En telecomunicaciones , una femtocélula es una pequeña estación base celular de bajo consumo , típicamente diseñada para su uso en un hogar o una pequeña empresa. Un término más amplio y más extendido en la industria es celda pequeña , con femtocelda como un subconjunto. Por lo general, se conecta a la red del proveedor de servicios a través de Internet mediante un enlace de banda ancha por cable (como DSL o cable ); Los diseños actuales suelen admitir de cuatro a ocho teléfonos móviles activos simultáneamente en un entorno residencial, según el número de versión y el hardware de femtocelda, y de ocho a dieciséis teléfonos móviles en entornos empresariales. Una femtocelda permite a los proveedores de servicios ampliar la cobertura del servicio en interiores o en el borde de la celda, especialmente donde el acceso sería limitado o no estaría disponible. Aunque se presta mucha atención a WCDMA , el concepto es aplicable a todos los estándares, incluidas las soluciones GSM , CDMA2000 , TD-SCDMA , WiMAX y LTE .
El uso de femtocélulas permite la cobertura de la red en lugares donde la señal a las celdas principales de la red puede ser demasiado débil. Además, las femtocélulas reducen la competencia en las celdas de la red principal, al formar una conexión desde el usuario final, a través de una conexión a Internet, con la infraestructura de red privada del operador en otro lugar. La reducción de la contención de las celdas principales juega un papel en la respiración , donde las conexiones se descargan en función de la distancia física a las torres de telefonía celular.
Los consumidores y las pequeñas empresas se benefician de una cobertura y una intensidad de señal muy mejoradas, ya que tienen una estación base de facto dentro de sus instalaciones. Como resultado de estar relativamente cerca de la femtocelda, el teléfono móvil (equipo de usuario) gasta significativamente menos energía para comunicarse con ella, aumentando así la duración de la batería. También pueden obtener una mejor calidad de voz (a través de voz HD ) dependiendo de una serie de factores, como el soporte del operador/red, el contrato/plan de precios del cliente, el soporte telefónico y del sistema operativo. Algunos operadores también pueden ofrecer tarifas más atractivas, por ejemplo, llamadas con descuento desde casa.
Las femtocélulas son una forma alternativa de ofrecer los beneficios de la convergencia fijo-móvil (FMC). La distinción es que la mayoría de las arquitecturas FMC requieren un nuevo teléfono de modo dual que funcione con puntos de acceso inalámbricos domésticos/empresariales de espectro sin licencia existentes , mientras que una implementación basada en femtoceldas funcionará con teléfonos existentes pero requiere la instalación de un nuevo punto de acceso que utilice dispositivos con licencia. espectro.
Muchos operadores en todo el mundo ofrecen un servicio de femtocélula, dirigido principalmente a empresas, pero también a clientes individuales (a menudo por una tarifa única) cuando se quejan al operador por una señal deficiente o inexistente en su ubicación. Los operadores que han lanzado un servicio de femtocelda incluyen SFR , AT&T , C Spire , Sprint Nextel , Verizon , Zain , Mobile TeleSystems , T-Mobile US , Orange , Vodafone , EE , O2 , Three y otros.
En terminología 3GPP , un Home NodeB (HNB) es una femtocélula 3G. Un Home eNodeB (HeNB) es una femtocélula LTE 4G .
En teoría, el alcance de una estación base estándar puede ser de hasta 35 kilómetros (22 millas) y, en la práctica, podría ser de 5 a 10 km (3 a 6 millas), una microcélula tiene menos de dos kilómetros (1 milla) de ancho, una picocélula es de 200 metros (218,72 yardas) o menos, y una femtocelda es del orden de 10 metros (10,94 yardas), [1] aunque AT&T llama a su producto, con un alcance de 40 pies (12 m), "microcelda". [2] Sin embargo, AT&T utiliza "AT&T 3G MicroCell" como marca registrada y no necesariamente la tecnología "microcell". [3]
Un operador de red móvil (MNO) vende o presta femtocélulas a sus clientes residenciales o empresariales. Una femtocelda suele tener el tamaño de una puerta de enlace residencial o más pequeña y se conecta a la línea de banda ancha del usuario . También existen femtoceldas integradas (que incluyen tanto un enrutador DSL como una femtocelda). Una vez enchufada, la femtocélula se conecta a la red móvil del MNO y proporciona cobertura adicional. Desde la perspectiva del usuario, es plug and play , no se requiere instalación específica ni conocimientos técnicos: cualquiera puede instalar una femtocelda en casa.
