Arquitectura de Redes Móviles

1. Contexto de la Evolución y Convergencia de las Redes

1.1. Antecedentes Históricos

Las redes constituyen un conjunto de infraestructuras necesarias para proporcionar servicios de telecomunicaciones. Para ello, se requiere la implementación de hardware y software que permitan la creación de una infraestructura capaz de ofrecer servicios a los usuarios. Estas redes están en constante evolución, lo que les permite mejorar su competitividad en el mercado y favorecer la convergencia tecnológica, posibilitando la prestación de múltiples servicios en una sola red o la oferta de un mismo servicio a través de diferentes medios.

1.1.1. Modelo Silo

El "Modelo Silo" describe un enfoque tradicional en el que los servicios de telecomunicaciones, Internet y radiodifusión operaban de manera vertical e independiente, sin integración ni comunicación efectiva entre ellos. Este modelo se caracteriza por la fragmentación de las infraestructuras y la falta de interoperabilidad entre tecnologías.

A lo largo de la historia, diversas tecnologías han operado bajo este modelo:

• Red Fija y Redes Móviles 2G: Aunque comparten similitudes en las capas de transmisión, conmutación y servicio, utilizan tecnologías distintas en las capas de terminales y acceso. Además, las redes GSM presentan desafíos en términos de movilidad.
• Internet: Es la red de datos más utilizada, unificada por el protocolo IP. Su acceso es proporcionado por los Proveedores de Servicios de Internet (ISP), mientras que la infraestructura subyacente es gestionada por los Proveedores de Servicios de Red (NSP).
• Redes de Conmutación de Paquetes Móviles: Utilizan tecnologías de acceso como GPRS, UMTS, LTE y 5G, lo que las convierte en las redes más extendidas en la actualidad.
• Red Celular LTE: Facilita la interoperabilidad con redes 2G y 3G, centrándose en la provisión de servicios de datos. Los servicios de voz son gestionados a través de redes 2G. Además, se han optimizado las redes de acceso y el núcleo de la red ha sido rediseñado con protocolos basados en IP.
• Red Celular 5G: Compatible con redes 2G, 3G, 4G y otras tecnologías no basadas en 3GPP. Ofrece servicios con baja latencia y altas velocidades, mejorando la infraestructura de acceso e incorporando virtualización en el núcleo de la red.
• Datos de Telecomunicaciones: Se emplean para respaldar servicios empresariales y se ofrecen a otros operadores y usuarios finales mediante líneas alquiladas. Esto incluye redes privadas, redes virtuales y la provisión de servicios de Internet.
• Radiodifusión (Broadcasting): Comprende la generación de contenido, la emisión de señales en sistemas de distribución y la cobertura radiofónica en áreas de recepción.

1.2. Evolución y Convergencia

1.2.1. Redes de Telecomunicaciones y Redes de Computadoras

Las redes de telecomunicaciones y las redes de computadoras forman parte de las redes de comunicación, aunque presentan diferencias significativas en su diseño y funcionalidad:

• Redes de Telecomunicaciones: Basadas en la conmutación de circuitos de la telefonía tradicional, están diseñadas para ofrecer servicios a dispositivos móviles y han sido desarrolladas principalmente por ingenieros de telecomunicaciones.
• Redes de Computadoras: Comprenden redes domésticas, corporativas e Internet. Se accede a ellas a través de dispositivos inalámbricos y han sido diseñadas por expertos en informática, utilizando protocolos ad hoc cuando es necesario.

nota

Un protocolo ad hoc es un conjunto de reglas diseñadas específicamente para una aplicación concreta, en lugar de seguir un estándar predefinido.

2. Redes Fijas de Datos

2.1. Servicios IP

El tráfico en redes IP ha crecido significativamente en los últimos años, con una tendencia global al alza. Este crecimiento se debe, en gran parte, a la expansión de las redes metropolitanas y al papel fundamental de las redes de entrega de contenido (Content Delivery Networks, CDNs), que gestionan una gran proporción del tráfico de Internet, especialmente debido al aumento del uso de dispositivos móviles e inalámbricos.

Entre las principales tendencias en los servicios IP, destaca el crecimiento del tráfico de video en línea bajo demanda, así como los desafíos asociados a la calidad de los servicios de voz. Además, la comunicación máquina a máquina (Machine-to-Machine, M2M) está adquiriendo una importancia creciente en la interacción con dispositivos conectados, como medidores inteligentes, sistemas de domótica, videovigilancia y electrodomésticos.

A continuación, se describen algunos de los principales servicios que operan sobre el protocolo IP:

• Navegación web: Utiliza los protocolos HTTP (no seguro) y HTTPS (seguro). Se caracteriza por tráfico variable y una arquitectura asimétrica, donde los paquetes de mayor tamaño se transmiten en el enlace descendente (Downlink, DL), mientras que en el enlace ascendente (Uplink, UL) se envían principalmente confirmaciones de llegada.

• Servicios de asistencia: Integran indicadores de estado que informan sobre la disponibilidad de los usuarios. A través del protocolo SIP (Session Initiation Protocol), se reciben notificaciones sobre eventos relacionados con la presencia de otros usuarios.

• Mensajería instantánea: Facilita la comunicación en tiempo real, principalmente mediante texto, aunque puede integrarse con otros servicios. Se basa en el protocolo SIMPLE (Session Initiation Protocol for Instant Messaging and Presence Leveraging Extensions).

• Voz sobre IP (VoIP): Permite la transmisión de voz mediante conmutación de paquetes en redes IP. Utiliza SIP para señalización y RTP/RTCP para gestionar la calidad del servicio. Incluye funciones avanzadas de telefonía y servicios suplementarios.

• Push-to-Talk (PTT): Proporciona comunicación de voz IP en modo half-duplex (unidireccional y alternada). Los usuarios pueden establecer sesiones con otros participantes a través de agentes SIP.

• Video bajo demanda y streaming: Permite la reproducción de contenido a medida que se reciben los datos, con un posible retraso inicial. Su tráfico es asimétrico, con paquetes de gran tamaño en el enlace descendente.

• IPTV (Televisión sobre IP): Ofrece transmisión de contenido televisivo mediante redes IP, garantizando calidad de servicio (Quality of Service, QoS) y permitiendo a los usuarios seleccionar canales a demanda.

• Video progresivo: Funciona a través de reproductores de video sobre HTTPS, con almacenamiento en buffer para gestionar retrasos. Su tráfico es variable, con un alto consumo de ancho de banda al inicio de la reproducción y en eventos de rebuffering.

• Juegos en línea: Son aplicaciones interactivas con paquetes de datos cortos y alta señalización. Requieren baja latencia y alta confiabilidad, operando bajo arquitecturas cliente-servidor con protocolos específicos.

• Juegos en la nube: Involucran la transmisión de audio, video y comandos con requisitos estrictos de latencia y una alta tasa de descarga para garantizar una experiencia de usuario óptima (Quality of Experience, QoE).

• Comunicación Máquina a Máquina (M2M): Se basa en el intercambio de paquetes cortos con alta señalización y fiabilidad, con requerimientos variables según la aplicación. En el contexto del Internet de las Cosas (IoT), permite la conexión e interacción de dispositivos físicos, como sistemas industriales y redes ad hoc.

2.2. Protocolos de Internet

El modelo de protocolos de Internet (IP) presenta una estructura más simplificada en comparación con el modelo OSI, lo que facilita su implementación y escalabilidad en redes modernas.

