfil del usuario, la direcciónactual de SGSN y las direcciones delprotocolo PDP (PDN Protocol) paracada usuario GPRS en la PLMN. ElSGSN es conectado al subsistema deestaciones base a través de una co-nexión Frame Relay a la PCU en laBSC.

El GGSN, por Gateway GSN, el otrotipo de nodo de soporte a GPRS, ac-túa como interfaz lógico entre la redtroncal GPRS y las redes PDN exter-nas. Convierte los paquetes GPRSprovenientes del SGSN al formatoPDP apropiado (IP o X.25 por ejem-plo), en el otro sentido, las direccio-nes del PDP de los paquetes de datosentrantes son convertidas a direccio-nes GSM de los destinatarios y luegolos paquetes son enviados al corres-pondiente SGSN. Para este propósi-to, la GGSN almacena la dirección delnodo SGSN del usuario y su perfil,consultándolo en los registros HLR/GR. Uno o más GGSNs pueden serprovistos para soportar múltiplesSGSNs.

En la red núcleo de la arquitectura dela red GSM/GPRS se deben distinguirtres tipos de elementos: los que sopor-tan exclusivamente a los servicios de

conmutación de circuitos (CS): El MSCy el GMSC; los que soportan exclusi-vamente a los servicios de conmuta-ción de paquetes (PS): El SGSN y elGGSN; y los que son utilizados parasoportar los dos tipos de servicios (PSy CS): El VLR, el HLR, el AuC, el EIR.Estos detalles se muestran gráfica-mente en la Figura 5.

3.1.4. Terminales GPRSEl término equipo terminal (TE-Ter-minal Equipment) es usado para re-ferirse a una amplia variedad de te-léfonos móviles y de estaciones móvi-les usados en el ambiente GPRS.Existen tres tipos de terminales: Ter-minales clase A que soportan servi-cios GPRS y GSM de forma simultá-nea, terminales clase B, que puedenmonitorear canales GSM y GPRS si-multáneamente pero que pueden so-portar únicamente uno de estos ser-vicios a la vez, y terminales clase Cque soportan únicamente un servicio.

3.1.5. Enrutamiento de datosUno de los principales requerimien-tos en una red GPRS es el enruta-miento de paquetes hacia/desde unusuario móvil. Este requerimientopuede ser dividido en dos áreas: Elenrutamiento de paquetes de datos yel manejo de la movilidad.

3.1.5.1. Enrutamiento de paquetesde datos

Todos los GSNs se conectan a travésde una red troncal (backbone net-work) GPRS basada en IP. Existendos clases de redes troncales: Intra-PLMN IP backbone network e Inter-PLMN backbone network. Una redIntra-PLMN IP backbone networktiene la responsabilidad por proveerla conexión de GSNs que pertenecen


a la misma PLMN, son, por lo tanto,redes IP privadas del proveedor dered GPRS. Una red Inter-PLMN bac-kbone network tiene la responsabili-dad por conectar nodos GSNs quepertenecen a diferentes PLMNs. Senecesita, por lo tanto, un acuerdo deitinerancia (roaming) entre los dosproveedores de red para instalar estetipo de red troncal, es necesario ins-talar pasarelas fronterizas BG (Bor-der Gateways) entre cada PMNLpara garantizar la itinerancia. La Fi-gura 6 ilustra este aspecto.

3.1.5.2. Manejo de la movilidadEl área de servicio de un SGSN seencuentra distribuida de forma jerár-quica, un SGSN puede atender variasáreas de localización (LA-LocationArea), que pueden a su vez estar cons-tituidas por una o varias áreas deenrutamiento (RA-Routing Area) quese encuentran compuestas de una ovarias celdas. La operación de GPRSes parcialmente independiente de la

red GSM. Sin embargo, algunos pro-cedimientos comparten elementos dered con las funciones GSM para in-crementar la eficiencia y hacer un usoóptimo de los recursos GSM libres.Una estación móvil tiene tres esta-dos en el sistema GPRS: activo, enespera (standby) y libre (idle), estemodelo de tres estados es único en lared de paquetes, GSM utiliza un es-quema de dos estados: Activo y libre.En el estado activo los datos sontransmitidos entre la estación móvily la red GPRS, en este estado elSGSN conoce la localización de la cel-da en la cual se encuentra la MS. Enel estado de espera, el SGSN conoceúnicamente el área de enrutamien-to. En el estado libre, la MS no tieneel contexto GPRS activado y ningu-na red pública de conmutación depaquetes ha sido asignada. Cuandouna estación móvil que se encuentraen el estado de activo o de espera semueve desde un área de enrutamien-

Figura 6. Enrutamiento de paquetes Intra e Inter PLMN en la red GSM/GPRS


to a otra dentro del área de serviciode un SGSN, debe efectuar una ac-tualización de enrutamiento. La in-formación del área de enrutamientoen el SGSN es actualizada.

3.1.6. Interfaces y Protocolos GSM/GPRS

En la Tabla 4 se describen las inter-faces propias de GPRS.

La Figura 7 ilustra la pila de proto-colos GPRS y el flujo de extremo-a-extremo de un mensaje desde el MShasta el GGSN.

El protocolo entre el SGSN y el GGSNa través de la interfaz Gn es GTP.GTP por GPRS Tunneling Protocol esun protocolo de tunneling, de nivel 3,similar a L2TP. Aunque la figura an-terior define la interfaz Gn (y la Gi,no mostrada) como IP, los protocolossubyacentes no son especificadospara proveer flexibilidad con el me-dio físico empleado. La interfaz máscomúnmente usada con GPRS es FastEthernet. Para la interfaz Gi, las in-

terfaces más comunes son la interfazserial, la interfaz E1/T1 o la interfazEthernet. Las interfaces WAN físicaspueden correr un amplio rango de pro-tocolos, tales como Frame Relay,HDLC y RDSI. Entre el SGSN y elmóvil, el protocolo SNDCP (SubNet-work Dependent Convergent Protocol)traza las características de nivel de reden el nivel subyacente de control deenlace lógico proporcionando la mul-tiplexación de múltiples mensajes denivel de red en una única conexión deenlace lógico virtual, este protocolo esresponsable por las funciones de seg-mentación, cifrado y compresión. En-tre el BSS y el SGSN, el protocoloBSSGP (BSS GPRS Protocol) trans-porta información relacionada con elenrutamiento y la QoS y opera sobreFrame Relay.