En la mayoría de los casos, [4] el usuario debe declarar qué números de teléfono móvil pueden conectarse a su femtocélula, generalmente a través de una interfaz web proporcionada por el MNO. [5] Esto debe hacerse sólo una vez. Cuando estos teléfonos móviles llegan bajo la cobertura de la femtocélula, cambian automáticamente de la macrocélula (exterior) a la femtocélula. La mayoría de los MNO proporcionan una manera para que el usuario sepa que esto ha sucedido, por ejemplo, haciendo que aparezca un nombre de red diferente en el teléfono móvil. Todas las comunicaciones pasarán automáticamente a través de la femtocélula. Cuando el usuario abandona el área de cobertura de femtocelda (ya sea en una llamada o no), su teléfono pasa sin problemas a la macro red. Las femtoceldas requieren hardware específico, por lo que los enrutadores WiFi o DSL existentes no se pueden actualizar a una femtocelda.
Una vez instaladas en una ubicación específica, la mayoría de las femtoceldas tienen mecanismos de protección para que se informe al MNO de un cambio de ubicación. Que el MNO permita que las femtocélulas operen en una ubicación diferente depende de la política del MNO. No se permite el cambio de ubicación internacional de una femtocélula porque la femtocélula transmite frecuencias autorizadas que pertenecen a diferentes operadores de red en diferentes países.
Los principales beneficios para un usuario final son los siguientes:
Las femtocélulas se pueden utilizar para dar cobertura en zonas rurales.
Los organismos de normalización han publicado especificaciones formales para femtoceldas para las tecnologías más populares, a saber, WCDMA , CDMA2000 , LTE y WiMAX . Todos estos se ajustan en términos generales a una arquitectura con tres elementos principales:
La interfaz clave en estas arquitecturas es la que existe entre los puntos de acceso de femtocelda y la puerta de enlace de femtocelda. La estandarización permite utilizar una variedad más amplia de productos femtoceldas con cualquier puerta de enlace, lo que aumenta la presión competitiva y reduce los costos. Para las femtoceldas WCDMA comunes, esto se define como la interfaz Iuh. En la arquitectura Iuh, la puerta de enlace de femtocelda se ubica entre la femtocelda y la red central y realiza las traducciones necesarias para garantizar que las femtoceldas aparezcan como un controlador de red de radio para los centros de conmutación móvil (MSC) existentes. Cada femtocelda se comunica con la puerta de enlace de femtocelda y las puertas de enlace de femtocelda se comunican con los elementos de red central (CNE) (MSC para llamadas con conmutación de circuitos , SGSN para llamadas con conmutación de paquetes ). Este modelo fue propuesto por 3GPP y el Femto Forum. [8] Se han derivado nuevos protocolos ( HNBAP y RUA [9] [Adaptación del usuario de RANAP]); HNBAP se utiliza para la señalización de control entre HNB y HNB-GW [10], mientras que RUA [9] es un mecanismo liviano para reemplazar la parte de control de conexión de señalización (SCCP) y los protocolos M3UA en el controlador de red de radio (RNC); su función principal es la transferencia transparente de mensajes RANAP. [11]
En marzo de 2010, el Foro Femto y el ETSI llevaron a cabo el primer Plugfest para promover la interoperabilidad del estándar Iuh. [12]
El estándar CDMA2000 lanzado en marzo de 2010 [13] difiere ligeramente al adoptar el Protocolo de inicio de sesión (SIP) para configurar una conexión entre la femtocelda y un servidor de convergencia de femtocelda (FCS). Las llamadas de voz se enrutan a través del FCS, que emula un MSC. El dispositivo móvil no requiere ni utiliza SIP. En la arquitectura SIP, la femtocélula se conecta a una red central del operador móvil que se basa en la arquitectura SIP/IMS. Esto se logra haciendo que las femtocélulas se comporten hacia la red SIP/IMS como un cliente SIP/IMS al convertir la señalización 3G con conmutación de circuitos en señalización SIP/IMS y al transportar el tráfico de voz a través de RTP como se define en los estándares IETF .