2.2.1. Protocolo de Internet (IP)

El Protocolo de Internet (IP) es fundamental para la comunicación entre dispositivos en redes como Internet, redes de área local (LAN) y redes empresariales. Su función principal es la transmisión de paquetes de datos denominados datagramas, asegurando el direccionamiento y la fragmentación de los mismos. Cada equipo conectado a una red IP posee una dirección IP única, utilizada para identificar el origen y el destino de los paquetes.

IP opera como un servicio sin conexión y no confiable, lo que significa que los paquetes pueden perderse, duplicarse o llegar en desorden. No garantiza la entrega, ya que no proporciona mecanismos de confirmación ni corrección de errores; estas funciones recaen en protocolos de niveles superiores, como TCP (Transmission Control Protocol).

El tamaño máximo de un datagrama está determinado por la Unidad Máxima de Transmisión (Maximum Transmission Unit, MTU), cuyo valor depende de la tecnología de la capa de enlace de datos. Si un datagrama supera el MTU permitido, se divide en fragmentos, los cuales se reensamblan en el destino.

El enrutamiento es el proceso mediante el cual un paquete viaja desde su origen hasta su destino a través de múltiples redes y enrutadores (routers). Cada router utiliza tablas de encaminamiento, en las que se almacena información sobre las rutas disponibles. Como resultado, los paquetes de una misma comunicación pueden seguir rutas diferentes y llegar en un orden distinto al de su emisión.

2.2.2. Seguridad en el Protocolo de Internet (IPSec)

IPSec (Internet Protocol Security) es un conjunto de protocolos diseñados para garantizar la seguridad en las comunicaciones IP. Sus funciones incluyen autenticación de origen de datos, integridad y cifrado de la información transmitida. Además, permite la autenticación de los dispositivos al inicio de la sesión y la negociación de claves durante la transmisión de datos.

Existen dos modos de operación de IPSec:

• Modo de transporte: Protege solo el contenido del paquete IP, dejando intacto el encabezado original. Se utiliza en comunicaciones directas entre dispositivos.
• Modo túnel: Cifra y autentica todo el paquete IP, encapsulándolo dentro de un nuevo paquete con un encabezado diferente. Se emplea en la creación de redes privadas virtuales (Virtual Private Networks, VPNs), permitiendo el acceso seguro a redes privadas a través de Internet.

2.2.3. IP Multicast

La transmisión de datos en tiempo real en configuraciones uno-a-muchos (one-to-many) y muchos-a-muchos (many-to-many) se logra mediante IP Multicast. Este método permite la distribución eficiente de información a múltiples receptores sin la necesidad de enviar una copia individual del paquete a cada destinatario. En su lugar, los paquetes se replican en los enrutadores y se envían solo a aquellos nodos que forman parte del grupo de multidifusión.

El protocolo de transporte más común en IP Multicast es UDP (User Datagram Protocol), ya que permite una transmisión eficiente sin necesidad de establecer conexiones individuales con cada receptor.

Para la administración de grupos de multidifusión, se emplean los protocolos IGMP (Internet Group Management Protocol) para IPv4 y MLD (Multicast Listener Discovery) para IPv6. Estos protocolos permiten que los dispositivos y enrutadores administren la suscripción y el abandono de grupos multicast, optimizando el tráfico de red.

El enrutamiento multicast tiene como objetivo optimizar la entrega de paquetes, evitando la transmisión redundante de datos. Para ello, se utiliza el Protocolo Independiente de Multidifusión (Protocol Independent Multicast, PIM), que construye jerarquías de rutas basadas en la dirección IP de origen y la estructura de la red.

A diferencia del unicast, donde las rutas se establecen según la topología de la red y posibles fallos, en multicast las rutas pueden cambiar dinámicamente en función de la suscripción y abandono de dispositivos en un canal de transmisión.

Existen dos modos de funcionamiento en el enrutamiento multicast:

• Modo disperso (Sparse Mode): Se utiliza cuando hay un número reducido de nodos suscritos al grupo de multidifusión. Se requiere la activación explícita de la comunicación.
• Modo denso (Dense Mode): Se emplea cuando la mayoría de los enrutadores están interesados en recibir tráfico multicast. En este modo, los mensajes se envían a todos los enrutadores y aquellos que no desean recibirlos envían mensajes de poda (prune messages) para dejar de recibir el tráfico.

nota

Un mensaje de poda (prune message) es una señal enviada por un enrutador en una red multicast para indicar que no desea recibir más tráfico para un grupo específico.

2.3. Protocolos de Transporte

Los protocolos de transporte gestionan la transmisión de datos entre aplicaciones a través de redes IP. Entre los más utilizados se encuentran UDP (User Datagram Protocol), TCP (Transmission Control Protocol) y SCTP (Stream Control Transmission Protocol). Además, el Protocolo de Mensajes de Control de Internet (ICMP) se emplea para el diagnóstico y control del tráfico de red.

2.3.1. UDP (User Datagram Protocol)

UDP es un protocolo no orientado a conexión, diseñado para aplicaciones en las que la velocidad es prioritaria sobre la fiabilidad. Se caracteriza por:

• No garantizar la entrega, el orden ni la detección de duplicados.
• Utilizar sumas de verificación (checksum) para verificar la integridad de los datos.
• Emplear números de puerto para identificar servicios en origen y destino.

Este protocolo es ideal para aplicaciones en tiempo real, donde es preferible la pérdida de paquetes a los retrasos generados por la retransmisión. Se utiliza en servicios como transmisión de audio y video en vivo, telefonía IP (VoIP) y videojuegos en línea.

2.3.2. TCP (Transmission Control Protocol)

TCP es un protocolo orientado a conexión que garantiza la entrega fiable y ordenada de los datos. Sus principales características incluyen:

• Establecimiento de conexión mediante un proceso de handshake de tres vías antes de la transmisión.
• Segmentación de datos, dividiendo grandes volúmenes de información en segmentos ajustados a la MTU.
• Retransmisión de datos en caso de pérdida, basada en temporizadores y cálculos del Tiempo de Ida y Vuelta (Round-trip Time, RTT).
• Control de flujo, asegurando que el emisor no envíe más datos de los que el receptor puede manejar.
• Control de congestión, adaptando la tasa de transmisión en función de los ACKs recibidos.

Este protocolo es ampliamente utilizado en servicios como navegación web (HTTP/HTTPS), correo electrónico (SMTP, IMAP, POP3) y transferencia de archivos (FTP).

2.3.3. SCTP (Stream Control Transmission Protocol)

SCTP combina características de TCP y UDP, ofreciendo mejoras en la transmisión de datos:

• Multiplexación de servicios dentro de una única conexión IP.
• Entrega confiable y ordenada, similar a TCP, pero con mayor flexibilidad.
• Soporte para múltiples direcciones IP, permitiendo redundancia y mayor tolerancia a fallos.
• Manejo del bloqueo de cabecera (head-of-line blocking), priorizando paquetes pequeños si los grandes quedan retenidos.
• Mantenimiento de la conexión mediante mensajes de estado (heartbeat), garantizando que el canal de comunicación sigue activo.
• Entrega parcial de datos, permitiendo asignar distintas prioridades a los paquetes según la necesidad de la aplicación.

SCTP se utiliza en aplicaciones críticas, como señalización en redes de telefonía móvil y transmisión de datos en sistemas financieros y de control industrial.

