TUTORIAL LTE

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Entidades de red e interfaces E-UTRAN


Evolved NodeB (eNodeB)

Tal como hemos comentado antes, el eNodeB integra todas las funciones de la red de acceso. Por ello, en el eNodeB terminan todos los protocolos específicos de la interfaz radio. Mediante dichos protocolos, el eNodeB realiza la transmisión de los paquetes IP hacia/desde los equipos de usuario junto con los mensajes de señalización necesarios para controlar la operación de la interfaz radio. El servicio de transferencia de paquetes IP entre un eNodeB y un equipo de usuario se denomina formalmente como servicio portador radio (Radio Bearer, RB). El eNodeB mantiene un contexto de cada uno de los equipos de usuario que tiene conectados. En dicho contexto se almacena la información necesaria para mantener los servicios de E-UTRAN activos (información sobre el estado del equipo de usuario, servicios portadores activos, información de seguridad, capacidades del terminal, etc.).

Sin duda, la funcionalidad clave de un eNodeB consiste en la gestión de los recursos radio. Así, el eNodeB alberga funciones de control de admisión de los servicios portadores radio, control de movilidad (p.ej, decisión de realizar un handover), asignación dinámica de los recursos radio tanto en el enlace ascendente como descendente (denominadas funciones de scheduling), control de interferencias entre estaciones base, control de la realización y del envío de medidas desde los equipos de usuario que puedan ser útiles en la gestión de recursos, etc.

Otra función importante introducida en la funcionalidad de un eNodeB es la selección dinámica de la entidad MME de la red troncal EPC cuando un terminal se registra en la red LTE. Esta función otorga un grado de flexibilidad muy importante en la operativa de la red. En E-UTRAN, a diferencia de arquitecturas más jerarquizadas como GERAN o las primeras versiones de UTRAN, un eNodeB puede estar conectado simultáneamente a múltiples MMEs de la red troncal. El conjunto de MMEs a los que tiene acceso un eNodeB se denomina su pool area. Así, mediante la selección de qué entidad MME va a controlar el acceso de cada usuario, es posible balancear la carga de señalización entre diferentes MMEs así como aumentar la robustez del sistema frente a puntos de fallo críticos. Esta opción se soporta mediante lo que se denomina la interfaz S1 flexible (S1-flex).

Al igual que la posibilidad de interactuar con múltiples MMEs, un eNodeB puede enviar/recibir paquetes IP de los usuarios a los que sirve a través de diferentes pasarelas S-GW de la red troncal EPC. Ello conlleva que el eNodeB albergue funciones de encaminamiento del tráfico de los usuarios hacia la pasarela de red S-GW correspondiente. La elección de S-GW en este caso compete a la entidad MME y no al eNodeB.

Un eNodeB puede gestionar una o varias celdas. Un caso típico es el uso de sectorización de forma que, el eNodeB ubicado en un emplazamiento soporta tantas celdas como sectores.

Interfaz radio

La interfaz radio soporta básicamente tres tipos de mecanismos de transferencia de la información en el canal radio: difusión de señalización de control, envío de paquetes IP y transferencia de señalización de control dedicada entre un equipo de usuario y el eNodeB.

Los tres mecanismos citados se describen a continuación:

  • Difusión (broadcast) de señalización de control en la zona de cobertura de la celda. La información enviada permite a los equipos de usuario detectar la presencia del eNodeB y conocer sus parámetros básicos de operación (e.g., potencia máxima que pueden utilizar los equipos de usuario en la celda) así como la identidad de los operadores de red a los que puede accederse a través del eNodeB. La información difundida corresponde tanto a información específica de la red de acceso (denominada información del access stratum, AS) como de la red troncal (denominada información del non access stratum, NAS). La difusión de señalización de control también sirve para forzar que un equipo de usuario que no tenga una conexión de control establecida con el eNodeB, inicie un acceso a la red (función de aviso o paging).
  • Transferencia de paquetes IP de los usuarios a través del canal radio. Tal como se ha comentado anteriormente, los servicios de transferencia entre un eNodeB y un equipo de usuario se denominan servicios portadores radio (Radio Bearers, RB). Es importante destacar que los servicios portadores radio de E-UTRAN han sido diseñados específicamente para soportar tráfico IP y no permiten la transferencia de otros protocolos (p.ej, paquetes X.25, tramas Ethernet, etc.). Por ello, de cara a la optimización del envío de tráfico IP a través de la interfaz radio, los servicios portadores albergan funciones como la compresión de cabeceras de los paquetes IP que permiten reducir el número de bytes enviados por la interfaz radio (las cabeceras de los paquetes IP pertenecientes a un mismo tipo de tráfico contienen un gran número de parámetros idénticos, p.ej., direcciones origen y destino, por lo que no resulta necesario enviar todos los bytes de la cabecera IP en cada uno de los paquetes).
  • Transferencia de señalización de control dedicada entre el eNodeB y un equipo de usuario. El establecimiento de una conexión de control dedicada resulta imprescindible de cara a poder gestionar el uso de los servicios portadores radio así como para realizar cualquier gestión de señalización con la red troncal (p.ej., registro del terminal en la red). La conexión de control se soporta mediante el protocolo Radio Resource Control (RRC). A través de dicho protocolo se gestionan, además del establecimiento, modificación y liberación de los servicios portadores radio entre el eNodeB y el equipo de usuario, otros mecanismos claves para la gestión eficiente de los recursos radio. Entre dichos mecanismos cabe citar el control y envío de medidas radio desde los terminales hacía el eNodeB y el mecanismo de handover, que permite que un equipo de usuario cambie de celda manteniendo activos tanto la conexión de control como los posibles servicios portadores radio que esté utilizando. Los terminales que mantienen una conexión de control con E-UTRAN se dice que se encuentran en modo conectado o activo, en contraposición al denominado modo idle en que el terminal no tiene una conexión RRC y básicamente se encuentra monitorizando la información de control difundida por la red.

Respecto al envío de paquetes de usuario, cada servicio portador tiene asociado un perfil  de QoS que debe satisfacerse mediante la correcta configuración de los protocolos radio así como la adecuada operación de los mecanismos de gestión de recursos radio (p.ej., scheduling).

La información enviada por la interfaz radio puede protegerse mediante funciones de cifrado que proporcionen confidencialidad e integridad. El servicio de confidencialidad permite que la información sea enviada de forma que ningún otro equipo que decodifique la señal transmitida por el canal radio sea capaz de conocer la información en claro. El servicio de integridad evita que la información transmitida pueda ser alterada de forma malintencionada en el camino entre eNodeB y equipo de usuario (p.ej., equipo radio que se ubique en medio de la transmisión). Las funciones de cifrado se aplican tanto al tráfico de usuario (paquetes IP) como a los mensajes de señalización RRC utilizados en la conexión de control dedicada. Las claves secretas necesarias para realizar las funciones de seguridad se obtienen a través de mecanismos de autenticación y gestión de claves.

Interfaz eNodeB - EPC (S1)

El plano de usuario de esta interfaz, denominado S1-U (S1 User Plane), proporciona un servicio de transferencia de datos de usuario entre eNodeB y S-GW sin garantías de entrega (se basa en UDP) y que no soporta ni mecanismos de control de errores ni de control de flujo. Este servicio de transferencia a través de la interfaz S1-U se denomina servicio portador S1 (S1 bearer).

El plano de control, denominado S1-MME o también S1-C, se utiliza para soportar un conjunto de funciones y procedimientos de control entre eNodeBs y la entidad MME de la red troncal. Concretamente, entre los procedimientos soportados en la interfaz S1 destacan:

