¿Qué son los Modos, Estados y Transiciones en GSM, UMTS y LTE?

Escrito por leopedrini lunes, 04 de abril de 2016 23:02:00 Categories: Curso LTE UMTS
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Hola amigos. Hoy vamos a hablar de un tema muy importante para los que trabajan con las comunicaciones móviles: cuáles son los diferentes modos y estados que un teléfono móvil puede tener, además de cómo se produce la transición entre cada uno de ellos.

El concepto es simple, pero la gran cantidad de detalles puede terminar haciendo el tema una tarea extensa o compleja. Esto termina causando muchas personas simplemente ni siquiera intenten comprender o incluso ni quieren saber esos detalles.

Sin embargo, la falta de conocimiento de estos puntos clave de la operación (cuando se producen las transiciones, por qué se producen, etc.) afecta a la comprensión de otras áreas de la red móvil, ya que el funcionamiento de toda la red se basa en eso. En realidad, si no comprenden esta base fundamental de la operación, entonces sí es que se corre el riesgo de pensar que todo es demasiado complicado.

Así que vamos a tratar de mostrar de una manera muy simplificada todos los conceptos clave que participan en los modos, los estados y transiciones que un móvil puede tener en una red 2G/3G/4G. Esperamos que para el final de este tutorial todo lo que se muestra en la siguiente figura sea clara para usted.

 

Nota: Este tutorial es un poco largo, y se podría dividir en 'partes'. Sin embargo, decidimos por el mantenimiento del contenido de manera centralizada. Siéntase libre de leer de la manera que prefiera - por partes, a la vez. ¿De acuerdo?

Así que tomemos una respiración profunda, y vamos a empezar.

Nota: Todos los artículos telecomHall están escritos originalmente en Portugués. A continuación se hacen traducciones en Inglés y Español. Como nuestro tiempo es escaso, sólo se producen varios errores de ortografía (que utilizar el traductor automático, y sólo entonces hacer una revisión final). Pedimos disculpas, y contamos con su comprensión de nuestro esfuerzo. Si usted quiere contribuir traduciendo / corregir una de estas lenguas, o incluso uno nuevo, por favor comuníquese con nosotros: contacto.

 

 

 

Modo Off (Dead)

Para demostrar (siempre usando nuestra forma sencilla de ejemplificar) partimos de la manera básica que el móvil puede ser: Off!

En este caso, no tenemos mucho de que hablar, ¿verdad? Cuando el móvil está apagado, no 'parece' a la red. No pierde la batería, no consume recursos de red. En cuanto a la red, no sirve para nada.

Pero sirve al menos para que comencemos a entender los conceptos de hoy: se trata de un 'mode' que el móvil puede tomar!

 

Localización

Ya estamos haciendo una breve parada, antes de seguir adelante: un paréntesis en nuestra conversación. Antes de continuar con los siguientes modos y modes, tenemos que hablar de otro tema importante, estrechamente relacionado con el tema, y que también debe ser bien entendida: la ubicación del móvil, y cómo la red lo ve.

Esto es debido a la ubicación del móvil tiene un papel importante en las formas y especialmente en estados de transición que puede tomar. Hay que recordar, aunque muy rápidamente, algunos conceptos básicos de la ubicación en los sistemas móviles.

La regla general es que cada vez que el móvil detecta que ha cambiado de celda, el realiza un procedimiento para informar a la red su nueva ubicación, es decir, hace una actualización de su posición, indicando sus identificadores de ubicación corrientes en las mensajes específicas.

 

La siguiente figura muestra los diferentes identificadores de ubicación posibles, desde el punto de vista de la RAN (Radio Access Network) y también Core VS (de conmutación de circuitos) y Core PS (de conmutación de paquetes).

 

Por ejemplo, si el móvil se mueve desde la zona de cobertura de la celda 'A' en para la área de cobertura de la celda 'D', se realiza un procedimiento de çell update' e informa a la red que está siendo servido por la celda 'D'.

Esta es la regla general, y procedimientos similares se producen cuando se produzca algún cambio de un área a otra (ya sea una superficie de la celda, son, LAC y RAC).

Por supuesto, la regla anterior no establece todo - todavía hay muchos aspectos y conceptos a tener en cuenta (por ejemplo, la actualización de celda puede ser provocada por otros eventos, no sólo en relación a la ubicación). Pero no es nuestro objetivo hoy, ya que estamos buscando sólo para conocer los modos y estados. Así que vamos a seguir, pero no dude en extender tras el estudio en las áreas que le interesan - sin duda merece la pena.

 

Modo Idle

Así que vamos a seguir conociendo los modos.

El siguiente modo de que el móvil puede tomar es bastante intuitivo: encendido. Pero el nombre de modo tiene no es esto - después de encenderla y en consecuencia llegar a ser percibida por la red, se dice que el móvil está en modo "idle".

En el modo idle, además de ser visto (conocido) por la red, el móvil también viene a ver (saber) la red y luego puede interactuar con ella.

Como tal interacción en el modo idle, el móvil puede 'acampar' en una cierta celda.

 

Incluso sin saber todavía lo que significa el móvil 'acampar' en una celda, podemos decir que cuando en el móvil en modo inactivo lleva una gran cantidad de operaciones, dependiendo por ejemplo de sus tecnologías disponibles (2G, 3G y/o 4G) o red donde está.

Y realmente es mucho lo que sucede. Se puede comprobar en la pantalla, por lo que se enciende el teléfono celular: primero llega un mensaje de que el móvil está buscando en la red. Tan pronto como se encuentra, vienen las barras de antena, seguido de alguna indicación del tipo de tecnología que podría conectar (GSM, HSDPA, LTE, etc.). Y para concluir, el nombre del operador (o cualquier otro mensaje que utiliza como identificación).

En este momento, se dice que el móvil está 'acampado' en una celda de la red.

Entendemos que es 'consciente', tanto para iniciar y recibir una llamada finalizada. No tiene un canal dedicado asignado, y no puede realizar ni recibir llamadas. Lo que debe ser un seguimiento constante de los canales de comunicación disponibles, para saber qué hacer cuando sea el momento adecuado.