El nivel de enlace de datos ha sidosubdividido en dos subniveles: El LLCy el Control del enlace de radio y con-trol de acceso al medio (RLC/MAC-Radio Link Control/Médium Access

Tabla 4. Interfaces GPRS

Interfaz Situada entre

Ga Nodos GSN (GGSN,SGSN) y el Charging Gateway (CG).

Gb SGSN-BSS (PCU). Normalmente en Frame Relay.

Gc GGSN-HLR.

Gi GGSN y una red externa de datos (PDN).

Gn GSN-GSN. Conexión Intra-PLMN network backbone.

Gp GSN-GSN. Conexión Inter-PLMN network backbone.

Gr SGSN-HLR.

Gs SGSN-MSC/VLR.

Gf SGSN-EIR.


Control). El subnivel LLC proporcio-na un enlace lógico altamente fiableentre el móvil y su SGSN asignado.Para permitir la introducción de solu-ciones de radio alternativas sin ma-yores cambios será tan independien-te del protocolo RLC/MAC como seaposible. La funcionalidad del protoco-lo se fundamenta en LAPDm utiliza-da en el nivel de señalización GSM.

El subnivel RLC/MAC se encarga deproporcionar servicios de transferen-cia de información sobre la capa físicade interfaz de radio GPRS, de definirlos procedimientos de acceso múltiplesobre el medio de transmisión que con-sistirá en varios canales físicos, de latransmisión de bloques de datos a tra-vés del interfaz aéreo y es responsa-ble por el protocolo de corrección deerrores BEC-Backward Error Correc-tion que consiste en la retransmisiónselectiva de bloques con errores nocorregibles ARQ.

La capa física, entre el móvil y laBTS, se divide en dos subcapas: lasubcapa de enlace físico (PL-Physi-cal Link subLayer) y la subcapa físi-ca de radiofrecuencia (RFL-PhysicalRF SubLayer). La subcapa de enla-ce físico (PLL-Physical Link subLa-yer) proporciona los servicios nece-sarios para permitir la transmisiónde información sobre un canal físicoentre el móvil y la BSS. Estas fun-ciones incluyen el montaje de lasunidades de datos, la codificación delos datos y la detección y correcciónde errores. La capa física de radio-frecuencia (RFL-Physical RF SubLa-yer) cumple con la recomendación 05de GSM y se encarga de realizar lamodulación y la demodulación de lasondas físicas.

3.1.7. Procesos GPRSEn la Tabla 5 se describen los proce-sos básicos en las redes GPRS.

Figura 7. Pila de Protocolos GPRS


3.2. Interfaz de radio GPRSGPRS define una nueva interfaz ba-sada en TDMA para proveer trans-misión de paquetes sobre la interfazde aire, estableciendo, de esta forma,nuevas maneras de usar los canalesde radio GSM ya existentes. EnGPRS se establecen procedimientosa través de los cuales múltiples usua-rios pueden compartir simultánea-mente los recursos de radio y las ra-nuras de tiempo. GPRS define unaadministración de recursos de radiocompletamente diferente a la de con-mutación de circuitos que establecíaGSM en donde se asignaban ranuraspor tiempo indefinido. Por el contra-rio, GPRS asigna ranuras de tiempoal usuario sobre la base paquete apaquete. GPRS retiene el esquema demodulación, la anchura del canal yla estructura de la trama usados enGSM. En el mundo digital, el nivel

físico es el responsable por transpor-tar los bits a través del radio canalusando algún esquema de modula-ción, en el caso de GPRS se utilizaGMSK (Gaussian Minimum ShiftKeying), para soportar múltiplesusuarios en un espectro limitado.GPRS utiliza TDMA para proveeracceso múltiple. Esta técnica se basaen la coordinación de números espe-cíficos de tramas y ranuras en untiempo dado. Para transportar datosdesde el móvil a la red, GPRS, al igualque GSM, diferencian la informaciónde señalización de la del usuario através de canales lógicos. Los cana-les de tráfico están divididos en doscategorías: De sesión de conmutaciónde circuitos, en la cual los usuariosson asignados a un canal durante laduración de la llamada; y de sesiónde conmutación de paquetes, en lacual múltiples usuarios comparten un

Tabla 5. Procesos básicos GPRS

Vinculación (attach)

Proceso Descripción

Proceso por el cual la estación móvil se co-necta a un SGSN en una red GPRS.

Proceso por el cual el SGSN autentifica elsuscriptor móvil.

Proceso por el cual se establece una se-sión de usuario entre la estación móvil yla red destino.

Proceso por el cual la estación móvil se des-conecta del SGSN en una red GPRS

Proceso por el cual una llamada desde unared de paquetes alcanza una estación mó-vil usando una dirección IP estática.

Proceso por el cual una llamada desde unared de paquetes alcanza una estación mó-vil usando una dirección IP dinámica.

Autentificación

Activación PDP

Desvinculacion (detach)

Solicitud PDP iniciada por lared para una dirección IP es-táticaSolicitud PDP iniciada por lared para una dirección IP di-námica.


canal particular en ciertas ranuras detiempo y frecuencias en TDMA. Sinembargo, únicamente un usuariopuede ser asignado a una ranura detiempo particular y a una frecuenciaen un instante dado. En la Tabla 6 sepresentan los canales, físicos y lógi-

cos, propios de GPRS que se suman alos GSM existentes.