2.3.4. ICMP (Internet Control Message Protocol)

El Protocolo de Mensajes de Control de Internet (ICMP) se emplea en redes IP para enviar mensajes de error y diagnóstico. Sus principales funciones incluyen:

• Detección de problemas en la red, notificando errores como host inaccesible o TTL expirado.
• No ser utilizado para la transferencia de datos entre sistemas o aplicaciones de usuario final.
• Herramientas de diagnóstico, como:
  • Ping: Evalúa la conectividad entre dos dispositivos mediante la medición del tiempo de respuesta.
  • Traceroute: Identifica la ruta que siguen los paquetes entre origen y destino, detectando posibles problemas de latencia o enrutamiento.

2.3.5. Puertos y sockets

Los puertos son valores de 16 bits que permiten diferenciar múltiples servicios dentro de una misma dirección IP. Se utilizan para:

• Identificar servicios específicos, como:
  • HTTP (puerto 80) y HTTPS (puerto 443) para navegación web.
  • DHCP (Dynamic Host Configuration Protocol), que emplea UDP 67 para el servidor y UDP 68 para el cliente.
• Facilitar la multiplexación de conexiones, permitiendo que varios servicios se ejecuten simultáneamente en un mismo dispositivo.
• Asociarse a procesos mediante sockets de Internet, que combinan dirección IP y puerto para la comunicación entre aplicaciones.

2.4. Protocolos de Aplicación

Los protocolos de aplicación permiten la comunicación entre programas y servicios en redes IP, facilitando la transmisión de datos y la gestión de sesiones multimedia. Entre los más relevantes se encuentran el Protocolo de Inicio de Sesión (SIP), el Protocolo de Transporte en Tiempo Real (RTP) y el Protocolo de Control en Tiempo Real (RTCP).

2.4.1. SIP (Session Initiation Protocol)

El Protocolo de Inicio de Sesión (SIP) es un protocolo de señalización empleado en la configuración, gestión y finalización de sesiones de comunicación multimedia en redes IP. Sus principales características incluyen:

• Independencia de la capa de transporte, funcionando sobre TCP, UDP o SCTP.
• Soporte para sesiones unicast y multicast.
• Interoperabilidad con otros protocolos, como:
  • RTP (Real-time Transport Protocol) para la transmisión de medios.
  • SDP (Session Description Protocol) para la definición de parámetros multimedia.
  • TLS (Transport Layer Security) para la seguridad en la capa de transporte.

SIP utiliza un modelo de transacción similar a HTTP, donde el cliente envía solicitudes al servidor y recibe respuestas. Las URI (Uniform Resource Identifiers) se emplean para identificar recursos en una red SIP. Sin embargo, SIP se centra en la señalización y configuración de llamadas, delegando funciones específicas a otros elementos de la red, como:

• Agentes de usuario (User Agents): Participan en la creación o recepción de mensajes SIP.
• Registradores (Registrars): Gestionan información de ubicación y asignan direcciones IP a URI.
• Servidores proxy: Enrutan solicitudes y aplican políticas de comunicación.
• Servidores de redirección: Responden con información para reenviar solicitudes a nuevos destinos.
• Controladores de borde de sesión (SBC, Session Border Controllers): Realizan tareas de intermediación y seguridad.
• Pasarelas SIP-PSTN: Conectan redes SIP con redes telefónicas tradicionales (PSTN) mediante diferentes protocolos.

Este protocolo es ampliamente utilizado en telefonía IP (VoIP), videoconferencias y mensajería instantánea.

2.4.2. RTP y RTCP

El Protocolo de Transporte en Tiempo Real (RTP) y el Protocolo de Control en Tiempo Real (RTCP) son fundamentales para la transmisión de medios en tiempo real.

RTP se encarga de la transmisión de datos multimedia, como audio y video, priorizando la entrega puntual sobre la fiabilidad absoluta. Sus principales características incluyen:

• Uso común sobre UDP, aunque en algunos casos se puede emplear TCP.
• Tolerancia a la pérdida de paquetes, esencial para aplicaciones en tiempo real.
• Soporte para multicast, permitiendo la transmisión a múltiples destinos.
• Información de payload, incluyendo:
  • Formato del contenido multimedia.
  • Marcas de tiempo, para la sincronización de audio y video.
  • Números de secuencia, para la detección y reordenación de paquetes perdidos.

RTCP complementa a RTP proporcionando control y retroalimentación sobre la calidad de la transmisión. Sus principales funciones incluyen:

• Monitoreo de la calidad del servicio (QoS) mediante informes de emisor y receptor.
• Ajuste dinámico de parámetros, como la limitación del flujo de datos o la selección de códecs alternativos.
• Identificación de participantes en la sesión mediante descripciones de fuente.
• Mensajes de desconexión, permitiendo a los usuarios salir de la sesión de manera ordenada.
• Extensiones personalizadas mediante mensajes de aplicación específica (APP).

Ambos protocolos son esenciales en aplicaciones de telefonía VoIP, videoconferencias y streaming de medios en tiempo real.

2.5. Calidad de la Experiencia (QoE)

La Calidad de la Experiencia (QoE) mide la percepción del usuario sobre la calidad de un servicio, influenciada por la Calidad del Servicio (QoS) de la red y otros factores subjetivos.

2.5.1. Calidad del Servicio (QoS)

El QoS en redes se evalúa mediante Indicadores Clave de Rendimiento (KPI, Key Performance Indicators), entre los que destacan:

• Throughput: Velocidad de transmisión de datos (bits/s).
• Pérdida de paquetes: Porcentaje de paquetes descartados durante la transmisión.
• Latencia: Retardo promedio en la entrega de paquetes.
• Jitter: Variabilidad en el retardo de los paquetes.

Los Acuerdos de Nivel de Servicio (SLA, Service Level Agreements) establecen garantías de QoS entre los proveedores y los clientes. Dependiendo de sus necesidades, los servicios pueden ser:

• Elásticos: Se adaptan a la velocidad de la red (ej. tráfico web, descargas).
• Inelásticos: Requieren una calidad mínima constante (ej. VoIP, streaming en vivo).

Para optimizar el rendimiento de la red, se emplean diferentes técnicas:

• Reserva de ancho de banda para flujos críticos.
• Etiquetado de paquetes para priorizar el tráfico según su importancia.
• Uso de arquitecturas de QoS, como:
  • IntServ (Integrated Services): Reserva recursos para cada flujo de datos, asegurando QoS garantizada.
  • DiffServ (Differentiated Services): Clasifica y agrupa flujos similares para optimizar la escalabilidad.

Se organiza en tres planos principales:

1. Plano de Control: Gestión de admisión, enrutamiento QoS y asignación de recursos.
2. Plano de Datos: Gestión de buffers, evitación de congestión y planificación de tráfico.
3. Plano de Gestión: Medición del rendimiento, aplicación de políticas y cumplimiento de SLA.

2.5.2. Mean Opinion Score (MOS)

La QoE es subjetiva y se mide mediante el Mean Opinion Score (MOS), una escala del 1 al 5 basada en la percepción de múltiples usuarios sobre la calidad de una llamada o servicio multimedia.

Existen dos tipos de métodos para evaluar la QoE:

• Métodos con referencia (intrusivos): Comparan la señal original con la degradada.
• Métodos sin referencia (no intrusivos): Evalúan la calidad sin necesidad de una señal de referencia.

Algunos modelos utilizados incluyen:

• PESQ (Perceptual Evaluation of Speech Quality): Evalúa la calidad del audio en VoIP.
• E-Model: Considera pérdida de paquetes, ruido, eco y otros factores.
• POLQA (Perceptual Objective Listening Quality Analysis): Mide calidad de voz basada en percepción humana.