En este estado, el móvil no tiene ninguna conexión activa con la red, y cualquier transmisión de datos requerirá un establecimiento (o restablecimiento) de una conexión de control, para sólo entonces empezar a transmitir datos. No transmite casi nada en ese estado (sólo en algunos casos, la información pequeño, sólo para actualizar su área de registro).

Es decir, la radio está 'dormido' la mayor parte del tiempo y sólo se despierta cuando sea necesario - cuando instruyó a participar en cualquier actividad.

En el caso específico de 4G móvil en el modo idle, tiene las actividades de apoyo a la DRX (recepción discontinua), información del sistema (System Information SI) para el acceso, selección de celda y la información de paginación.

Y en el caso específico de 3G móvil en el modo inactivo, permanece escuchando el canal CPICH (canal piloto común) de la celda donde está acampado, y también las celdas vecinas. También escuchando el canal PICH (Indicadores de canal de búsqueda). En este último, busca su 'Paging Indicator' - un valor verdadero o falso que indica si se debe leer el canal de búsqueda. En otras palabras, su ciclo 'DRX idle' (recepción discontinua).

Para entrar en este modo, el móvil se pone en contacto con su PLMN, en busca de una celda adecuada que le puede proporcionar el servicio, y se sintoniza a su canal de control. Como ya se ha mencionado, esta elección o la sintonía es lo que llamamos "acampar" en la celda - el móvil registrará su presencia en esa zona de registro.

Si el móvil pierde la cobertura de esta celda, se selecciona (búsqueda) una celda más conveniente disponible, y acampa en esa otra - haciendo una nueva selección.

Pero vamos a tomar un momento aquí: aunque la selección y la reselección de celda son conceptos estrechamente relacionados con los modos, los estados y transiciones conceptos, estamos profundizando tanto un tema que no es el objetivo principal en la actualidad. Volvamos al modo idle, en general. Si es así, y si hay interés, se habla más específicamente sobre este u otros temas en otro tutorial.

Volviendo (y resumiendo) entonces el objetivo del campamento móvil en una celda en el modo inactivo es que puede recibir información de la red. Para las llamadas originadas por el mismo, ya se inicia la llamada en el canal de control correspondiente, de la de la celda que está acampada. Y en el caso de las llamadas terminadas, la red conoce previamente su información de ubicación, y en el que el área es, a continuación, envía un mensaje de 'paging' para ello en los canales de control de esta área de registro, desde donde contesta.

Si buscamos el significado directo de idle, nos encontramos con algo así como 'no hacer nada'. Pero no es exactamente lo que sucede. Además de los procedimientos iniciales descritos anteriormente (procedimiento de encendido), el móvil sigue llevando a cabo muchas otras actividades.

 

Modo avión

Aunque no se ilustra en la figura anterior, el acto de encender (encendido) no es el único que lleva el móvil en el modo idle. El móvil puede entrar en el modo idle también cuando desactivamos su modo 'avión'.

 

Este es un modo muy particular, y en términos de la red, podemos considerar el acto de poner el móvil en modo avión como 'apagar la red'. Del mismo modo, desactivar el modo avión es equivalente a 'conectarse a la red'.

Modo avión, como su nombre indica, se originó debido a la prohibición del uso de teléfonos móviles inalámbricos en los aviones. El "problema" en realidad se refiere únicamente a la utilización de dispositivos de radiofrecuencia. Por lo tanto, se ha creado la opción de activar "off" sólo la parte de radio del dispositivo, dejando libres a los usuarios utilizar otras funciones, tales como juegos y herramientas como editores de texto y hojas de cálculo.

Y, por supuesto, no es necesario estar en un avión para utilizar este modo. Modo avión puede utilizarse siempre que existe la necesidad de "desactivar"/"activar" los radios de los dispositivos - sin tener que esperar a que un reinicio completo.

Cuando el móvil está encendido (o cuando el Modo avión está apagado), se entra en el modo que ya sabemos: modo Idle.

Vamos a seguir para conocer otro modo de que el móvil puede tomar.

A menos que haga (por ejemplo, llamar a alguien) o reciba una llamada de voz, o haga o reciba una llamada de datos (por ejemplo, navegar por una página web), permanecerá en el modo idle.

Pero si entra una llamada, entonces todo cambia. El móvil cambia al modo conocido como modo Conectado.

 

Modo Conectado

De acuerdo, hasta ahora entendemos cómo el móvil entra en modo ilde, y también que, aunque el nombre no indica que es un modo muy importante, donde suceden muchas cosas.

Sin embargo, la meta de cada móvil es para transferir datos en forma de llamadas, ya sea de voz o datos. Y cuando el móvil es una de estas llamadas, se dice que está en modo conectado!

A diferencia del modo ilde, en el que podemos hacer casi las mismas consideraciones para las tecnologías 2G, 3G y 4G, las consideraciones en el modo conectado son diferentes para cada uno.

El hecho de que es común a todos es que cuando el móvil necesita iniciar la comunicación, necesita establecer una conexión de control y, a continuación una conexión que permite que la información de tráfico.

En el caso de 3G y 4G: cuando el móvil inicia una llamada, primero envía una petición para establecer una conexión de señalización. A continuación, se inicia entonces el establecimiento de conexión RRC (Control de Recursos de Radio). Cuando se establece la conexión RRC, el móvil entra en el modo Conectado.

Nota: En el caso de 2G, la idea es la misma, pero tenemos algunos otros conceptos. Como nuestro tutorial debe ser un poco largo, debido al número de conceptos que se tratarán, y debido a que la transición de los estados 2G requiere una pequeña explicación más (conceptos solamente 2G), vamos a dejar estas explicaciones detalladas para otro tutorial si hay interés de nuestros lectores. En cualquier caso, aunque no se explica aquí, las transiciones de estado 2G permanecen representados en la imagen completa.

En un primer momento, se nos lleva a entender el modo conectado simplemente como el 'contrario' del modo ilde. Por desgracia, la situación no es tan simple.

Hoy en día, está aumentando el número de teléfonos inteligentes en el mercado, cuyo beneficio adicional fue mayor adopción (masa) de uso de datos. En realidad este uso ha sido muy grande, y está creciendo más grande cada día.

