5.RedTx Core

1Planificación y gestión de redes 5. Transmisión y red core

Tema 5

Transmisión y red core


Necesidades de transmisión

Objetivos red de transmisión:

Conectar todos los puntos de interés en la red para proporcionar un servicio fiable, usando microondas (radioenlaces), cable o fibra óptica.

En el conjunto de la red existen diferentes necesidades de transmisión, distintas según el dominio de aplicación:

8. La transmisión en la red de acceso (backhaul): Conexión de estaciones base con el controlador de red o punto hub más cercano a la red (nodo B – RNC – core)

10. La red de transmisión core.


Necesidades de transmisión

La red de acceso se conecta al core por un backbone que puede usar cualquier tecnología de transporte.

•IP sobre ATM: El backbone es un conjunto de nodos para el enrutamiento IP, switches ATM interconectados por enlaces.

• Estructura adecuada para servicios de paquetes y circuitos.

• IP sobre anillos SDH o IP sobre MPLS pueden ser otras soluciones que eliminan ATM para algunos suministradores

En UMTS R99, la combinación más habitual es IP sobre ATM


Proceso del plan de transmisión Output del

dimensionamiento de acceso: Plan de cobertura, Plan de capacidad

1) Plan de marketing y demanda de clientes

2) Regulación, competencia, tecnología, condicionantes internos, factores humanos/sociales…)

Core dimensioning

En la fase de despliegue

En la fase de despliegue, no de planificación


Objetivos del plan de transmisión• En acceso,

– Si tasas de datos mayores o aumento del número de usuarios => disminuye la cobertura.

– En transmisión, este efecto tiene un impacto en la capacidad a reservar.• Decidido el número de estaciones, se dimensionan los interfaces RAN entre:

– BS y RNC (Iub)– RNC y CN (Iu-cs si RNC-MSC, Iu-ps si RNC-SGSN)– RNC y RNC (Iur)


Iub

Relación nodos – interfaces – tecnología (caso PS)

Distintas soluciones de capa física: cable (coaxial, fibra) o wireless (enlaces

microondas), sobre las que se emplean distintos tipos de jerarquías (PDH, SDH) que acomodan distintas portadoras (E1, STM1,

STM16…)

AAL5 en Iu-PS (servicios menos sensibles a retardos)

IFU: Interface Unit: Adaptación al interfaz. Dependiendo del tipo de tecnología de transmisión, variará la configuración (E1/SMT-1, PDH, SDH…)

Switching&Multiplexing: si el backbone de WCDMA es ATM, será la unidad que de soporte al tráfico ATM, la conmutación de celdas, la multiplexación de tráfico…

RNC a nivel físico

Iu-PS

Iur

O&M


Jerarquías digitales: PDHPDH : Plesiochronous Digital Hierarchy

•Multiplexación en el tiempo de señales de datos provenientes de diferentes fuentes.

•La jerarquía permite en establecimiento de flujos de información de distintosanchos de banda en orden creciente: PDH se basa en canales de 64 kbps y en cada nivel de multiplexación se van aumentando el número de canales sobre el medio físico (ya sea coaxial, radio o microondas). También puede enviarse sobre fibra óptica, aunque no está diseñado para ello y suele usarse en este caso SDH

•3 sistemas: Americano, Europeo y Japones.

Norteamérica Europa JapónNivel Circuitos Mbit/s Denominación Circuitos Mbit/s Denominación Circuitos Mbit/s Denominación

1 24 1,544 (T1) 30 2,048 (E1) 24 1,544 (J1)2 96 6,312 (T2) 120 8,448 (E2) 96 6,312 (J2)3 672 44,736 (T3) 480 34,368 (E3) 480 32,064 (J3)4 2016 274,176 (T4) 1920 139,264 (E4) 1440 97,728 (J4)

•En PDH, no se suele pasar de 140 Mbps (nivel estandarizado) cambio a SDH

• PDH más adecuada que SDH para la red de acceso, topologías de malla o estrella.

E4

E3

E2

E1


PDH. Jerarquía Europea

El primer nivel jerárquico, es un flujo de datos de 2,048 Mbps (“2 megas”).