  • Procedimientos para establecimiento, modificación y liberación de recursos de los servicios portadores tanto en la interfaz radio (servicio portador radio o RB) como en la interfaz S1 (S1 bearer). La concatenación de un servicio portador radio y un servicio portador S1 constituye el servicio portador completo que ofrece la red de acceso E-UTRAN y que se denomina E-RAB (E-UTRAN Radio Access Bearer). Es importante tener en cuenta que en LTE, el establecimiento de estos servicios portadores que constituyen el plano de usuario para la transferencia del tráfico IP se controla desde la red troncal, en particular desde la entidad de red MME. Por tanto, en LTE no se permite que un eNodeB o el propio equipo de usuario puedan iniciar por su cuenta el establecimiento de un servicio portador radio.
  • Procedimientos de handover entre eNodeBs. Si la red E-UTRAN decide que un terminal debe cambiar de eNodeB en el transcurso de una conexión, y no existe una interfaz X2 entre los dos eNodeBs involucrados, la interfaz S1-MME se utiliza para articular el procedimiento de handover. De esta forma, a través de la interfaz S1-MME, la entidad MME puede establecer un nuevo contexto en el eNodeB destino asociado al terminal que va a realizar el cambio con toda la información relativa a la configuración de los servicios portadores que tiene establecidos el usuario así como las claves de seguridad. De esta forma, el reestablecimiento del servicio a través del nuevo eNodeB puede hacerse mucho más rápidamente ya que se evita el tener que ejecutar de nuevo los mecanismos para el establecimiento de los servicios portadores en la interfaz radio así como los mecanismos de seguridad.
  • Procedimiento de aviso (Paging). Una de las funciones básicas de la entidad MME es la gestión de la localización de los equipos de usuario en la red. La gestión de localización permite conocer con cierta resolución en qué eNodeB o conjunto de eNodeBs (denominados áreas de seguimiento, Tracking areas) puede ser localizado un usuario que se encuentre en modo idle, es decir, que no tenga establecida una conexión de control RRC con ningún eNodeB. Por ello, cuando el MME quiere forzar que un usuario en modo idle pase a modo activo, a través de la interfaz S1-MME se ordena la ejecución del mecanismo de aviso en todos los posibles eNodeBs en los que espera encontrar al terminal.
  • Procedimiento de envío de forma transparente entre MME y eNodeB de los mensajes de señalización de control que fluyen entre el MME y el equipo de usuario. Dichos mensajes corresponden a los protocolos denominados como protocolos NAS (Non Access Stratrum).

Interfaz eNodeB - eNodeB (X2)

Al igual que el plano de usuario de S1, el plano de usuario de la interfaz X2 proporciona un servicio de transferencia de datos de usuario entre eNodeBs sin garantías de entrega y sin soporte de mecanismos de control de errores y de control de flujo. La transferencia de datos de usuario entre eNodeBs se realiza únicamente durante los procedimientos de handover en los que los paquetes de usuario almacenados en el eNodeB antiguo se transfieren al eNodeB nuevo. De esta forma, el cambio de eNodeB asociado a un procedimiento de handover puede resultar más transparente al usuario ya que se reduce la posible pérdida de paquetes durante el proceso. Nótese que, sobre todo en servicios de datos, el eNodeB antiguo podría tener acumulados en su buffer de transmisión paquetes IP del usuario en el momento del cambio. Dichos paquetes, cuando el usuario deja de estar accesible a través del eNodeB antiguo, podrían simplemente descartarse, con la consiguiente penalización en retardo y posible reducción en la tasa de transferencia del servicio asociado ya que la recuperación de dicha información recaería en la operación de las capas superiores (p.ej., protocolo TCP en la capa de transporte). En cambio, si la propia red es capaz de transferir los paquetes IP del eNodeB antiguo al eNodeB nuevo, el impacto en el servicio puede reducirse notablemente.

Respecto al plano de control, entre las funciones y procedimientos soportados en la interfaz X2 destacan:

  • Soporte del mecanismo de handover entre eNodeBs. En concreto, a través del plano de control se realiza la transferencia del contexto de un usuario del eNodeB antiguo al nuevo y se controla el mecanismo de transferencia de paquetes IP en el plano de usuario de X2. El contexto de usuario contiene información relativa a los servicios portadores radio que tiene establecidos el usuario, claves de seguridad así como los datos sobre las capacidades del terminal.

Indicación del estado de carga del eNodeB. A través de dicha interfaz, eNodeBs que tengan  celdas vecinas pueden transferirse información para llevar a cabo funciones de gestión de recursos radio como la coordinación de interferencias entre celdas que operen en el mismo canal.

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