Sin embargo, trajo un reto sobre cómo apoyar esta 'tsunami' de señalización que tal uso masivo de datos requiere.

Los ahora muchos usuarios quieren que todos sean conectados al mismo tiempo, en muchos tipos diferentes de aplicaciones.

Por varias razones y mecanismos, cada uno de estos teléfonos inteligentes periódicamente activa y desactiva sus conexiones.

Mientras que el objetivo es que el usuario tiene la percepción de siempre conectado, la cantidad de señalización hace que esta misión casi imposible.

Afortunadamente, para minimizar este problema se crearon diferentes 'estados' en modo conectado!

Aunque este tutorial están buscando en general a comprender los modos de funcionamiento del estado y móviles en una red, los modos de UTRAN (UMTS 3G) y E-UTRAN (4G LTE) tienen algunos estados y conceptos más específicos. Por lo tanto vamos a proceder, pero hablando por separado en cada uno de ellos.

 

Modo Conectado 3G

Cuando un móvil 3G está en modo conectado, su nivel de conexión con la UTRAN está determinada por los requisitos de QoS de la RAB activa, y las características del tráfico.

Los desafíos en UMTS para mantener una gran cantidad de usuarios conectados llevó a mecanismos e implementaciones que buscan minimizar este escenario.

Por ejemplo, algunas implementaciones tratan de minimizar el consumo de batería móvil, y otras implementaciones buscan reducir la señalización. La funcionalidad Fast Dormancy (proporcionada por el 3GPP en la Versión 8) también tiene un mecanismo para hacer frente a este reto. Otras características aún no se ha desarrollado y mejorado hasta hoy.

Irónicamente, los sistemas UMTS se han desarrollado para satisfacer la creciente demanda de multimedia (datos) visto hace años. Como se pensaba en un crecimiento muy grande de datos, el sistema ha sido diseñado de una manera eficiente para el transporte de estos anchos de banda alta de bits, vídeos, etc. Incluso con un ligero retraso para empezar, el sistema sirvió bien, especialmente en casos de altas tasas.

Pero en los últimos años, la explosión visto de los datos era mayor de lo esperado. Los teléfonos inteligentes con planes de datos ilimitados cada vez más baratos y asequibles extendido hasta los usuarios de prepago, explosión de todos los tipos de aplicaciones - especialmente las aplicaciones que utilizan pequeños volúmenes de datos periódicos con actualizaciones frecuentes.

Las nuevas aplicaciones han surgido o se han vuelto más usados, tales como redes de mensajería y Social (WhatsApp, Twitter, Facebook), carteras de acciones, sincronismo de correo/Calendario/Contactos/RSS.

Mientras que el sistema UMTS permite, no está diseñado para esto: enviar y recibir cantidades muy pequeñas de datos, a menudo menos de 1 kB.

Cada uno de estos mensajes necesita una conexión con toda la carga de señalización asociada!

Muchos operadores móviles mantienen un canal de energía más alta para un periodo de tiempo más largo cuando se imagina que va a transmitir o recibir más datos en un futuro próximo. Pero esto termina gastando más de la batería y sacrificar los recursos que podrían estar en uso por otro usuario.

Para ayudar a mejorar este problema 3G móvil que está en modo conectado, están los estados: CELL_DCH, CELL_FACH, CELL_PCH y URA_PCH.

 

Vamos a conocer cada uno de ellos, y para facilitar la comprensión, vamos a hacer una clasificación de acuerdo con los elementos:

  • Canal: canales que el móvil usa en este estado están dedicados o compartidos?
  • El conocimiento por la red: la red sabe dónde está el móvil se encuentra en el nivel celda o en un nivel de URA?
  • Las transferencias de datos: el volumen de datos a transmitir es grande o pequeño?
  • Transiciones: cuando termine la descarga, o termina un determinado tiempo, a donde va a ir el móvil?

A partir de las clasificaciones anteriores, el que tal vez no entiende bien es el canal dedicado o compartido. Una manera de entender la diferencia entre el canal dedicado y compartido está haciendo una analogía.

Piense en canales dedicados para habitación en un hotel - la atención garantizada e individual para el usuario. El único problema es que, como un hotel, el número de canales - habitaciones - es limitada. De todos modos, el hotel siempre tratan de proporcionar el servicio de la mejor manera posible - así como la red.

Siguiendo la misma analogía, canales compartidos serían una sala de conferencias - sirve a muchas más personas, pero no de la misma manera sirve a las habitaciones.

Vamos a hablar de cada uno de estos estados, tratando de hacer que las citadas calificaciones.

 

Estado CELL_DCH (UTRAN)

Si hay un estado que es el modo de conexión 3G, este estado es CELL_DCH.

 

Canal Dedicado. Como el nombre del estado indica, el CELL_DCH (DCH: Dedicated Channel) utiliza un canal dedicado al servicio móvil en el Uplink y Downlink.

En el estado CELL_DCH móvil está en modo conectado, y utiliza un canal dedicado R99 o un HS-DSCH compartido (Downlink Shared Channel de alta velocidad) y/o E-DSCH (Enhanced Dedicated Physical Channel).

Conocido a nivel de la celda. También podemos sentir por el nombre que la red sabe que el móvil se encuentra en el nivel de celda (de acuerdo con el actual conjunto activo).

Transferencias de grandes volúmenes de datos. Cuando el móvil necesita transferir grandes volúmenes de datos, este es el estado ideal.

Pero, como sabemos el escenario ha cambiado con la adopción de aplicaciones cada vez más comunes que requieren pequeñas transferencias de datos periódicos. Y si usamos los recursos limitados de CELL_DCH a los regímenes de establecimientos y establecimientos, inevitablemente, el sistema se derrumbaría. En nuestra analogía con habitaciones de hotel, no habría ninguna habitación para todo el mundo!

La solución es crear un estado auxiliar que apoya la demanda adicional. Y eso significa que el uso de canales compartidos, que definen el estado que veremos a continuación, el CELL_FACH.