• Un flujo PDH E1 son 30 canales de voz a 64kbps más otros 2 canales (señalización y sincronización) •La velocidad del flujo de datos 2 megas es controlada por un reloj en el equipo que la genera.

•Cuatro líneas E1 se agrupan para formar una E2, con caudal de 8,448 Mb/s, ligeramente superior a la suma de los cuatro E1 (2,048 Mb/s * 4 = 8,192 Mb/s) debido a la información de entramado y sincronización (se entrelaza un bit de cada flujo). A su vez cuatro líneas E2 forman una E3 (34,368 Mb/s), la multiplexación de 4 E3 forman un E4 y la multiplexación de 4 flujos E4 de 140 megas, un flujo de 565 Mbits (no normalizado).

• En estas velocidades por encima del nivel E4 (más asociadas a la fibra óptica), se suele sustituir por tecnología SDH (mayor capacidad de transmisión y mejores condiciones de O&M)•La multiplexación de varias varias tramas de nivel, al llevar cada una su propio sincronismo, obliga a sincronizarlas => bits de relleno.


Jerarquías digitales. SDH (I)SDH : Sincronous Digital Hierarchy

•Tecnología para el transporte de señales digitales en medios de altos BW (fibra, enlaces microondas…) -> de 155’52 Mbps hasta 40 Gbps.

• Más moderna que PDH, permite niveles superiores de encapsulación (cada trama va encapsulada en una estructura “contenedor”, a la que se añaden cabeceras de control para identifican el contenido de la estructura. La utilización de punteros permite una localización de las señales tributarias dentro de la estructura SDH.

•La información entre los distintos elementos de la red se transmite de un modo síncrono perfecto (evita la complejidad de PDH para evitar los desfases de los tributarios)

•Es fácil añadir/quitar canales de tasa baja del stream general (sin desmontar la estructura, como en PDH).

•Facilidad de interconexión con otros sistemas. Interfaces SDH globalmente estandarizados.

•En SDH, a partir de 155,52 Mbps

•Más eficiente en el empleo del throughput para información.

• SDH más adecuada que PDH para la red troncal, topologías de anillo.


Jerarquías digitales. SDH (II)•SDH es un sistema TDM donde el ancho de banda total de la fibra se considera como si fuera un canal. •La estructura de trama de un STM-1 viene dada por:

•Las primeras 9 columnas son overhead (de sección, generadas al comienzo de cada sección; de línea, generadas al comienzo de cada línea).

•Sección: tramo de fibra entre 2 dispositivos, sin multiplexores/repetidores entre ellos.•Línea: tramo de fibra entre 2 multiplexores (con posibles repetidores entre medias)

•En este overhead se ubican los punteros que marcan dentro de la zona de carga útil la posición decomienzo de las diferentes informaciones multiplexadas (que se transportan en contenedores virtuales que pueden empezar en una trama y acabar en la siguiente, “flotan” en la carga útil).

• Un E4 PDH puede ir dentro de un contenedor virtual y dentro de una estructura STM1 (aunque sea “flotando” entre dos tramas STM1)

Estructura de 2 tramas STM1

•La multiplexación se hace byte a byte

•Multiplexar E4 en STM1 o, más recomendado, 63 E1 en un STM1.

•En STM1: Si canales telefónicos muestreados a 64 kbps y a 8 bpm ->Fmuestreo es de 8 kHz ->• 9 filas x 270 columnas x 8 bits/byte / 125 μs = 155,520 Mbps


SDH en transmisión de acceso•El tráfico/nodo se puede cursar normalmente con enlaces de 2Mbps PDH.

•Si el tráfico promedio sufriera un crecimiento acelerado por el uso de los datos (ej: HSDPA y evolución), el acceso tendería a sistemas de transporte más flexibles SDH y que permitieran la ampliación sin limitaciones STM1 ->STM4 ->STM16

Análisis aumento de capacidad vs. aumento del coste en la transmisión

Estructura típica en la red: en segmentos de alta densidad, agregar varias líneas E1 y utilizar la tecnología SDH el transporte sobre líneas STM-1.


