En telecomunicaciones , una femtocelda es una estación base celular pequeña y de baja potencia , diseñada típicamente para su uso en un hogar o una pequeña empresa. Un término más amplio y más extendido en la industria es el de célula pequeña , con femtocelda como subconjunto. Normalmente se conecta a la red del proveedor de servicios a través de Internet mediante un enlace de banda ancha cableado (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 la 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 de otro modo estaría limitado o no estaría disponible. Aunque se centra mucha atención en WCDMA , el concepto es aplicable a todos los estándares, incluidas las soluciones GSM , CDMA2000 , TD-SCDMA , WiMAX y LTE .
El uso de femtoceldas permite la cobertura de la red en lugares donde la señal hacia las celdas de la red principal podría ser demasiado débil. Además, las femtoceldas reducen la contención en las celdas de la red principal, al formar una conexión desde el usuario final, a través de una conexión a Internet, hacia la infraestructura de red privada del operador en otro lugar. La reducción de la contención hacia 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 potencia de señal mucho mejores, 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 del usuario) gasta significativamente menos energía para comunicarse con ella, lo que aumenta 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 del teléfono y del sistema operativo. Algunos operadores también pueden ofrecer tarifas más atractivas, por ejemplo, llamadas con descuento desde casa.
Las femtoceldas son una forma alternativa de ofrecer los beneficios de la convergencia fijo-móvil (FMC). La diferencia es que la mayoría de las arquitecturas FMC requieren un nuevo teléfono de modo dual que funcione con los puntos de acceso inalámbricos domésticos/empresariales sin espectro con licencia existentes , mientras que una implementación basada en femtoceldas funcionará con los teléfonos existentes pero requiere la instalación de un nuevo punto de acceso que utilice espectro con licencia.
Muchos operadores en todo el mundo ofrecen un servicio de femtocelda, principalmente dirigido a empresas, pero también se ofrece 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 la terminología 3GPP , un Home NodeB (HNB) es una femtocelda 3G. Un Home eNodeB (HeNB) es una femtocelda LTE 4G .
En teoría, el alcance de una estación base estándar puede ser de hasta 35 kilómetros (22 mi), y en la práctica podría ser de 5 a 10 km (3 a 6 mi); una microcelda tiene menos de dos kilómetros (1 milla) de ancho, una picocelda tiene 200 metros (218,72 yardas) o menos, y una femtocelda tiene un alcance de 10 metros (10,94 yardas), [1] aunque AT&T llama a su producto, con un alcance de 40 pies (12 m), una "microcelda". [2] AT&T utiliza "AT&T 3G MicroCell" como marca registrada y no necesariamente la tecnología "microcelda". [3]
Las femtoceldas son vendidas o prestadas por un operador de red móvil (MNO) 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 femtocelda se conecta a la red móvil del MNO y proporciona cobertura adicional. Desde la perspectiva del usuario, es plug and play , no se requiere una 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 tienen permitido conectarse a su femtocelda, normalmente a través de una interfaz web proporcionada por el operador de red móvil. [5] Esto solo debe hacerse una vez. Cuando estos teléfonos móviles llegan a la zona de cobertura de la femtocelda, pasan de la macrocelda (exterior) a la femtocelda automáticamente. La mayoría de los operadores de red móvil ofrecen una forma de 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 femtocelda. Cuando el usuario abandona el área de cobertura de la femtocelda (ya sea en una llamada o no), su teléfono pasa sin problemas a la macrored. Las femtoceldas requieren un 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 cuentan con mecanismos de protección que permiten informar al operador de red móvil de cualquier cambio de ubicación. El hecho de que el operador de red móvil permita que las femtoceldas funcionen en una ubicación diferente depende de su política. No se permite el cambio de ubicación internacional de una femtocelda porque esta transmite frecuencias autorizadas que pertenecen a diferentes operadores de red en diferentes países.