Las transiciones a idle o CELL_FACH (o estados PCH, como veremos en breve) Cuando el móvil termina la transferencia, puede volver al modo (liberar la conexión RRC) idle, o cambiar al estado CELL_FACH (si en un tampón de una cantidad de datos a transferir más pequeño que un cierto umbral - o otras palabras, si hay poco volumen de datos a transferir).

 

Estado CELL_FACH (UTRAN)

Canal Compartido. El estado CELL_FACH mantiene el móvil en modo Conectado, sólo que en lugar de canal físico dedicado, el móvil usa canales compartidos.

 

En comparación con la analogía del canal dedicado para habitación en un hotel, el canal compartido sería la sala de conferencias de este hotel.

Transferencia pequeños volúmenes de datos. Esto hace que este estado ideal para la transmisión y recepción de paquetes de datos pequeños:

  • En el enlace ascendente se utiliza el canal RACH (Canal de Acceso Aleatorio): el móvil está transmitiendo constantemente mensajes RACH.
  • Para el enlace descendente se utiliza el canal FACH (Canal de Acceso Delantero): el móvil está decodificando constantemente el canal FACH.

 

Conocido a nivel de celda. En el estado CELL_FACH, la red también sabe dónde está el móvil que se encuentra en el nivel celda (la celda donde el móvil ha hecho la última 'Cell Update').

Las transiciones a idle o Cell_DCH (o estados PCH, como veremos en breve). Cuando el móvil ha terminado de transferir en el CELL_FACH, puede volver al modo (liberar la conexión RRC) idle, o cambiar al estado CELL_DCH (si en un tampón de una cantidad de datos a transferir mayor que un cierto umbral establecido - o es decir, si hay un gran volumen de datos a transferir).

Pero incluso con la ayuda de CELL_DCH y CELL_FACH (habitaciones de hotel, además de la sala de conferencias), la capacidad de red puede no ser suficiente. Además, si las opciones de salida de estos estados tras el final de la transferencia son sólo el el modo idle, tendríamos peor el problema cada vez mayor de señalización (restableciendo las conexiones).

Pero entonces ¿cuál es la solución para aquellos casos en los que ya está ocupado? En el caso del hotel: obtener el nombre y darle una contraseña para cada usuario por encima del límite, y llamar a ellos tan pronto como sea posible / necesario.

En el caso de la red 3G para minimizar este problema, están los estados PCH (CELL_PCH y URA_PCH). Son estados en los que el móvil puede ser transferida, y no perder su conexión RRC (que fueron llamados y consiguieron una contraseña).

Pero, por ahora, no pueden aprovechar los servicios del hotel (envío o recepción de datos). Sólo pueden estar enterado, y cuando sea necesario / apropiado, obtener el servicio.

Vamos a conocer los estados PCH?

 

Estado CELL_PCH (UTRAN)

El estado CELL_PCH es uno de los estados PCH, un modo conectado, de manera que el móvil puede tener y tiene algunas características interesantes. Empezando por el nombre: PCH se refiere al Paging.

Aunque no es el mismo que el estado idle, este estado se asemeja mucho al comportamiento de esa manera, especialmente el punto de vista móvil. La gran diferencia aquí es que la conexión de control (RRC) no se pierde (aunque el móvil utiliza raramente).

 

Siempre que el móvil acampa en una nueva celda el informa a la red ('cell update'). Recuerde que en estado idle, el móvil informa a la red sólo cuando hay un cambio en LA - Zona de Localización o RA - Área de Encaminamiento; es decir, en este estado tenemos más actualizaciones a medida que estamos en el nivel de celda.

Pero en este estado, como en Idle, el móvil no hace transferencia de datos. Y cada vez que el móvil necesita enviar el mensaje de çell update', el móvil necesita cambiar temporalmente al estado CELL_FACH.

El móvil mantiene escuchando los mismos canales que en modo idle - utiliza DRX para monitorizar el canal PCH seleccionado a través del PICH asociado. El radio permanece inactivo la mayor parte del tiempo y sólo se despierta en el ciclo de DRX del estado CELL_PCH (Nota: el ciclo de DRX del estado CELL_PCH es diferente del ciclo de DRX del modo idle).

Como se ha mencionado, la conexión de control se mantiene, entonces cualquier nueva transmisión de datos puede llevarse a cabo más rápidamente y con mucho menos señalización, ya que es para enviar solamente los datos que están presentes.

En este estado no hay ninguna actividad de downlink: cada vez que el móvil necesita transmitir o recibir, se va al estado CELL_FACH.

Conocido a nivel de celda. En el estado CELL_PCH, la red sabe dónde está el móvil que se encuentra en el nivel de celda (la celda donde el móvil ha hecho el último 'cell update'). El recordar: el 'cell update' se realiza en el estado CELL_FACH.

No hay transferencias de datos. Los únicos objetivo de este estado son:

  • Ahorrar energía (usando ciclo de DRX similar al modo idle)
  • Permitir el acceso rápido a la red, ya que la red sabe exactamente qué celda para enviar el paging y porque no hay necesidad de crear nueva conexión RRC.

Transiciones a Idle o CELL_FACH. Si después de un cierto tiempo, continuar sin transferencia de datos, el móvil se libera. De lo contrario, el vá al estado CELL_FACH (se está transfiriendo datos).

 

Estado URA_PCH ​(UTRAN)

El cuarto y último estado (URA_PCH) es prácticamente idéntico al estado CELL_PCH. La única diferencia es que los 'cell update' sólo se envían cuando el móvil cambia URA (Área de Registro UTRAN) en lugar del cambio de celda.

Con esto, el móvil transmite incluso con menos frecuencia que en el estado CELL_PCH (recordando que mantiene la conexión de control activa).

 

Conocido a nivel URA. La red sabe dónde está el móvil en el nivel de URA (Área de Registro UTRAN) de acuerdo con la URA asignado para el móvil durante el último 'URA update' - recordando que la 'URA update', como vimos en el estado CELL_PCH, se hace sólo en el estado CELL_FACH.

No hay transferencias de datos. Por la razón anterior, se recomienda este estado para los móviles que se mueven rápido. Pero continúa con los objetivos similares del estado CELL_PCH:

  • Ahorrar aún más energía;
  • Permitir el acceso rápido a la red, ya que la red conoce la URA a la que enviar los pagings y también porque no hay necesidad de un nuevo establecimiento de conexión RRC.