Aunque gran parte de la atención comercial parece haberse centrado en el Sistema Universal de Telecomunicaciones Móviles (UMTS), el concepto es igualmente aplicable a todas las interfaces aéreas. De hecho, el primer despliegue comercial fue el CDMA2000 Airave en 2007 por parte de Sprint.
También se están desarrollando femtocélulas o disponibles comercialmente para GSM , TD-SCDMA , WiMAX y LTE .
La funcionalidad y las interfaces del H(e)NB son básicamente las mismas que las de las estaciones base normales de acceso a paquetes de alta velocidad (HSPA) o LTE, excepto algunas funciones adicionales. Las diferencias son principalmente para soportar diferencias en el control de acceso para soportar acceso cerrado para implementación residencial o acceso abierto para implementación empresarial, así como funcionalidad de traspaso para suscriptores activos y procedimientos de selección de celda para suscriptores inactivos. Para LTE se agregó funcionalidad adicional en 3GPP Versión 9, que se resume en [14]
La ubicación de una femtocelda tiene un efecto crítico en el rendimiento de la red en general, y esta es la cuestión clave que debe abordarse para una implementación exitosa. Debido a que las femtocélulas pueden utilizar las mismas bandas de frecuencia que la red celular convencional, existe la preocupación de que, en lugar de mejorar la situación, podrían causar problemas.
Las femtocélulas incorporan técnicas de mitigación de interferencias: detectan macrocélulas, ajustan la potencia [15] y codifican códigos en consecuencia. Ralph de la Vega, presidente de AT&T, informó en junio de 2011 que recomendaban no usar femtoceldas donde la intensidad de la señal era media o fuerte debido a problemas de interferencia que descubrieron después del despliegue a gran escala. [16] Esto difiere de opiniones anteriores expresadas por AT&T y otros.
Un buen ejemplo son los comentarios hechos por Gordon Mansfield, director ejecutivo de RAN Delivery, AT&T, hablando en Femtozone en CTIA en marzo de 2010:
Hemos desplegado femtocélulas coportadoras tanto con los canales de salto para macrocélulas GSM como con macrocélulas UMTS. La interferencia no es un problema. Hemos probado femtoceldas exhaustivamente en implementaciones de clientes reales de muchos miles de femtoceldas y descubrimos que las técnicas de mitigación implementadas con éxito minimizan y evitan la interferencia. Cuantas más femtoceldas implementes, más se reducirá la interferencia del enlace ascendente.
El Foro Femto tiene algunos informes extensos sobre este tema, que se han elaborado junto con 3GPP y 3GPP2. [17] [18]
Para citar el documento de resumen: Resumen de hallazgos :
Las simulaciones realizadas en Femto Forum WG2 y 3GPP RAN4 abarcan un amplio espectro de posibles escenarios de implementación, incluidas implementaciones de canales compartidos y canales dedicados. Además, los estudios analizaron el impacto en diferentes morfologías, así como en acceso cerrado versus abierto. Las siguientes son conclusiones generales de los estudios:
- 1. Cuando se utilizan femtoceldas en áreas con poca o ninguna cobertura, es poco probable que la interferencia macro/femto sea un problema.
- 2. Si la red femto comparte el canal (cocanal) con la macro red, pueden producirse interferencias. Sin embargo, si se adoptan las técnicas de gestión de interferencias defendidas por el Foro Femto, la interferencia resultante se puede mitigar en la mayoría de los casos.
- 3. Es poco probable que una red de femtocélulas implementada en un canal dedicado adyacente cree interferencias en una macrored. Además, el impacto de una macrored en el rendimiento de una femtocelda en un canal adyacente se limita a casos aislados. Si se utilizan las técnicas de mitigación de interferencias defendidas por el Foro Femto, el impacto se margina aún más.