2.5.3. MOS vs QoS

La QoE y QoS están relacionadas, pero la primera depende de la percepción del usuario y la segunda de métricas técnicas. Por ejemplo:

• En video streaming, la QoE se mide con parámetros como:
  • Tiempo de buffering inicial.
  • Frecuencia y duración de interrupciones (rebuffering).
• En redes móviles (2G/3G/4G/5G), se pueden ajustar dinámicamente la calidad del video y el tamaño del buffer según el estado de la red.

2.6. Redes de Próxima Generación (NGN)

Las Redes de Nueva Generación (NGN) son infraestructuras de telecomunicaciones basadas en el protocolo IP que permiten la prestación de múltiples servicios. Su diseño facilita la convergencia de voz, video y datos, mejorando las redes tradicionales como la telefonía conmutada (PSTN), las redes móviles e Internet. Además, abordan aspectos críticos como la privacidad, la interceptación legal de comunicaciones y las llamadas de emergencia.

Las principales características de las NGN incluyen:

• Tecnologías de transporte de banda ancha y calidad de servicio (QoS): Emplean múltiples tecnologías que garantizan la calidad de servicio en la transmisión de datos.
• Funciones de servicio independientes: Separan la gestión de los servicios de las tecnologías de transporte, lo que proporciona mayor flexibilidad.
• Acceso abierto: Permiten la libre conexión de usuarios y proveedores de servicios, fomentando la competencia y la diversidad de opciones.
• Movilidad: Los servicios pueden ser accedidos desde cualquier ubicación y en cualquier momento.

2.6.1. Arquitectura de una NGN

La arquitectura de las NGN está diseñada para ser accesible desde cualquier dispositivo con conexión y se estructura en los siguientes componentes:

• Gestión de servicios y aplicaciones: Abarca la configuración, activación y desactivación de servicios, asignación de recursos, calidad de servicio, facturación y gestión de relaciones con clientes.
• Control de red: Se encarga de la gestión de señalización y llamadas. Incluye elementos como el softswitch y el Registro de Ubicación de Hogar (Home Location Register, HLR). También genera registros de detalles de llamadas (Call Detail Records, CDR) para su facturación.
• Núcleo de transporte: Red de conmutación de paquetes basada en IP y MPLS (Multiprotocol Label Switching), lo que garantiza eficiencia y calidad en la transmisión de datos.
• Acceso en el borde: Facilita la interconexión entre el núcleo de transporte y diversas redes de acceso, permitiendo la conexión de terminales analógicos, dispositivos SIP y otros mediante gateways.

2.6.2. Integración de NGN y PSTN

La transición desde la Red Telefónica Conmutada Pública (PSTN) hacia las NGN se realiza mediante diversas pasarelas y protocolos que garantizan la interoperabilidad:

• Pasarelas de Señalización (Signaling Gateway, SG): Facilitan la comunicación entre redes basadas en E-1 e IP mediante el protocolo SS7, asegurando compatibilidad entre sistemas.
• Pasarelas de Medios (Media Gateway, MG): Separan el control de llamadas de la conversión de medios, permitiendo la interoperabilidad entre redes E-1 e IP a través de los protocolos TDM e IP, utilizando RTP/RTCP para la transmisión de datos.
• Controlador de Pasarela de Medios (Media Gateway Controller, MGC): Gestiona las Media Gateway a través del protocolo MeGaCo y facilita la comunicación con otros controladores mediante SIP.

2.7. Interconexión de Redes de Datos

Las redes de datos se interconectan a nivel global mediante sistemas autónomos y protocolos de enrutamiento que garantizan la eficiencia y fiabilidad en la transmisión de información.

2.7.1. Sistemas Autónomos (AS)

Un Sistema Autónomo (AS) es un conjunto de redes IP administrado por un único operador con políticas de enrutamiento definidas. Estos sistemas facilitan el intercambio de información en Internet y se clasifican en:

• AS Stub: Conectado a un único AS, generalmente en entornos de redes pequeñas, como universidades o empresas.
• AS Multihomed: Posee múltiples conexiones con diferentes AS, lo que mejora la redundancia y la disponibilidad del servicio.
• AS de Tránsito: Ofrece servicios de interconexión a otros sistemas autónomos, facilitando la transmisión de datos entre diferentes redes.

Cada AS cuenta con un número de sistema autónomo (Autonomous System Number, ASN) asignado por la ICANN o entidades regionales, lo que permite su identificación y gestión en la red.

2.7.2. Protocolos de Enrutamiento

Los protocolos de enrutamiento permiten la selección de rutas óptimas para la transmisión de datos en Internet. Se dividen en:

• Protocolos de Puerta de Enlace Interior (Interior Gateway Protocol, IGP): Gestionan el enrutamiento dentro de un único AS, asegurando la comunicación entre sus nodos. Ejemplo: OSPF (Open Shortest Path First), que optimiza rutas sin generar bucles y balancea la carga de tráfico.
• Protocolos de Puerta de Enlace Exterior (Exterior Gateway Protocol, EGP): Regulan el intercambio de información entre diferentes AS, como el BGP (Border Gateway Protocol), que toma decisiones basadas en atributos como:
  • NEXT_HOP: Dirección IP del enrutador siguiente en la ruta.
  • LOCAL_PREF: Preferencia local para determinar la mejor ruta dentro de un AS.
  • AS-PATH: Lista de AS que deben atravesarse para alcanzar un destino.
  • Multi-exit discriminator (MED): Factor de preferencia para múltiples enlaces entre AS.

Para mejorar la gestión de enrutamiento, se emplean los Registros de Enrutamiento en Internet (Internet Routing Registry, IRR), que permiten a los operadores publicar sus políticas y anuncios de enrutamiento.

2.7.3. Peering y Tránsito en Internet

La estructura de Internet se organiza en niveles de proveedores de servicios:

• Nivel 1 (Tier 1): Redes troncales que manejan grandes volúmenes de tráfico y proporcionan conectividad a proveedores regionales.
• Nivel 2 (Tier 2): Proveedores regionales que conectan a ISPs locales.
• Nivel 3 (Tier 3): ISPs locales que ofrecen acceso a usuarios finales y empresas.

Existen dos principales modelos de interconexión entre ISPs:

• Tránsito: Permite que el tráfico de un ISP atraviese la infraestructura de otro a cambio de un pago. Es común entre Tier 3 y Tier 1.
• Peering: Acuerdo entre ISPs para intercambiar tráfico de forma directa, reduciendo costos y mejorando la latencia. Se clasifica en:
  • Peering privado: Conexión directa entre dos ISPs sin necesidad de infraestructura adicional.
  • Punto de Intercambio de Internet (Internet Exchange Point, IXP): Ubicación donde múltiples ISPs se interconectan utilizando switches Ethernet y el protocolo BGP.

Los proveedores de tránsito ofrecen distintos niveles de servicio con garantías de rendimiento, aunque la entrega final de paquetes en Internet no está completamente asegurada. Las tarifas y acuerdos de nivel de servicio varían según la región y el volumen de tráfico manejado.

3: Visión general de las redes celulares

3.1. Introducción a las redes celulares

3.1.1. Desarrollo histórico

En la evolución de las redes celulares se presentan varias generaciones:

• 1G: Introduce comunicaciones móviles analógicas, sin interoperabilidad.
• 2G: Digitaliza las comunicaciones móviles y permite mensajes de texto.
• 3G: Mejora la velocidad de datos y habilita la navegación web en dispositivos móviles.
• 4G: Proporciona velocidades de datos más rápidas, facilitando la transmisión de video y conectividad avanzada.
• 5G: Ofrece velocidades de datos ultra rápidas, menor latencia y capacidades para IoT y conducción autónoma.

