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INTERCONEXIÓN ENTRE SISTEMAS MÓVILES DE TERCERA GENERACION. UMTS Y WIFI
INTERCONEXIÓN ENTRE SISTEMAS MÓVILES DE TERCERA GENERACIÓN UMTS y WIFI Juan Charneco Fernández Profesor en la Escuela Superior de Ingenieros de Telecomunicación. Universidad de Sevilla ([email protected]) Las claras ventajas técnicas de los sistemas de telefonía móvil de 3ª generación (UMTS) están viéndose amenazadas en la actualidad por un nueva tecnología emergente (WIFI). Esta tecnología presenta ventajas competitivas frente a UMTS, reducción de precios, mayor ancho de banda y mejor comportamiento en entorno indoor. Estas propiedades avalan a esta tecnología en ciertos entornos (aeropuertos, hoteles, centros de convenciones,...) para ser desplegada de forma asequible y rápida. No obstante, esta amenaza para las operadoras que han desembolsado una cantidad económica desmesurada para desplegar sus redes UMTS, debe ser enfocada como un complemento, puesto que funcionando como hot-spots, aumentaría la calidad global de la red radio desplegada. En este artículo queremos mostrar las distintas variantes que se están estudiando para interconectar ambas tecnologías, algunos proyectos europeos que persiguen dicho funcionamiento común y soluciones comerciales que tratan de conseguir este ambicioso objetivo. En primer lugar vamos a analizar las posibilidades que existen para realizar la interconexión en distintos niveles de la capa OSI. INTERCONEXIÓN EN CAPA 3 La arquitectura de protocolos que presentan ambas tecnologías es distinta, tal y como se muestra en la figura 1. La opción más inmediata para interconectar ambos sistemas es aprovechar el hecho de que comparten la capa 3 y obviar que las capas inferiores son distintas. Dos esquemas distintos se plantean cuando queremos conseguir el interfuncionamiento entre ambos sistemas: – Acoplamiento fuerte – Acoplamiento débil En el acoplamiento fuerte buscamos que la red 802.11 aparezca para el núcleo de red de UMTS como parte de esta. En este caso la capa radio emula funciones de la capa de acceso radio que son propias de la red de acceso UMTS. El gateway tiene el mismo funcionamiento que el bloque SGSN (Serving GPRS Support Node), ocultando de esta forma todos los detalles que hacen a la red 802.11 diferente de la red UMTS. Las diferentes redes deben compartir la misma infraestructura de autenticación, señalización, transporte y tarificación, independientemente de que los protocolos de la capa física sean distintos, puesto que van a compartir los mismos protocolos en capas superiores. Este modelo de interconexión presenta debilidades. El operador debe poseer ambas redes y no será posible integrar redes 802.11 aisladas. Así mismo, el diseño de las redes UMTS se desarrollan con herramientas optimizadas para este tipo de redes y el hecho de añadir flujo de trafico procedente de redes 802.11 implica la modificación del bloque GGSN (GPRS Gateway Support Node) para tener en cuenta este incremento de tráfico. No hay que olvidar que este bloque hace de interconexión con redes externas y que el incremento de flujo de datos de redes externas provocará una modificación No debemos olvidar las modificaciones que habría que realizar en los clientes, puesto que habría que implementar la torre de protocolo de UMTS en las tarjetas de red de los clientes 802.11. Adicionalmente, los mecanismos de autenticación contemplados en UMTS forzarían a los proveedores de 802.11 a conectarse con las portadoras de red de señalización SS7. Todos los inconvenientes esgrimidos, convierten a esta solución de interconexión en demasiado compleja. Además, el alto coste de reconfiguración del núcleo de red de UMTS y de implementación del gateway 802.11 lo convierten en poco competitivo frente a redes WIFI. El acoplamiento débil también necesita la introducción de un nuevo bloque en la red 802.11, el gateway. No obstante, en esta ocasión este bloque conecta la red 802.11 con internet y no necesita enlace directo con ningún elemento de la red UMTS Esta solución recibe el nombre de acoplamiento débil porque separa completamente los caminos de datos en las redes 802.11 y UMTS. Diferentes mecanismos y protocolos de autenticación, tarificación y gestión de movilidad pueden ser implementados en la porción de red de UMTS y 802.11. No obstante, deben interactuar para permitir la movilidad total del usuario. Servicios móviles IP deben ser incorporados en el bloque GGSN para permitir la movilidad entre ambas redes y bases de datos comunes de subscriptores deben servir de interfaz entre el HLR de la red UMTS y los servidores AAA en la red 802.11 para las operaciones de autenticación y tarificación. Las ventajas que presenta este esquema de interconexión entre ambas redes, permiten realizar una ingeniería independiente entre ambas redes, los proveedores de UMTS se pueden beneficiar de los desarrollos de las redes 802.11 con poca inversión y pueden ser utilizadas las mismas herramientas de diseño. Además el roaming que se consigue con esta solución, permite desarrollar una cobertura amplia beneficiándose de ambas tecnologías. Debido a estas ventajas, la solución dada por el acoplamiento débil es la más beneficiosa para ser implantada. INTERCONEXIÓN EN CAPA 1 Los protocolos que se utilizan en la capa física en las redes UMTS y 802.11 son diferentes y la integración en esta capa se convierte en complicada. Sin embargo, las investigaciones más recientes se están volcando sobre esta capa de la torre de protocolos OSI. Si tenemos en consideración la capa física de la 802.11a, al ser la que permite mayor tasa de transferencia, nos encontramos con OFDM (Orthogonal frequency Division Multiplexing) frente