Arquitectura General de HSDPA

indice temtico

1.Introduccin.3

2.Normas del funcionamiento HSDPA.4

3.Arquitectura del sistema HSDPA5

3.1.Red de acceso5

3.1.1.UE o Equipo de Usuario5

3.1.2.Nodo B.5

3.1.3.RNC.5

3.2.Red de ncleo.6

3.2.1.CS-MGM6

3.2.2.CS-MGW6

3.2.3.MSC SERVER6

3.2.4.SGSN7

3.2.5.GGSN7

3.2.6.HSS7

3.2.7.AuC7

3.2.8.IMS.7

3.2.8.1.Media Resource Function (MRF)8

3.2.8.2.Call State Control Function (CSCF)8

3.2.8.3.Media Gateway Control Function (MGCF)8

3.3.Arquitectura de protocolos.8

3.3.1.RLC.- Radio Link Control.9

4.3.2. Control del Medio de Acceso (MAC).9

3.4.Red de acceso de radio.10

3.4.1.WCDMA.10

3.5.Canales fsicos en HSDPA.12

3.5.1.HS-DSCH12

3.5.2.HS-SCCH13

3.5.3.HS-DPCCH13

3.5.4.DCH14

4.Terminales mviles.15

5.Realidad nacional.16

5.1.ENTEL.16

5.2.NUEVATEL (VIVA).17

5.3.TIGO.17

5.4.COMPROBACIN CON OTRO SERVIDOR.18

5.5.BUSCANDO OTROS SERVIDORES.18

6.Conclusiones.18

7.Bibliografa.18

HSDPA (High Speed Download Package Access)

1. Introduccin.

La 3GPP defini la tercera generacin de los sistemas mviles en el lanzamiento de 1999 conocidos como UMTS. En este lanzamiento se definen bsicamente tres formas en las que se puede descargar un paquete y realizar una comunicacin mediante el establecimiento de un circuito. Estos mtodos ofrecen tasas relativamente altas si lo comparamos con los sistemas de segunda generacin, pero para las aplicaciones actuales quedan un poco obsoletas. Es por eso que surge HSDPA, ante la necesidad de los usuarios de tener mayores tasas de transmisin en cuanto a descarga de paquetes se refiere. Dicha tecnologa permite bsicamente una mejora en las tasas de transmisin de descarga, llegando tericamente hasta los 14 Mbps mientras que en subida se sigue manteniendo el mismo esquema que en UMTS, con tasas mximas de 384Kbps. Tambin se introducen mejoras en cuanto a la arquitectura de la red, como el acceso al subsistema multimedia IP o IP Multimedia Subsystem (IMS), con lo cual se pretende unificar el ncleo de la red mvil con los otros tipos de redes como la de datos y la de telefona fija, evolucionando a una red de siguiente generacin o Next Generation Network (NGN). Adems, se mejora tambin el uso de la modulacin y se derivan funciones al nodo B, con lo que el control ya no se realiza ntegramente por el RNC. Esto genera una reduccin en los tiempos de transmisin mejorando de esta forma el rendimiento de la red.

Una evolucin general de las tecnologas en Bolivia se representa en la siguiente figura:

Figura 1: Generaciones de telefona mvil.

Fuente: www.taringa.com

2. Normas del funcionamiento HSDPA.

Se mencion anteriormente que en el lanzamiento de 1999 (relase 99) se definieron tres tcnicas para la bajada o Downlink de paquetes (DL). La primera es usando el canal dedicado o dedicated channel (DCH); otra tcnica es usando el canal de acceso directo o forward access channel (FACH); y por ltimo, el canal compartido de bajada o downlink shared channel (DSCH) el cual no fue usado y eventualmente removido de la especificacin.

Las tasas mximas tericas de los canales DCH y el FACH fue motivo para el surgimiento de HSDPA. Aunque estas tasas de transmisin son suficientes para muchas aplicaciones ya existentes, el crecimiento abrupto de los servicios mviles implic el aumento de la demanda por mayores tasas de transmisin. HSDPA logra llegar hasta los 14 Mbps para un usuario categora 10. Dichos valores se logran no solo por la introduccin de los canales compartidos sino tambin por el uso de un nuevo mtodo de modulacin QAM, por la reduccin del intervalo de tiempo de transmisin o time transmisin interval TTI, por el uso de turbo cdigos como mtodo de correccin de errores y por ltimo, por el uso fijo de cdigos OVSF (Orthogonal variable spreading factor) con un factor SF (spreading factor) de 16 para todos los usuarios, definiendo as un mximo de 15 cdigos de uso en paralelo.