Los principales beneficios para un usuario final son los siguientes:
Las femtoceldas 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 . Todas ellas se ajustan en líneas generales a una arquitectura con tres elementos principales:
La interfaz clave en estas arquitecturas es la que existe entre los puntos de acceso de femtoceldas y la pasarela de femtoceldas. La estandarización permite una mayor variedad de productos de femtoceldas que se pueden utilizar con cualquier pasarela, 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 pasarela de femtoceldas 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 pasarela de femtoceldas y las pasarelas de femtoceldas se comunican con los elementos de red central (CNE) (MSC para llamadas conmutadas por circuitos , SGSN para llamadas conmutadas por paquetes ). Este modelo fue propuesto por 3GPP y el Femto Forum. [8] Se han derivado nuevos protocolos ( HNBAP y RUA [9] [Adaptación de usuario de RANAP]); HNBAP se utiliza para la señalización de control entre el HNB y el HNB-GW [10], mientras que RUA [9] es un mecanismo liviano para reemplazar los protocolos de la Parte de Control de Conexión de Señalización (SCCP) y 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 ETSI llevaron a cabo el primer Plugfest para promover la interoperabilidad del estándar Iuh. [12]
El estándar CDMA2000 publicado en marzo de 2010 [13] difiere ligeramente al adoptar el Protocolo de inicio de sesión (SIP) para establecer una conexión entre la femtocelda y un servidor de convergencia de femtoceldas (FCS). Las llamadas de voz se enrutan a través del FCS que emula un MSC. El SIP no es necesario ni utilizado por el propio dispositivo móvil. En la arquitectura SIP, la femtocelda se conecta a una red central del operador móvil que se basa en la arquitectura SIP/IMS. Esto se logra haciendo que las femtoceldas se comporten hacia la red SIP/IMS como un cliente SIP/IMS al convertir la señalización 3G conmutada por circuitos a señalización SIP/IMS y al transportar el tráfico de voz sobre RTP como se define en los estándares IETF .
Aunque gran parte del enfoque 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.
Las femtoceldas también están en desarrollo o disponibles comercialmente para GSM , TD-SCDMA , WiMAX y LTE .
La funcionalidad y las interfaces de H(e)NB son básicamente las mismas que para las estaciones base de acceso a paquetes de alta velocidad (HSPA) o LTE, excepto algunas funciones adicionales. Las diferencias se deben principalmente a las diferencias en el control de acceso para admitir el acceso cerrado para la implementación residencial o el acceso abierto para la implementación empresarial, así como la funcionalidad de transferencia para suscriptores activos y los procedimientos de selección de celdas para suscriptores inactivos. Para LTE se agregó una funcionalidad adicional en la versión 9 de 3GPP, que se resume en [14] .
La ubicación de una femtocelda tiene un efecto crítico en el rendimiento de la red en general, y este es el tema clave que se debe abordar para una implementación exitosa. Debido a que las femtoceldas pueden utilizar las mismas bandas de frecuencia que la red celular convencional, ha existido la preocupación de que, en lugar de mejorar la situación, podrían causar problemas.
Las femtoceldas incorporan técnicas de mitigación de interferencias: detectan macroceldas, ajustan la potencia [15] y codifican los códigos en consecuencia. Ralph de la Vega, presidente de AT&T, informó en junio de 2011 que recomendaron no utilizar femtoceldas donde la intensidad de la señal fuera media o fuerte debido a los problemas de interferencia que descubrieron después de una implementación a gran escala. [16] Esto difiere de las opiniones expresadas anteriormente por AT&T y otros.
Un buen ejemplo son los comentarios realizados por Gordon Mansfield, director ejecutivo de RAN Delivery, AT&T, hablando en la Femtozone en CTIA en marzo de 2010:
Hemos implementado femtoceldas como coportadoras con canales de salto para macroceldas GSM y con macroceldas UMTS. Las interferencias no son un problema. Hemos probado las femtoceldas exhaustivamente en implementaciones de clientes reales de muchos miles de femtoceldas y hemos descubierto que las técnicas de mitigación implementadas minimizan y evitan las interferencias con éxito. Cuantas más femtoceldas se implementen, más se reducirá la interferencia de enlace ascendente.
El Foro Femto tiene algunos informes extensos sobre este tema, que se han producido junto con 3GPP y 3GPP2. [17] [18]
Para citar el documento de resumen — Resumen de los hallazgos :
Las simulaciones realizadas en el Femto Forum WG2 y 3GPP RAN4 abarcan un amplio espectro de posibles escenarios de implementación, incluidas las implementaciones de canal compartido y canal dedicado. Además, los estudios analizaron el impacto en diferentes morfologías, así como en acceso cerrado y abierto. A continuación, se presentan las conclusiones generales de los estudios:
- 1. Cuando se utilizan femtoceldas en áreas con cobertura deficiente o nula, es poco probable que la interferencia macro/femto sea un problema.
- 2. Si la red femto comparte el canal (cocanal) con la red macro, pueden producirse interferencias. Sin embargo, si se adoptan las técnicas de gestión de interferencias recomendadas por el Foro Femto, las interferencias resultantes pueden mitigarse en la mayoría de los casos.