Transiciones a Idle o CELL_FACH. Si después de un cierto tiempo, continuar sin transferencia de datos, el móvil se libera. De lo contrario, el vá al estado CELL_FACH (se está transfiriendo datos).

 

Comparación entre el modo Idle y Estados PCH (CELL_PCH/URA_PCH)

Después de conocer los estados de paging conectados CELL_PCH y URA_PCH, podemos decir que son equivalentes al modo idle?

No. Recuerda que en el modo idle, no tenemos ninguna conexión RRC establecida, al contrario que en el CELL_PCH y URA_PCH, donde todavía existe esta conexión.

Es importante que no se debe confundir con el hecho de que en el modo Idle y los estados CELL_PCH y URA_PCH el móvil no tiene ningún recurso de radio asignado! Por esta razón, no se puede iniciar ningún tipo de transferencia de datos en canales dedicados y comunes. Esto es verdad.

Pero hay una gran diferencia cuando el móvil intenta iniciar la comunicación con la red.

En el modo idle, el móvil tiene que enviar una petición de conexión RRC (a través del RACH). En el CELL_PCH o URA_PCH el móvil se mueve a CELL_FACH, y ya envía un mensaje tal como çell update', y está listo para la comunicación - no tiene que volver a establecer la conexión de señalización, y luego la conexión RRC de nuevo.

Por lo tanto la obtención del servicio de red es más eficiente.

 

Batería y Señalización

El consumo de batería y el aumento de la señalización y las interferencias en la red están directamente relacionadas con algún tipo de configuración de parámetros de transiciones de estado, tales como temporizadores y otros ajustes.

Pero para entender realmente cómo funciona todo, necesitamos saber alguna información auxiliar.

Veamos algunos de los datos que influyen en la reducción del consumo de batería móvil, y la señalización reducida.

Teniendo en cuenta los modos visto hasta ahora, podemos comparar el consumo de batería en cada uno de ellos por unidades relativas. Así tenemos que el consumo aproximado de cada modo RRC:

  • OFF = 0
  • Idle = 1
  • CELL_DCH = 100 (o sea, 100 x Idle)
  • CELL_FACH = 40 (o sea, 40 x Idle)
  • CELL_PCH < 2 (en este caso depende de la relación de DRX a idle y la movilidad)
  • URA_PCH ≤ CELL_PCH (en escenarios de movilidad es menor que el consumo en el estado CELL_PCH; en escenarios estáticos ya es el mismo.).

Existe una relación entre el consumo de energía y la eficiencia de la comunicación. Siguiendo la figura nos ayuda a entender mejor esto, ya que muestra los estados de flujo de trabajo UMTS, donde el estado tiene el consumo es más alto está más alta. Recuerde, sin embargo que el consumo no debe ser la única variable a tener en cuenta: cuanto mayor es la energía utilizada por el móvil, de manera más inmediata se produce la comunicación.

 

Si el móvil permanece en el estado CELL_DCH, tiene conexión casi inmediata, y un muy alto rendimiento. Sólo que consume la batería 100 veces más que en el el modo idle.

Si se mantiene en el estado CELL_FACH, el tiene un rendimiento más bajo, pero con 40% del consumo de CELL_DCH.

Si se mantiene en el estado de paging (CELL_PCH o URA_PCH), el consumo es casi el mismo que en el modo idle. La ventaja es que tanto mantiene la conexión de control, a saber, la comunicación se reanuda más rápido que en el modo de espera.

Lo que el modo inactivo es bueno en relación a esto (consumo de la batería en comparación con la eficiencia de la comunicación) es que el consumo de la batería es mínimo, ya que la carga producida en la red también.

De este modo, la red siempre trata de mover los móviles a los estados de energía más altos cuando es necesario para transmitir o recibir, y tan pronto como sea posible, traer de vuelta a estados de energía más bajos cuando no hay suministro de nuevas transmisiones.

Los algoritmos de gestión de recursos de radio (RRM) que toman este tipo de decisiones son implementadas por la red.

Importante: El móvil por sí solo no puede cambiar de un estado a otro, siempre se dirige por la red!

Importante: estamos hablando de consumo de la batería y el aumento de señalización de acuerdo con los ajustes de los parámetros de la red. Hasta el momento nos quedamos cortos, y se podía mover con calma al modo siguiente y final de nuestro tutorial hoy, el modo Conectado 4G. Sin embargo, puesto que tenemos este asunto muy reciente en nuestra mente, y también la dificultad de encontrar documentación específica sobre este tema, vamos a hacer un "extra", y hablar un poco más sobre ello, pero ahora de una manera más detallada. Si lo que desea es conocer los modos y estados, en general, se puede saltar a la última opción (modo Conectado 4G). Sin embargo, si quieres ir un poco más profundo en el estudio de la sinalización 3G, siga leyendo.

 

Batería y señalización x temporizadores y otros ajustes

Vamos a hablar de los temporizadores y los factores desencadenantes que hacen la marcha del móvil de un estado a otro, de modo Conectado 3G.

Hemos visto que cuando el móvil que se encuentra en el estado CELL_DCH, hace la transmisión / recepción de grandes volúmenes de datos. En un determinado momento, no hay nada más para ser transmitidos / recibidos, el móvil detiene la transmisión.

Pero la red no retire inmediatamente el móvil del estado CELL_DCH, ya que puede tener más datos para transmitir / recibir pronto.

Esto tiempo que la red decide mover el móvil del estado CELL_DCH al estado CELL_FACH es muy crítico (recordemos que mientras el móvil que se encuentra en el estado CELL_DCH, mantiene un canal dedicado, o ocupa un lugar en el algoritmo de planificación HSDPA (alta velocidad a paquetes de downlink).

Este tiempo de inactividad se llama informalmente T1, ya que no ha sido estandarizada por el 3GPP, pero es ampliamente utilizado por los fabricantes.

Sólo después de la expiración del tiempo de inactividad establecido para cada estado, es que la red pone el móvil en un estado más apropiado.

