Curso LTE 3. Arquitectura funcional y protocolos

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Curso LTE 3. Arquitectura funcional y protocolos
Unidad Didáctica 5 – Arquitectura y Protocolos de redes LTE
Curso LTE
3. Arquitectura funcional y protocolos
Manuel Alvarez-Campana
[email protected]
Indice




Introducción
Arquitectura
Protocolos
Procedimientos
Marzo 2015
Curso LTE ‐ ISDEFE
2
Motivaciones de LTE
Fuerte crecimiento de tráfico en redes UMTS gracias a HSPA y
popularización de Smartphones y módems USB.
Tráfico cursado

Smartphones
Datos
Modems
HSPA
Voz
Tiempo
GSM


GPRS
UMTS
HSPA
HSPA+
LTE
Margen de crecimiento con HSPA+ (Evolved HSPA), pero
insuficiente a medio plazo.
Necesidad de nuevo sistema con mayor capacidad, eficiencia y
prestaciones: LTE (Long Term Evolution)
Marzo 2015
Curso LTE ‐ ISDEFE
3
Evolución de UMTS (visión crítica)



Arquitectura inicial UMTS (Rel 99) basada en GSM/GPRS para
facilitar despliegue
– Mezcla de tecnologías: GSM, SS7, GPRS, ATM, Circuitos, IP, …
Estrategia de evolución a Todo-IP (Rel4/Rel5)
– Dificultades prácticas de migración de ATM a IP en red de acceso
– Retraso en introducción de servicios IP multimedia (IMS)
Mejora progresiva de prestaciones (HSPA/HSPA+)
– Extensiones al interfaz radio WCDMA original
• modulaciones de mayor orden, antenas MIMO, dual carrier

– Demanda creciente exige solución más escalable
Conveniencia de desarrollar un nuevo sistema “desde cero”
– Interfaz radio basado en OFDM
– Arquitectura de red simple, Todo-IP
Marzo 2015
Curso LTE ‐ ISDEFE
Estudios LTE y SAE
en Rel 8 del 3GPP
4
Arquitectura UMTS (Rel 99)
Red de Acceso (UTRAN)
Núcleo de Red (CN)
Iu-CS
Node-B
Iub
VLR
RNC
A
Dominio CS
MSC
Iur
Node-B
Uu
(W-CDMA)
RNC
GSM 64 kbit/s
GMSC
Iu
Iu-PS
Red SS7
HLR
Gb
Dominio PS
SGSN
Infraestructura nueva:acceso radio
WCDMA y transporte ATM
Mezcla de tecnologías:
ATM, Circuitos, IP, GSM, GPRS, SS7
Marzo 2015
Curso LTE ‐ ISDEFE
GPRS GTP/IP
GGSN
Reutilización de GSM/GPRS
(con algunos cambios)
5
Releases UMTS/3GPP
Rel 4
(mar 01)
Rel 5
(mar 02)
Rel 6
(dic 04)
Rel 7
(dic 07)
Rel 8
(dic 09)
• Dominio CS independiente de transporte (IP, ATM, …)
• Mejoras en interfaz radio, QoS en UTRAN, TDD 1,28 Mchip/s
• Operación sin tándem (TFO)
•
•
•
•
Subsistema IP multimedia (IMS)
QoS extremo a extremo en dominio PS
Red de acceso IP
High Speed Downlink Packet Access (HSPDA)
•
•
•
•
IMS Fase 2 (mensajería instantánea, presencia, push to talk ...)
Sevicios multimedia multicast/broacast (MBMS)
Interfuncionamiento con WLANs
Enhanced Uplink (HSUPA)
Mejores prestaciones
(caudal,  latencia)
(mar 00)
• Red de acceso radio basada en WCDMA y ATM
• Núcleo de red basado en GSM/GPRS
Evolución hacia
arquitectura “Todo-IP”
Rel 99
• HSPA Evolution (HSPA+)
• LTE (Long Term Evolution)
• SAE (System Access Evolution)
• Enhanced UTRAN (E-UTRAN)
• Evolved Packet Core (EPC)
···
Marzo 2015
Curso LTE ‐ ISDEFE
6
Evolución de UMTS
Release 99
WCDMA
UTRAN
Release 4
Core Network
Iu-CS
Dominio CS
RTC
TDM
ATM
WCDMA
Iu-PS
IP
UTRAN
Internet
Iu-CS
WCDMA
UTRAN
HSPA
ATM
IP
Dominio CS
IP
RTC
Dominio PS
Iu-PS
Releases 5,6
Interfaz radio mejorado
para servicios de datos
Core Network
ATM
Dominio PS
VoIP en el
Core Network
IP
Internet
Core Network
Iu-CS
Dominio CS
IP
Dominio PS
Iu-PS
IP
RTC
Internet
Servicios IP Multimedia
(VoIP E2E)
IMS
Alternativa IP
para UTRAN
La idea era buena… pero el resultado final es complejo y poco eficiente, debido al
enfoque “cortar y pegar” reutilizando tecnologías previas (algunas obsoletas)
Marzo 2015
Curso LTE ‐ ISDEFE
7
Red de acceso ATM (UTRAN)
Al núcleo
de red
Al núcleo
de red
E1
E1
RNC
STM-1
E1
E1
n x E1
ATM
E1
STM-1
ATM
n x E1
RNC
E1
RNC
E1
E1
RNC
2xE1
E1
n x E1
E1
E1
ATM
E1
E1
E1
n x E1
E1
E1
n x E1
n x E1
ATM
RNC
E1
2xE1
E1
2xE1
E1
ATM
E1
ATM
E1
2xE1
E1
E1
2xE1
E1
ATM
2xE1
E1
Marzo 2015
E1
E1
Tecnología ATM potente, pero
compleja y “obsoleta”. No es IP.
Curso LTE ‐ ISDEFE
8
Red de Acceso IP (TR 25.933) Rel-5

Reemplazar ATM por IP en UTRAN
– Simplicidad de gestión y configuración
– Tecnología IP más barata que ATM
– Solución All-IP extremo a extremo

Problemas a resolver:
– Eficiencia
• sobrecarga de cabeceras IP
• multiplexión tráfico de varios usuarios
– Retardo:
• segmentación de paquetes
• mecanismos QoS en IP (Diffserv)
Solución de difícil
aplicación práctica
– Interfuncionamiento con equipos ATM-UTRAN
Marzo 2015
Curso LTE ‐ ISDEFE
9
Dominio CS (Rel 99)
CAP
INAP
Obsolescencia de la
conmutación de circuitos
MAP
AuC
ISUP
TCAP
EIR
SCP
SCCP
F
HLR
(H)
D
C
MAP
CAP
MTP
E
SMS-GMSC
SMS-IWMSC
SMS-C
Red SS7
ISUP
Node B
VLR
Iub
Iu-CS
RNC
UE
Node B
Iub
RANAP
(B)
Marzo 2015
(B)
Circuitos
64 Kbit/s
MSC
TRAU
Señalización móvil-red
VLR
GMSC
Otras
redes
ISUP
IWF
Señalización de red
Curso LTE ‐ ISDEFE
10
Dominio CS independiente de transporte
(Rel 4)
Pero no es VoIP extremo
a extremo
CSE
CAP
HSS
MAP
MSC
Server
Señalización
Voz
RANAP
H.248
CAP
BICC
Control
Capa de
Servicios
MAP
GMSC
Server
H.248
Capa de
Control
SIGTRAN
SG
Capa de
transporte
ISUP
Red IP
Iu-CS
UTRAN
Voz/ATM
MGW
MGW
Voz/IP
Voz/TDM
RTC
BICC (Bearer Independent Call Control, Q.1901)
Marzo 2015
Curso LTE ‐ ISDEFE
11
Dominio PS