- 3. Es poco probable que una red de femtoceldas desplegada en un canal dedicado adyacente genere interferencias en una red macro. Además, el impacto de una red macro en el rendimiento de una femtocelda en un canal adyacente se limita a casos aislados. Si se utilizan las técnicas de mitigación de interferencias recomendadas por el Femto Forum, el impacto se reduce aún más.
- 4. El acceso cerrado representa el peor escenario posible para la creación de interferencias. El acceso abierto reduce las posibilidades de que los equipos de usuario (teléfonos móviles, adaptadores de datos 3G, etc.) de la red macro interfieran con una femtocelda cercana.
- 5. Se llegaron a las mismas conclusiones para las implementaciones de 850 MHz (Banda 17 de 3GPP) y 2100 MHz (Banda 1 de 3GPP) que se estudiaron.
Las conclusiones son comunes a las bandas de 850 MHz y 2100 MHz que se simularon en los estudios y se pueden extrapolar 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 de 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 red macro y rendimientos de red 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 de interceptación legal en la mayoría de los países.
Otras cuestiones regulatorias [19] se relacionan con el requisito en la mayoría de los países de que el operador de una red pueda mostrar exactamente dónde se encuentra cada estación base, y con los requisitos de E911 de proporcionar la ubicación registrada del equipo a los servicios de emergencia. Existen problemas a este respecto para las estaciones base de punto de acceso vendidas a consumidores para instalación en el hogar, por ejemplo. Además, un consumidor podría intentar llevar su estación base consigo a un país donde no está autorizada. Algunos fabricantes están utilizando GPS dentro del equipo para bloquear la femtocelda cuando se traslada a un país diferente; [20] este enfoque es discutido [ cita requerida ] , ya que el GPS a menudo no puede obtener la posición en interiores debido a la señal débil.
Las estaciones base de punto de acceso también son necesarias, ya que transportan llamadas de voz, para proporcionar un servicio de emergencia 911 (o 999 , 112 , etc. ), 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 sistemas telefónicos cableados actuales, como funcionar durante un corte de energía. Hay varias formas de lograr esto, como fuentes de energía alternativas o recurrir a la infraestructura telefónica existente.
Cuando se utiliza una conexión de retorno doméstico por Ethernet o ADSL , una estación base de punto de acceso debe compartir el ancho de banda de retorno con otros servicios, como la navegación por Internet, las consolas de juegos, los decodificadores y los equipos de triple play en general, o bien reemplazar directamente estas funciones dentro de una unidad integrada. En los enfoques de ancho de banda compartido, que son 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 femtoceldas dependerá de la fiabilidad y la 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 las diferentes aplicaciones que pueda utilizar un suscriptor. Cuando las cosas van mal, los suscriptores recurrirán a los operadores celulares en busca de asistencia incluso si la causa principal del problema radica en la conexión de banda ancha del hogar o del lugar de trabajo. Por lo tanto, los efectos de cualquier problema de red de banda ancha o de políticas de gestión del tráfico de un ISP de terceros deben supervisarse muy de cerca y las ramificaciones deben comunicarse rápidamente a los suscriptores.
Un problema clave identificado recientemente es la modelación activa del tráfico por parte de muchos ISP en el protocolo de transporte subyacente IPSec . [ cita requerida ]
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 gran desafío técnico. La solución a este problema es utilizar una señal externa y precisa para calibrar constantemente el oscilador para garantizar que mantenga su precisión. Esto no es simple (la red de banda ancha introduce problemas de fluctuación/desplazamiento de la red y precisión de reloj recuperada), pero tecnologías como el estándar de sincronización de tiempo IEEE 1588 pueden abordar el problema. Además, algunos desarrolladores están considerando el Protocolo de Tiempo de Red (NTP) como una posible solución para proporcionar estabilidad de frecuencia. Las estaciones base convencionales (macroceldas) a menudo utilizan la 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 que esto tiene sobre el costo de los dispositivos. Por ejemplo, 3GPP ha relajado la precisión de 50 ppb en partes por mil millones a 100 ppb para las 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, Nevada, un trío de investigadores de seguridad detalló su capacidad para utilizar una femtocelda de Verizon para interceptar secretamente las llamadas de voz, datos y mensajes de texto SMS de cualquier teléfono que se conecte al dispositivo.
Durante una demostración de su exploit, mostraron cómo podían comenzar a grabar audio de un teléfono celular incluso antes de que comenzara la llamada. La grabación incluía ambos lados de la conversación. También demostraron cómo podían engañar a iMessage de Apple (que encripta los textos enviados a través de su red usando SSL para hacerlos ilegibles para los espías) y SMS, lo que permite que la femtocelda intercepte los mensajes.
