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El gran reto del roaming en LTE

La interoperabilidad global es un factor crítico para el éxito de LTE, pero aun no está garantizada.
escrito por: Redacción RedesTelecom10 de diciembre 2012
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Autor: José Manuel Huidobro, Ingeniero de Telecomunicación

Desde finales de 2009, las redes móviles de 4G ya se están desplegando en varios países, en concreto utilizando la tecnología LTE. La GSA (GSM Association) prevé que a finales de este año serán cerca de 160 las redes comerciales desplegadas en más de 50 países, a lo que se añade el hecho de que más de 350 operadores están invirtiendo en esta tecnología con la intención de desplegarla en 104 países y, a medida que se lanzan más redes LTE, la necesidad de interoperabilidad de servicios móviles se está convirtiendo de manera progresiva en una necesidad crítica, tanto para las compañías como para los usuarios.

Uno de los primeros países en introducir LTE fue Estados Unidos, donde tanto AT&T como Verizon Wireless ya cuentan con varios millones de clientes y su número sigue creciendo a un fuerte ritmo. En Europa, tras los países escandinavos en 2009, otro de los estados en adoptarla fue Alemania, en 2011, pero en este mismo año ya se ofrece comercialmente o en pruebas en Reino Unido, Francia, Italia y España, aunque eso sí, de manera limitada a una pocas ciudades.

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Sin duda, parte del éxito que están teniendo, tanto este tipo de redes, como las de 3G (UMTS), se debe a la proliferación de smartphones (iPhone, Galaxy, Lumia, Nexus, One, etcétera), que está haciendo que sus propietarios adopten planes de datos, de alta velocidad, para obtener el máximo rendimiento de sus dispositivos y aprovechar todas las ventajas que les da una conectividad de banda ancha móvil para el acceso a múltiples aplicaciones y la comunicación personal.

LTE es una nueva –ya no tan nueva– tecnología radio, que ofrece una serie de prestaciones mejoradas sobre su antecesora UMTS, basadas en ciertos avances tecnológicos que podríamos resumir en: 

- Carrier Aggregation (CA)
- Enhanced MIMO
- Coordinated Multi-point Tx/Rx (CoMP)
- Heterogeneous Network (HetNet)
- Self-Organization Network (SON)

LTE es una red móvil “todo IP” (all-IP) que no soporta la conmutación de circuitos (CS) que tradicionalmente se ha venido utilizando para voz, tanto en GSM como en UMTS, y, así, para la transmisión de voz requiere de la implementación de otras tecnologías, como puede ser, por ejemplo, VoLTE (Voice over LTE), una iniciativa establecida para definir una única implementación que permita la interoperabilidad y el roaming. Recordemos que las primeras versiones de LTE no soportaban voz.

Compatibilidad entre sistemas

Con más de 6.600 millones de líneas móviles a escala mundial, prácticamente el mismo número que habitantes, aunque en realidad el número de usuarios únicos se puede decir que es la mitad ya que hay muchas tarjetas SIM inactivas y muchos usuarios disponen de más de una (1,85 de media), y estando las redes móviles desplegadas en, prácticamente, la totalidad de los países, se hace imprescindible garantizar la conectividad cuando un usuario se desplaza de uno a otro país y se conecta, por tanto, a la red de otro operador distinto al suyo (función que se conoce como itinerancia o roaming), algo que no siempre es fácil ya que influyen varios factores e intervienen diversos protocolos.

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Para que los operadores puedan ofrecer el servicio de interconexión y de roaming es necesario, primero, que existan acuerdos entre ellos, ya que si no, no es posible, y, segundo, que los usuarios dispongan de dispositivos (terminales, tabletas, ordenadores, etcétera) compatibles con las redes de aquellos operadores a los que pretendan conectarse. Esto último requiere de dos condicionantes, uno, que se soporte la misma tecnología de acceso radio, es decir GSM, UMTS; LTE, etcétera y, otro, que las bandas de frecuencias a las que se ofrece el servicio sean las que soporte su terminal, es decir 700, 800, 900, 1800 y 1900 MHz, 2,1 y 2,6 GHz, etcétera, ya que no en todos los países se ofrecen los servicios a las mismas frecuencias.