“Contexto PDP”: Especie de circuito virtual entre móvil y red
externa (Gi)
Direcciones IP privadas
RNC
UE
NodeB
138.4.0.0/16
SGSN
Backbone ATM
138.4.0.15
Direcciones IP públicas
10.0.0.1
Internet
Backbone
IP
GGSN
10.0.0.3
SGSN
Portadora Radio
Túnel GTP
10.0.0.2
Túnel GTP
Paquete IP/IP
Marzo 2015
Curso LTE ‐ ISDEFE
12
Subsistema IP multimedia (Rel-5)
Capa de Servicios
Incluye VoIP sobre Dominio PS.
¿Podemos prescindir de Dominio CS?
HSS
MAP,
AAA,
LDAP,
···
CSCF
MGCF
MGW
TSGW
HSS
Call Session Control Function
Media Gateway Control Function
Media Gateway
Trunk Signalling Gateway
Home Subscriber Server
Servidores
de aplicación
CSE
CAP
SIP
Capa de Control
IMS
CSCF
SIP
Mg
MGCF
SIGTRAN
TSWG
SIP
H.248
Mc
ISUP
UTRAN
RTP
SGSN
Dominio
PS
GGSN
MGW
TDM
RTC
Capa de transporte
Internet
Marzo 2015
Curso LTE ‐ ISDEFE
13
Tecnologías HSPA
(High Speed Packet Access)
 Extensiones del inferfaz radio WDCMA original de UMTS


– HSDPA (Rel5), EUL (Rel-6), HSPA+ (Rel7/8)
Combinación de varios mecanismos
– Modulaciones de mayor orden
– Nuevos esquemas de codificación
– Compartición estadística de recursos radio
Mayor
(tiempo, códigos, potencia)
inteligencia
– Scheduling rápido de paquetes en Nodo-B
en Nodo-B
– Adaptación de enlace (ACM)
– Retransmisiones en nodo-B (H-ARQ)
Mejora de prestaciones:
– Mayores caudales: 14,4 Mbit/s en DL (HSDPA), 5.7 Mbit/s en UL (EUL)
– Reducción de latencia: HSDPA < 100 ms, HSDPA+EUL < 50 ms
Marzo 2015
Curso LTE ‐ ISDEFE
14
Optimización de trayectos: Túnel directo
Datos de usuario
Señalización
Marzo 2015
• Reduce latencia end-to-end
• Elimina cuelllos de botella (SGSN, RNC)
• Ahorra costes
Curso LTE ‐ ISDEFE
15
Objetivos de LTE/SAE
“Desarrollar marco para la evolución o migración de los sistemas 3GPP hacia
un sistema optimizado basado en conmutación de paquetes, con mayores
tasas de bit, menores latencias y capaz de soportar múltiples tecnologías de
acceso radio“
Marzo 2015
Curso LTE ‐ ISDEFE
16
Desarrollo de especificaciones
Estudios previos
Especificaciones
Sistema EPS
Temas pendientes
Evolución a 4G
Llamada de
emergencia
Sistema
LTE Avanzado
LTE
Long Term Evolution
Red de acceso
EUTRAN
SAE
System Architecture Evol.
Núcleo de red
EPC
Femtocélulas
Rel. 7
(2004-2006)
Rel. 8
(2007-2008)
Rel. 9
(2009-2010)
Servicios MBMS
···
Rel. 10
(2011- )
 Rel. 7: estudios LTE (interfaz radio) y SAE (arquitectura de sistema)
 Rel. 8: especificaciones del sistema EPS (Evolved Packet System),
basándose en LTE y SAE
– El 3GPP admite «LTE» como denominación comercial de EPS
 Rel. 9: especificaciones adicionales con aspectos pendientes de Rel. 8
 Rel. 10: LTE Avanzado, alineado con iniciativa IMT-Advanced de ITU para
estandarización de sistemas 4G
Marzo 2015
Curso LTE ‐ ISDEFE
17
Interfaz radio LTE
 Basado en OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing)
–
–
Robustez frente interferencias, multitrayectos y atenuación selectiva
Usado en otros sistemas (ej. WiFi, WIMAX y DVB-T).
 Ancho de banda dividido en numerosas subportadoras (de 15 KHz en LTE)
ortogonales entre sí
–
evita interferencias cruzadas y necesidad de bandas de guarda
Subportadoras
OFDM
Frecuencia
 Solución escalable sin más que aumentar ancho de banda usado:
–
En LTE, se contemplan anchos de banda entre 1,4 MHz y 20 MHz
1,4 MHz
3 MHz
5 MHz
10 MHz
15 MHz
20 MHz
~6 Mbps
~15 Mbps
~25 Mbps
~50 Mbps
~ 75 Mbps
~100 Mbps
 Bandas de frecuencias para sentido ascendente/descendente separadas o común:
FDD (Frequency Division Duplex) o TDD (Time Division Duplex)
Marzo 2015
Curso LTE ‐ ISDEFE
18
Bandas de operación de LTE
 Bandas de operación distintas a nivel mundial
 En Europa:
– Banda específica para LTE 2600 MHz
– Re-farming de la banda 1800 MHz (GSM)
– Banda 800 MHz (dividendo digital TV)
Cobertura macro
outdoor en ciudades
A menor frecuencia,
mejor cobertura
Cobertura de interiores y
zonas rurales
 Despliegue de operadores según espectro disponible y objetivos de
cobertura
Obligación de cubrir 90% de
municipios de menos de
5000 hab. con mínimo 30
Mbit/s a finales de 2019
Marzo 2015
Curso LTE ‐ ISDEFE
19
Canales radio LTE
 Transmisión sobre interfaz radio estructurada en tramas, subtramas y
slots
#0
#1
Subtrama 1ms
···
#2
(2 slots)
#18
#19
Trama radio 10ms
(20 slots, 10 subtramas)
 Sobre ellas se definen diversos canales físicos, lógicos y de transporte
(enfoque similar a UMTS)
BCCH
CCCH
BCH
PBCH
DCCH
DTCH
DL-SCH
PDSCH
PCCH
PCH
PDCCH
PHICH
Canales
lógicos
CCCH
DCCH
DTCH
Canales de
transporte
RACH
Canales
físicos
Downlink
PRACH
UL-SCH
PUSCH
PUCCH
Uplink
A nivel físico y de transporte, casi todos los canales se mapean
sobre los canales compartidos UL-SCH y DL-SCH
Marzo 2015
Curso LTE ‐ ISDEFE
20
Acceso múltiple OFDMA
(Orthogonal Frequency Division Multiple Access)
 Compartición dinámica de capacidad entre los usuarios de la célula
– Asignación dinámica de bloques de
recursos físicos en intervalos de 1 ms
– Posibilidad de usar distintos algoritmos
de scheduling
Enfoque similar
a HSPA
Bloque de recursos físicos
Duración 1 ms
12 subportadoras
(12 x 15 KHz = 180 KHz)
12 ó 14 símbolos por
subportadora
(QPSK, 16QAM o 64QAM)
* En sentido ascendente se usa SC-FDMA (Single Carrier Frequency Division Multiplex Access), variante de
OFDMA con preprocesado digital que permite transmitir sobre una sola portadora, minimizando el consumo de
energía del terminal.
Marzo 2015
Curso LTE ‐ ISDEFE
21
Caudales de sistemas 3GPP
Marzo 2015
Curso LTE ‐ ISDEFE
22
Prestaciones de LTE
Fuente: Nokia Siemens Networks
Marzo 2015
Curso LTE ‐ ISDEFE
23
LTE: Arquitectura de Red y Protocolos
 Introducción
 Arquitectura
– Red de acceso (E-UTRAN)
– Núcleo de red (EPC)


Protocolos
Procedimientos
Marzo 2015
Curso LTE ‐ ISDEFE
24
Principios de arquitectura EPS
Evolved Packet System (EPS)
SGi
S1
Interfaz
Radio
(E-UTRA)


IMS
Internet
…
eNodeB
Redes de acceso 3GPP
previas (GSM, UMTS)
GERAN
Redes de datos
Evolved Packet Core
(EPC)
Evolved UTRAN
(E-UTRAN)
Equipo de
usuario (UE)
Otras redes de
acceso “no 3GPP”
UTRAN
Conexión entre
operadores (roaming)
Arquitectura IP plana: bien estructurada, pocos elementos, «todo IP»
– Diseño «desde cero», sin reutilización de sistemas previos.
– Sólo servicios modo paquete
Roaming y acceso alternativo desde otros sistemas (3GPP o no)
Marzo 2015
Curso LTE ‐ ISDEFE
25
Comparación con sistemas 2G/3G
 Desaparición de:
– dominio de circuitos
– red señalización SS7
– controladores radio
Núcleo de Red
MSC/VLR
RTC/
RDSI
Circuitos
64 Kbit/s
Arquitectura IP
“plana”
AuC
Red de Acceso
Uu
Dominio CS
GMSC
HLR
EIR
Red SS7
ISUP+MAP
SMSC
Nodo-B
Iu-PS
Iub
Nodo-B
SGSN
RNC
Marzo 2015
Backbone
IP
Gi
GGSN
Internet/
Intranet
Dominio PS
Curso LTE ‐ ISDEFE
26
LTE: Arquitectura de Red y Protocolos
 Introducción
 Arquitectura
– Red de acceso (E-UTRAN)
– Núcleo de red (EPC)