- 4. El acceso cerrado representa el peor escenario para la creación de interferencia. El acceso abierto reduce las posibilidades de que el equipo de usuario (teléfonos móviles, dispositivos de datos 3G, etc.) en la macro red interfiera con una femtocelda próxima.
- 5. Se llegaron a las mismas conclusiones para los despliegues de 850 MHz (Banda 17 del 3GPP) y de 2100 MHz (Banda 1 del 3GPP) que se estudiaron.
Las conclusiones son comunes a las bandas de 850 MHz y 2100 MHz simuladas en los estudios y pueden extrapolarse a otras bandas móviles. Con técnicas de mitigación de interferencias implementadas con éxito, las simulaciones muestran que las implementaciones de femtoceldas pueden permitir redes de muy alta capacidad al proporcionar un aumento de capacidad entre 10 y 100 veces con un impacto mínimo en la zona muerta y un aumento de ruido aceptable.
Las femtoceldas también pueden crear una experiencia de usuario mucho mejor al permitir velocidades de datos sustancialmente más altas que las que se pueden obtener con una macro red y rendimientos netos que, en última instancia, estarán limitados por el backhaul en la mayoría de los casos (más de 20 Mbps en 5 MHz).
Las estaciones base de puntos de acceso, al igual que todos los demás sistemas de comunicaciones públicas, deben cumplir con los requisitos legales de interceptación en la mayoría de los países.
Otras cuestiones reglamentarias [19] se relacionan con el requisito en la mayoría de los países de que el operador de una red pueda mostrar exactamente dónde está ubicada cada estación base, y con los requisitos E911 de proporcionar la ubicación registrada del equipo a los servicios de emergencia. Existen problemas a este respecto, por ejemplo, en el caso de las estaciones base de puntos de acceso vendidas a los consumidores para su instalación en el hogar. Además, un consumidor podría intentar llevar consigo su estación base a un país donde no tenga licencia. Algunos fabricantes utilizan GPS dentro del equipo para bloquear la femtocelda cuando se traslada a un país diferente; [20] este enfoque es controvertido [ cita necesaria ] , ya que el GPS a menudo no puede obtener la posición en interiores debido a una señal débil.
Las estaciones base de punto de acceso también deben proporcionar un servicio de emergencia al 911 (o 999 , 112 , etc. ), ya que admiten llamadas de voz, como es el caso de los proveedores de telefonía VoIP en algunas jurisdicciones. [19] Este servicio debe cumplir los mismos requisitos de disponibilidad que los actuales sistemas telefónicos cableados, como por ejemplo el funcionamiento durante un corte de energía. Hay varias formas de lograrlo, como fuentes de energía alternativas o recurrir a la infraestructura telefónica existente.
Cuando se utiliza una conexión de backhaul doméstica Ethernet o ADSL , una estación base de punto de acceso debe compartir el ancho de banda de backhaul con otros servicios, como navegación por Internet, consolas de juegos, decodificadores y equipos triple-play en general, o, alternativamente, reemplazarlos directamente. funciones dentro de una unidad integrada. En los enfoques de ancho de banda compartido, que constituyen la mayoría de los diseños que se están desarrollando actualmente, el efecto sobre la calidad del servicio puede ser un problema.
La adopción de los servicios de femtocelda dependerá de la confiabilidad y calidad tanto de la red del operador celular como de la conexión de banda ancha de terceros, y de que el suscriptor de la conexión de banda ancha comprenda el concepto de utilización del ancho de banda por diferentes aplicaciones que un suscriptor pueda usar. Cuando las cosas van mal, los suscriptores recurrirán a los operadores de telefonía móvil en busca de ayuda, incluso si la causa fundamental del problema reside en la conexión de banda ancha en el hogar o el lugar de trabajo. Por lo tanto, es necesario monitorear muy de cerca los efectos de cualquier problema de red de banda ancha de ISP de terceros o políticas de gestión de tráfico y comunicar rápidamente las ramificaciones a los suscriptores.