Este último factor es muy importante y ha de ser tenido en cuenta tanto por los fabricantes de dispositivos móviles como por los propios operadores y reguladores que otorgan las frecuencias a las que se ofrecerán los servicios. Una cosa son las frecuencias que permita el estándar concreto, por ejemplo, en el caso de LTE son más de 20 bandas en el modo FDD y más de 10 en el TDD las posibles, y otra cosa son las que se adopten en cada país o continente, que suelen variar de unos a otros. Así no son las mismas las que se ha adoptado en Estados Unidos (700 MHz y 1800 MHz, que las de Europa (800 MHz, 1800 MHz y 2,6 GHz). Mientras que, por ejemplo, en Estados Unidos la frecuencia de 700 MHz proviene del Dividendo Digital, en Europa, es la de 800 MHz la que corresponde al mismo, lo que puede crear ciertos conflictos o incompatibilidades, como ha ocurrido con el reciente lanzamiento del iPhone5.

Tras el lanzamiento del iPhone 5, que soporta varias bandas de frecuencias, dependiendo del modelo: 700, 850, 1.800 y 1.900 MHz, 2,1 y 2,6 GHz, pero no 800 MHz y 2,6 GHz, eso afectará a la Unión Europea, dónde la mayoría de las licencias de 4G para el despliegue de las redes LTE se han concedido en las bandas de 800 MHz y de 2,6 GHz, aunque esta última aún no está disponible, y ambas no se soportan por dicho terminal. Una opción para soslayar el problema es que los operadores puedan cambiar las atribuciones de la banda de 1800 MHz (proceso conocido como refarming) y utilizarla para LTE, o esperar alrededor de un año, hasta que la banda de los 800 MHz (Dividendo Digital) esté disponible en algunos países. Telefónica y Vodafone, por ejemplo, en España, iniciaron el despliegue de LTE en 2,6 GHz, pero ahora tendrán que reconsiderar moverse a 1800 MHz, si quieren beneficiarse de la amplia aceptación del iPhone 5 en el mercado, aunque también les queda la opción de la conectividad 3G, pero en este caso no es lo mismo. Por ejemplo, en Alemania (DT) o Reino Unido (EE) este problema no se da, ya que la banda que disponen ambos en 1800 MHz sí que está asignada para servicios LTE.

Esto, que parece una cuestión baladí, tiene su importancia y puede afectar a las millonarias inversiones que se hacen para el despliegue de las redes, condicionando la adopción de unos equipos u otros, aunque, afortunadamente hoy en día, los equipos de acceso radio suelen admitir el tratamiento simultáneo de múltiples frecuencias, con lo que el problema no es tan grave como pudiera parecer en un principio, ya que mediante su configuración se pueden elegir unas u otras, pero eso sí, su precio será más alto que el de aquellos equipos de frecuencia única.

LTE yroaming

En términos de implementación, LTE es la tecnología móvil de más rápido crecimiento, pero también es el elemento más disruptivo en aparecer desde la introducción de UMTS (WCDMA), trayendo consigo cambios fundamentales a la red y al modelo de negocio del proveedor de telecomunicaciones. LTE se enfrenta a uno de los mayores retos para desarrollar su máximo potencial: la falta o poco desarrollo de la itinerancia (roaming).

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En gran medida, el éxito de GSM (tecnología 2G) se debió a ser un estándar que permitía la interconexión (roaming) entre los distintos operadores móviles. La interoperabilidad global es, por tanto, un factor crítico para el éxito de LTE, pero aún no está del todo garantizada.

Para las redes 2G y 3G, la señalización para la itinerancia está basada en SS7, un conjunto de protocolos de telefonía que han sido utilizados, hasta ahora, para establecer la mayor parte de las llamadas telefónicas del mundo. SS7 proporciona la señalización y el control de varios servicios de red, aunque se utiliza principalmente para el establecimiento de la llamada de voz y la gestión móvil. El protocolo en sí, hace uso de conmutación de paquetes en la red, pero, a diferencia de la conmutación de circuitos, que utiliza canales de datos dedicados para la transmisión de información, la conmutación de paquetes asigna dinámicamente las rutas basándose en la disponibilidad y en algoritmos para el menor costo.

En un entorno de 2G y 3G, todas las llamadas en cada red depende de SS7, y el protocolo es ampliamente considerado como el "pegamento" que une las redes de conmutación de circuitos tradicional con las redes IP. En estos ambientes, cada usuario del teléfono móvil depende de SS7 para permitir la itinerancia entre redes.

La forma en que la itinerancia se ha llevado a cabo, tradicionalmente, con 2G y 3G es a través del uso de un GRX (Global Roaming Exchange), que actúa como centro de conexiones GPRS/UMTS de usuarios móviles, eliminando la necesidad de un enlace dedicado entre cada proveedor del servicio. Estos centros se han desarrollado para facilitar a los operadores una forma más eficaz para la interconexión de sus redes, y han jugado un importante papel en la transición a las redes 4G, ya que éstas se basan en el mismo principio, pero utilizando IPX (IP Packet eXchange) para el roaming, pues presenta una serie de ventajas y puede utilizarse tanto en redes móviles como fijas.