Una de las caractersticas ms importante de HSDPA es que el sistema es capaz de combinar modulaciones y codificaciones a lo que se denomina como AMC (Adaptive Modulation and Coding). Esta tcnica permite disponer, como ya dijimos, de una modulacin QAM y QPSK, la cual se asigna dependiendo de la calidad de recepcin de la seal por parte del usuario. Gracias a todas estas caractersticas es que HSDPA es una tecnologa que no solo nos brinda acceso de banda ancha sino que se puede implementar utilizando la infraestructura ya desarrollada para UMTS.

3. Arquitectura del sistema HSDPA

La arquitectura que veremos est definida en el Release 5 y consta de los siguientes componentes. [HOL2006 (Head of line)]

3.1. Red de acceso3.1.1. UE o Equipo de Usuario

Es el encargado de establecer la comunicacin entre el usuario y la estacin base de la red mvil. Consta de un USIM Universal Subscriber Identity Module o Mdulo de Identidad de Subscriptor Universal, en donde se almacena informacin del usuario y el ME Mobil Equipment o Equipo Mvil, que es el equipo fsico del que dispone el usuario.

3.1.2. Nodo B.

Es la estacin base que se encarga de la conectividad va radio entre el abonado y la red. Se encarga de dar la calidad que requieren los distintos servicios, control de carga y sobrecarga de datos, da los tiempos y capacidades a cada uno de los usuarios o scheduling.

3.1.3. RNC.

Es la estacin que se encarga del control de admisin, la reserva de recursos, el asignamiento y manejo de los cdigos OVSF. As tambin se encarga del mapeo de los parmetros de la calidad de servicio y es el encargado del control del handover, lo que significa que se encarga de gestionar el traslado de un equipo mvil de una estacin base a otra. En la siguiente figura se puede ver como se relacionan el UE, Nodo B y el RNC. A esta seccin de la arquitectura HSDPA se le denomina UTRAN.

Figura 2: UTRAN

Fuente: WCDMA FOR UMTS HSPA Evolution and LTE [ORT2007]

3.2. Red de ncleo.

La red de ncleo consta de los siguientes componentes:

3.2.1. CS-MGM

Es el media Gateway encargado de que el flujo de informacin que llega al ncleo se transforme a paquetes IP.

3.2.2. CS-MGW

Es el media gateway encargado de cambiar el formato de paquetes IP al formato de la red tradicional o la red de conmutacin de circuitos.

3.2.3. MSC SERVER

Es el que controla o da rdenes a los media gateway de cmo es que se debe realizar la conmutacin de paquetes, es decir, le dice al media Gateway adonde es que se deben enrutar los paquetes y se encarga del control y sealizacin de los mismos.

3.2.4. SGSN

Servidor para conmutacin de paquetes, es el encargado de la transferencia de paquetes desde o hacia los mviles, es decir, est encargado del enrutamiento de los paquetes.

3.2.5. GGSN

Gateway entre el ncleo de la red y la red de paquetes, se encarga de convertir los paquetes provenientes del SGSN al formato apropiado como IP.

3.2.6. HSS

Es la base de datos donde se encuentran los perfiles de los usuarios as como la informacin de sealizacin que se requiere.

3.2.7. AuC

Es el centro de autenticacin donde se encuentran las claves de autenticacin y es la responsable de la autenticacin del abonado.

FIGURA 3: Ncleo de una red HSDPA.

Fuente: WCDMA FOR UMTS Radio Access [HOL2004]

3.2.8. IMS.

Como podemos ver en la figura anterior se aade la funcionalidad de IMS al ncleo de la red. El IMS o Subsistema multimedia IP, es una plataforma en que dispone de tres nuevos elementos:

3.2.8.1. Media Resource Function (MRF)

El cual se encarga de controlar los recursos y juntar distintos tipos de trfico multimedia.