A medida que estas generaciones evolucionan, la velocidad de datos aumenta constantemente, principalmente en Downlink (DL), presentando desafíos en Uplink (UL) debido a la aparición de interferencias. Las nuevas generaciones, como 5G, superan estas limitaciones, ofreciendo un servicio más flexible y eficiente.

3.1.2. Estructura de redes celulares

Las redes celulares se componen de celdas distribuidas en áreas geográficas. Cada celda es atendida por al menos un transceptor fijo, generalmente tres estaciones base que utilizan triangulación. Estas estaciones base ofrecen cobertura de red a las celdas y utilizan diferentes conjuntos de frecuencias para evitar interferencias entre celdas vecinas, aunque esto puede variar como ocurre en LTE. La selección de frecuencias se realiza entre un conjunto predefinido difundido a través de las estaciones base. La interconexión de estas celdas permite la cobertura de áreas más grandes, lo que posibilita que los dispositivos móviles se comuniquen en cualquier punto de la red, utilizando las estaciones base como puntos de acceso.

3.1.3. Características fundamentales de las redes celulares

Reutilización de celdas: Se basa en el radio de la celda, el factor de reutilización (número de celdas en un patrón repetitivo) y la distancia cocanal. Estas celdas presentan formato hexagonal, con estaciones base que emplean frecuencias diferentes a las estaciones vecinas para evitar interferencias. También se utiliza sectorización para reducir las interferencias, haciendo que las antenas sean más directivas.

Handover: Se utiliza para administrar la movilidad de los dispositivos una vez establecida una conexión, cuando el dispositivo está en funcionamiento. Este proceso se activa cuando un dispositivo cambia de celda, experimenta una señal débil o se produce una redistribución de la red.

Gestión de movilidad: Los dispositivos móviles operan en dos modos distintos:

• Modo activo: El dispositivo está encendido y la gestión de movilidad se realiza mediante handover.
• Modo inactivo o Idle: No se realiza seguimiento constante de la celda donde se encuentra el dispositivo. El receptor permanece encendido únicamente para recibir mensajes de paging.

Para localizar al dispositivo en modo Idle, se actualiza el área de localización cada vez que el dispositivo cambia de celda. El paging se utiliza para llamadas entrantes, donde el MSC (Mobile Switching Center) envía paquetes de búsqueda en la zona donde se encuentra el dispositivo. Esto se logra mediante un mensaje de tipo broadcast transmitido desde todas las celdas, utilizando el canal de acceso aleatorio (RACH), que permite a los dispositivos móviles informar a la red sobre su presencia y necesidad de servicios, facilitando la inicialización de llamadas. En GSM y otras generaciones se crean áreas de localización para el paging con el fin de reducir el radio de búsqueda, cuyo tamaño está determinado por el operador de la red.

Roaming: Capacidad de un terminal móvil para enviar y recibir datos cuando se encuentra fuera del área de cobertura de su propia red. Se logra mediante la conexión a una red extranjera que trabaja en cooperación con la red de origen para brindar servicios al dispositivo móvil. El roaming depende tanto del espectro radioeléctrico disponible como del tipo de terminal utilizado, que debe contar con un chip compatible con las frecuencias utilizadas. En GSM, el roaming se hace posible gracias al IMSI (International Mobile Subscriber Identity) y a acuerdos entre operadores de redes móviles.

Identificación: Se utilizan una serie de números vinculados tanto al usuario como a la celda:

• Relacionados con el usuario: IMSI, TMSI, MSISDN e IMEI
• Relacionados con las celdas: MCC, MNC, LAC, LAI, CI y CGI

3.2. Global System for Mobile Communications (GSM), 2G

GSM es un sistema de telefonía móvil que utiliza una red de celdas para proporcionar servicios de comunicación inalámbrica. Utiliza conmutación de circuitos y ofrece servicios básicos de telefonía, SMS, datos y FAX, además de otros servicios suplementarios.

3.2.1. Arquitectura GSM

GSM se compone de tres subsistemas principales:

1. Red de Acceso por Radio (RAN): Conecta a los usuarios móviles
2. Red Central (CN) o Subsistema de Red (NSS): Maneja la conmutación, gestión de suscriptores y movilidad
3. Subsistema de Soporte de Operaciones (OSS): Se encarga de la suscripción, tarificación, estadísticas, configuración y gestión del rendimiento de la red, permitiendo reducir los costos de mantenimiento

Elementos clave de GSM:

• Mobile Switching Center (MSC): Gestiona la conmutación de circuitos entre dispositivos móviles, asignación de recursos de radio y procedimientos como el registro de ubicación y handover. El Gateway MSC (GMSC) proporciona conexión a otras redes como la Red de Comunicación Móvil Terrestre Pública (PLMN) o la Red Telefónica Pública Conmutada (PSTN).

• Registros de localización: Compuesto por tres elementos:

  • Registro de Ubicación Visitante (VLR): Copia de los registros del HLR para reducir la señalización.
  • Registro de Ubicación de Inicio (HLR): Base de datos con registros de suscriptores.
  • Centro de Autenticación (AuC): Almacena claves de autenticación y cifrado. La clave del suscriptor, la clave de cifrado y la clave generada por el proceso no viajan por el aire; solo lo hace el valor aleatorio generado para la creación del código. Esta clave del suscriptor se encuentra también en la SIM. El valor generado se conoce como Signed Response (SRES) y permite autentificar a un terminal.

• Mobile Systems (MS): Incluye:

  • Equipo Móvil (ME): Abarca hardware y sistema operativo del terminal.
  • Módulo de Identificación del Suscriptor (SIM): Contiene información de suscripción, la clave secreta para autenticación y cifrado, la última área de localización visitada, etc.

• Base Transceiver Station (BTS): Proporciona cobertura de celda, realiza funciones de transmisión y recepción, encriptación, multiplexación, recuperación del sincronismo y autentificación. Puede contar con hasta 16 antenas de transmisión que trabajan con frecuencias distintas pero todas gestionadas por el mismo BSC.

• Base Station Control (BSC): Envía órdenes a las BTS, recibe informes y alarmas, y ejecuta comandos del MSC. Sus funciones incluyen la configuración de BTS, la gestión de recursos de radio y el control de conexiones.

3.2.2. Protocolos de GSM

En GSM, se emplean protocolos separados para el plano de usuario y el plano de control. El plano de usuario transporta datos del usuario, mientras que el plano de control se utiliza para señalización. La señalización se basa en SS7 en la red central y en protocolos específicos de GSM en las redes de acceso por radio.

3.2.3. Canales de GSM: transporte, lógicos y físicos

En los canales la información fluye entre diferentes capas de protocolos, permitiendo segregar entre tipos de datos tanto en UL como en DL. Los canales lógicos definen el tipo de información, los canales de transporte determinan cómo se transporta la información, y el canal físico define dónde se transmite la información. El tráfico y el control (señalización) pasan por las mismas capas pero por distintos canales.

Canales lógicos:

• Canales de Tráfico (Traffic Channels, TCH): Flujo de datos del usuario, utilizan conmutación de circuitos para voz, con diferentes velocidades y transmisión discontinua.

• Canal de Difusión (Broadcast Channel, BCH): Datos de difusión para todos los MS en una celda. Incluye:

  • Canal de Control de Difusión (Broadcast Control Channel, BCCH): Transmite información sobre configuraciones de canales, sincronización, paging, etc.
  • Canal de corrección de frecuencia (Frequency Correction Channel, FCCH): Proporciona información sobre la frecuencia de transmisión que deben utilizar las MS.
  • Canal de sincronización (Synchronization Channel, SCH): Contiene el código de identidad de la estación base y permite la sincronización de tramas.