Procedimientos
Marzo 2015
Curso LTE ‐ ISDEFE
27
Red de Acceso E-UTRAN (Evolved
UTRAN)
 Un único un tipo de elemento funcional:
Evolved Packet Core (EPC)
e-NodeB (enhanced Node B)
MME/
SGW
– Híbrido de estación base y controlador
MME/
SGW
 Interconectados al núcleo EPC
Interfaz
lógico S1
mediante red IP («backhaul móvil»)
Red
IP
 Sobre el backhaul se definen dos
interfaces lógicos:
– Interfaz S1: intercambio de tráfico
entre eNodeBs y EPC
– Interfaz X2: facilita traspasos
entre eNodeBs
Marzo 2015
eNodeB
eNodeB
Evolved
UTRAN
(E-UTRAN)
Interfaz
lógico X2
eNodeB
Interfaz
Radio
Curso LTE ‐ ISDEFE
UE
28
Funciones del eNodeB (Evolved Node-B)

Funciones de nivel físico del interfaz radio E-UTRA
– modulación y demodulación, codificación de canal
– control de enlace radio: detección y corrección de errores



Control de recursos radio: asignación, cambio, liberación
Gestión de movilidad: procesado de medidas y traspasos
Intercambio de tráfico entre móvil y núcleo de red
– de usuario, con pasarela de servicio (SGW)
– de control, con servidor de señalización (MME)

Otras: cifrado (datos y señalización), compresión de
cabeceras
El único elemento funcional de E-UTRAN
Marzo 2015
Curso LTE ‐ ISDEFE
29
Concepto de backhaul móvil

Infraestructura de transmisión de la red de acceso de los sistemas celulares
– Conexión de estaciones base hacia controladores / núcleo de red

Habitualmente descompuesto en dos tramos:
– Última milla: enlazado final de estaciones base
• punto a punto o con concentración (cadena, árbol, anillo)
• cobre (E1, xDSL), fibra (PON, GPON,…), microondas
– Red de agregación: red metropolitana alta capacidad
• anillo SDH, carrier ethernet, MPLS, etc
Backhaul Móvil
Estaciones base
Última milla
Red de agregación
Núcleo de red
Radioenlaces
Cobre
Fibra
Marzo 2015
Curso LTE ‐ ISDEFE
30
Tecnologías de backhaul
en sistemas celulares
Sistema
Red de acceso
Última milla
Red de agregación
GSM
TDM
PDH (E1, E3)
cable, radio
SDH
fibra, radio
UMTS
ATM
ATM/PDH (nxE1 IMA, E3)
cable, radio, fibra
ATM/SDH
fibra, radio
LTE
IP
IP/Ethernet
cable (xDSL), radio, fibra
IP/Carrier Ethernet+MPLS
fibra, radio
 GSM/UMTS: PDH en última milla y SDH en red de agregación
– no escalable ante crecimiento de tráfico HSPA
– desvío de tráfico HSPA sobre enlaces alta capacidad: xDSL (HSDSL, VDSL2+), FO,
radioenlaces
 LTE: backhaul de alta capacidad basado en Ethernet
– todo el tráfico es IP y equipos disponen de interfaces Ethernet
– ultima milla: Ethernet sobre cobre (E1 bonding, HSDSL, VDSL2+), fibra (PON, GPON),
o radio (µondas, WIMAX)
– red de agregación: Carrier Ethernet (+MPLS)
• múltiples opciones: MEF (Metro Ethernet Forum), IP/MPLS, MPLS‐TP, PBB‐TE, …
 Posibilidad de integración de backhauls GSM/UMTS/LTE
Marzo 2015
Curso LTE ‐ ISDEFE
31
Backhaul móvil LTE basado en Ethernet
Red de agregación
Carrier Ethernet (+MPLS)
LTE
eNodeB
IP/Eth.
E-Line
S1
LTE
eNodeB
LTE
IP/Eth.
E-LAN
X2
LTE
IP/Eth.
eNodeB
IP/Eth.
MME/
SGW
S1
IP/Eth.
eNodeB
LTE
IP/Eth.
IP/Eth.
eNodeB
Hub
LTE
IP/Eth.
Radioenlaces
eNodeB
IP/Eth.
IP/Eth.
LTE
LTE
eNodeB
eNodeB
Marzo 2015
Soluciones Ethernet
en Última Milla
Cobre
Fibra
Curso LTE ‐ ISDEFE
32
Opciones para red de agregación
Carrier Ethernet
IS-IS, OSPF, BGP, IP addressing, BFD
MPLS LSP
IP/MPLS
Eth PW
(nivel 3)
Eth.+PW+LSP
PW Eth
BFD, RSVP-TE/LDP, FRR
T-LDP/BFD, VCCV
802.1ag, 802.3ah, Y.1731
 Múltiples opciones
 Fabricantes vs. operadores
 Mundo Internet vs. mundo carrier
MPLS-TP LSP
Eth PW
MPLS-TP
Eth.+PW+LSP
PW Eth
BFD, Protection Protocol
(nivel 2,5)
BFD, VCCV
802.1ag, 802.3ah, Y.1731
Túnel PBB-TE
PBB-TE
(nivel 2)
Eth
Ethernet
Eth
G.8031, 802.1ag, 802.3ah, Y.1731
Marzo 2015
Curso LTE ‐ ISDEFE
33
LTE: Arquitectura de Red y Protocolos
 Introducción
 Arquitectura

Red de acceso (E‐UTRAN)
– Núcleo de red (EPC)


Protocolos
Procedimientos
Marzo 2015
Curso LTE ‐ ISDEFE
34
Núcleo de red EPC
(Evolved Packet Core)
MME
SGW
PGW
HSS
PCRF
UE
Mobility Management Entity
Serving Gateway
Packet Data Network Gateway
Home Subscriber Server
Policy & Charging Rules Function
User Equipment
Evolved Packet Core (EPC)
S6a
MME
PCRF
HSS
S1-C
Rx
E-UTRAN
S11
Gx
Redes de datos
IMS
UE
S1-U
S5
SGW
SGi
PGW
eNodeB
Internet
Intranet
Pueden residir en
el mismo equipo
Red IP de trasporte
subyacente

Constituido por pasarelas (conmutadores de paquetes), servidores de control y
bases de datos, interconectados a través de un backbone IP.
Marzo 2015
Curso LTE ‐ ISDEFE
35
Elementos principales del sistema EPS
eNodeB
MME
Evolved
Node-B
Mobility
Management
Entity
SGW
Serving
Gateway
PGW
Packet Data
Network Gateway
HSS
Home
Subscriber
Server
PCRF
Policy Charging
and Rules Function
Marzo 2015
- Único elemento funcional de la red de acceso.
- Híbrido de estación base y controlador
- Servidor de señalización (funciones de control similares a un SGSN)
- Gestión de movilidad y de sesiones: act. posición, paging, …
- Intercambio de tráfico de usuario entre red de acceso y núcleo de red IP
- Ancla para traspasos entre con otras redes 3GPP
- Intercambio de tráfico con redes externas (Packet Data Networks)
- Clave para “policy enforcement” y recogida de datos de tarificación
- Ancla para traspasos con redes no 3GPP
- Base de datos central de usuarios del sistema EPS
- Identidades, datos de servicio y localización de usuarios
- Gestión de políticas de QoS y tarificación
Curso LTE ‐ ISDEFE
36
Opciones de implementación de
equipos
PDN
PDN
SGi
SGi
PGW
HSS
S6a
MME
S11
PGW
SGW
S1-C
SGW + PGW
HSS
S1-U
S6a
MME
S5
SGW
EUTRAN
UE
UE
Marzo 2015
MME + SGW
S1
EUTRAN
Integración de pasarelas
SGW y PDN GW
PDN GW
Integración de planos de control (MME) y
de usuario (SGW)
Curso LTE ‐ ISDEFE
37
Arquitectura lógica completa
Marzo 2015
Curso LTE ‐ ISDEFE
38
LTE: Arquitectura de Red y Protocolos
 Introducción
 Arquitectura
 Protocolos
– Protocolos del interfaz radio
– Protocolos del interfaz S1
– Protolos del núcleo de red