Un problema clave identificado recientemente es la configuración activa del tráfico por parte de muchos ISP en el protocolo de transporte subyacente IPSec . [ cita necesaria ]
Para cumplir con los requisitos de máscara de espectro de la Comisión Federal de Comunicaciones (FCC)/ Ofcom , las femtoceldas deben generar la señal de radiofrecuencia con un alto grado de precisión. Hacer esto durante un largo período de tiempo es un desafío técnico importante. La solución a este problema es utilizar una señal externa precisa para calibrar constantemente el oscilador y garantizar que mantenga su precisión. Esto no es sencillo (el backhaul de banda ancha introduce problemas de fluctuación/desviación de la red y precisión del reloj recuperada), pero tecnologías como el estándar de sincronización horaria IEEE 1588 pueden solucionar el problema. Además, algunos desarrolladores están buscando el protocolo de tiempo de red (NTP) como una posible solución para proporcionar estabilidad de frecuencia. Las estaciones base convencionales (macrocélulas) a menudo utilizan temporización GPS para la sincronización y esto podría usarse, [20] aunque existen preocupaciones sobre el costo y la dificultad de garantizar una buena cobertura GPS.
Los organismos de normalización han reconocido el desafío que esto supone y las implicaciones en el coste del dispositivo. Por ejemplo, 3GPP ha relajado la precisión de 50 ppb partes por mil millones a 100 ppb para estaciones base interiores en la versión 6 y una mayor relajación a 250 ppb para el nodo doméstico B en la versión 8.
En la conferencia de hackers Black Hat de 2013 en Las Vegas, NV, un trío de investigadores de seguridad detalló su capacidad para usar una femtocélula de Verizon para interceptar en secreto llamadas de voz, datos y mensajes de texto SMS de cualquier teléfono que se conecte al dispositivo.
Durante una demostración de su hazaña, mostraron cómo podían comenzar a grabar audio desde un teléfono celular incluso antes de que comenzara la llamada. La grabación incluyó ambos lados de la conversación. También demostraron cómo podría engañar al iMessage de Apple, que cifra los textos enviados a través de su red utilizando SSL para hacerlos ilegibles para los fisgones, en SMS, permitiendo que la femtocélula intercepte los mensajes.
También demostraron que era posible "clonar" un teléfono celular que se ejecuta en una red CDMA recopilando de forma remota el número de identificación de su dispositivo a través de la femtocélula, a pesar de las medidas de seguridad adicionales para evitar la clonación de teléfonos CDMA. [21]
El impacto de una femtocélula suele ser mejorar la cobertura celular, sin que el operador de telefonía celular necesite mejorar su infraestructura (torres de telefonía celular, etc.). Esta es una ganancia neta para el operador de telefonía celular. Sin embargo, el usuario debe proporcionar y pagar una conexión a Internet para enrutar el tráfico de femtocélulas y luego (generalmente) pagar una tarifa única o mensual adicional al operador de telefonía celular. Algunos se han opuesto a la idea de que se pida a los consumidores que paguen para ayudar a aliviar las deficiencias de la red. [22] Por otro lado, las femtocélulas residenciales normalmente proporcionan una "célula personal" que proporciona beneficios sólo a la familia y amigos del propietario. [23]
La diferencia también es que mientras la cobertura móvil se proporciona a través de suscripciones de un operador con un modelo de negocio, un fijo de fibra o cable puede funcionar con un modelo de negocio completamente diferente. Por ejemplo, los operadores móviles pueden implicar restricciones en servicios que un operador fijo no puede. Además, WiFi se conecta a una red local, como servidores domésticos y reproductores multimedia. Posiblemente esta red no debería estar al alcance del operador de telefonía móvil.
Según la firma de investigación de mercado Informa y el Foro Femto, [24] en diciembre de 2010, 18 operadores habían lanzado servicios comerciales de femtoceldas, con un total de 30 comprometidos con el despliegue.