• Canal de Control Común (Common Control Channel, CCCH): Señalización punto a multipunto. Incluye:

  • Canal de Acceso Aleatorio (Random Access Channel, RACH): Permite el acceso de las MS sin reserva previa y se utiliza para solicitar canales de señalización o durante handover.
  • Canal de Concesión de Acceso (Access Grant Channel, AGCH): Se utiliza para asignar canales de control dedicados a MS.
  • Canal de Paginación (Paging Channel, PCH): Utilizado para localizar MS específicas.

• Canal de Control Dedicado (Dedicated Control Channel, DCCH): Señalización punto a punto. Incluye:

  • Canal de Control Dedicado Independiente (Stand-alone Dedicated Control Channel, SDCCH): Se utiliza para señalización sin conexión activa.
  • Canal de Control Asociado Lento (Slow Associated Control Channel, SACCH): Para sincronización y control de potencia.
  • Canal de Control Asociado Rápido (Fast Associated Control Channel, FACCH): Para señalización de alta prioridad.

Los canales Stand-alone son canales dedicados que no tienen un canal de tráfico asociado. Se suelen emplear para establecer la comunicación.

3.3. The Universal Mobile Telecommunication Service (UMTS), 3G

3.3.1. Arquitectura UMTS

3G introdujo dos elementos clave: el SGSN y el GGSN, que marcaron el inicio de la conmutación de paquetes en las redes móviles:

• Gateway GPRS Support Node (GGSN): Actúa como punto de acceso principal a redes de datos externas, con capacidad de enrutar paquetes hacia la ubicación actual del dispositivo móvil. Este nodo accede al HLR para obtener información sobre la ubicación del dispositivo.

• Serving GPRS Support Node (SGSN): Se encarga de gestionar la movilidad y el cifrado en el tráfico basado en paquetes.

Ambos nodos también cumplen un papel esencial en la recopilación de datos relacionados con la facturación de servicios.

General Packet Radio Service (GPRS) es una tecnología que se utiliza para transmitir datos a través de redes de telefonía móvil. Fue una evolución de las redes GSM que ofrecía mayor capacidad de datos y una conexión más eficiente.

En GPRS, la gestión de recursos radio implica la asignación dinámica de recursos para canales de datos en contraste con los canales de voz fijos, lo que permite una programación de recursos más eficiente. La asignación de recursos, tanto para el UL como para el DL, se maneja de forma independiente y se determina únicamente cuando se realiza una solicitud de transmisión.

3.3.2. Evolución hacia UMTS

UMTS representa una evolución desde GPRS, reemplazando la infraestructura de acceso por radio existente. UTRAN (UMTS Terrestrial Radio Access Network) es la parte de UMTS encargada de la gestión de la radio.

3.3.3. HSPA y HSPA+

HSPA y HSPA+ son avances significativos de UMTS diseñados para mejorar el soporte de tráfico de datos basados en paquetes, como los servicios de Internet. Estas tecnologías ofrecen velocidades de transmisión considerablemente más rápidas en comparación con las versiones anteriores de UMTS.

3.3.4. Clases de Calidad de Servicio (QoS)

Las clases de QoS permiten predecir la transmisión de datos y se negocian entre las aplicaciones y la red. La categoría Background se asigna a los recursos que quedan disponibles cuando no se utilizan por otras clases. Es importante señalar que en GSM no se implementa el QoS; esta característica aparece con la introducción de las tecnologías 2.5G.

3.3.5. Acceso Múltiple por División de Código (CDMA)

CDMA, o Acceso Múltiple por División de Código, es una técnica que asigna a cada usuario un código único, lo que les permite transmitir simultáneamente en el mismo ancho de banda. En el contexto de UMTS, CDMA se utiliza para asignar códigos a los usuarios y distinguir entre canales y celdas.

Sin embargo, CDMA también presenta desafíos. El número máximo de usuarios se ve limitado por la interferencia y la potencia de la señal, lo que requiere un control cuidadoso de la potencia. Además, la capacidad y el tamaño de la celda pueden fluctuar debido al número de usuarios, lo que complica la planificación de la red.

4: Long Term Evolution, 4G

4.1. UMTS Long Term Evolution

4.1.1. Visión General

El Sistema Evolved Packet (EPS) constituye la infraestructura fundamental de las comunicaciones móviles modernas. Su núcleo se basa en E-UTRAN, la red de acceso radio, que proporciona conectividad a través de LTE (Long Term Evolution), siendo accesible tanto desde versiones anteriores a LTE como desde 5G, lo que asegura una conectividad continua y flexible para los usuarios.

El núcleo de EPS es responsable de la transmisión de paquetes de datos y de la infraestructura de servicios. La arquitectura subyacente, denominada System Architecture Evolution (SAE), se centra en la transmisión de paquetes, mientras que para las llamadas de voz se utiliza el IP Multimedia Subsystem (IMS), una red Next Generation Network.

EPS se divide en dos componentes principales:

• Red de Acceso Radio (LTE): Se caracteriza por su flexibilidad en cuanto a ancho de banda, eficiencia espectral, reducción de latencia, simplicidad en la arquitectura y mejora en la eficiencia de los servicios basados en paquetes.
• Núcleo de la Red (SAE - System Architecture Evolution): Se enfoca en la transmisión de paquetes de datos, proporcionando mejoras en capacidad, latencia optimizada para servicios IP y la capacidad de realizar handovers entre tecnologías de acceso diferentes de 3GPP.

Un concepto clave en las redes EPS es la Reutilización de Frecuencia (Frequency Reuse), que permite tres configuraciones:

• Red de Frecuencia Única (Single Frequency Network): Todas las celdas comparten la misma banda de frecuencia, limitándose al centro de la celda.
• Red de Reutilización Clásica 3 (Classical Reuse 3 Network): Aplicada en los bordes de la celda.
• Reutilización Fraccional de Frecuencia (Fractional Frequency Reuse): La banda se divide en sub-bandas más pequeñas, generalmente en cuatro. Los usuarios cercanos a la estación base (en el centro de la celda) tienen una reutilización de 1, mientras que los usuarios más alejados (en el borde de la celda) tienen una reutilización de 3.

En LTE, la combinación de tiempo y frecuencia da lugar a los canales físicos, organizados en una matriz de slots, donde cada slot puede albergar hasta 12 portadoras. Esta organización se representa en el eje X como el ancho de banda máximo y en el eje Y como el tiempo en milisegundos. Las Redes Heterogéneas (Heterogeneous Networks) son una característica clave, ya que incluyen estaciones base con diferentes potencias de transmisión y áreas de cobertura de diversos tamaños, como celdas macro, pico y femto, estas últimas utilizadas para reemplazar puntos de acceso Wi-Fi. Esto puede generar mayor interferencia, especialmente en las transiciones de celdas macro a pico.

La Agregación de Portadoras (Carrier Aggregation) permite la transmisión simultánea a través de varias portadoras, dividiendo los datos entre ellas. Cada portadora tiene su propia celda servidora, lo que puede resultar en variaciones en la cobertura. Las Redes de Auto-Optimización (Self-Optimizing Networks, SON) buscan garantizar un rendimiento óptimo de la red en entornos cambiantes, y han evolucionado hacia las zero-touch networks, donde la red se configura automáticamente sin intervención manual.