3.3. Impacto derivado de laimplantación de GPRS en la red GSMVamos a efectuar un resumen delimpacto derivado de la implantación

(*) Los servicios de conmutación de circuitos tienen prioridad sobre los de conmutación de paquetes.

Tabla 6. Canales GPRS

Son asignados de forma exclu-siva para el servicio GPRS.

CanalesFísicos GPRS

Canales dePaquetesde Datos

(Packet DataCHannel)

PDCH

Canales PDCHdedicados

Canales decontrolcomún

Canales PDCHbajo

demanda

Packet PagingCHannel

PPCHPacket Random

AccessCHannel-PRACH

CanalesLógicos GPRS

Son utilizados para GPRS si noson necesarios para GSM(*)

Utilizado para localizar una es-tación móvil antes de la trans-ferencia de paquetes.

Canales dedifusión

Packet AccessGrant

CHannel-PAGCH

Packet Broad-cast Control

CHannel-PBCCH

Packet DataTraffic

CHannel-PDTCH

Packet Associa-ted

ControlCHannel-PACCH

Packet TimingControl

CHannel-PTCCH.

Utilizado por la estación móvilpara solicitar canales paraGPRS.

Utilizados para comunicar a laestación móvil los canales detráfico asignados.

Utilizado para difundir infor-mación de control general delsistema GPRS.

Usado para la transferencia depaquetes de datos.

Constituye un canal de señali-zación asociado con un canal detráfico PDTCH. Permite trans-ferir el nivel de potencia e in-formación del sistema.

Utilizado para el envío de infor-mación relacionada con el avan-ce del tiempo.

Canales detráfico

Canalesdedicados de

control


de GPRS en la red GSM. El interésprimordial de un operador GSM secentra en que la introducción deGPRS pueda realizarse sin cambiosnotables en la red. Sin embargo, laintroducción de GPRS provoca cam-bios funcionales y operativos signi-ficativos en la red, entre ellos: Laaparición de nuevos nodos de redSGSN/GGSN, efectos sobre el sub-sistema de red y conmutación(NSS:Network and SwitchingSubsystem), efectos sobre el subsis-tema de estaciones base (BSS:BaseStation Subsystem) y finalmente,tiene también efecto sobre la plani-ficación de la red.

3.3.1. Incorporación de nuevos nodosde red SGSN/GGSNEste aspecto ya fue descrito en otrasección del presente artículo. VerSección 3.1.3. Nodos de SoporteGPRS.

3.3.2. Efecto sobre el subsistema dered y conmutación (NSS:Network andswitching Subsystem)Es necesario incluir en el HR unnuevo registro, el GR-GPRS Regis-ter para almacenar la informaciónde suscripción GPRS. Se añadennuevas funciones MAP (MobileApplication Part) que soportan el in-tercambio de señales con los GSNsque provocan un incremento en lacarga del HLR. Debido a que losSGSN necesitan sus propios pará-metros de autentificación y cifrado,se incrementa la carga sobre el AuC.Se añaden tres nuevas interfaces:Gr, Gc y Gs. Los nodos SMS, se ac-tualizan para soportar transmisióna través de SGSN, aparece una nue-va interfaz Gd entre SMS-MSC ySGSN.

3.3.3. Efecto sobre el subsistemade estaciones base (BSS: Base StationSubsystem)Este aspecto ya fue descrito en otrasección del presente artículo. Ver Sec-ción 3.1.2. Subsistema de EstacionesBase GPRS.

3.3.4. Impacto en la planificaciónde la redLa implementación de GPRS requie-re asignación de recursos, es necesa-rio efectuar cambios en los algoritmosde distribución de recursos. La intro-ducción de GPRS, sin asignar nuevoespectro reduce la capacidad y la ca-lidad de los servicios existentes, es ne-cesario replantear las estrategias deplanificación. Por tal motivo, dedica-remos la siguiente sección del docu-mento a presentar la forma como seadministran los recursos de radio enredes GSM/GPRS.

3.4. Administración de los recursosde radio en redes GSM/GPRSEn la red GSM/GPRS dos tipos deservicios, voz y datos, compiten porlos mismos recursos en una red ina-lámbrica, ambos servicios tienen di-ferentes necesidades de calidad deservicio, y por lo tanto, el esquemautilizado al compartir los recursos deradio juega un importante papel enel dimensionamiento de la red. Tra-dicionalmente se han utilizado dife-rentes modos de transferir informa-ción en las redes celulares: La con-mutación de circuitos, que es el es-quema adecuado para comunicacio-nes de tiempo real que demandan unflujo continuo de información comoGSM o AMPS, y la conmutación depaquetes, que es el esquema másadecuado para aplicaciones que tie-


nen un comportamiento de tráfico aráfagas como Internet, GPRS oCDPD (Cellular Digital PacketData). Puede surgir un tercer esque-ma, denominado conmutación híbri-da que es el esquema utilizado enredes como GPRS/GSM o CDPD/AMPS. La conmutación híbrida o detráfico mixto que soporta ambos ti-pos de conmutación y puede ser im-plementada con tres métodos deasignación del canal: división com-pleta (Complete Partitioning-CP), re-parto completo (Complete Sharing-CS) y reparto parcial (Partial Sha-ring-PS). En el esquema de divisióncompleta el ancho de banda se divi-de en dos partes diferenciadas: losusuarios de voz utilizarán únicamen-te una parte y los usuarios de datosharán uso exclusivo de la otra. En elesquema de reparto completo todo elancho de banda se comparte por losdos tipos de usuarios, y se asigna deforma dinámica, y en el esquema dereparto parcial, los usuarios de da-tos tienen parte del ancho de bandaen exclusiva, pero también puedenhacer uso del ancho de banda librede los usuarios de voz. Desde la pers-pectiva del grado de servicio (GoSGrade of Service), los métodos de re-parto completo y de reparto parcialson problemáticos para los serviciosde voz si no se establecen esquemasde prioridad de estos últimos frentea los servicios de datos. Las políti-cas de asignación de canales debenser la resultante de un equilibrioentre el retardo, el throughput y lautilización del espectro. La seleccióndel método óptimo para una red deeste tipo debe ser el producto de lasestimaciones realistas de tráfico, con

lo que se pretende asegurar un buenrendimiento de ambos servicios.