A finales de 2011, los envíos de femtoceldas habían alcanzado aproximadamente 2 millones de unidades desplegadas anualmente, y se espera que el mercado crezca rápidamente con distintos segmentos para implementaciones de femtoceldas de nivel de consumidor, empresarial y operador. [25] Se estima que los envíos de femtoceldas alcanzaron casi 2 millones a finales de 2010. [26] La firma de investigación Berg Insight estima que los envíos crecerán a 12 millones de unidades en todo el mundo en 2014. [27]
Dentro de los Estados Unidos, Cellcom (Wisconsin) fue el primer operador CDMA en los EE. UU. en ser miembro de la organización sin fines de lucro fundada en 2007 para promover el despliegue mundial de femtocélulas. En 2009, Cellcom recibió el primer premio Femtocell Industry Award por un progreso significativo o lanzamiento comercial por parte de un pequeño operador en la Cumbre Mundial Femtocells en Londres. Otras implementaciones importantes dentro de los Estados Unidos fueron las de Sprint Nextel , Verizon Wireless y AT&T Wireless . Sprint comenzó en el tercer trimestre de 2007 como un lanzamiento limitado ( Denver e Indianápolis ) de una femtocelda doméstica construida por Samsung Electronics llamada Sprint Airave que funciona con cualquier teléfono Sprint. [28] A partir del 17 de agosto de 2008, el Airave se implantó a nivel nacional. Otros operadores en Estados Unidos han seguido su ejemplo. En enero de 2009, Verizon lanzó su extensor de red inalámbrica, basado en el mismo diseño que el sistema Sprint/Samsung. [29] A finales de marzo de 2010, AT&T anunció el lanzamiento a nivel nacional de su 3G MicroCell, que comenzó en abril. El equipo está fabricado por Cisco Systems e ip.access , y fue la primera femtocélula 3G en EE. UU., compatible con voz y datos HSPA . [30] Tanto Sprint [31] como Verizon [32] actualizaron a femtocélulas CDMA 3G durante 2010, con capacidad para más llamadas simultáneas y velocidades de datos mucho más altas. En noviembre de 2015, T-Mobile US comenzó el despliegue de femtocélulas 4G LTE fabricadas por Alcatel Lucent .
En Asia, varios proveedores de servicios han desplegado redes de femtocélulas. En Japón, SoftBank lanzó su servicio residencial de femtocélulas 3G en enero de 2009 [33] con dispositivos proporcionados por Ubiquisys. Ese mismo año, el operador lanzó un proyecto para implementar femtocélulas para brindar servicios al aire libre en entornos rurales donde la cobertura existente es limitada. En mayo de 2010, SoftBank Mobile lanzó la primera oferta de femtoceldas gratuitas, proporcionando femtoceldas de acceso abierto sin cargo a sus clientes residenciales y comerciales. En Singapur, Starhub lanzó sus primeros servicios comerciales de femtocélulas 3G a nivel nacional con dispositivos proporcionados por Huawei Technologies , aunque la aceptación es baja, mientras que la oferta de Singtel está dirigida a pequeñas y medianas empresas. En 2009, China Unicom anunció su propia red de femtocélulas. [34] NTT DoCoMo en Japón lanzó su propio servicio de femtocélulas el 10 de noviembre de 2009.
En julio de 2009, Vodafone lanzó la primera red de femtocélulas en Europa, [35] Vodafone Access Gateway proporcionada por Alcatel-Lucent. [36] Esto pasó a llamarse SureSignal en enero de 2010, [37] después de lo cual Vodafone también lanzó el servicio en España, Grecia, Nueva Zelanda, [38] [39] Italia, Irlanda, [40] Hungría [41] y los Países Bajos. [42] Desde entonces han seguido otros operadores en Europa.
A partir de 2019, los tres operadores franceses que todavía proponen Femtocell retiraron su oferta y se centraron en el uso de la tecnología Voice Over Wifi cuando no resulta práctico implementar una mejor cobertura 3G/4G.
Árbitro. 8 se puede encontrar en: https://www.etsi.org/deliver/etsi_ts/125400_125499/125467/08.02.00_60/ts_125467v080200p.pdf existe una nueva versión: https://www.etsi.org/deliver/etsi_ts/ 125400_125499/125467/10.06.00_60/ts_125467v100600p.pdf