ATM: Asynchronous Transfer Mode• ATM es una técnica de transferencia rápida de información binaria (asíncrona) de

cualquier naturaleza, basada en la transmisión de células de longitud fija.• ¿Ventaja de ser asíncrona? Evita, si la información fuera directamente sobre E1

(por ejemplo), que se espere información de una fuente concreta en un momento dado, con una ordenación fija.

• Tecnología sobre tramas PDH y/o sobre redes síncronas (contenedores SDH).

• El canal de transmisión se comparte entre distintas conexiones. Se divide en intervalos de tiempo iguales (1 intervalo - 1 célula)

– Los intervalos no están asignados de forma exclusiva a una conexión, se transmite según la necesidad de cada conexión (según el servicio que envíe información).

• Divide la información que tiene que transmitirse en paquetes de tamaño fijo, estos paquetes se denominan células y tienen un tamaño de 53 octetos, 48 de datos y 5 de cabecera.

Una de sus aplicaciones más frecuentes ha sido en redes IP a las que se quiere dotar de calidad de servicio.

Planificación y gestión de redes 5. Transmisión y red core

Características ATM• Antes de establecer una conexión se especifican las características del servicio que se espera

obtener (QoS)• Las Celdas se enrutan a través de switches ATM, mediante identificadores de conexión• Se identifica a qué conexión pertenece cada célula y todas las de esa conexión se envían por el

mismo camino => tecnología orientada a la conexión, aunque se trate de transferencia de paquetes => las conexiones virtuales extremo a extremo (virtual channel) se establecen antes de la transmisión de datos.

• En rx, se extrae la información byte a byte de las celdas entrantes y se envían según la cabecera (equipo terminal u otro módulo ATM)

Célula (53 bytes) =5bytes+48 bytes


ATM: celdas, circuitos virtuales, caminos virtuales

-Secuencia de celdas de un servicio o destino: virtual channel (VC) -> orientado a conexión, no se reordenan las celdas.

-Agrupación de VC que comparten enlace => virtual path (VP, camino fijo que sigue las celdas entre 2 enrutadores ATM).

-Enrutamiento basado en identificadores (VPI y VCI) => Funcionalidad principal de las cabeceras: identificar las celdas que pertenecen a la misma conexión virtual para que puedan ser encaminada correctamente

-Al establecer la comunicación (calidad de servicio deseada, destino final), se busca el camino virtual (según las tablas de encaminamiento) que van a seguir las celdas y se reservan los recursos necesarios para garantizar esa QoS.


Niveles ATM

AAL1 AAL2AAL3/4

AAL5

ATM adaptation layer: El subnivel de adaptación AAL trata de que los niveles superiores olviden que por debajo tienen una red ATM. Hay distintos protocolos AAL según la calidad de servicio a proporcionar (información de nivel superior) => virtual path separados.

•AAL1: Servicios de voz, audio, video con CBR (constant bit rate, orientado a conexión y sin retx) => minimiza las cabeceras para reducir los retrasos.

•AAL2: Información de tasa variable, aplicaciones síncronas.

•AAL 3/4: VBR (variable bit rate), tráfico asíncrono. Permite la multiplexación (el mismo canal virtual para tráfico de varias sesiones)

•AAL5: Igual que AAL 3/4, pero diseñado para usarse bajo TCP/IP (simplifica las cabeceras, y emplea menos redundancia)


Detalle AAL2, AAL5

AAL2 permite multiplexar tráfico de distintos usuarios en un circuito virtual CV. Estandarizado para transmitir eficientemente tramas de tasas variables con retardo limitado (aplica en modo circuito).

AAL5, adecuado para señalización y datos TCP/IP, minimiza el volumen de cabeceras.

En R99, se emplea AAL2 en Iub, Iu-cs e Iur (transporte eficiente de flujos de datos en modo circuito), y AAL5 en Iu-ps para llevar el tráfico de los túneles IP.


IP con transporte ATM

IPIPIP

UE RNC SGSN GGSN Server/Proxy

Protocolos de

aplicación

TCP/UDP

IP

Protocolos de

aplicación

TCP/UDP

Protocolos de capas

L1+L2 para acceso

Túnel GTP Ethernet, ATM, MPLS

Fibra, cable, SDH, sonet, DWDM

Router IP Router IP

Otra alternativa que se baraja como mecanismo de transporte, para substituir a ATM, es MPLS (siglas de Multiprotocol Label Switching, creado por IETF).