3.4.1. Asignación de recursosen GPRSLa mejor decisión que podría tomarun operador GSM que desee ofrecerservicios GPRS en una red GSM escompartir el espectro existente entreambos servicios dado que en condi-ciones de tráfico pico, la utilizaciónmedia del canal en GSM es bastantemodesta. Por esta razón, se asumesiempre que se utilizarán de formacompartida los recursos de radio exis-tentes para ambos servicios. La dis-tribución de canales entre los servi-cios de conmutación de circuitos(GSM) y de conmutación de paque-tes (GPRS) puede ser llevada a cabodinámicamente con base en la de-manda de capacidad, carga actual detráfico y prioridad del servicio.

3.4.2. Acceso múltiple y gananciade multiplexación estadísticaGSM asigna de forma permanente uncanal a un usuario durante la dura-ción de la llamada mientras queGPRS asigna los canales cuando lospaquetes son enviados o recibidos yse liberan después de la transmisión.Con este principio, múltiples usuariospueden compartir un mismo canal fí-sico (multiplexación estadística) queprovoca un mejor aprovechamientode los recursos de radio y un incre-mento en la capacidad del sistema.El estándar GSM 05.02 del ETSI de-fine dos modos diferentes de accesoal medio que deberían ser soportadospor todas las estaciones móviles: laasignación fija y la asignación diná-mica. En la asignación fija, los recur-sos asignados a un móvil son suficien-tes para transmitir los datos que ya


tiene listos para la transmisión y és-tos son fijos durante un tiempo deno-minado período de asignación, desdeesta perspectiva, un móvil GPRS di-ferente, puede ser multiplexado en eltiempo en el mismo canal de paquetede datos dependiendo de la duracióndel período de asignación. En la asig-nación dinámica se utiliza una ban-dera denominada USF:Uplink StateFlag en dirección de bajada para re-servar los canales de paquetes dedatos de subida a diferentes móviles.El mensaje de «asignación de paque-te de subida» incluye la lista de loscanales de paquetes de datos asigna-dos al móvil y los correspondientesvalores de USF para cada canal. Elmóvil monitorea los flags en los ca-nales de paquetes de datos asignadosy transmite bloques de radio en losque mantiene actualizados los valo-res reservados de los USF para el usodel móvil. Este esquema proporcionauna utilización más flexible de losrecursos de radio en general.

3.4.3. Uso asimétrico de los recursosde radio de subida y bajadaEn el caso de transmisiones de con-mutación de circuitos, los canales sonreservados simétricamente a pares.Sin embargo, en transmisiones deconmutación de paquetes, los cana-les de subida y de bajada se utilizancomo recursos independientes. Estoquiere decir que en cierta ranuraTDMA, un canal de subida PDCHpuede contener datos de un móvil,mientras que los datos a otro móvilpueden ser transmitidos en el PDCHde bajada. La justificación para estecomportamiento es la naturaleza asi-métrica del tráfico de datos.

4. UMTSExiste, dentro del ITU, un grupo es-tratégico denominado Internacional

Mobile Telecommunications, IMT-2000, que tiene como objetivo de tra-bajo definir las interfaces entre lasredes de tercera generación y las re-des que evolucionaron a partir deGSM por una parte, y desde ANSI-41 (su contraparte americana), porotra, para permitir la itinerancia en-tre estas redes. Por el lado de GSM,el ETSI-European Telecommunicatio-ns Standards Institute y un grupo deorganismos asociados decidieron, enel año de 1998, emprender un proyec-to denominado 3GPP (Third Genera-tion Partnership Project) que busca-ba establecer los estándares para unsistema móvil de tercera generaciónque tuviera una red núcleo basada enla evolución de GSM y cuya red deacceso estuviera basada en todas lastecnologías de radio acceso (FDD yTDD). El 3GPP empezó a denominara los sistemas móviles de tercera ge-neración como Servicio Universal deTelecomunicaciones Móviles (UMTS-Universal Mobile Telecommunicatio-ns System). UMTS ha sido presenta-da como la culminación de la conver-gencia de Internet y las redes móvi-les, en ella, los usuarios tendrán laposibilidad de acceder a contenidos yservicios multimedia de banda anchaindependientemente del lugar dondese encuentren.

En 1992, la Conferencia Mundial deRadio (WRC-92) identificó las bandasde frecuencias de 1855-2025 Mhz y2110-2200 Mhz para los futuros sis-temas IMT-2000, destinando las ban-das 1980-2010 Mhz y 2170-2200 Mhzpara la comunicación vía satélite deestos sistemas.

4.1. Evolución hacia UMTSEn el marco del 3GPP, el trabajo deespecificación de UMTS fue divididoen varias fases hasta alcanzar el ob-


jetivo final: una red integrada de ser-vicios multimedia independientes dela posición del usuario. En la primerafase, denominada Versión 1999 (Relea-se 1999 o R99), se propone una evolu-ción más o menos lógica desde las ar-quitecturas de segunda generación, enese sentido podría decirse que la pa-labra que mejor define esta fase esevolución. Sin embargo, en la segun-da fase, denominada Versión 2000(Release 2000-R00. Esta fase fue mo-dificada posteriormente como Relea-se 4), lo que se propone es una com-pleta revolución: reemplazar la com-ponente de conmutación de circuitos,que seguía vigente en la versión 99,por una red basada completamente enconmutación de paquetes denomina-da arquitectura UMTS Todo-IP (All-IP UMTS network architecture). Enesta propuesta, el protocolo IP adquie-re cada vez mayor importancia hastaconvertirse en el protocolo para eltransporte, tanto de la información delusuario (contenido multimedia), comode la información de control y de se-ñalización, de ahí la denominación deuna red «todo IP». Más adelante, enotra sección de este documento, sehará una presentación más detalladade este proceso evolutivo.