3.2.8.2. Call State Control Function (CSCF)

Acta como el primer elemento con el cual tiene contacto un terminal en el IMS. Se encarga de manejar el estado de las sesiones y ser el punto de contacto de todas las conexiones al IMS para un usuario. Tambin realiza funciones de un firewall para la red del operador.

3.2.8.3. Media Gateway Control Function (MGCF)

Es el encargado de la manejar las conversiones de protocolos, es decir, transforma la sealizacin usada en la red de paquetes SIP a la que se usa en la PSTN SS7.

3.3. Arquitectura de protocolos.

FIGURA 4: Arquitectura de protocolos lanzamiento 1999.

Fuente: HSDPA/HSUPA for UMTS [HOL2006]

En el plano de control encontramos el RRC, el cual se encarga de la sealizacin relacionada con la configuracin de canales, administracin de la movilidad, etc.

En el plano de usuario se encuentra el protocolo PDCP (Packet Data Convergence Protocol) o protocolo de convergencia de paquetes. Dicho protocolo se encarga de comprimir la cabecera de los paquetes IP en dos a tres veces su tamao original, reduciendo de gran forma la carga de los paquetes. El protocolo BMC (Broadcast/Multicast Control) o control de broadcast/multicast, tiene como funcin principal ordenar y transmitir los mensajes broadcast en una celda hacia un terminal.

El plano de control en HSDPA se sigue manteniendo; lo que vara es el plano de usuario. En la siguiente figura podemos apreciar cmo es que se introducen nuevas funcionalidades en el nodo B.

FIGURA 5: Arquitectura de protocolos de usuario HSDPA.

Fuente: HSDPA/HSUPA for UMTS [HOL2006]

3.3.1. RLC.- Radio Link Control.

Maneja la segmentacin y retransmisin de informacin de usuarios y control. Puede operar en 3 modos distintos:

a) Transparente: Cuando no se aade una cabecera por parte de la capa RLC. Esto no se puede aplicar cuando se usan los canales de transporte de HSDPA y HSUPA.

b) Unacknowledged mode: Cuando no existe la retransmisin por parte de la capa RLC. Se usa cuando las aplicaciones pueden tolerar la perdida de algunos paquetes.

c) Acknowledged mode: Cuando se asegura el envo de la informacin gracias a las retransmisiones por parte de la capa RLC.

4.3.2. Control del Medio de Acceso (MAC).

Este protocolo se encarga del mapeo de los canales lgicos, manejo de las prioridades, seleccin de las tasas de transmisin de informacin que van a ser usadas y por ltimo, del cambio de canales de transporte. Se divide en MAC-hs y MAC-d.

a) MAC-hs (MAC Alta Velocidad): Es un protocolo que se deriva de la MAC y se encuentra ubicado en la estacin base o nodo B. Segn se muestra en la figura de arquitectura de protocolos, mantiene todas las caractersticas de la capa MAC excepto la de intercambio de canales de transporte.

b) MAC-d (MAC Dedicado): Este protocolo solo mantiene las funciones de intercambio de canales de transporte de la capa MAC original. Todas las dems funciones las realiza la capa MAC-hs.

3.4. Red de acceso de radio.3.4.1. WCDMA.

Es el mtodo de acceso que se usa para las tecnologas UMTS y HSPA.

WCDMA, como su nombre lo dice, trabaja con un ancho de banda de 5 Mhz, el cual supera a los 1,25 Mhz de CDMA. CDMA o acceso mltiple por divisin de cdigo, se basa en el uso de una secuencia pseudo aleatoria o scrambling y cdigos ortogonales o cdigos OVSF. A este mtodo de usar cdigos ortogonales se le conoce como canalizacin.

Figura 6: Relacin entre secuencia aleatoria y canalizacin.

Fuente: WCDMA for UMTS Radio Access [HOL2004]

En la siguiente figura veremos cmo es que se usa el nmero de secuencia pseudo aleatoria para ensanchar la seal.

Figura 7: Utilizacin de secuencia pseudo aleatoria.