En el caso del móvil que está transmitiendo y detine la transmisión en el estado CELL_DCH, empieza a contar un temporizador T1. Después de este período, la RNC envía el móvil al estado CELL_FACH o CELL_PCH.

Ahora, cuando el móvil que se encuentra en el estado CELL_FACH haciendo la transmisión / recepción de pequeñas cantidades de datos (o simplemente porque se ha redireccionado de CELL_DCH), un tiempo similar es utilizado por la red para activar el envío del móvil en una energía más baja estado. También informalmente como el T1, este temporizador se llama T2. El estado de menor energía, donde la red enviará el móvil puede ser el CELL_PCH o URA_PCH, dependiendo de la disponibilidad de estos estados en la red.

Para las redes que soportan CELL_PCH o URA_PCH, todavía tenemos un tercer temporizador, T3. Cuando el móvil está en el estado CELL_PCH durante un cierto tiempo, la RNC dispara la transición a idle.

El propósito de estos tiempos (tiempos transcurridos para las transiciones de estado para empezar) es fácil de entender, si tratamos de responder a la siguiente pregunta: En un conjunto de los móviles, ¿cuál de ellos volverá a enviar o recibir datos antes (qué tan probable es)?

La respuesta es que es más probable que sean los móviles que estaban utilizando los datos más recientemente.

Por esta razón, la red mantiene el móvil en un canal dedicado para unos pocos segundos (T1) antes de enviar a los canales comunes CELL_FACH - puede ser que va a solicitar más datos muy pronto.

Esto funciona bien para algunos tipos de aplicaciones, como por ejemplo un usuario que navega a través de la página en un navegador.

Sin embargo, este algoritmo se está convirtiendo cada vez más insuficientes, debido a la aparición y el uso creciente de aplicaciones que tienen programa de actualización periódica, como se ejemplifica a principios de este tutorial, como las redes sociales o mensajería instantánea (Whatsapp, Twitter, Facebook) Acciones carteras, sincronismo de Correo electrónico/Calendario/Contactos/RSS.

Este tipo de actualización puede ocurrir, por ejemplo cada 2 o 3 minutos.

¿Y qué significa eso? Nos hemos dado tiempo para que el móvil vuelva del estado CELL_DCH al estado idle! Una vez más vamos a tener que volver a establecer la conexión RRC en cada uno de estos cambios; de nuevo conseguir un canal dedicado o compartido. Y todo esto, a menudo para transmitir sólo el 1 kB, con una duración de 1 segundo o menos!

El móvil permanece unos segundos ocupando un canal de alto consumo de energía, el gasto de la batería, desperdiciando recursos de la red o que causan interferencias a otros móviles!

Como podemos ver, se llega a un punto difícil. De hecho, un dilema.

En cuanto al consumo de batería es mejor que el móvil hacia atrás lo más rápido posible al modo idle, justo después de que termine la transmisión. Es decir, se 'conectar' el menor tiempo posible.

En relación con la experiencia del usuario, es mejor que se mantenga el mayor tiempo posible 'conectado'.

El tiempo de transición del modo idle a Cell_DCH (tiempo de activación de RAB) dura aproximadamente 2 segundos.

Cuando se produce la transición de un estado PCH a CELL_FACH, el tiempo de activación del RAB cae a 0,25 segundos. En este caso necesitamos que la red tenga algunos de los estados PCH (CELL_PCH y/o URA_PCH).

Es decir, tenemos una ecuación con varias variables (reducir el consumo de batería, mejorar la experiencia del usuario, la reducción de la señalización y la interferencia) que depende de varios factores (si la red tiene estados PCH, el valor de T1 y T2, el tiempo de activación del RAB, DRX).

Diferentes tipos de optimización se pueden hacer en un intento de alcanzar el mejor posible, de acuerdo con la configuración de la red.

Vamos a tratar de mostrar a continuación algunas de las posibles combinaciones en el gráfico, teniendo en cuenta la transmisión de un pequeño paquete de datos (~ 1 kB), en un tiempo muy corto (~ 1 s), que se muestra en rojo (1).

 

En el eje vertical tenemos el consumo de batería en comparación con el consumo en modo de espera. En el eje horizontal tenemos el tiempo en el que el móvil se encuentra en cada uno de los estados, que a su vez son identificados por colores. Las respectivas áreas representan la energía utilizada.

 

Poniendo las combinaciones claves juntas, tenemos el siguiente gráfico.

 

En el primer ejemplo (1) tenemos el tiempo T1 y T2 (= 10 segundos) altos, en una red que no tiene estados PCH, y por lo tanto siempre tiene un tiempo de activación alta RAB (= 2 segundos).

 

En el siguiente ejemplo (2) tenemos el mismo escenario, solamente la reducción de los tiempos T1 y T2 por la mitad (5 = 10/2). Es evidente que la configuración de los temporizadores T1 y T2 afecta directamente a la duración de la batería percibida por el usuario - en este caso reducido. Sin embargo, el móvil vuelve mucho antes al modo idle. Esto significa que cada vez que el usuario reinicia el uso de datos (tales como un nuevo clic en una página web después de algún tiempo leyendo la página anterior) debe pasar por el proceso de activación del RAB (Radio Access Bearer), a la espera de unos 2 segundos .

 

Además de el tiempo que el usuario espera ya ser en sí mismo un inconveniente, aún tenemos el problema de la gran cantidad de señalización implicadas en este proceso, añadiendo aún más la carga a la red (en este caso, las RNC).

Tratando de resolver este problema, se utilizan los estados PCH, como en el ejemplo siguiente (3). Ahora tenemos una activación del RAB mucho más rápido (0.25 segundos), ya que en el estado PCH seguimos manteniendo la conexión de control.

 

El único inconveniente es que el consumo de la batería en el estado PCH, además de ser baja, es todavía el doble que en el modo idle (el más bajo consumo posible). A largo plazo, el consumo también hace una diferencia en la vida de la batería.

Para tratar de minimizar este consumo de batería en el estado PCH, podemos ajustar el ciclo de DRX de cada uno de estos estados. En el ejemplo anterior, la configuración fue como se recomienda con el ciclo de DRX del estado CELL_PCH dos veces el tiempo del ciclo de DRX modo inactivo. Los valores típicos son DRX Idle = 1280 ms y CELL_PCH DRX = 640 ms, o DRX Idle = 640 ms y CELL_PCH DRX = 320 ms.