4.2. ServiciosUMTS proveerá servicios de voz ydatos, en eso coincide con la red GSM/GPRS, estos servicios serán provis-tos a diferentes tasas según el ámbi-to en el que se ofrezcan, en conexio-nes satelitales y servicios rurales enexteriores, la tasa será de 144 Kbps;en servicios urbanos en exteriores, latasa será de 384 Kbps; mientras queen servicios de interiores o de exte-riores de bajo rango de distancias sepodrán alcanzar tasas de hasta 2

Mbps, en esto difiere con la red GSM/GPRS.

En UMTS se han definido cinco cla-ses de servicios portadores con con-mutación de circuitos: voz, datostransparentes para soporte de infor-mación multimedia, fax no transpa-rente y datos no transparentes.

Los servicios de datos serán provis-tos con diferente calidad de servicio(QoS-Quality of Service). Se han de-finido clases de calidad de serviciopara acomodar cuatro tipos de tráfi-co. Estos tipos de tráfico, su natura-leza y características básicas se mues-tran en la Tabla 7).

La universalidad que da el nombre ala tecnología UMTS es un concepto cla-ve en el desarrollo de los servicios detercera generación, para cumplir coneste postulado es necesario observardos premisas básicas: La primera, laposibilidad de que cualquier entidad uorganización pueda desarrollar aplica-ciones y servicios gracias a la separa-ción arquitectónica de los planos detransporte y de servicios. La segunda,que el usuario tenga la misma percep-ción de los servicios recibidos con inde-pendencia del terminal que utilice y dellugar en donde se encuentre. Para cum-plir con esta segunda premisa básicase desarrolló el concepto de entorno per-sonal virtual (VHE-Virtual Home En-vironment) que puede ser entendidocomo una característica que permite aun usuario conservar su perfil de ser-vicios, la edición de éstos y la interfazde acceso, con independencia de la redvisitada.

4.3. ArquitecturaEn la descripción que se realiza en laespecificación UMTS Versión-99 se


consideran elementos de red de trescategorías: Elementos de la red nú-cleo de GSM: Entre ellos, el centro deconmutación de servicios móviles(MSC), los registros EIR, VLR y HLRy el centro de autentificación (AuC).Elementos de la red GPRS: Entreellos, el SGSN y el GGSN. Finalmen-te, elementos específicos de UMTS:El equipo del usuario (User Equip-ment-UE) y la Red de Radio AccesoTerrestre UMTS (UMTS TerrestrialRadio Access Network-UTRAN). Enla Figura 8 se muestra el esquemageneral de la arquitectura UMTS, yal igual como ocurre con la red GSM,el sistema se compone de tres gran-des bloques: La red troncal o núcleo(Core Network, CN), la red de accesoa radio (UMTS Terrestrial Radio Ac-

cess Network) y las terminales móvi-les (User Equipment, UE) (Figura 8a.)La red núcleo (core) de UMTS se en-cuentra basada en la topología de lared GSM/GPRS, provee funciones deconmutación, enrutamiento, trans-porte y bases de datos para el tráficode la red, contiene elementos de con-mutación de circuitos, tales como elMSC, el VLR y el GMSC, elementosde conmutación de paquetes, talescomo el SGSN y el GGSN, y elemen-tos que soportan ambos tipos de con-mutación, tales como el EIR, el HLRy el AuC. La separación de los domi-nios de circuitos y paquetes se conci-be como necesaria debido a la evolu-ción de las redes actuales, aunque latendencia es hacia una única redtroncal «Todo IP» que incluiría tam-

Clasede Servicio

Naturaleza CaracterísticasBásicas

Ejemplos

Tabla 7. Clases de servicio para los tipos de tráfico en UMTS

Conversacional

Afluente(Streaming)

Servicios detiempo real

Servicios detiempo real

Servicios detiempo NO real

Preserva el límite del retar-do y la variación de tiempoentre paquetes. El retardoes pequeño y constante.

Preserva la variación detiempo entre paquetes. Re-tardo constante pero no ne-cesariamente reducido.

Modelo de petición y res-puesta. Preserva el conteni-do de los datos. Retardomoderado y bajas tasas deerrores.

Voz, videote-léfono

Flujo devideo o audio

Navegaciónen internet

Correoelectrónico,

descarga dedatos.

Interactiva

Servicios detiempo NO real

Diferida(Background)

No es necesaria la interac-ción. Preserva el contenidode los datos.


bién a la red de acceso. Esta separa-ción en dominios y la arquitecturacompleta de la red se muestran másclaramente en la Figura 8.

La Red de Radio Acceso TerrestreUMTS-UTRAN considera la incorpo-ración de dos nuevos elementos: ElControlador de Radio de la Red(RNC-Radio Network Controller) y elNodo B. La UTRAN contiene múlti-ples Radio Network Systems (RNSs),y cada RNS es controlado por unRNC, el cual conecta uno o más nodosB, cada uno de los cuales puede pro-veer servicio a múltiples celdas. De-talles de la red de acceso terrestre ysus componentes se muestran en laFigura 8b. El RNC y el Nodo B en lared UMTS tienen funciones equiva-

lentes a la función de la BSC y la BTSen las redes GSM/GPRS. Resulta en-tonces posible compartir la infraes-tructura civil (torres y demás) entreambas arquitecturas, solo que en elcaso de UMTS, para lograr la cober-tura planeada se deben adicionarnuevos emplazamientos, igualmente,la red núcleo se puede compartir, se-gún la versión de GSM que tenga eloperador. De este modo, UMTS ex-tiende las redes GSM/GPRS existen-tes, protegiendo la inversión de losoperadores.