Procedimientos
Marzo 2015
Curso LTE ‐ ISDEFE
39
Flujos de Comunicación móvil - red
Conexión de señalización (ECM Connection)
Plano de
Control
SRB/DCCH
Señalización
Móvil / MME
S1 Signalling Conn.
eNodeB
S1-C
MME
S1-U
SGW
SGW
UE
Plano de
Usuario
Tráfico (IP)
Móvil/SGW
SRB
DRB
DCCH
DTCH
Marzo 2015
Portadora de acceso radio (E-RAB)
DRB/DTCH
Signalling Radio Bearer
Data Radio Bearer
Dedicated Control Channel
Dedicated Traffic Channel
S1 Bearer (túnel IP)
eNodeB
ERAB
SGW
MME
UE
Evolved NodeB
EUTRAN Radio Access Bearer
Serving Gateway
Mobility Management Entity
User Equipment
Curso LTE ‐ ISDEFE
40
Arquitectura de protocolos E-UTRAN
NAS
NAS
Plano de
Control
(señalización)
RRC
RRC
S1-AP
S1-AP
PDCP
PDCP
SCTP
SCTP
RLC
RLC
IP
IP
MAC
MAC
L2
L2
PHY
PHY
L1
L1
UE
EUTRA
(LTE-Uu)
S1-C
eNB
IP
IP
Plano de
Usuario
(tráfico de
usuario)
PDCP
PDCP
GTP-U
GTP-U
RLC
RLC
UDP/IP
UDP/IP
MAC
MAC
L2
L2
PHY
PHY
L1
L1
UE
Marzo 2015
MME
EUTRA
(LTE-Uu)
eNB
S1-U
SGW
Curso LTE ‐ ISDEFE
41
Protocolos del interfaz radio
 PDCP (Packet Data Convergence Protocol):
– cifrado, protección de integridad
– compresión de cabeceras IP (plano usuario)
 RLC (Radio Link Control):
– Protocolo de enlace entre móvil y eNodeB
– Varios modos de operación: con o sin rtx.,
segmentación/concatenado, …
 MAC (Medium Access Control):
– gestión de recursos físicos en canales
compartidos (UL-SCH y DL-SCH).
– Retransmisiones híbridas H-ARQ (Hybrid ARQ)
PDCP
PDCP
RLC
RLC
MAC
MAC
PHY
UE
PHY
EUTRA
(LTE-Uu)
eNB
 PHY (Physical layer):
– modulación, codificación de canal, etc.
Marzo 2015
Curso LTE ‐ ISDEFE
42
PDCP: Compresión y cifrado
1) Compresión de cabeceras IP
– RoHC: Robust Header Compression
(IETF RFC 4995)
– Varias opciones, según datos a transportar
• Voz: RTP/UDP/IP
• Web: TCP/IP
• …
2) Cifrado (3GPP TS 35.291):
– De cabecera y contenido
3) Se añade cabecera PDP
Marzo 2015
Curso LTE ‐ ISDEFE
43
Radio Link Control (RLC)

Tres modos de operación
PDCP
PDCP
RLC
RLC
MAC
MAC
PHY
PHY
UE
eNB
– Transparent Mode (TM): cabecera nula
• servicios con PDUS de tamaño fijo
(ej. mensajes de difusión y avisos) – Acknowledged Mode (AM): con rtx.
• servicios sensibles a pérdidas (ej. web, ftp)
– Unacknowledged Mode (UM): sin rtx.



• servicios sensibles a retardo (ej. streaming)
Corrección de errores mediante ARQ
– Errores residuales no resueltos por MAC H-ARQ
– CRC proporcionado por capa PHY
Concatenación/segmentación
– Ajuste a formato de trasporte de capa MAC
Otras:
– reordenación de PDUs, buffering, temporización
Marzo 2015
Curso LTE ‐ ISDEFE
44
Medium Access Control (MAC)


Multiplexado de canales lógicos sobre canales de transporte
Scheduling sobre canales de transporte compartidos
– Schedulers separados para UL-SCH y DL-SCH
• Ambos en eNB
– Asignación dinámica de recursos radio a UEs
– Algoritmos según fabricante (no especificados por 3GPP)

Retransmisiones híbridas H-ARQ (Hybrid ARQ)
Marzo 2015
PDCP
PDCP
RLC
RLC
MAC
MAC
PHY
PHY
UE
eNB
Curso LTE ‐ ISDEFE
45
Scheduling en sentido descendente (DL-SCH)
UEn
Cada 1ms (subtrama), el eNB elige
– a qué terminales transmitir
– con qué recursos:
• PRB (Physical Resource Blocks)
···
buffer
buffer
eNodeB
buffer

UE1 UE2
– con qué velocidad:
• MCS (Modulation & Coding Scheme)

Scheduler
Decisión basada en:
Multiplexado
Modulación y
codificación
– condiciones radio del enlace DL con UE
• CQI (Channel Quality Indicator)
– cantidad de datos encolados
– requisitos de QoS
CQI
• prioridades de UEs y aplicaciones

TF
DL-SCH
Notificación a UEs sobre PDCCH
UE
Marzo 2015
Curso LTE ‐ ISDEFE
46
Scheduling en sentido ascendente (UL-SCH)
2) eNB notifica recursos asignados
al UE (PBRs y MCS) vía PDCCH
– SG (Schedulig Grant)
Medidas de
calidad UL
SR
UE
Gestión de
prioridades
Marzo 2015
Modulación y
codificación
Multiplexado
buffer
3) UE decide qué canales lógicos
sirve sobre los recursos asignados
UL-SCH
SG
buffer
1) UE solicita recursos vía PUCCH
– Bit SR (Scheduling Request)
Scheduler
buffer
de petición/asignación:
eNodeB
···
Basado en procedimiento
UE
Curso LTE ‐ ISDEFE
47
Flujo de datos de usuario
sobre el interfaz radio
Datos
IP
Datos
H
PDCP
H
H
H
MAC
PHY
···
H
H
RLC
···
Datos
···
Relleno
#0
#1
···
#2
#18
#19
Subtrama 1ms
(2 slots)
Trama radio 10ms
(20 slots, 10 subtramas)
Marzo 2015
Curso LTE ‐ ISDEFE
48
Flujos de Señalización sobre el interfaz
radio
 Subnivel RRC (Radio Resource Control):
– Señalización de bajo nivel entre UE y eNodeB
relativa a gestión de recursos radio
– Petición/asignación de canales radio, medidas,
traspasos, información de broadcast
NAS
EMM
attach/detach, act. posición, avisos,
autenticación y negociación de claves
Aplic.
IP
RRC
PDCP
RLC
MAC
PHY
• Subnivel NAS (Non-Access Stratum):
– Señalización de alto nivel entre móvil y MME
– Dos categorías de procedimientos:
– EMM (EPS Mobility Management):
ESM
Equipo de usuario (UE)
– ESM (EPS Session Management): establecimiento
/ liberación de sesiones con redes IP externas (Internet, IMS, etc).
Marzo 2015
Curso LTE ‐ ISDEFE
49
LTE: Arquitectura de Red y Protocolos
 Introducción
 Arquitectura
 Protocolos
– Protocolos del interfaz radio
– Protocolos del interfaz S1
– Protolos del núcleo de red

Procedimientos
Marzo 2015
Curso LTE ‐ ISDEFE
50
Protocolos del interfaz S1
Interfaces diferentes según plano considerado: S1-C (p. control) y S1-U (p.
usuario)
NAS

Interfaz S1-C: señalización S1-AP (S1 Application Part)
– Gestión de recursos radio, avisos, traspasos, etc.
– Más envío transparente de señalización de usuario NAS
UE
– Transporte fiable con SCTP (Streaming Transmission
Control Protocol) [RFC 2960]
– Similar a BSSAP (GSM) y RANAP (UMTS)