Sin embargo, ya que los operadores se mueven a LTE, SS7 está siendo reemplazado por interfaces de señalización basadas en IP, tales como SIP (Session Initiation Protocol) y Diameter (IETF RFC 3588). SIP es un protocolo basado en texto, que incorpora muchos elementos de HTTP y el SMTP y, en el contexto de la comunicación por Internet, es ampliamente utilizado para el control de llamadas de voz y vídeo sobre IP, mientras que Diameter es un protocolo para redes que se encarga de la autenticación, autorización y contabilidad, que también es compatible con la gestión del móvil en una red “todo IP”. Así, pues, debido a la naturaleza de “todo IP” de LTE, los protocolos de señalización SS7, familiares para los operadores redes de conmutación de circuitos, están siendo reemplazados en gran parte por una nueva generación de especificaciones, incluyendo SIP, Diameter y otros protocolos IP.

Para los servicios LTE, hay ciertas particularidades que han de ser tenidas en cuenta al ser una red “todo IP” –basada en la conmutación de paquetes en lugar de la conmutación de circuitos–, para la interoperabilidad entre las redes de distintos operadores, especialmente en aquellos que tienen que ver con la voz sobre IP. Así, la GSMA ha lanzado una serie de documentos para tratar el tema de: Next Generation Roaming and Interoperability (NGRAI), entre los que destaca; LTE Roaming Guidelines, que puede ser descargado desde su página web. En el caso, por ejemplo, de VoLTE, se requiere que las distintas redes IMS (IP Multimedia Subsystem) haciendo uso de SIP (Session Initiation Protocol) de los operadores estén conectadas entre sí, para poder ofrecer voz cuando un usuario se encuentre en roaming, ya que la red ha de recoger en algún momento los datos de suscripción propios de cada usuario desde su red origen (home), lo mismo que sucede en 2G y 3G, que hay que acceder al HLR (local) o VLR (visitado). Evidentemente, en cuanto al roaming, LTE presenta algunos retos que tienen que ver con la seguridad, la interoperabilidad y el encaminamiento.

Complejidad de las redes 4G

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Las redes basadas en IP necesitan manejar grandes volúmenes de datos, mucho mayores que las que lo son en conmutación de circuitos, ya que los teléfonos inteligentes (smartphones) utilizan constantemente los servicios de datos al estar permanentemente conectados a la red Internet, para intercambio de señalización, descarga de aplicaciones y uso de redes sociales, entre otras muchas aplicaciones de datos. Esto, en sí mismo, es un problema importante a la hora de facturación móvil cuando un usuario se encuentra en roaming en una red LTE, ya que un dispositivo LTE adquiere una dirección IP tan pronto como se registra en una red, a diferencia de un dispositivo de 2G o 3G, que sólo lo hace cuando se conecta "en línea". Los sistemas de facturación tradicionalmente cargan en cuanto se produce este registro, lo que puede no ser un gran problema para las redes domésticas ya el éstos puede modificarse para ignorar este registro, pero eso mismo es considerablemente más difícil en las redes visitadas.

Además, hay muchos nuevos elementos de red a tener en cuenta en un entorno LTE, tales como la aplicación de políticas de control, de seguridad y facturación y cobro (PCRF/Policy and Charging Rules Function). No sólo Diameter entra en juego para conectar todos estos elementos, sino que los operadores necesitan apoyar Diameter con un software capaz de realizar el encaminamiento de tráfico y el equilibrio de carga, para asegurarse de que cada mensaje de señalización llega al lugar correcto en el momento adecuado.

Este aumento de tráfico representa otro desafío clave para los operadores, en términos de escala, al pasar a la señalización basada en IP para la itinerancia, ya que tendrán que soportar cientos de miles de conexiones, aunque, como en el caso de las redes 2G y 3G, el problema se está abordando, por ejemplo, mediante la creación de un intercambio de señalización LTE mediante IPX, que actúa como una interconexión simple (una especie de Hub), lo que reduce la complejidad y permite que los operadores de redes móviles se conecten a centenares de otros operadores sin necesidad de mantener una conexión individualizada entre ellos.

Esto podría requerir la contratación de más personal de apoyo para manejar la itinerancia y también exige un cambio de mentalidad, lejos de los tradicionales modelos de SS7, ya que los nuevos sistemas representan un cambio de tecnología y todavía existen ciertas incertidumbres en cuanto a su funcionamiento, debido a que los estándares aún están en evolución. Así pues, la falta de una interoperabilidad universal para el roaming en LTE continúa siendo un problema muy real, pues el valor de una red es directamente proporcional a su alcance.

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