4.3.1. InterfacesUMTS define nuevas interfaces, éstasse muestran en la Tabla 8. Estas in-terfaces se muestran en la Figura 9.

Figura 8. Arquitectura UMTS-Bloques funcionales


4.3.2. Controlador de la red de radioEste componente realiza funcionesque son equivalentes a las efectua-das por el controlador de estacionesbase (BSC) en redes GSM/GPRS. Elcontrolador de la red de radio (RNC-

Radio Network Controller) proveecontrol centralizado de los nodos B ensu área de cobertura, maneja los in-tercambios de los protocolos en lasdiferentes interfaces de la UTRAN(lu, lur y lub) y se encarga de la mul-

Tabla 8. Interfaces UMTS.

Uu Equipo de Usuario (UE) y Nodo B

lu lu-CS Interface para Conmutación de Circuitos(RNC-MSC/VLR)

lu-PS Interface para Conmutación de Paquetes(RNC-SGSN)

lub RNC a Nodo B

lur RNC a RNC (No tiene equivalencia enGSM).

Interfaz Situada entre

Figura 9. Arquitectura UMTS-Dominios de conmutación de circuitos y paquetes


tiplexación de la información prove-niente de los dominios de paquetes yde circuitos desde las interfaces lu-PS y lu-CS para que pueda ser trans-mitida sobre las interfaces lu, lub yUu hacia/desde el equipo de usuario(UE). El controlador de la red de ra-dio se encarga entonces del manejode los recursos de radio, utiliza la in-terfaz lur para permitir la comunica-ción con otros RNCs. Esta interfaz notiene equivalencia en redes GMS/GPRS en donde el manejo de los re-cursos de radio se realiza en la rednúcleo. Entre las funciones de la RNCse incluyen: el control de los recursosde radio, el control de la admisión, laasignación del canal, el control dehandover, la segmentación y el reen-samble, la señalización de broadcasty el control de potencia.

4.3.3. Nodo B.Este componente es la unidad de trans-misión/recepción que permite la comu-nicación entre las radio celdas, se en-cuentra físicamente localizado en elsitio donde existe una BTS GSM parareducir los costos de implementación.Se conecta con el equipo del usuario(UE) a través de la interfaz de radioUu utilizando WCDMA (WidebandCode Division Multiple Access) y sopor-tando los modos FDD y TDD simultá-neamente. La interfaz lub provee laconexión entre el nodo B y el RNCusando ATM, en ese sentido, el nodo Bes un punto de terminación ATM.

La principal función del Nodo B es laconversión de unidades de datos enla interfaz de radio Uu. Esta funciónincluye la corrección de errores y laadaptación a la tasa de datos en lainterfaz de radio, el monitoreo de lacalidad, la potencia de la conexión yel cálculo de la tasa de errores.

4.3.4. Equipo de usuario UMTSEste componente integra el equipomóvil del suscriptor y el USIM-UMTS Subscriber Identity Moduleque tiene una funcionalidad similara la del SIM en las redes GPRS/GSM.Debe tenerse en cuenta que los ter-minales de tercera generación ya noserán meros teléfonos móviles, sinodispositivos avanzados que permiti-rán el intercambio de diferentes ti-pos de información, deben, por lo tan-to, soportar múltiples perfiles deusuario, proveer funciones de segu-ridad y autentificación del usuario,soportar la incorporación de métodosde pago, deben tener pantalla táctily cámara integrada, deben ser equi-pos multifuncionales para permitir elacceso GSM/GPRS/UMTS, deben te-ner pantallas más grandes, en colory de alta resolución, deben permitirla reproducción de video en MPEG-4y la audio en MP-3, deben, finalmen-te, proveer un entorno para la ejecu-ción de aplicaciones.

4.4. MovilidadEn el caso de UMTS, la movilidad setrata de dos formas diferentes: conconexión dedicada, que corre a cargode la UTRAN y sin conexión dedica-da, en donde la conexión se trata en-tre el equipo de usuario (UE) y la rednúcleo (CN) sin tener en cuenta lacapa de acceso mediante procedi-mientos de registro.

4.5. Arquitectura de protocolosde la interfaz de radioEn la Figura 10 se muestra la inter-faz de radio en la interfaz Uu.

La interfaz de radio se encuentracompuesta por el nivel 1, que corres-ponde con el nivel físico; el nivel 2,


que se encuentra a su vez compues-to por dos subniveles: el subnivel deacceso al medio (MAC-Medium Ac-cess Control) y el subnivel de controldel enlace de radio (RLC-Radio LinkControl), y nivel 3, que correspondecon el control de recursos de radio(RRC-Radio Resource Control). Sedefinen tres clases de canales: los ca-nales lógicos, los canales de trans-porte y los canales físicos. Los cana-les lógicos expresan el tipo de infor-mación que se transfiere por la in-terfaz radio, pertenecen al nivel deenlace. Los canales de transporteexpresan la forma como se transmi-te esa información y los canales físi-cos denotan los recursos utilizados:códigos de expansión, frecuenciasportadoras e intervalos de tiempo. Elnivel físico ofrece diferentes tipos decanales de transporte al subnivelMAC quien a su vez ofrece diferen-tes canales lógicos al subnivel RLC.Los canales físicos se pueden clasifi-car de acuerdo con varios criterios:

según el sentido de la transmisiónpueden ser ascendentes o descenden-tes; según la asignación a las esta-ciones móviles pueden ser comuneso dedicados; y según el tipo de infor-mación que intercambian pueden serde datos o de control.

Son funciones del nivel físico: La co-dificación y decodificación con controlde errores, la supervisión de los ca-nales físicos, la multiplexación/de-multiplexación de canales de trans-porte, la proyección (mapping) de loscanales de transporte sobre los cana-les físicos, la modulación/demodula-ción de espectro ensanchado en ban-da ancha (aspecto este que tratare-mos con más detalle más adelante),el control de potencias y de las ante-nas, la adaptación de velocidades ytodo el procesamiento de radiofre-cuencia.