Fuente: VI Ctedra de Telecomunicaciones [PAR2008]

El uso de los cdigos ortogonales sirve para poder diferenciar a los usuarios, es decir, se usa un cdigo para cada usuario. De esta forma, al juntar los usuarios, ser posible la decodificacin de cada uno de ellos segn su cdigo, como se puede ver en la siguiente figura.

Figura 8: Uso de cdigos ortogonales.

Fuente: VI Ctedra de Telecomunicaciones [PAR2008]

El uso de los cdigos OVSF no es ilimitado y est restringido por su rbol de cdigos, como se puede ver en la siguiente figura.

Figura 8: Cdigos ortogonales OVSF.

Fuente: VI Ctedra de Telecomunicaciones [PAR2008]

Cada uno de estos cdigos no solo define a los usuarios sino que define tambin las tasas de transmisin a las que va operar el usuario. Mientras ms reducido sea el cdigo mayor ser la tasa de transmisin de la que dispondr el usuario. Cada uno de estos cdigos se clasifica por su Spreading Factor (SF) o factor de dispersin. Es as que en HSDPA se trabaja, como veremos ms adelante, con canales compartidos de SF 16. Este valor es constante y no vara, como se hace en UMTS para los canales dedicados. En el release 99 se definieron bsicamente tres mtodos por los cuales se poda descargar informacin en forma de paquetes. Era usando los canales DCH, FACH y el DSCH, que nunca se utiliz y fue descartado del estndar.

3.5. Canales fsicos en HSDPA.3.5.1. HS-DSCH

En HSDPA se introduce el canal rpido de bajada compartido.

HS-DSCH (high speed downlink shared channel), el cual est definido para un SF (spreading factor) de 16 constantes. La caracterstica de este canal es que se pueden asignar hasta 15 canales a un solo usuario, consiguiendo de esta forma el mximo de velocidad que ofrece HSDPA, 14.4 Mbps. Las diferencias con el canal DCH con las siguientes. [HOL2006]

- Falta de un rpido control de potencia; en su lugar se hace uso de una adaptacin del enlace en base al cambio de modulacin y codificacin.

- Soporta una modulacin 16 QAM, duplicando la capacidad de la modulacin QPSK definida para el release 99.

- El uso de retransmisiones a nivel fsico, a diferencia del DCH que solo se realizaban a nivel RLC o nivel 3.

- Falta del softhandover.

- Solo se utilizan turbo cdigos.

- No hay transmisiones discontinuas a nivel de slot. Si es que no se transmite de forma entera el HS-PDSCH, entonces no se realiza la transmisin.

3.5.2. HS-SCCH

Algunas veces referido como el canal compartido de control, es un canal fsico de bajada que se encarga de la llevar la informacin de control, la cual se necesita para que el UE o equipo mvil demodule y decodifique el HS-DSCH. Por cada usuario que est usando mltiples HS-DSCH se deber enviar un HS-SCCH. Cada uno de estos usa un SF de 128 y tiene una estructura basada en un TTI de 2ms, la misma que el HS-DSCH. El HS-SCCH lleva la siguiente informacin del HS-DSCH:

- Informacin de la canalizacin que se est usando.

- Tipo de modulacin que usa.

- Informacin del tamao del bloque de transporte.

- Informacin relacionada al ARQ hibrido.

- Un identificador del UE.

El canal HS-SCCH est definido en dos partes. La primera parte contiene informacin de canalizacin y modulacin y la segunda parte consiste en el tamao de bloque de transporte y la informacin del ARQ Hibrido. En la siguiente figura se puede ver cmo estn organizadas dichas partes y como se forman usando cdigos convolucionales de un factor de 1/3.

Figura 9: Operacin en el caso de dos usuarios.

Fuente: HSDPA/HSUPA for UMTS [HOL2006]

3.5.3. HS-DPCCH

Canal de control fsico dedicado de alta velocidad que sirve para enviar informacin de control como el CQI y el H-ARQ y opera con un SF (spreading factor) de 256. Dicho canal es solo de subida.

- H-ARQ: es una variacin del mtodo de correccin de errores ARQ, ya que sigue usando los cdigos de redundancia cclica CRC, pero se aade el uso de los FEC (Forward Error Correction). El H-ARQ se caracteriza por tener una rpida respuesta ante los errores. En caso se presente uno solicitar una retransmisin, la cual se combinara con las anteriores transmisiones antes de decodificar el mensaje. Si toda la informacin es correcta se enviara un ACK por el canal HS-DPCCH. Existen dos estrategias del H-ARQ: IR (incremental redundancy) y el CC (Chase Combining).