Interfaz S1-U: tráfico de usuario entre eNodeB y SGW
– Túneles IP basados GTP (GPRS Protocol Tunneling),
que ya se usaba en GPRS y UMTS.
Marzo 2015
Curso LTE ‐ ISDEFE
S1-AP
SCTP
IP
L2
L1
EPC
EUTRAN
eNodeB
S1-C
MME
S1-U
SGW
IP
GTP-U
UDP
IP
L2
L1
51
Stream Control Transmission Protocol
(SCTP)


Estándar desarrollado por el grupo de trabajo SIGTRAN del IETF (RFC 4960)
– Transporte muy fiable de señalización sobre IP
– UDP y TCP no son adecuados
Características:
– Orientado a conexión (asociación) y trasporte fiable (como TCP)
– Soporte de multihoming
• Múltiples direcciones IP por extremo de una conexión
• Si una dirección falla, se usa otra sin interrumpir la asociación
– Varios flujos independientes (streams) sobre la misma asociación
• Retransmisiones pendientes de un flujo no retrasan a otros
– Transporte de datos estructurados en mensajes
– Mayor robustez frente ataques
Marzo 2015
Curso LTE ‐ ISDEFE
52
LTE: Arquitectura de Red y Protocolos
 Introducción
 Arquitectura
 Protocolos
– Protocolos del interfaz radio
– Protocolos del interfaz S1
– Protolos del núcleo de red

Procedimientos
Marzo 2015
Curso LTE ‐ ISDEFE
53
Protocolos del núcleo de red EPC


Plano de usuario: transporte de paquetes IP sobre túneles GTP
Plano de control:
–
–
Establecimiento/liberación de túneles GTP mediante GTP-C
Resto de diálogos de señalización con DIAMETER [RFC 3588]
NAS
S1-AP
SCTP
IP
L2
L1
EUTRAN
UE
DIAMETER
SCTP
IP
L2
L1
GTP-C
UDP
IP
L2
L1
EPC
HSS
S6a
S1-C
PCRF
S11
MME
Gx
Rx
S5
eNodeB
GTP-U
UDP
IP
L2
L1
Marzo 2015
S1-U
SGW
PGW
GTP-U
UDP
IP
L2
L1
Curso LTE ‐ ISDEFE
SGi
Redes
de datos
Datos + Señalización
Señalización
54
Plano de usuario: portadoras EPS

Especie de «circuito virtual» con QoS entre móvil y red externa (SGi)
–
–
–
–
Similar a contexto PDP de GPRS/UMTS
Establecimiento previo vía señalización (gestión de sesiones)
Reconfigurables en caso de movilidad (gestión de movilidad)
Hasta once portadoras EPS establecidas simultáneamente
HTTP
HTTP
TCP
TCP
IP
IP
PDCP
PDCP
RLC
MAC
PHY
UE
Uu
RLC
UDP/IP
UDP/IP
UDP/IP
MAC
PHY
L2
L1
L2
L1
L2
L1
L2
L1
Portadora Radio
S1-U
S5
SWG
Túnel GTP
IP
L2
L2
L1
L1
GTP-U
GTP-U GTP-U
GTP-U
UDP/IP
eNodeB
IP
PGW
SGi
Servidor
Túnel GTP
Túnel GTP
Portadora EPS
Paquete IP/IP
Marzo 2015
Curso LTE ‐ ISDEFE
55
Transferencia de paquetes extremo a
extremo
Túnel GTP
Túnel GTP
UE
Túnel GTP
SGW
eNB
Paquete IP/IP
Portadora
Radio
Backbone IP
SGi
PGW
eNB
PGW
eNB
Internet
…
SGW
eNB
Marzo 2015
Curso LTE ‐ ISDEFE
56
Clases de QoS
 Cada portadora EPS tiene asociado un CQI (Class Quality Indentifier),

que define sus características de QoS (caudal, retardo, pérdidas, …)
Nueve valores de QCI especificados por 3GPP
TS 23.203
Marzo 2015
Curso LTE ‐ ISDEFE
57
Gestión de QoS

Gestión de QoS a nivel de portadora EPS
– Asignación de QCI inicial según datos de suscripción
– Modificable por EPC según reglas en PCRF
Reglas
S1-C
MME
Diameter
Diameter
S11
PCRF
Rx
Gx
UE
SGW
eNodeB
Activar o modificar
portadora radio
Activar o modificar
portadora
Bearer ID
Packet Filter
SGi
S5
S1-U
PGW
Aplicar política
Bearer ID
Packet Filter
QoS Profile
Subscriber ID
Packet Filter
QoS Profile
Servicios del
operador
(IMS, PSS, …)
Autorizar sesión
Subscriber ID
Service Info.
*COPS (Common Open Policy Service, RFC2748)
Marzo 2015
Curso LTE ‐ ISDEFE
58
Diameter (RFC 3588)

Protocolo base para soporte de aplicaciones AAA
(Authentication, Authorization and Accounting) en redes IP
– Evolución de RADIUS (RFC 2138/2139)

Funciones:
– Soporte básico de sesiones AAA entre clientes y servidores
• basado en intercambio de AVPs (Attribute Value Pairs) • transporte fiable, entrega de mensajes y manejo de errores
• autenticación de usuarios y negociación de capacidades
– Soporte de extensiones (Aplicaciones Diameter) mediante nuevos
comandos y AVPs
• Del IETF, de empresas u otros organismos (ej, 3GPP)
Marzo 2015
Curso LTE ‐ ISDEFE
59
Aplicaciones DIAMETER





Diameter Mobile IPv4 Application (MobileIP, RFC 4004)
Diameter Network Access Server Application (NASREQ, RFC 4005)
Diameter Extensible Authentication Protocol Application (EAP, RFC 4072)
Diameter Credit-Control Application (DCCA, RFC 4006)
Diameter Session Initiation Protocol Application (SIP, RFC 4740)
 Aplicaciones 3GPP, para diversos interfaces EPC e IMS
–
S6a, Cx, dx, Sh, Ro, Rf, Gq, Gq’
Marzo 2015
Curso LTE ‐ ISDEFE
60
Diameter en el sistema LTE

Diálogos de señalización entre elementos EPC definidos como aplicaciones
Diameter
– Sustituye a los diálogos MAP de GSM/UMTS
– Vienen a sumarse a los ya definidos para IMS