Son funciones del nivel de acceso almedio: La asignación de la correspon-dencia entre los canales lógicos y los

Figura 10. Interfaz de radio en la interfaz Uu


de transporte, la selección de forma-tos de transporte según la tasa detransmisión, la gestión de priorida-des de servicios, la gestión de priori-dades entre terminales según el per-fil de tráfico y la supervisión del vo-lumen de tráfico a disposición delsubnivel RRC.

Son funciones del subnivel RLC: Latransferencia de información entrelas subcapas RRC y MAC en tresmodos diferentes: transporte, sin acu-se de recibo y con acuse de recibo, eltratamiento de la información de ca-pas superiores para cursarla en lasunidades de información manejadaspor la RLC, la corrección de errores,el ordenamiento de los de paquetes,la eliminación de duplicidades y elcontrol del flujo de información.

Son funciones del subnivel RRM: elestablecimiento, mantenimiento y li-beración de conexiones RRC entreterminales móviles y la red de accesoradio, la gestión de portadoras radio:su asignación, reconfiguración y libe-ración de recursos, el control del gra-do de calidad del servicio requerido,el control de admisión, la programa-ción de envío de los paquetes (packetscheduling) y el control de congestión.

4.6. Acceso múltiple de radioLa tecnología de acceso múltiple deradio que ha sido elegida para UMTSes CDMA con expansión por secuen-cia directa: DS-CDMA, en este esque-ma, el ancho de banda es de 5 MHzpor lo que se habla de WCDMA (Wide-band Code Division Multiple Access).El esquema de modulación que se haadoptado es QPSK (Quadrature Pha-se Shift Keying). Igualmente, se handefinido dos modos de funcionamien-to en UMTS-WCDMA: El Modo FDD-Frequency Division Duplexing, en el

cual existen dos portadoras por canalde radio, estas portadoras son utili-zadas para las transmisiones del en-lace ascendente y descendente, esdecir, el enlace de subida utiliza unabanda de frecuencias diferente a laque utiliza el enlace de bajada. Esnecesario entonces asignar un par debandas de frecuencia para su opera-ción, estas frecuencias se denominanfrecuencias emparejadas. El modoFDD resulta adecuado para serviciossimétricos, con una amplia gama develocidades. El Modo TDD-Time Di-vision Duplexing, en el cual la trans-misión de los enlaces ascendente ydescendente se realiza sobre una úni-ca portadora utilizando intervalossincronizados, dado que se utiliza unúnico canal de radio se dice que estemodo opera en bandas de frecuenciasno emparejadas. El modo TDD resul-ta adecuado para servicios asimétri-cos en entonos de interiores y micro-celulares. En este modo, los requisi-tos de sincronización son más estric-tos y exigen más márgenes (overhead)para los tiempos de guarda y rampasde variación de potencia. El accesomúltiple de radio reconoce entoncesbandas emparejadas (Paired Bands)y bandas no emparejadas (UnpairedBands). Para las bandas empareja-das, el enlace ascendente se encuen-tra entre los 1920 y los 1980 MHz, elenlace descendente se encuentra en-tre los 2110 y los 2170 MHz. Los 60MHz del espectro alojan a 12 Porta-doras. Para bandas no emparejadas,los rangos de frecuencias disponiblesse encuentran entre los 2010 y los2025 MHz y entre los 1900 y los 1920MHz, esto suma un total de 35 MHzen donde tienen cabida 7 Portadoras.En la Tabla 9 se presentan los cana-les, lógicos, físicos y de transporte, deUMTS.


5. Hacia una arquitectura UMTSbasada en «Todo IP»

Como ya lo hemos mencionado enotras secciones del documento, la redGSM/GPRS representó el paso pre-vio en la evolución hacia UMTS, en

BCCH Descendente Control Difusión de información de la redPCCH Descendente Control Aviso a móviles no localizadosCCCH Descendente Control Señalización con móviles

sin conexión RRCDCCH Descendente Control Señalización con

un móvil específicoDTCH Descendente Tráfico Transferencia de información

con un móvil específicoCTCH Descendente Tráfico Transferencia de información

punto-a-multipuntoBCH Descendente Común Difusión de información

de la red y la celdaFACH Descendente Común Envío de información a móviles

cuya ubicación es conocidaPCH Descendente Común Envío de información a móviles

cuya ubicación NO es conocidaDSCH Descendente Común Asignación de recursosRACH Ascendente Común Acceso aleatoria de los móvilesCPCH Ascendente Común Transmisión de paquetes

sin asignación exclusiva.DCH Bidireccional Dedicado Transmisión de información

y señalización en un móvil específicoP-CCPCH Descendente Común Soporta el canal BCHS-CCPCH Descendente Común Soporta los canales

FACH y el PCHPDSCH Descendente Común Soporta el canal DSCHPRACH Ascendente Común Soporta el canal RACHPCPCH Ascendente Común Soporta el canal CPCHDPDCH Bidireccional Dedicado Tráfico de datos del DCHPDCCH Bidireccional Dedicado Tráfico de señalización del DCH

Tabla 9. Canales lógicos, de transporte y físicos, en UMTS

CanalesLógicos

Canalesde

Transporte

CanalesFísicos

Canal Sentido Tipo Descripción

el proceso evolutivo hacia su consoli-dación, se pueden considerar tres fa-ses: La primera, denominada Versión99 de UMTS, considerada como una«fase de evolución», y la segunda, de-nominada Versión 4, considerada


como una «fase de revolución» portodos los cambios que implica. En latercera fase, que ha sido denomina-da como Versión 5, todos los serviciosserán consolidados sobre una arqui-tectura de transporte «todo IP». Adi-cionalmente, en el panorama existeuna cuarta fase, denominada Versión6. En esta sección del documento pre-sentaremos este camino evolutivo yse vislumbra el release 7, HSUPA.