- CQI: Se usa para indicar un tamao aproximado del bloque de transporte, el tipo de modulacin y el nmero de cdigos paralelos se puede recibir correctamente.

Ambos canales se envan en los tres slots que contiene el canal HSDPCCH con un TTI de 2ms. Como se puede ver en la siguiente figura, en el primer slot se enva la informacin del H-ARQ y en los dos siguientes la informacin del CQI.

Figura 10: Estructura del canal hs-dpcch.

Fuente: HSDPA/HSUPA for UMTS [HOL2006]

3.5.4. DCH

Definido en el release 99 como un canal de transporte dedicado, se utiliza en HSDPA para el canal de subida. Es mapeado en el canal fsico DPDCH, el cual puede tener factores de SF entre 4 y 256, definiendo as siete posibles tramas con un valor mximo de 384 Kbps. En el caso que se desee realizar una llamada de voz o una video llamada, se siguen utilizando los canales y protocolos de control definidos en el release 99 o UMTS. En la siguiente figura se puede ver un ejemplo de uso de ambos canales.

Figura 11: Uso del canal dedicado y compartido.

Fuente: HSDPA/HSUPA for UMTS [HOL2006]

4. Terminales mviles.

Los terminales mviles en HSDPA se clasifican en categoras las cuales estn definidas en la siguiente tabla.

Tabla 1: Tabla de categoras de los terminales mviles en HSDPA.

Fuente: WCDMA for UMTS HSDPA Evolution and LTE [HOL2007]

Como podemos ver, las categoras dependen del nmero de canales HSDSCH que se pueden usar en paralelo en un terminal. Cada uno de estos canales posee un cdigo OVSF con un nmero de secuencia o spreading factor de 16. Por ende, el nmero mximo de cdigos que se pueden utilizar por un mismo terminal es 15.

5. Realidad nacional.

Se comprueba las tecnologas que utiliza cada empresa de telecomunicacin mvil en distintas generaciones.

5.1. ENTEL.

El ltimo dato tomado por este servidor proviene del ao 2012.

5.2. NUEVATEL (VIVA).

El ltimo dato tomado por este servidor proviene del ao 2010.

5.3. TIGO.

El ltimo dato tomado por este servidor proviene del ao 2008.

La pgina web fuente para los datos anteriores proviene de: http://www.unlockonline.com/mobilenetworks/bolivia.html

5.4. COMPROBACIN CON OTRO SERVIDOR.

Figura 12: Tecnologas a nivel mundial.

Fuente: LTE, WiMAX, HSPA+, 3G, GSM information by country (March 2, 2015). (http://www.worldtimezone.com/4g.html)

5.5. BUSCANDO OTROS SERVIDORES.

Entrando a la siguiente pgina web en lnea podemos comprobar que tipo de tecnologa utiliza cada empresa de telecomunicacin.

La pgina es la siguiente: Global Cell Coverage Maps Open Signal. (http://opensignal.com/networks/)

6. Conclusiones.

- Gracias a la modulacin adaptativa como la de cdigo se pudo aumentar la velocidad de descarga para esta nueva tecnologa.

- Con los 3 elementos MRF, CSCF, MGCF implementados en IMS al aadirse a la red de ncleo se puede controlar el trfico manejar estado de sesiones y todas las conexiones de usuario.

- Al constar con distintas terminales que soporta la red HSDPA se puede concluir que nuestra transmisin de datos por empresas que reparten el servicio en nuestro pas no es la apropiada ya que las velocidades mnimas de descarga tendran que ser mnimamente 14Mbps.

7. Bibliografa.

- http://dspace.ups.edu.ec/bitstream/123456789/2072/13/UPS-CT002379.pdf

- http://es.wikipedia.org/wiki/High-Speed_Downlink_Packet_Access

- http://opensignal.com/networks/

- http://www.worldtimezone.com/4g.html

- http://www.unlockonline.com/mobilenetworks/bolivia.html

18