a CDMA (Code Division Multiple Access) como esquemas de modulación para servicios móviles de alta tasa de transferencia. Estos esquemas de modulación presentan distintas características. En OFDM tenemos un conjunto de subportadoras ortogonales que permiten transmitir la información del usuario distribuidas entre estas subportadoras. Se puede comprobar en la figura 2. CDMA se está utilizando en los sistemas de telefonía móvil de tercera generación. El tren de símbolos generados por un determinado usuario es multiplicado por una secuencia de scrambling (figura 3). Como resultado, el espectro de la señal del usuario es ensanchado hasta ocupar todo el ancho de banda de transmisión. En este esquema distinguiremos al usuario por la secuencia de código que le ha sido asignada. En la actualidad está surgiendo una nueva técnica de procesado de señal que puede lograr el difícil objetivo de interconexión de UMTS y WIFI en la capa física. Esta técnica es MC-CDMA (Multi-Carrier CDMA). En este esquema se explotan las características principales de CDMA y OFDM, esto es, se divide el ancho de banda de transmisión en una serie de subportadoras, y la secuencia de símbolos de cada usuario es multiplicada por una secuencia de scrambling para ensanchar su espectro. Con esto logramos tener la robustez de la diversidad en frecuencia y la reutilización de frecuencias al distinguir a cada uno de los usuarios por un cierto código. MC-CDMA se presenta como un esquema muy atractivo para ser empleado en nuevas generaciones, puesto que permite una tasa de transferencia bastante elevada y una robustez alta. PROYECTOS EUROPEOS Instituciones y empresas a nivel europeo han unido, conocedores de la necesidad, esfuerzos para desarrollar proyectos de interconexión entre las dos redes analizadas. Entre los proyectos mas destacados podemos resaltar: – Evolute. – Wineglass. El proyecto Evolute surge fruto de la sinergia de un conglomerado de empresas (ICOM, Motorota, FhG, CEFRIEL, Telia, UniS, Alcatel) que proponen una red toda IP. Combinan la amplia cobertura de los sistemas 3G con la velocidad y capacidad de las redes inalámbricas para proporcionar una arquitectura todo IP, aportando servicios multimedia para usuarios en itinerancia. Para ocultar la heterogeneidad de las redes que componen el sistema empleamos gateways. Otro proyecto análogo, Wineglass, que persigue el objetivo de interconexión total es impulsado por empresas como Alcatel, Cisco, Philips o Motorota. En este proyecto se persigue soportar el sistema global sobre una red todo IP con el objetivo de aportar movilidad y garantizar una QoS aportando servicios de localización. SOLUCIONES DE EMPRESA Fruto del análisis de las distintas opciones de interconexión y los proyectos de investigación europeos, surgen algunas soluciones aportadas por empresas de desarrollo. Podemos destacar la solución aportada por Lucent (IOTA). Esta solución está basada en la arquitectura de acoplamiento débil que ha sido presentada anteriormente. Un gateway, IOTA (Integration Of Two Access technology), otorga el acceso a una determinada red inalámbrica a una estación móvil. Este gateway se encarga de aportar QoS y de recopilar información de tarificación. Entre los módulos que lo componen podemos destacar: servidor Radius, agente movil-IP, firewall dinámico, módulo de QoS y un módulo de tarificación. El gateway implementa un completo servidor Radius AAA (Authentication, Authorization, Accounting), permitiendo acuerdos de roaming entre proveedores 3G y 802.11 WISP. De igual forma, aporta una completa funcionalidad como agente Movil-IP, soportando los roles de agentes Home y Foreign. El agente Foreign gestiona la movilidad de los clientes que se mueven a lo largo de las distintas subredes. El agente Home se ubica lo más cercano posible del agente Foreing para de esta forma reducir la longitud del camino de red entre ambos y reducir la sobrecarga del tunel IP. Podemos implementar reglas complejas de filtrado de paquetes mediante el firewall dinámico. El modulo de QoS garantiza un determinado ancho de banda segmentado para implementar múltiples servicios, pudiendo clasificar los usuarios en 3 clases, Gold, Silver y Bronze. Una de las principales motivaciones de las operadoras para habilitar la interconexión entre redes UMTS y 802.1 es la posibilidad de compartir gasto. Para ello se incluye un módulo de tarificación que deja a criterio del operador la política de precios en función del tiempo de conexión, de uso o permitiendo tarifa plana. No obstante todos los datos relevantes relativos a la tarificación para cada una de las sesiones son recopilados. Aún cuando se emplea un sistema basado en Radius es totalmente adaptable a protocolos futuros como el que puede representar Diameter. CONCLUSIONES Hemos tratado de dar una visión lo más amplia posible de las investigaciones que se están realizando para lograr la interconexión total entre sistemas 3G y 802.11. Aún cuando la opción más inmediata es buscar la interconexión en la capa 3, nuestro equipo de investigación está centrando sus esfuerzos en lograr una capa física lo suficientemente versátil como para convertirse en la capa de un sistema que aglutine tanto a UMTS como a las redes WiFi. Existen proyectos europeos que persiguen encontrar una red todo IP en la que interactuar ambas redes. Estos proyectos han llevado incluso a desarrollar prototipos que implementan gateway de interconexión entre ambos sistemas. Debemos destacar el trabajo de Lucent al aportar una primera solución de interconexión. Esta solución está basada en la arquitectura de acoplamiento débil y en la implementación de un gateway que aporta QoS e información de tarificación.
30 oct 2015