5.1. Versión 99Corresponde con el estándar estable-cido y será el utilizado por todas lasoperadoras europeas en el despliegueinicial de UMTS. Esta versión con-serva la estructura de la red GSM/GPRS, con la separación de los domi-nios de circuitos y de paquetes, por loque no introducirá cambios significa-

tivos en la red núcleo (core network)introducida en GPRS. A diferencia deGPRS, aparece una interfaz de radio,la UTRAN, UMTS Terrrestrial RadioAccess Network, en ella, las BTSs se-rán sustituidas por nodos B y lasBSCs por los RNC (Radio NetworkController), aparece la interfaz lu, enlugar de la interfaz A. Podemos en-contrar dos variantes, la interfaz lu-CS para el dominio de conmutaciónde circuitos y la interfaz lu-PS parael dominio de conmutación de paque-tes. Tanto en la red de acceso de ra-dio como en la interfaz de la mismacon la red núcleo se utilizará ATM oMPLS como protocolo de transporte .Esta es la arquitectura que hemosanalizado en la sección previa. Laarquitectura de UMTS en la versión99 se muestra en la Figura 11.

Figura 11. Arquitectura UMTS Versión 99


5.2. Versión 4En la versión 4 de UMTS, la voz setransporta sobre IP y aparecen separa-das las funciones de control y de conec-tividad para la voz: Las MSCs dividenfuncionalmente sus tareas en MediaGateways (MG), responsables por pro-veer la conectividad, y en servidores decontrol, responsables por proveer la se-ñalización de control. El MG proporcio-

na la conexión con las redes de conmu-tación de circuitos utilizando los servi-cios de un Media Gateway Controller(MGC). Para la comunicación entre elMG y el MGC se utilizará el protocoloMEGACO. En la Figura 12 se estable-ce una comparación entre las arquitec-turas de las versiones 99 y 4 de UMTS.La arquitectura de UMTS en la versión4 se muestra en la Figura 13.

Figura 13. Arquitectura UMTS, Versión 4

Figura 12. UMTS, versiones 99 y 4


5.3. Versión 5La versión 5 de UMTS, será una ver-sión «Todo IP». IP será la tecnologíade transporte en la red núcleo (corenetwork) para todo tipo de datos, in-cluso también en la UTRAN, en lugarde ATM. En esta versión existe ade-más una separación entre los planosde transporte y control con la apari-ción del subsistema multimedia basa-do en IP (IPMS- IP Multimedia Sys-tem-IMS) encargado de efectuar todala administración de los servicios mul-timedia utilizando señalización SIPsobre portadora de paquetes.

Las entidades funcionales que seidentifican en el IMS son:

• El HSS (Home Subscriber Server).Que se encarga de almacenar losperfiles de suscripción de los usua-rios, puede ser considerado comola evolución del HLR con la incor-poración de funciones de controlIP multimedia.

• El CSCF (Call State Control Func-tion). Responsable por el controlde la sesión. Se encuentra a su vezdividido en varias entidades quese comunican entre sí y con el

usuario utilizando SIP. Estas son:

1. El I-CSCF, que se constituye enel punto de entrada y a través delcual, con la ayuda del HSS, se se-lecciona el S-CSCF.

2. El S-CSCF, se encarga de recibirlas peticiones SIP del usuario yrealiza también todo el control dela sesión.

3. El P-CSCF, que en el caso del ro-aming selecciona en la red visita-da el I-CSCF de origen.

• El MRF (Multimedia ResourceFunction). Responsable por la ges-tión de las funciones de llamadao sesión con varios participantesy conexiones.

En UMTS Versión 5 se mantendrá lainteroperabilidad con otras redes desegunda generación y con las entida-des que permiten que ésta sea posi-ble: Media Gateway (MG), MediaGateway Controller (MGC) y Signa-lling Gateway (SWG).

La arquitectura de UMTS V5 semuestra en la Figura 14.

Figura 14. Arquitectura UMTS, versión 5


5.4. Versión 6En esta versión se propone una am-pliación/extensión del IMS-IP Multi-media Services Phase 2. Se contem-pla entonces la posibilidad de efec-tuar mensajería a través del IMS.

Esta versión también ofrecerá la po-sibilidad de conectividad con redeslocales inalámbricas (Wíreles LAN).

En la Tabla 10 se resume todo el pro-ceso evolutivo y las característicasmás relevantes de cada versión.

Versión 99

Se incluye laUTRAN (UMTSTerrestrial RadioAccess Network).Utiliza la infraes-tructura GSM/GPRS en la rednúcleo.Red núcleo basadaen ATM.Traspaso (hando-ver) entre siste-mas UMTS/GSM.Se incluyen el Vir-tual Home Envi-ronment-VHE y laa r q u i t e c t u r aabierta de servi-cios (OSA-OpenService Architec-ture).

Versión 4

Arquitectura es-tratificada.

Transporte IPpara los protocolosde la red núcleo.

Calidad de servicioen el nivel detransporte.

Versión 5

Transporte IP so-bre la UTRAN.

A r q u i t e c t u r a«Todo-IP».

Calidad de servi-cio extremo a ex-tremo.

Adición del IPMultimedia Do-main System-IMS.

Versión 6

Ampliaciones so-bre el IMS.

Tabla 10. Proceso evolutivo hacia una red «Todo-IP»-Resumen

BIBLIOGRAFÍA• Material Básico

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CURRÍCULOAlvaro Pachón De la Cruz. Inge-

niero de Sistemas de la Univer-sidad ICESI, Especialista enRedes y Comunicaciones de laUniversidad del Valle, Doctora-do en Tecnologías de Informa-ción (en curso) de la Universi-dad de Vigo. Jefe del Departa-mento de Redes y Comunica-ciones de la Universidad Icesi,Director de la Especializaciónen Redes de la Universidad Ice-si, Profesor de la UniversidadIcesi.

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