4.1.2. Arquitectura de la Red

La arquitectura de LTE se organiza en varios componentes clave:

• Evolved NodeB (eNodeB): Actúa como la puerta de entrada entre los dispositivos móviles y el núcleo de la red, implementando la arquitectura E-UTRAN sin un controlador centralizado. Este nodo puede estar controlado por múltiples MME/S-GWs, lo que permite mayor flexibilidad y redundancia, gestionando de manera eficiente las conexiones y la movilidad.
• Protocolos del Estrato de Acceso (AS): Facilitan la comunicación y la gestión de enlaces inalámbricos entre los eNodeBs y los UE.
• HSS (Home Subscriber Server): Almacena información de suscripción de los usuarios, perfiles de QoS y restricciones de acceso en roaming, asegurando una experiencia de usuario consistente.
• P-GW (PDN GateWay): Controla la transmisión de paquetes, asigna direcciones IP a los UE, aplica políticas de QoS y realiza la carga basada en flujos de acuerdo con las reglas definidas por el PCRF. Filtra los paquetes IP en los enlaces descendentes según el QoS y actúa como punto de anclaje de movilidad para mantener la continuidad de la comunicación.
• PCRF (Policy Control and Charging Rules Function): Controla las políticas, supervisa el PCEF (Policy Control Enforcement Function) en el P-GW y autoriza el QoS, asegurando la correcta gestión de la calidad del servicio.
• S-GW (Serving GateWay): Se encarga de transmitir todos los paquetes IP de usuario, actúa como ancla de movilidad durante los handovers, retiene información de los portadores cuando el UE está inactivo y realiza un seguimiento de la ubicación del usuario en modo IDLE.
• MME (Mobility Management Entity): Nodo de control que gestiona la señalización entre el UE y la red central, administra las portadoras y las conexiones, y garantiza la seguridad de las comunicaciones entre la red y el UE.

4.1.3. Arquitectura del Protocolo

La arquitectura del protocolo de LTE se divide en dos planos fundamentales:

• Plano del usuario centrado en los datos: El paquete IP destinado al UE se encapsula en un protocolo denominado Evolved Packet Core (EPC) y se transmite a través de un túnel entre el P-GW y el eNB, utilizando el Protocolo de Túneles GPRS (GTP) para la transferencia de datos. En el caso de S5/S8, también se puede utilizar el Protocolo de Gestión de Internet por Movilidad (PMIP).
• Plano de control centrado en la señalización: En este plano, las capas inferiores realizan funciones similares a las del plano de usuario, exceptuando la compresión de encabezados. La capa de Radio Resource Control (RRC) tiene un papel crucial en el establecimiento de los portadores de radio y en la configuración de las capas inferiores para garantizar una correcta gestión de la comunicación.

En el contexto de los procedimientos del Subsistema de Acceso a la Red (NAS), cuando un UE se conecta a la red, el MME crea un contexto específico para el UE y le asigna un SAE Temporary Mobile Subscriber Identity (S-TMSI). Durante los períodos de inactividad, se implementa el Modo de Gestión de Conexión EPS IDLE (ECM-IDLE), mientras que cuando se necesitan transmitir datos de enlace descendente, se activa el Modo de Gestión de Conexión EPS CONNECTED (ECM-CONNECTED). El MME también es responsable de la autenticación y el establecimiento de claves de seguridad.

4.1.4. Calidad de Servicio y Portadores

En el contexto de la Calidad de Servicio (QoS), es fundamental comprender cómo se gestionan los portadores a través de diferentes interfaces. Cada portador EPS está asociado a un portador de capa inferior con su propia identificación, y cada nodo mantiene un registro de la correlación entre las identificaciones de portador en sus diversas interfaces. Para garantizar la QoS, cada portadora debe contar con una configuración adecuada de QoS.

Un UE puede ejecutar múltiples aplicaciones simultáneamente, cada una con diferentes requisitos de QoS. Existen dos categorías principales de portadores que desempeñan un papel crucial en la QoS:

1. Portadores de Tasa de Bits Garantizada Mínima (GBR): Están diseñados para aplicaciones como VoIP, que requieren un rendimiento mínimo y un throughput constante. Son esenciales para servicios en tiempo real.
2. Portadores no GBR: Están destinados a aplicaciones como la navegación web o la transferencia de archivos FTP, que no requieren una tasa de bits garantizada, y se asemejan a los servicios de tipo "background" en redes anteriores como GSM.

Para gestionar la asignación de datos a los portadores, se utilizan Plantillas de Flujo de Tráfico (TFT), que filtran paquetes basados en información de encabezado IP, dirigiéndolos a los portadores correspondientes con la QoS adecuada. Los parámetros asociados a cada portador son esenciales para garantizar una experiencia de usuario óptima:

• Parámetro de Prioridad de Asignación y Retención (ARP): Controla la admisión de llamadas y prioriza la asignación y retención de recursos.
• Identificador de Clase de QoS (QCI): Influye en la gestión de colas, asignación de recursos y control del enlace de radio (RLC), especificando prioridades, retrasos y tasas de pérdida de paquetes aceptables.

Estos parámetros son fundamentales para mantener un flujo de datos eficiente y asegurar la calidad en las comunicaciones móviles.

4.2. Red de acceso radioeléctrico terrestre LTE

4.2.1. Interfaz de red EUTRAN

Plano de Control: S1-MME

El plano de control S1-MME utiliza el protocolo S1-AP basado en SCTP/IP para la señalización, siendo responsable de la gestión de los E-RAB (E-Radio Access Bearers), la transferencia del contexto inicial, la comunicación de la capacidad del UE, el soporte de movilidad para UEs en LTE, el paging, la administración de la interfaz S1, el transporte de señalización NAS y la transferencia de configuración para información SON.

Plano del Usuario: S1-U

Este plano es responsable de la transferencia de datos de usuario, transportando el tráfico de portadores identificados por puntos de túnel GTP de origen y destino, junto con las direcciones IP. Además, permite la asignación de categorías de tráfico de QoS para servicios diferenciados.

Movilidad Intra-LTE

La movilidad intra-LTE involucra procedimientos de handover dentro de la red LTE para UEs en modo activo. El procedimiento preferido es el X2-handover, que se utiliza cuando se dispone de la interfaz X2 entre eNodeBs. En caso de no contar con esta interfaz, o cuando se configura una interfaz S1 hacia un eNodeB de destino, se utiliza el S1-handover. Además, se gestiona la actualización de la área de seguimiento (TAU) cuando es necesario.

Movilidad sobre S1: Movilidad Intra-LTE

En este proceso, el eNodeB de origen decide realizar un handover enviando una solicitud al eNodeB de destino, especificando la celda más óptima a la que se moverá el UE. El MME de origen solicita confirmación al MME de destino, y una vez confirmada, se inicia el cambio de celda. El eNodeB de destino confirma que el UE se encuentra en la nueva celda, permitiendo liberar los recursos en el eNodeB de origen.

Descripción del Handover (S1 y X2)

El handover puede clasificarse según la resistencia a la pérdida de paquetes. En el caso del seamless handover (sin interrupciones, como en UDP), se busca minimizar el tiempo de interrupción. En el lossless handover (sin pérdida, como en TCP), no se tolera ninguna pérdida de paquetes. Ambos modos hacen uso del reenvío de datos en el enlace descendente del plano de usuario. La elección del modo depende de cada portador EPS y de la calidad del servicio proporcionado. Además, se pueden definir múltiples eNodeBs de destino para una recuperación rápida en caso de fallos.