•Entre la capa de enlace y la capa de red del modelo

• Diseñado para unificar el servicio de transporte de datos de redes mixtas CS+PS

• Simula “circuitos virtuales” en IP

• Independiente de capa 2 y capa 3.

• Soporta IP, ATM, frame relay => útil para redes implantadas con mezcla de tecnologías

• Evita el mantenimiento/gestión de 2 redes paralelas (IP y ATM)


Incremento de capacidad en interfaces: Iub

Plano usuario CS

Plano usuario PS

Conecta BTS y RNC, y lleva tráfico de datos CS y PS

•Overhead de protocolos: Canales de datos en el interfaz aire se acaban segmentando en paquetes AAL2. Las miniceldas se transportan en celdas ATM, que se mapean en el interfaz físico (microondas/fibra/cable). Los datos pasan a través de las capas => aumento de la capacidad debido a las cabeceras.

•El softHO incrementa la capacidad necesaria (casi 40%)

•En el caso de las comunicaciones de paquetes (PS), las retransmisiones y buffering incrementan los requerimientos de capacidad: El sistema retransmite los datos al usuario UE si en la primera tx hubo errores.

•Intercambio de señalización (aumento de capacidad entre 1-10%)


Incremento de capacidad en interfaces: Iu

Plano usuario CS

Plano usuario PS

Diferencias entre Iu-CS y Iu-PS:

•Como las conexiones terminan en la RNC, no afecta el SHO (al contrario que en Iub).

•Señalización más baja que en interfaz Iub (entorno 1-2% en Iu-CS e Iu-PS)

•Probabilidad de bloqueo, si aplica, más baja que en interfaz aire (0.1%)

•Overhead Iu-PS. Varía respecto Iu-CS:

•Datos enrutados al SGSN por protocolo GTP (más UDP e IP encapsulado, sobre AAL5 y ATM).

•Cabeceras de GTP, UDP, IP y AAL5 (ATM) principalmente, incrementan el overhead en Iu-PS


Causas del incremento de señalizaciónTres categorías:1) Por transporte: Establecer y liberar conexiones del subnivel ATM para las comunicaciones en el plano

de usuario (Iub, Iu, Iur) -> directamente proporcional a las conexiones establecidas. 2) Señalización WCDMA: Necesaria en la red para la comunicación entre nodos (estaciones base, RNCs,

SGSN, MSC).• En Iub: Protocolo NBAP (operación lógica y mantenimiento de los nodos: configuración de celda,

reporte de medidas, control del acceso aleatorio, liberar y reconfigurar los enlaces, controlar canales dedicados y compartidos…)

• En Iur: Protocolo RNSAP (señalización entre 2 RNCs cuando comunicaciones compartidas)• En Iu: Protocolo RANAP (reportes de localización, handovers…)3) Señalización entre RNC y usuario: Buena parte de los canales lógicos de control: canal de broadcast

(BCCH), canal de paging (PCCH), canal de control dedicado (DCCH), canal de control común (CCCH)


Topologías – punto a punto• El dimensionamiento de enlaces/interfaces va ligado a la topología de red que se

defina.• Seleccionar una topología adecuada repercute directamente en ahorro de costes.• Algunos ejemplos de topologías frecuentes:

1) Topologías punto a punto

RNC

Ventaja:•Fácil de planificar e implementar.•Útil para nodos que por su ubicación y características no pueden incorporarse a otras topologías.•Aparece en las primeras fases de los despliegues de red (implementación fácil)

Inconveniente:•La capacidad no se aprovecha completamente.•Es caro implementar protección


Topologías – en estrella

2) Topología en estrella

Ventaja:•Fácil despliegue•La capacidad de los enlaces se optimiza (equipos intermedios de cross-conexión)

Desventaja:• Los fallos en puntos de la cadena próximos a la RNC pueden ser críticos (alto volumen de tráfico perdido)

RNC


Topologías – en cadena

3) Topología de cadena

RNC

Sólo algunos de los sites se conectan directamente a la RNC

•Los más cercanos.•Los que no se pueden conectar a sites vecinos por localización o por carga máxima.