Trasporte fiable mediante SCTP

Interfaces DIAMETER 3GPP:
EPC
PCC
IMS
Marzo 2015
Application Identifier
Application (Interface)
Nodes
16777251
16777252
16777236
16777238
16777267
16777216
16777217
S6a/S6d
S13/S13'
Rx
Gx
S9
Cx/Dx
Sh/Dh
MME/S4‐SGSN ↔ HSS
MME/S4‐SGSN ↔ EIR
PCRF ↔ AF
PCRF ↔ PGW
vPCRF ↔ HPCRF
S‐CSCF/I‐CSCF ↔ HSS
AS ↔ HSS
Curso LTE ‐ ISDEFE
61
LTE: Arquitectura de Red y Protocolos
 Introducción
 Arquitectura
 Protocolos
 Procedimientos
Marzo 2015
Curso LTE ‐ ISDEFE
62
Categorías de procedimientos de
señalización
Gestión de
Recursos Radio
(RRM)
Gestión de
movilidad
(EMM)
Gestión de
sesiones
(ESM)
Gestión de sesiones radio (RRC)
Establecimiento, modificación y liberación de sesión RRC
Traspasos
Con o sin cambio de SGW/MME, con o sin soporte de X2.
Attach / Detach
Procedimientos de registro y desregistro en la red.
Tracking Area Update
Actualización de posición por cambio de Tracking Area (similar Routing Area de GPRS/UMTS)
Authentication
Autenticación y negociación de claves (similar a UMTS).
Service request
Reanudación de intercambio de tráfico por móvil tras inactividad
Paging
Reanudación de intercambio de tráfico por red tras inactividad
Gestión de
portadoras EPS
Establecimiento, modificación y liberación de portadoras EPS (por defecto y dedicadas), siempre a instancias de la red.
Gestión de
conexiones PDN
Establecimiento, modificación y liberación de sesiones de datos con redes externas a instancias del terminal (estilo GPRS/UMTS)
Marzo 2015
Curso LTE ‐ ISDEFE
63
LTE: Arquitectura de Red y Protocolos
 Introducción
 Arquitectura
 Protocolos
 Procedimientos
– Gestión de recursos radio
– Gestión de Movilidad
– Gestión de sesiones
Marzo 2015
Curso LTE ‐ ISDEFE
64
Resumen de procedimientos de
gestión de recursos radio
eNodeB
S1-C
MME
UE
RRC Paging Request (S-TMSI)
S1-AP Paging (S-TMSI)
PCCH
RRC IDLE
Random Access Preamble
Pseudoprocedimiento
de acceso aleatorio
Random Access Response
CCCH
RRC Connection Request
RRC Connection Setup
(Signalling RB allocation)
DCCH
Apertura de
sesión radio
CCCH
RRC Conn. Setup Complete
+Mensaje NAS inicial (S-TMSI)
RRC DL Information Transfer
(NAS Message)
S1-AP Initial UE Message
(Mensaje NAS inicial)
S1-AP DL NAS Transport
(NAS Message)
DCCH
RRC CONNECTED
DCCH
RRC UL Information Transfer
(NAS Message)
S1-AP UL NAS Transport
(NAS Message)
S1-AP UE Context Rel. Request
RRC Connection Release
RRC IDLE
DCCH
S1-AP UE Context Rel. Command
S1-AP UE Context Rel. Complete
Marzo 2015
Aviso previo
(opcional)
Intercambio
subsiguiente de
señalización NAS
Cierrre de sesión
radio (apagado,
inactividad, fallo, …)
Curso LTE ‐ ISDEFE
65
LTE: Arquitectura de Red y Protocolos
 Introducción
 Arquitectura
 Protocolos
 Procedimientos
– Gestión de recursos radio
– Gestión de Movilidad
– Gestión de sesiones
Marzo 2015
Curso LTE ‐ ISDEFE
66
Modelo de Estados LTE
EMM Registered
Attach
Marzo 2015
Curso LTE ‐ ISDEFE
67
Registro en la red (attach)
S6a
MME
S1-C
S11
S5
S1-U
UE
SGW
eNodeB
NO REGISTRADO
HSS
SGi
PGW
Red de datos
por defecto
(ej. IMS)
Acceso aleatorio
Apertura sesión radio y
envío de mensaje inicial
Attach Request (user id)
Autenticación y negociación de claves
Update location (IMSI)
Insert subscriber data
Insert subscriber data Ack
Update location Ack
Create default bearer req.
Create default bearer resp.
RB Setup Rq + Attach Accept
REGISTRADO
RB Setup Resp + Attach Complete
Marzo 2015
Descarga de datos
de abonado
(DIAMETER)
Establecimiento de
portadora EPS por defecto
(GTP-C en S11 y S5)
Confirmación de registro,
establecimiento de DRB
y contexto de UE sobre S1
Curso LTE ‐ ISDEFE
68
Autenticación y negociación de claves
eNodeB
móvil
S1-C
MME
(S1-AP)
S6a
HSS
(Diameter)
USIM
Descarga de vectores
de autenticación (AVs)
Acceso aleatorio
USIM
Mensaje inicial
Verifica AUTN
Calcula RES, CK, IK
AV(KASME, RAND, AUTN, XRES)
Authentication Request
(RAND, AUTN, KSIASME)
Terminal
Authentication Response
Deriva KASME y las
demás claves de
cifrado/integridad
(RES)
¿RES = XRES?
Autenticación bidireccional
Solución compatible con uso de USIM,
pero con nuevas funciones de seguridad en el terminal
ASME
AUTN
AV
Access Security Management Entity
Authentication Token
Authentication Vector
Marzo 2015
CK
KSI
RAND
Ciphering Key
Key Set Identifier
Random Number
RES
XRES
IK
Response
Expected response
Integrity Key
Curso LTE ‐ ISDEFE
69
Funciones de seguridad
Autenticación bidireccional
Autenticación bidireccional
Negociación de claves
Negociación de claves
Cifrado e integridad de señalización NAS
MME
Cifrado e integridad de
señalización RRC en i/f radio
Vectores de
Autenticación
HSS
S1-C
S1-U
USIM
SGW
eNodeB
ME
Equipo de Usuario
Marzo 2015
Cifrado de datos de
usuario en i/f radio
Cifrado opcional de datos de
usuario en S1-U
Curso LTE ‐ ISDEFE
70
Jerarquía de claves
CK
IK
KASME
KNAS enc
KNAS int
KUP enc
KRRC enc
KRRC int
Clave de cifrado
Clave de integridad
Entidad de gestión de claves de seguridad
Clave de cifrado para señalización NAS
Clave de integridad para señalización NAS
Clave de cifrado i/f radio para datos de usuario
Clave de cifrado para señalización RRC
Clave de integridad para señalización RRC
Marzo 2015
Curso LTE ‐ ISDEFE
71
Liberación de sesión radio (S1 Release)
 En caso de inactividad, se liberan los recursos sobre la UTRAN,
pudiéndose restablecer rápidamente ( < 50 ms) en caso necesario
MME
S1-C
S11
S5
S1-U
UE
ECMCONNECTED
SGW
eNodeB
Release Access
Bearers Request
Release Access
Bearers Response
Marzo 2015
SGi
Red de
datos
Detach, Inactivity Timer, General failure, …
S1 UE Context
Release Request
ECM-IDLE
PGW
RRC Connection
Release
S1 UE Context
Release Command
S1 UE Context
Release Complete
Liberación de recursos
plano usuario (S1-U)
Liberación de recursos
plano de control (S1-C)
Curso LTE ‐ ISDEFE
72
Efecto de S1 Release
Plano de
control
MME
S1-C
S11
S1-U
UE
SGW
S5
PGW
eNodeB
Plano de
usuario
Marzo 2015
Curso LTE ‐ ISDEFE
73
Petición de servicio iniciada por el móvil
 Restablecimiento de la comunicación por parte del terminal
MME
S1-C
S11
S5
S1-U
UE
SGW
eNodeB
SGi
PGW
Red de
datos
Acceso aleatorio
ECM-IDLE
Service Request
Autenticación y negociación de claves
RB Estab. Req
ECMCONNECTED
Initial Context Setup Request
Datos en sentido ascendente
Initial Context Setup Complete
Modify Bearer Req
Modify Bearer Resp
Marzo 2015
Curso LTE ‐ ISDEFE
74
Petición de servicio iniciada por la red
(paging)
 Restablecimiento de la comunicación por parte de la red
S1-C
MME
S11
S5
S1-U
UE
Paging (S_TMSI)
ECM-IDLE
SGW
eNodeB
DL Data Notification
SGi
PGW
Red de
datos
Datos en sentido descendente
DL Data Notification Ack
Acceso aleatorio
Service Request
Autenticación y negociación de claves
RB Estab. Req
Initial Context Setup Request
Initial Context Setup Complete
ECMCONNECTED
Modify Bearer Req
Modify Bearer Resp
Stop Paging
Datos en sentido descendente
Marzo 2015
Curso LTE ‐ ISDEFE
75
Procedimientos de
actualización de posición

Ejecutados por móvil en estado inactivo (ECM-IDLE)
– En modo conectado (ECM-CONNECTED), se ejecutan traspasos
(eventualmente seguidos de actualización de posición)

Principios:
– Móvil elige en todo momento la célula que le proporciona mejor señal
en base a medidas periódicas
– Si la nueva célula pertenece a otra área de seguimiento (Tracking
Area), ejecuta procedimiento de actualización de posición
• Dos casos: con o sin cambio de MME