También demostraron que era posible "clonar" un teléfono celular que funciona en una red CDMA mediante la recopilación remota de su número de identificación del dispositivo a través de la femtocelda, a pesar de las medidas de seguridad adicionales para evitar la clonación de teléfonos CDMA. [21]
El impacto de una femtocelda es, en la mayoría de los casos, mejorar la cobertura celular, sin que el operador celular tenga que mejorar su infraestructura (torres celulares, etc.). Esto es una ganancia neta para el operador celular. Sin embargo, el usuario debe proporcionar y pagar una conexión a Internet para enrutar el tráfico de la femtocelda y luego (normalmente) pagar una tarifa única o mensual adicional al operador celular. Algunos han objetado la idea de que se les pida a los consumidores que paguen para ayudar a paliar las deficiencias de la red. [22] Por otro lado, las femtoceldas residenciales normalmente proporcionan una "celda personal" que brinda beneficios solo a la familia y amigos del propietario. [23]
La diferencia también es que, mientras que la cobertura móvil se proporciona a través de suscripciones de un operador con un modelo de negocio, una fibra o un cable fijo pueden funcionar con un modelo de negocio completamente diferente. Por ejemplo, los operadores móviles pueden imponer restricciones a los servicios que un operador de una red fija no puede imponer. Además, el WiFi se conecta a una red local, como servidores domésticos y reproductores multimedia. Es posible que esta red no esté al alcance del operador móvil.
Según la firma de investigación de mercado Informa y el Femto Forum, [24] a diciembre de 2010, 18 operadores habían lanzado servicios comerciales de femtoceldas, y un total de 30 se habían comprometido a implementarlos.
A fines de 2011, los envíos de femtoceldas habían alcanzado aproximadamente 2 millones de unidades desplegadas anualmente, y se espera que el mercado crezca rápidamente con segmentos diferenciados para implementaciones de femtoceldas de nivel de consumidor, empresarial y de operador. [25] Se estima que los envíos de femtoceldas alcanzaron casi 2 millones a fines 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]
En Estados Unidos, Cellcom (Wisconsin) fue el primer operador CDMA en Estados Unidos en ser miembro de la organización sin fines de lucro fundada en 2007 para promover la implementación mundial de femtoceldas. En 2009, Cellcom recibió el primer premio de la industria de femtoceldas por un progreso significativo o lanzamiento comercial por parte de un pequeño operador en la Cumbre Mundial de Femtoceldas en Londres. Otras implementaciones significativas dentro de los Estados Unidos fueron realizadas por 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 para el hogar construida por Samsung Electronics llamada Sprint Airave que funciona con cualquier teléfono Sprint. [28] A partir del 17 de agosto de 2008, Airave se implementó a nivel nacional. Otros operadores en los Estados Unidos siguieron 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 fines de marzo de 2010, AT&T anunció el lanzamiento a nivel nacional de su MicroCell 3G, que comenzó en abril. El equipo está fabricado por Cisco Systems e ip.access , y fue la primera femtocelda 3G en EE. UU., compatible con voz y datos HSPA . [30] Tanto Sprint [31] como Verizon [32] actualizaron a femtoceldas 3G CDMA durante 2010, con capacidad para más llamadas simultáneas y velocidades de datos mucho más altas. En noviembre de 2015, T-Mobile US comenzó la implementación de femtoceldas 4G LTE fabricadas por Alcatel Lucent .
En Asia, varios proveedores de servicios han desplegado redes de femtoceldas. En Japón, SoftBank lanzó su servicio de femtoceldas 3G residencial en enero de 2009 [33] con dispositivos proporcionados por Ubiquisys. En el mismo año, el operador lanzó un proyecto para implementar femtoceldas 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 gratuita de femtoceldas, brindando femtoceldas de acceso abierto sin cargo a sus clientes residenciales y comerciales. En Singapur, Starhub lanzó sus primeros servicios comerciales de femtoceldas 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 femtoceldas. [34] NTT DoCoMo en Japón lanzó su propio servicio de femtoceldas el 10 de noviembre de 2009.
En julio de 2009, Vodafone lanzó la primera red femtocell en Europa, [35] el Vodafone Access Gateway proporcionado por Alcatel-Lucent. [36] Este fue rebautizado como 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] Otros operadores en Europa han seguido desde entonces.
A partir de 2019, los tres operadores franceses que aún ofrecían Femtocell retiraron su oferta y se centraron en utilizar la tecnología Voice Over Wifi cuando no resulta práctico implementar una mejor cobertura 3G/4G.
La referencia 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