Ventaja:•Mejora el aprovechamiento de la capacidad de los enlaces de transmisión.

Desventaja:• Las deficiencia/caída de los enlaces en la cadena pueden provocar elevadas pérdidas de información (especialmente en las proximidades de la RNC)•Vulnerabilidad de los últimos enlaces.


Topologías – en bucle

4) Topología de bucle

RNC

Ventaja:•Mayor protección: Mejora la disponibilidad al abrir caminos alternativos a caídas/problemas en los enlaces o nodos.

Desventaja:• Es necesario planificar enlaces adicionales y/o mayor capacidad en los enlaces existentes.


Soluciones de red – infraestructura UTRAN transmisión (I)

En el despliegue de estas redes inalámbricas, hay 2 escenarios tradicionales:1) Líneas alquiladas2) Sistemas punto a punto (radioenlaces – microondas).

En redes extensas, es frecuente una combinación de los dos.

1) Líneas alquiladas (privadas/dedicadas, cableadas):

• Privadas o dedicadas• Redes cableadas (cable o fibra) • Velocidades desde E1 (2.048 Mbps) a STM-N•Dependiendo del país, las tasas, el operador, la ubicación geográfica… los alquileres varían.

• Como valor orientativo, rentas anuales para 2Mbps y una distancia de 2km en alquiler nacional, puede suponer varios miles de euros anuales.


Soluciones de red – infraestructura UTRAN transmisión (II)

2) Soluciones punto a punto

• Radioenlaces: Solución flexible y con buena relación coste-efecto

• Operan en frecuencias de microondas (desde 2 GHz hasta 60 GHz) y pueden dar los mismos servicios que se ofrecen sobre redes cableadas ( E1 a varios STM-1).

•Adecuados para soluciones en terrenos difíciles, áreas rurales, centros de ciudades poco accesibles donde una infraestructura de cable es inviable.

• Los radioenlaces se usan como enlaces entre RNCs-Nodos B, RNCs-core o entre RNCs.

•Su alcance y capacidad dependerá de : banda de frecuencia, potencia de transmisión, ganancia de las antenas (tx y rx) , sensibilidad del receptor y ancho de banda requerido necesario planificarlos.•Desde 1 E1 a varios STM-1. Alcance: 2km- 80km (dependiendo rangos frecuencias y características del enlace)

• SDH en alta capacidad• nxE1 en baja capacidad

Distintos tipos de torres


Dimensionado RNCComo ya se había comentado en el tema anterior: El dimensionamiento de RNC proporciona el número de RNCs necesario para soportar el tráfico estimado.

Para una distribución de carga uniforme, de los planes de capacidad y cobertura podíamos obtener (tema 4):

• Máximo número de celdas. (con margen sobre la máxima capacidad)• Máximo número de sites que pueden conectarse a una RNC (con margen)

Conocida la transmisión, podemos evaluar 2 nuevos parámetros:

• Máximo throughput en interfaz Iub

#RNCs= usuarios * (TráficoVoz + TráficoDatosCS + TráficoDatosPS)/ (Máx_Tráfico_RNC * margen)

• Cantidad y tipo de interfaces conectados (STM-1, E1).


Objetivo del dimensionamiento coreDiseño de alto nivel del backbone de red:

•Decisión sobre el número y localizaciones de los SGSNs/GGSNs y MSC, en base al tráfico esperado y la distribución del mismo, la capacidad de gestionarlo, el volumen de usuarios soportado y/o los requerimientos de interfaces externos…

• Selección de la tecnología de transporte adecuada para interconectar los nodos, y la topología de red.

Gn Gi


Planificaciones adicionalesDespués del dimensionamiento de la red core, otros aspectos a considerar previos a la puesta en marcha de la red son:

• Plan de numeración /direccionamiento IP• Enrutamiento e interconectividad• Planificación de la señalización• Sincronismo• Seguridad• Redundancia y plan de QoS.