Estructura del protocolo X2

La interfaz X2 puede implementarse sobre S1 sin requerir una malla completa de conexiones. Las funciones de X2-AP incluyen la gestión de movilidad, la gestión de carga e interferencia, y el intercambio de información histórica. X2 puede realizar handovers sin la intervención del MME.

4.2.2. Interfaz aérea EUTRAN

Generación de señales

La interfaz aérea EUTRAN utiliza técnicas avanzadas para la generación de señales, maximizando la eficiencia espectral y la capacidad de transmisión. En el enlace descendente (DL) se utiliza OFDMA (Acceso Múltiple por División Ortogonal de Frecuencia), mientras que en el enlace ascendente (UL) se utiliza SC-FDMA (Acceso Múltiple por División de Frecuencia de Portadora Única), que es adecuado para transmisiones con restricciones de energía.

El scheduling y la adaptación del enlace se realizan a través de los Bloques de Recurso Físico (PRB), lo que permite asignar subportadoras OFDM a distintos usuarios. Se utilizan técnicas como MIMO (Entradas Múltiples, Salidas Múltiples) para mejorar la capacidad y calidad de transmisión, mediante multiplexación espacial y beamforming. Este último permite enfocar selectivamente la energía de la señal en una dirección específica, mejorando la eficiencia y calidad de la transmisión.

Malla de recursos

Para comprender cómo se asignan los recursos de radio, es importante entender las siguientes definiciones:

• Intervalo de Transmisión de Tiempo (TTI): Es la duración de la subtrama, que define la tasa mínima de adaptación y programación.
• Rejilla de Recursos: Cubre todas las subportadoras disponibles en el dominio de frecuencia y los símbolos OFDM que se transmiten durante un TTI.
• Bloque de Recurso Físico (PRB): Un PRB está formado por un conjunto de subportadoras consecutivas en frecuencia y símbolos OFDM en el dominio del tiempo durante un TTI.
• Elemento de Recurso (RE): Un RE es un par de índices que representan una subportadora específica y son esenciales para la asignación precisa de recursos.

4.2.3. Protocolos de acceso a red, plano de control

Plano de control

En el plano de control, las funciones de control son gestionadas por la capa RRC (Control de Recursos de Radio), que realiza tareas como la configuración de portadoras de radio, gestión de la información del sistema, establecimiento de conexiones, y el paging. Los estados RRC_IDLE y RRC_CONNECTED definen los diferentes modos de interacción del UE con la red.

Estados NAS (Non Access Stratum)

Existen dos estados en la gestión de la conectividad: EMM-DEREGISTERED y EMM-REGISTERED, que dependen de si el UE está registrado en el MME. También existen los estados ECM-IDLE y ECM-CONNECTED, que indican si el UE tiene conectividad con el EPC.

Mapeo a capas inferiores

La señalización y el paging se mapean a canales lógicos y los mensajes RRC se transmiten a través de SRBs (Short Radio Bearers), que son mapeados por las capas PDCP, RLC, y MAC.

4.2.4. Protocolos de acceso a red, plano de usuario

Seguridad

En el plano de usuario, se emplean medidas de seguridad como contadores PDCP (COUNT) y técnicas de autenticación para garantizar la integridad y autenticidad de los datos. Además, se realizan operaciones de cifrado para proteger la privacidad de las comunicaciones.

Handover sin interrupciones y sin pérdida

En un handover sin interrupciones, se restablecen las entidades PDCP y se envían los datos que aún no han sido transmitidos a la nueva celda. En el handover sin pérdida, se mantienen los números de secuencia de PDCP y los valores de COUNT, y la capa RLC se asegura de la entrega en secuencia.

Funciones de RLC y MAC

• RLC (Control de Enlace de Radio) gestiona la segmentación y reensamblaje de PDUs de PDCP, asegurando la correcta transmisión de datos.
• MAC (Control de Acceso al Medio) desempeña un papel crucial en el scheduling de recursos de radio y la gestión del acceso aleatorio al medio. Además, gestiona el HARQ (Automatic Repeat Request) para retransmitir paquetes si es necesario.

Canales físicos

Existen diferentes canales físicos tanto en el enlace descendente como en el enlace ascendente, tales como PDSCH, PMCH, PUSCH, PUCCH, entre otros, que gestionan la transmisión de datos y control en la red.

4.3. Dominio Central de LTE

Interfaz S5/S8 y Protocolos de Túnel en el Plano del Usuario

La interfaz S5 se considera una variante de itinerancia de la interfaz S8 y desempeña un papel crucial en la gestión de túneles en el plano del usuario entre el S-GW (Serving Gateway) y el P-GW (PDN Gateway). Estos túneles son establecidos y gestionados mediante los protocolos GTP (GPRS Tunneling Protocol) y PMIP (Proxy Mobile IP). Ambos protocolos tienen como función principal enrutar paquetes de datos entre el eNodeB (evolved Node B) y las pasarelas de red.

La Encapsulación de Enrutamiento Genérico (GRE) es utilizada para identificar y diferenciar flujos de tráfico dentro de un túnel, asegurando la correcta segregación y el manejo eficiente del tráfico de datos.

Protocolos GTP y PMIP en el Plano de Control

En el plano de control, los protocolos GTP y PMIP son responsables de la gestión de la movilidad y el enrutamiento de los paquetes. Estos protocolos permiten la movilidad dentro de la red, facilitando la transición de los usuarios entre diferentes puntos de acceso sin interrumpir sus sesiones.

Movilidad en el Contexto de IP

La pila de protocolos IP básica no incluye funcionalidades específicas de movilidad. Cuando un dispositivo de usuario (UE, por sus siglas en inglés) cambia su punto de conexión, se requiere que obtenga una nueva dirección IP, lo que implica la necesidad de reiniciar cualquier sesión IP en curso con las nuevas direcciones asignadas.

Protocolo IP Móvil (Mobile IP)

El Protocolo IP Móvil (Mobile IP) resuelve este problema al permitir que el UE cambie de punto de conexión sin interrumpir las sesiones IP activas. Mobile IP resulta particularmente adecuado para proporcionar movilidad en entornos con acceso heterogéneo. Utiliza direcciones como la Dirección de Inicio (Home Address, HoA) y la Dirección de Atención (Care of Address, CoA) para gestionar de forma eficiente los cambios de ubicación y la movilidad de los dispositivos.

Proxy Mobile IPv6 (PMIPv6)

Proxy Mobile IPv6 (PMIPv6) es un esquema de gestión de movilidad basado en la red, que permite a los dispositivos móviles mantener sus sesiones de red mientras se desplazan sin necesidad de software de Mobile IP en el UE. En PMIPv6, la red asume la responsabilidad de proporcionar los servicios de movilidad, seguir los movimientos del UE y ejecutar la señalización de movilidad necesaria dentro de la red central para mantener la sesión activa durante los eventos de movilidad.

Los componentes clave de PMIPv6 son:

1. Gateway de Acceso Móvil (MAG): Actúa como cliente de Mobile IP en nombre del UE. Este componente se encuentra en la red de acceso y es responsable de gestionar las tareas relacionadas con la movilidad de los dispositivos dentro de su área de cobertura.
2. Anclaje de Movilidad Local (LMA): Desempeña un papel similar al del Agente de Inicio (Home Agent) en el Mobile IP tradicional. El LMA se encuentra en la red donde está topológicamente ubicada la Dirección de Inicio (HoA) del dispositivo móvil. Su función es servir como punto de anclaje para la movilidad del dispositivo y garantizar el reenvío adecuado de los paquetes hacia el dispositivo a medida que este se desplaza dentro de la red.