Pero si ajustamos los ciclos para el mismo valor que en el ejemplo siguiente gráfico siguiente (4), el consumo de batería en el estado CELL_PCH es casi igual al consumo en el modo idle.

 

Nota: Ya hablaremos en otro tutorial sobre el DRX, pero por ahora sabemos que afecta a la forma en que el móvil mantiene la "escucha" de los pagings. Cuanto menor sea este ciclo, más sensible es el móvil (más cerca, cada vez más información del paging), pero mayor consumo de batería. Cuanto mayor sea el ciclo de DRX, un menor consumo de batería, pero es menos sensible móviles para las llamadas iniciadas por la red (pagings).

Si aumentamos el ciclo de DRX del CELL_PCH (a ser igual a modo idle) y por lo tanto reducir el consumo, tenemos la desventaja de disminuir un poco la probabilidad de respuestas móviles a pagings.

Como último caso de ejemplo (5), tendremos la participación de los fabricantes de terminales, en el pasado, cuando el problema de la señal no era tan común como la más reciente, y que por sus propios mecanismos desarrollados para guardar automáticamente la batería.

 

La idea básica de todo fue la obvia: si el móvil no necesita transmitir más después de algún tiempo (idle) él debe volver al modo idle. El móvil simplemente decide cuándo liberar su conexión (no la red) a través del mensaje SCRI (Indicación de Liberación de Conexión de Sinalización), vigente desde el 99 de lanzamiento, pero no esperaba ninguna respuesta de la red.

Otra vez los gráficos con algunos ejemplos de optimización que se pueden hacer por los contadores de tiempo de ajuste, el uso de estados PCH, configuración ciclos DRX, etc.

 

Importante: En los ejemplos, siempre iniciamos la transmisión usando el estado CELL_DCH, y luego el CELL_FACH. Nuestro objetivo era ilustrar la configuración T1 y T2. Sin embargo, en nuestro ejemplo particular, consideramos un pequeño volumen de datos en un tiempo muy corto.

Por lo que hemos visto, estas son las condiciones ideales para el estado CELL_FACH. Es decir, en la práctica, este ejemplo de transmisión del paquete se ajusta a suceder en el estado CELL_FACH, en lugar del CELL_DCH.

Pero, independientemente, tenemos un factor común a todos los ejemplos: todas las transiciones móviles hasta ahora son controlados por la red, no hay un "diálogo" con ella. (Excepto para el último ejemplo, con las implementaciones de tiempo de inactividad propia - y todavía es sólo una acción móvil arbitrario que simplemente decide volver al modo idle).

Es decir, que no tenemos la optimización de recursos. Pero nadie más que el móvil sabe exactamente lo que está pasando, lo que está sucediendo. Se están utilizando qué aplicaciones, y que probablemente exigirán la red.

Y aún mejor: nadie mejor que el móvil al decir que no se necesita nada más - la red puede terminar su conexión!

Si establecemos este diálogo, la red puede pasar de inmediato el móvil a un estado de energía más conveniente en el momento, y configurado por el operador.

Esta conversación es grande para los dos: el móvil guarda la batería, y a la red se ahorran recursos (canales) y se reduce la interferencia!

Por desgracia, la importancia de este diálogo se percibe un poco tarde (cuando los fabricantes han seguido su propia aplicación para liberar la conexión de señalización, siempre al modo de espera). Sólo en el curso 2008/2009, el mecanismo estandarizado FD (Fast Dormancy) del 3GPP Release 8, define que el móvil podría comunicarse con la red utilizando el mensaje SCRI existente, ahora con IE (elemento de información) 'Signalling Connection Release indication Cause' presente y como 'UE Requested PS Data session end'.

En otras palabras, con el FD, el móvil puede indicar a la red que no quiere nada más, y que puede eliminar de inmediato de un canal de alto consumo de energía, envíando a un estado más apropiado.

El FD permite que los estados de control omitir los temporizadores de inactividad, después de móvil terminar de transferir todos sus datos - al recibir la SCRI, la RNC puede enviar el móvil a la modo idle.

En ese momento vemos los principales escenarios de configuración de temporizadores relacionados con las transiciones de estado, con un poco más de detalle (y todavía podemos ver que hay mucho para ser visto y discutido!).

Una vez más, nos escapamos el objetivo de ser simple, pero esta comprensión puede ser muy instructivo, incluso para los más experimentados en la materia, y por lo que decidimos abordarlo.

Volvamos y terminemos nuestro tutorial, hablando un poco sobre el modo de conexión en 4G.

 

Modo Conectado 4G

Finalmente, llegamos al último modo de tutorial de hoy. No se preocupe, estamos casi listos, y muy pronto seremos capaces de entender la figura con la visión general que mostramos al principio.

Al igual que el móvil 3G después de encenderla, el móvil LTE lleva a cabo una serie de acciones, procedimientos de acceso iniciales. Esto incluye, por ejemplo 'Cell Search' y 'Cell Selection', que recibir información del sistema y el procedimiento de acceso aleatorio. Una vez más, no se explican aquí estos conceptos hoy porque sólo queremos entender en general, sólo los modos cómo, estados y transiciones funcionan.

En comparación con 2G y 3G, los estados LTE y transiciones de estados (4G) son mucho más simples: O bien el móvil está en modo Idle, o está en el modo Conectado. Esto también se aplica a LTE-A (avanzado).

 

Un concepto que ya debe estar claro para ti, de lo que hemos visto hasta ahora es la importancia de mejorar la eficiencia de ahorro de duración de la batería y recursos de red. Y esto es sumamente relacionada con los estados, como y cuando se producen sus transiciones. Especialmente en el creciente escenario global como de aplicaciones 'siempre activas' con pequeñas transmisiones de datos a menudo impredecibles.

Usted debe estar empezando a preguntarse cómo aplicar algunos de los conceptos en su propia red, pero, al mismo tiempo que se preocupa porque no se puede ver una solución tan eficiente capaz de satisfacer muchas variables diferentes.