También hay procedimientos combinados GSM/UMTS/EPS
Marzo 2015
Curso LTE ‐ ISDEFE
76
Area de seguimiento - Tracking Area
(TA)
 Grupo de células contiguas definido a efectos de delimitar avisos (“Similar” a
Routing Areas en 2G/3G)
 Móvil puede estar registrado en varias TAs contiguas (listas de TAIs asignada
por la red)
– Reduce señalización en fronteras de TAs, evitando actualizaciones contínuas y
consumo de batería (sobre todo si movilidad alta)
 Móvil ejecuta actualización si, al cambiar de célula,
TAI3
su correspondiente TAI no está en la lista
TAI3
TAI2
 Tras la actualización, el móvil obtiene:
TAI2
TAI3
TAI2
TAI2
– Identificador temporal S-TMSI
(Serving TMSI)
– Nueva lista de TAIs
TAI1
TAI1
TAI3
TAI3
TAI2
TAI2
TAI1
TAI1
Marzo 2015
Curso LTE ‐ ISDEFE
77
Actualización de Tracking area
con cambio de MME
HSS
5. Update
Location Ack
S6a
4. Cancel Location / Ack
3. Update
Location Req.
Si no hay cambio de MME (TA1 y
TA2 cubiertos por mismo MME),
los pasos 2 a 5 innecesarios
2. Context Request/Response
MME
MME
S10
1. TAU Request
S1-C
S1-C
eNodeB
antiguo
UE
eNodeB
nuevo
Tracking Area #1
Marzo 2015
6. TAU Accept
Tracking Area #2
Curso LTE ‐ ISDEFE
78
Procedimientos de traspaso
 Se ejecutan cuando el móvil en estado ECM-CONNECTED


– móvil envía medidas de célula actual y vecinas al eNodeB
– en base a ellas, el eNodeB puede decidir ejecutar un traspaso
En EPS, sólo hay traspasos duros
– enfoque “make before break”, como en GSM
– no existen soft-HOs como en UMTS
Varios casos:
– Traspasos intra-MME / inter-MME
• con o sin soporte de X2
• con o sin cambio de SGW
– Traspasos hacia/desde otras redes de acceso
• 3GPP: GERAN/UTRAN
• No‐3GPP: WiFi/WIMAX/CDMA2000
Marzo 2015
Curso LTE ‐ ISDEFE
79
Traspaso intra-MME con soporte de X2
S1-C
MME
S1-U S1-C
eNodeB viejo
UE
X2
S1-U
eNodeB nuevo
medidas
S11
SGW
S5
PGW
SGi
PDN
Decisión HO
HO Request
Asignación de
recursos radio
HO Request Ack
Preparación
del HO
(HO Command)
reenvío de paquetes
de usuario DL
HO Command
HO Confirm
Ejecución
del HO
Release Resource
Path switch
request
Path switch
request ack
Modify bearer
request
Modify bearer
response
Liberación de
recursos radio
Marzo 2015
Curso LTE ‐ ISDEFE
80
Traspaso inter-MME
PDN
(ej, Internet)
SGi
Liberación del
trayecto antiguo
PGW
S5
S5
SGW
S11
S1-U
eNodeB
antiguo
MME
S10
MME
S1-C
S1-C
X2
SGW
S11
S1-U
eNodeB
nuevo
UE
Marzo 2015
Curso LTE ‐ ISDEFE
81
LTE: Arquitectura de Red y Protocolos
 Introducción
 Arquitectura
 Protocolos
 Procedimientos
– Gestión de recursos radio
– Gestión de Movilidad
– Gestión de sesiones
Marzo 2015
Curso LTE ‐ ISDEFE
82
Tipos de portadoras EPS

Por defecto: creada automáticamente al registrarse en la red
(attach)
– Siempre disponible (funcionalidad “always-on”)
– Acceso a servicios básicos del operador (ej. señalización IMS,
notificaciones, etc.)
– Perfil de QoS medio-bajo, definible en el HSS, para uso esporádico

Dedicadas: portadoras ad-hoc para soporte de flujos con
requisitos de QoS específicos (ej. flujo VoIP).
– Creadas dinámicamente por la red al detectar su necesidad (ej,
durante señalización SIP)

Bajo demanda: solicitadas por el terminal, como en GPRS y
UMTS
Marzo 2015
Curso LTE ‐ ISDEFE
83
Portadora por defecto
S6a
MME
S1-C
S11
S5
S1-U
UE
SGW
eNodeB
NO REGISTRADO
HSS
SGi
PGW
Red de datos
por defecto
(ej. IMS)
Acceso aleatorio
Apertura sesión radio y
envío de mensaje inicial
Attach Request (user id)
Autenticación y negociación de claves
Update location (IMSI)
Descarga de datos
de abonado
Insert subscriber data
Insert subscriber data Ack
Update location Ack
Create default bearer req.
Create default bearer resp.
Attach Accept
Attach Complete
REGISTRADO
Marzo 2015
(DIAMETER)
Establecimiento de
portadora EPS por defecto
(GTP-C en S11 y S5)
Confirmación de registro y
creación de contexto de UE sobre S1
Curso LTE ‐ ISDEFE
84
Activación de portadora dedicada
Gx
MME
S1-C
S5
S1-U
UE
SGW
eNodeB
PCRF
Rx
S11
SGi
PGW
AF
(ej. CSCF)
Red externa
(ej. IMS)
Señalización a nivel de aplicación sobre portadora por defecto
(ej. establecimiento. de sesión IMS)
Session Management Request
Session Management Response
Create Dedicated Bearer Request (Qos)
Create Dedicated Bearer Response
Activación de
portadora dedicada
(ej. transporte de
voz/vídeo)
Flujos IP sobre portadora dedicada (ej. VoIP)
Marzo 2015
Curso LTE ‐ ISDEFE
85
Activación de portadora dedicada
Ejemplo IMS
Gx
MME
S1-C
S5
S1-U
UE
PCRF
Rx
S11
SGW
eNodeB
SGi
PGW
AF
(ej. CSCF)
Red externa
(ej. IMS)
INVITE
Señalización a nivel de aplicación sobre
portadora por defecto
(ej. establecimiento. de sesión IMS)
100 Trying
100 Ringing
200 OK
Session Management Request
Session Management Response
Create Dedicated Bearer Request (Qos)
Create Dedicated Bearer Response
Activación de portadora dedicada
(ej. transporte de voz/vídeo)
ACK
Flujo VoIP sobre portadora dedicada
Marzo 2015
Curso LTE ‐ ISDEFE
86
Conclusiones
 LTE (EPS) es un sistema nuevo, diseñado «desde cero», llamado a