Ejemplo de enrutamiento en MSCs


Dimensionamiento MSC

Principales consideraciones a tener en cuenta en el dimensionamiento de MSC:

•Número de usuarios.

•Tráfico total CS (erlangs)

•Dimensionamiento Iu-cs/tipo de interfaces de transmisión.

•Posibilidades de expansión.

•Número de RNCs en el área servida


Recordatorio: Gestión de la sesión PS

•GPRS attach: El terminal pasa a estado “connected” y se establece

un “contexto” de movilidad.

•El MS es autenticado y se cifra la comunicación.

•El SGSN adquiere la información del usuario del HLR (se

actualizará VLR y HLR si es una nueva RA)

•Establecimiento de contexto: Para enviar y recibir datos GPRS, la

MS debe establecer una activación de contexto PDP (packet data

protocol context), a nivel de red.

•“Establecer un contexto PDP” hace a la MS conocida para el

GGSN y posibilita la comunicación con redes externas.

•Desde el punto de vista del usuario final, establecer un

contexto PDP es lo mismo que hacer “logging in” en una red

externa.

GPRS attach (GMM)

Establecimiento de contexto PDP (SM)

Transmisión de datos

Terminal estado “connected”

Terminal estado “connected”

UE SGSNAttach request

Attach accept

Attach complete

…


Recordatorio: contextos, APNs…

1. La MS informa a la red de que desea activar un contexto (APN: access point name como “internet.opco.com” y que se

configura en los terminales) : “Activate PDP Context Request”

2. El SGSN comprueba que el MS puede activar ese tipo de contexto (funciones seguridad SGSN-MS)

3. El SGSN chequea la subscripción de la QoS (HLR), consulta el APN en su DNS y selecciona el GGSN.

4. Envía los paquetes a ese GGSN creando un enlace lógico (túnel).

5 y 6 El GGSN solicita una dirección IP y envía esa dirección al MS a través del SGSN con el que tiene establecido el túnel

(“activate PDP context Accept”)

Una vez establecido el túnel SGSN-GGSN, los paquetes externos se encapsulan con las direcciones origen-destino del túnel (se

ignoran las originales)

UE RNC SGSN GGSN Server HLR

DNS

1

2

3

4

55. (Ip . “pdp address”)

6 (ip- “pdp address”)


Dimensionamiento SGSN/GGSNSGSNLos factores que más limitan la capacidad de un SGSN son:

• Tráfico.• Máximo número de PDP context simultáneos.• Máximo número de usuarios simultáneamente atacheados.

También puede haber limitaciones por los procedimientos de RAU (routing area update) que puede gestionar al mismo tiempo.

Determinar la mejor ubicación geográfica (costes de transmisión /estrategia de despliegue/ coste del equipamiento) Evaluar las necesidades finales de nodos SGSN

GGSN

Principales límites de dimensionamiento GGSN: •Tráfico en interfaz Gn.• Máximo número de PDP context simultáneos.


Tráfico inter-GSN

•SGSN y GGSN conectados a través de interfaz Gn

•El tráfico en el interfaz Gn y entre ambos nodos SGSN y GGSN va a depender de la configuración de los APN.

• Redundancia entre GGSNs.

• Distribución del tráfico según los puntos de salida.

•Si el SGSN y GGSN están colocalizados, pueden conectarse directamente sobre ethernet. Si están remotos, será necesaria la planificación IP/ATM, routers, enlaces…

El resto de los elementos de la red core a configurar e instalar son menos sensibles a las variaciones de demanda y usuarios, aunque sí habría que considerarlos en las inversiones y gastos a estimar en las planificaciones de negocio: HLR, plataformas de tarificación, firewalls (en interfaces Gi, para tarificación y conexiones de gestión)….


Conclusiones

• El dimensionamiento de elementos en la red de acceso impacta en las necesidades de transmisión y red core.

• Para el cálculo de las capacidades en los distintos interfaces y nodos hay que considerar las sobrecargas por señalización, protocolos… que se producen en/entre los elementos considerados.

• No existe una única topología válida, el diseño se debe elegir en función de las características concretas de la distribución de tráfico y usuarios, y por tanto, de las necesidades y capacidades de los elementos de red.

Documents

5.RedTx Core