Pero tenemos una buena y una gran noticia. La primera, y la buena noticia es que no es sólo ustedes que tienen estas dudas. Las redes 3G no son realmente las más apropiada para este escenario, ya que no fueron construidas para tal fin. En cualquier caso, se pueden mejorar en gran medida con el uso de las características tales como 'Continuous Packet Connectivity'.

Y la gran noticia es que el LTE (4G) ha sido creado pensando en este tipo de problemas desde su creación!

Un ejemplo es el DRX (recepción discontinua) en modo conectado, lo que da más opciones para el móvil: la capacidad de convertir periódicamente apagado su radio. Esto tiempo encendido-apagado se puede ajustar a 1 ms granularidad!

Sabemos, sin embargo, que apagar el móvil puede traer un impacto negativo en la latencia. Para minimizar este problema, se definen dos etapas de DRX.

 

En la primera etapa, a partir de un cierto tiempo especificado sin más transferencia de datos, el móvil utiliza el ciclo de DRX corto, y puede 'dormir' (apagar la radio) y por períodos más cortos. La radio es ‘duerme’ y 'despierta' más a menudo.

Cuando se utiliza el ciclo de DRX corto, podemos pasar a la segunda etapa (o incluso volver al estado de recepción continua, si hay datos a ser transferidos). La segunda etapa sigue la misma idea anterior: después de un cierto tiempo sin datos a transferir, el móvil utiliza un ciclo de DRX de largo, es decir, a partir de ahora 'duerme' (apaga el radio) durante períodos más largos.

Por un lado ahorra batería, por otra, aumenta la latencia.

Importante: Tenga cuidado de no confundir el ciclo de DRX del modo conectado LTE con el DRX del modo idle. En el modo idle, el DRX está más relacionado con el paging, y por lo tanto a menudo se llama DRX de paging. Esto tiempo de ciclo de DRX idle es mucho más largo que el de LTE, alcanzando segundos!

En cierto modo, podemos considerar estas fases como "sub-estado" de LTE en el modo conectado.

Cuando el LTE móvil está en el modo conectado, tiene una conexión de RRC, y se guarda la información (conocida) en la red (eNodoB). El móvil monitorea los canales de control asociados con el canal de datos compartido, y chequea los controles para los datos programados a él (o no), informa el CQI (Información de Calidad de la Llamada) después de que todas las mediciones y también realiza medidas de vecinos de todas las redes (2G/3G/4G).

En respecto a su conocimiento por la red, en el estado CELL_FACH, la red (eNodoB) sabe dónde está el móvil está en el nivel celda (la celda donde el móvil hizo el último çell update’).

Hablando de las transiciones, sabemos que el LTE tiene sólo dos estados básicos: idle y conectado. Por lo que el móvil LTE se va de modo idle a conectado o conectados a idle.

Para entrar en el modo Conectado, el móvil lleva a cabo el establecimiento de la conexión: establecimiento RRC, configuración/reconfiguración y la seguridad. Y empieza una nueva conexión o mantiene las existentes.

Cuando el móvil no solicita recursos de enlace ascendente o descendente de la red (eNodoB), y del mismo modo la red (eNodoB) no recibe señalización / tráfico destinado para el móvil, el reinicia/libera todos los recursos de radio móvil (incluyendo la señalización), y dice a la red que se va a salir de este estado y la razón. En otras palabras, cuando finaliza la conexión, el móvil se libera.

En cuanto a la energía de la batería cuando el móvil está en modo conectado, el móvil tiene un consumo variable. Si está transfiriendo datos de forma activa decimos que está en el 'sub-estado' de recepción continua.

Después de un cierto tiempo (t1), sin más datos para ser transferidos, el móvil comuta al 'sub-estado' DRX Corto - y espera más datos, de acuerdo con un segundo tiempo establecido (t2).

Si hay más datos que llegan, a continuación, vuelve al 'sub-estado' de recepción continua, de lo contrario va al 'sub-estado' DRX largo.

 

A diferencia de 3G, la pérdida de energía en el LTE 4G es variable, dependiendo del rendimiento. Las tasas más bajas requieren menos energía, pero a medida que las tasas aumentan, el consumo de energía también aumenta.

En una comparación aproximada con el 3G, el radio LTE consume más energía debido a que sus estados de comunicación (DRX corto y DRX largo) consumen la misma energía alta, mientras que en 3G tenemos el CELL_FACH, que consume menos de la mitad de la energía CELL_DCH base. Pero si bien el consumo un poco más alto, no podemos olvidar que LTE es mucho más rápido que los 3G.

Todas estas comparaciones y algoritmos implementados pueden verse indirectamente en diagramas de los modos, estados y transiciones 2G/3G/4G , como el que tenemos a continuación.

 

Por supuesto, el diagrama no es totalmente completo, pero tratamos de agrupar al menos la información clave necesaria para explicaciones.

Esperamos que el objetivo de hoy se ha logrado, y que este resumen ayuda a entender mejor cómo es el funcionamiento de la red de telefonía móvil desde el punto de vista del móvil, sobre todo lo que esto representa en términos de consumo de la batería, el aumento de la señalización, la latencia, interferencia y otros factores que afectan directamente a la calidad de la red y por lo tanto la experiencia del usuario.

 

Conclusión

Todos los conceptos de modos, estados conectados y las transiciones de las redes móviles visto en este tutorial son mucho más amplias (y complejas) que lo que se ha presentado. Tratamos de presentarlo de una manera simple, pero la cantidad de detalles (y conceptos auxiliares que necesitan ser bien entendidos) hace esta tarea muy difícil, hay que reconocer.

Con la comprensión de los conceptos presentados, es fácil ver el gran espacio que tenemos para las técnicas y soluciones que pueden mejorar la eficiencia de la comunicación y agilizar el tráfico, mientras que pueden ahorrar los consumos de batería y de recursos de redes móviles.

Después de todo esto es lo que siempre buscamos: que ayudan a comprender algunos escenarios complejos, haciéndolos más fáciles de ser entendidos, y por lo tanto concediendo becas para que usted pueda seguir avanzando en sus estudios y el trabajo.

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Hasta el siguiente tutorial.