reemplazar las actuales redes GSM y UMTS.
Arquitectura IP plana, simple y con pocos elementos
– Todos los servicios en modo paquete (incluida la telefonía).
– No más circuitos, ni centrales, ni red de señalización SS7.
 Trasporte de datos de usuario mediante portadoras EPS
– “Circuitos virtuales” implementados mediante túneles IP
– Soporte de calidad de servicio crucial
 Procedimientos «similares» a servicios modo paquete de 2G/3G
– Gestión de recursos radio, de movilidad y de sesiones
– Señalización basada en DIAMETER en vez de MAP/SS7
– Seguridad mejorada mediante uso de jerarquía de claves
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Curso LTE ‐ ISDEFE
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Especificaciones 3GPP
RAN1
RAN2
SA2
36.201 LTE Physical Layer General Description
36.211 Physical Channels and Modulation
36.212 Multiplexing and Channel Coding
36.213 Physical Layer Procedures
36.214 Physical Layer Measurements
36.300 E-UTRAN Overall Description Stage 2
36.302 E-UTRAN Services Provided by the Physical Layer
36.304 User Equipment (UE) Procedures in Idle Mode
36.306 User Equipment (UE) Radio Access Capabilities
36.321 Medium Access Control (MAC) Protocol Specification
36.322 Radio Link Control (RLC) Protocol Specification
36.323 Packet Data Convergence Protocol (PDCP) Specification
36.331 Radio Resource Control (RRC) Protocol Specification
22.278 Service Requirements for the Evolved Packet System
23.401 GPRS Enhancements for E-UTRAN Access
23.402 Architecture Enhancements for Non-3GPP Accesses
24.301 Non-Access-Stratum (NAS) protocol for EPS
29.060 GPRS Tunnelling Protocol (GTP) across Gn &Gp (Rel8)
29.274 Evolved GPRS Tunnelling Protocol for EPS (GTPv2)
36.401 E-UTRAN Architecture Description
36.410 S1 General Aspects and Principles
36.411 S1 Layer 1
36.412 S1 Signalling Transport
36.413 S1 Protocol Specification
RAN3 36.414 S1 Data Transport
36.420 X2 General Aspects and Principles
36.421 X2 Layer 1
36.422 X2 Signalling Transport
36.423 X2 Protocol Specification
36.424 X2 Data Transport
24.801 3GPP System Architecture Evolution CT WG1 Aspects
29.804 CT WG3 Aspect of 3GPP System Architecture Evolution
29.803 3GPP System Architecture Evolution CT WG4 Aspects
Technical
32.816 Study on Management of LTE and SAE
Reports
32.820 Study on Charging Aspects of 3GPP System Evolution
33.821 Rationale and Track of Security Decisions in LTE/SAE
23.882 3GPP System Architecture Evolution (Release 7)
www.3gpp.org
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Lista de siglas
3GPP
AAA
ACK
AKA
AMBR
ANDSF
APN
ARP
ARQ
AS
ASME
AuC
BBERF
BCCH
BCH
BSC
BTS
CCCH
CDMA
CK
CoA
CS
CSFB
CSI
DCCH
DCH
DHCP
DL
DNS
DRB
DS
Third Generation Partnership Project
Authentication, Authorization and Accounting
Acknowledgement
Authentication and Key Agreement
Aggregate Maximum Bit Rate
Access Network Discovery and Selection
Access Point Name
Allocation and Retention Priority
Automatic Repeat Request
Access Stratum / Application Server
Access Security Managament Entity
Authentication Center
Bearer Binding and Event Reporting Function
Broadcast Control Channel
Broadcast Channel
Base Station Controller
Base Transceiver Station
Common Control Channel
Code Division Multiple Access
Ciphering Key
Care-of-address
Circuit Switched
CS Fallback
Connection Set Identifier
Dedicated Control Channel
Dedicated Channel
Dynamic Host Configuration Protocol
Downlink
Domain Name Service
Data Radio Bearer
Dual Stack
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DSMIPv6
DTCH
ECM
EIR
EMM
eNB
eNodeB
EPC
ePDG
EPS
ESM
EUL
E-UTRAN
FA
FBC
FDD
FEC
GBR
GERAN
GGSN
GPRS
GRE
GSM
GTP
GUTI
GW
HA
HARQ
HeNodeB
HeNodeB-GW
HLR
Dual-Stack MIPv6
Dedicated Traffic Channel
EPS Connection Management
Equipment Identity Register
EPS Mobility Management
Evolved NodeB
Evolved Node B
Evolved Packet Core
Evolved Packet Data Gateway
Evolved Packet System
EPS Session Management
Enhanced Uplink
Evolved UTRAN
Foreign Agent
Flow Based Charging
Frequency Division Duplex
Forward Explicit Congestion
Guaranteed Bit Rate
GSM Enhanced Radio Access Network
Gateway GPRS Support Node
General Radio Packet Service
Generic Routing Encapsulation
Global System for Mobile communication
GPRS Tunneling Protocol
Globally Unique Temporary Identity
Gateway
Home Agent
Hybrid Automatic Repeat Request
Home evolved Node B
Home evolved Node B Gateway
Home Location Register
Curso LTE ‐ ISDEFE
89
HNB
HNB-GW
HoA
HO
hPCRF
HPLMN
HSDPA
HSPA
HSS
HSUPA
IEEE
IETF
IKE
IMEI
IMS
IMT
IP
IP-CAN
IPSec
ISP
KASME
KRRCenc
KRRCint
KUpenc
LMA
LTE
MAC
MAG
MAP
MBMS
MBR
Home Node B
Home Node B Gateway
Home (IP) Address
Handover
Home PCRF
Home PLMN
High Speed Downlink Packet Access
High Speed Packet Access
Home Subscription Server
High Speed Uplink Packet Access
Institute of Electrical and Electronic Engineers
Internet Engineering Task Force
Internet Key Exchange
International Mobile Equipment Identity
Internet and Multimedia Subsystem
International Mobile Telecommunications
Internet Protocol
IP-Connectivity Access Network
Internet Protocol Security
Internet Service Provider
Security Key at Access Security Management Entity
Security Key for RRC message encryption
Security Key for RRC message integrity protection
Security Key for user plane encryption
Local Mobility Anchor
Long Term Evolution
Media Access Control
Mobile Access Gateway
Mobile Application Part
Multimedia Broadcast Multicast Service
Maximum Bit Rate
Marzo 2015
MCC
MCH
MIMO
MIPv4
MIPv6
MME
MMTEL
MNC
MOBIKE
MSC
NAI
NAP
NAS
NGN
OAM
OFDMA
OMA
PBA
PBCH
PBU
PCC
PCEF
PCFICH
PCH
PCRF
P-CSCF
PDCCH
PDCP
PDG
PDN
Mobile Country Code
Multicast Channel
Multiple Input Multiple Output
Mobile IP version 4
Mobile IP version 6
Mobility Management Entity
Multimedia Telephony
Mobile Network Code
Mobility and Multi-homing Protocol for IKE
Mobile Switching Center
Network Access Identifier
Network Access Provider
Non-Access Stratum
Next Generation Network
Operation And Maintenance
Orhtogonal Frequency Division Multiple Access
Open Mobile Alliance
Proxy Binding Acknowledge
Physical Broadcast Channel
Proxy Binding Update
Policy and Charging Coordination
Policy and Charging Enforcement Function
Physical Control Format Indicator Channel
Paging Channel
Policy and Charging Rule Function
Proxy-CSCF
Physical Downlink Control Channel
Packet Data Convergence Protocol
Packet Data Gateway
Packet Data Network
Curso LTE ‐ ISDEFE
90
PDP
PDSCH
PDSN
PHICH
PLMN
PMCH
PMIPv6
PRACH
PS
PUCCH
PUSCH
QCI
QoS
RAN
RAT
RB
RLC
RNC
RoHC
RRC
RRM
RTP
SAE
SBLP
SC-FDMA
S-CSCF
SCH
SDF
SDP
SGSN
Packet Data Protocol
Physical Downlink Shared Channel
Packet Data Serving Node
Physical Hybrid ARQ Indicator Channel
Public Land Mobile Network
Physical Multicast Channel
Proxy Mobile IP version 6
Physical Random Access Channel
Packet Switched
Physical Uplink Control Channel
Physical Uplink Shared Channel
QoS Class Index
Quality of Service
Radio Access Network
Radio Access Technology
Radio Bearer
Radio Link Control
Radio Network Controller
Robust Header Compression
Radio Resource Control
Radio Resource Management
Real-time Transport Protocol
System Architecture Evolution
Service Based Local Policy
Single Carrier Frequency Division Multiple Access
Serving Call Session Control Function
Shared Channel
Service Data Flow
Session Description Protocol
Serving GPRS Support Node
Marzo 2015
S-GW
SIM
SIP
SMS
SRB
SRVCC
TA
TAI
TAU
TCP
TEID
TFT
TR
TS
UDP
UE
UICC
UL
UMTS
USIM
UTRAN
VCC
VLR
VoIP
VoLGA
vPCRF
VPLMN
W-CDMA
WIMAX
WLAN
Serving Gateway
Subscriber Identity Module
Session Initiation Protocol
Short Message Service
Signaling Radio Bearer
Single Radio Voice Call Continuity
Tracking Area
Tracking Area Identity
Tracking Area Update
Transmission Control Protocol
Tunnel Endpoint Identifier
Traffic Flow Template
Technical Report
Technical Specification
User Datagram Protocol
User Equipment
Universal Integrated Circuit Card
Uplink
Universal Mobile Telecommunications System
UMTS Subscriber Identity Module
Universal Terrestrial Radio Access Network
Voice Call Continuity
Visited Location Register
Voice over IP
Voice over LTE Generic Access
Visited PCRF
Visited PLMN
Wideband Code Division Multiple Access
Worldwide Interoperability for Microwave Access
Wireless Local Area Network
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Referencias







R. Agustí (Ed.), LTE: Nuevas Tendencias en Comunicaciones
Móviles, Fundación Vodafone, 2010.
C. Cox, An introduction to LTE: LTE, LTE-Advanced, SAE and
4G Mobile Communications, Wiley, 2012.
E. Dahlman et al, 3G Evolution: HSPA and LTE for Mobile
Broadband, Academic Press, 2nd Edition, 2008.
P. Lescuyer, T. Lucidarme, Evolved Packet System (EPS): The LTE
and SAE evolution of 3G UMTS, Wiley, 2008.
G. Punz, Evolution of 3G Networks, Springer, 2010.
S. Sesia, I. Toufik, and M. Baker, LTE: The UMTS Long Term
Evolution From Theory to Practice, Wiley, 2009.
Especificaciones del 3GPP: www.3gpp.org
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Documentos relacionados