Presente y futuro de la tecnología VoIP: De VoLTE a Voice Beatriz Alonso Devesa Máster en Ingeniería de Telecomunicación Sistemas de comunicación

Víctor Martínez Illamola Carlos Monzo Sánchez Con formato: Fuente: Negrita, Español (España - 30 de Mayo de 2021 alfabetización tradicional)

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2 FICHA DEL TRABAJO FINAL

Presente y futuro de la tecnología VoIP: De Título del trabajo: VoLTE a 5G Voice Nombre del autor: Beatriz Alonso Devesa

Nombre del consultor/a: Víctor Martínez Illamola

Nombre del PRA: Carlos Monzo Sánchez

Fecha de entrega (mm/aaaa): 05/2021

Titulación: Máster en Ingeniería de Telecomunicación

Área del Trabajo Final: Sistemas de comunicación

Idioma del trabajo: Español

Palabras clave VoIP VoLTE, 5G, comunicación, IMS

Resumen del Trabajo (máximo 250 palabras): Con la finalidad, contexto de aplicación, metodología, resultados i conclusiones del trabajo.

La tecnología móvil lleva en la sociedad desde la década de los 70, sufriendo cambios hasta llegar a lo que conocemos actualmente, estos cambios no solo son en cuanto a las prestaciones de los dispositivos móviles (mejor cámara o batería) si no que las redes han ido evolucionando y con ello se va implementado una tecnología actualmente muy diferente de la original que va avanzando rápidamente con el paso de los años. La evolución de la tecnología es lo que me ha llevado a querer conocer más a fondo cuales son los nodos necesarios para la realización de llamadas sobre VoIP, sus inconvenientes y conocer que aportará el 5G a los servicios de VoIP. El objetivo es tener una visión general de le evolución de las redes de VoIP hasta el actual 5G, recopilando información de los estándares, características, Comentado [MIV1]: Centrate en la evolucion pero en diferencias, etc entre todas ellas, centrándose en principalmente en voz sobre referencia al tema que tratas VoIP. Puedes repasar un la evolución general pero a nivel basico, sinó nos IP, concretamente en voz sobre (LTE), el actual VoLTE, ya que es el que vamos a perder. Tenemos que centrarnos en VoIP actualmente utilizamos cuando realizamos llamadas a través de un dispositivo móvil. Se pretende realizar una investigación de los nodos utilizados para la VoIP actual, conocer las debilidades de esta red para exponer que pretende ofrecer el 5G, que va a suponer y el impacto que va a tener tanto social como tecnológicamente.

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Abstract (in English, 250 words or less):

Mobile technology has been in society since the 70s, undergoing changes until we reach what we know today, these changes are not only in terms of the benefits of mobile devices (better camera or battery) but also that the networks have It has evolved and with this, a technology that is currently very different from the original is implemented, which is advancing rapidly over the years. The evolution of technology is what has led me to want to know more in depth which are the nodes necessary for making calls over VoIP, their drawbacks and to know what 5G will contribute to VoIP services. The objective is to have an overview of the evolution of VoIP networks up to the current 5G, gathering information on the standards, characteristics, differences, etc. between all of them, focusing on mainly voice over IP, specifically voice over 4G (LTE), the current VoLTE, since it is the one we currently use when we make calls through a mobile device. It is intended to carry out an investigation of the nodes used for current VoIP, to know the weaknesses of this network to expose what 5G intends to offer, what it will mean and the impact that it will have both socially and technologically.

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Índice

1. Introducción ...... 1 1.1 Contexto y justificación del Trabajo ...... 1 1.2 Objetivos del Trabajo ...... 1 1.3 Enfoque y método seguido ...... 2 1.4 Planificación del Trabajo ...... 3 1.5 Breve sumario de productos obtenidos ...... 6 1.6 Breve descripción de los otros capítulos de la memoria...... 6 2. Estado del arte ...... 7 2.1 Introducción ...... 7 2.2 La evolución de las redes de comunicación móvil: del 1G al 5G ...... 7 2.4 El 5G Voice ...... 10 2.5 El 5G Voice frente al VoLTE ...... 11 2.6 Proyectos relacionados con VoLTE y 5G Voice ...... 12 3. Evolución de la voIP ...... 14 4. Estudio de la situación actual VoLTE ...... 16 4.1 Características del servicio VoLTE ...... 18 4.2 Prestaciones del servicio VoLTE ...... 19 4.3 Arquitectura del servicio VoLTE ...... 19 4.3.1 Arquitectura de transporte ...... 21 4.3.2 Arquitectura de servicio...... 24 4.3.3 Arquitectura de aplicación ...... 27 5. Protocolos de comunicación ...... 29 5.1 Protocolo SIP ...... 30 5.2 Protocolo Diameter ...... 33 5.3 Protocolo GTP ...... 34 5.4 Protocolo Megaco ...... 34 6. Casos prácticos de VoLTE ...... 35 6.1 Llamada usuario VoLTE-> VoLTE ...... 39 6.2 Conclusiones ...... 45 7. 5G Voice...... 46 7.1 Características de 5G Voice ...... 47 7.2 Arquitectura del 5G Voice ...... 51 7.2.1 Arquitectura 5G NSA NR ...... 51 7.2.2 Arquitectura 5G NR Y 5GC SA...... 52 7.2.2.1 Arquitectura de transporte ...... 52 7.2.2.1 Arquitectura de servicio ...... 54 7.2.2.1 Arquitectura de aplicación ...... 54 8 Comparación 5G Voice y VoLTE ...... 55 9 Estudio de mercado de las expectativas de los usuarios ...... 57 9.1 Resultados obtenidos ...... 57 9.2 Conclusiones ...... 59 10 Propuestas de mejora para el 5G Voice ...... 61 11. Conclusiones ...... 63 12. Siglas y Acrónimos ...... 65 13.Bibliografia ...... 68

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Índice de tablas

Tabla 1: El apoyo del 5G a las TICs ...... 11 Tabla 2: Comparación VoLTE- 5G Voice[Elaboración propia] ...... 12 Tabla 3: Dispositivos compatibles con VoLTE [Elaboración propia] ...... 18 Tabla 4: Interfaces arquitectura de transporte E-UTRAN [Elaboración propia] 22 Tabla 5: Interfaces arquitectura de transporte EPC [Elaboración propia] ...... 24 Tabla 6: Interfaces arquitectura de servicio [Elaboración propia] ...... 27 Tabla 7: Interfaces de Aplicación [Elaboración propia] ...... 28 Tabla 8: Características 5G Voice SA vs VoLTE [elaboración propia] ...... 55 Tabla 9: Funciones de red 5G Voice vs VoLTE [elaboración propia] ...... 56 Tabla 10: Respuestas encuesta (pregunta 2)...... 58 Tabla 11: Respuestas encuesta (pregunta 3)...... 58 Tabla 12: Respuestas a la encuesta (pregunta 4) ...... 58 Tabla 13: Respuestas a la encuesta (pregunta 5) ...... 59

Índice de figuras Figura 1: Opciones de despliegue de 4G y 5G [2] ...... 9 Figura 2: Evolución de las redes [4] ...... 9 Figura 3: Incremento de usuarios VoIP [19] ...... 15 Figura 4: Mapa cobertura 4G en España [21] ...... 17 Figura 5: Arquitectura de red VoLTE [23] ...... 20 Figura 6: Arquitectura de red EPS (Envolved Packet System) [24] ...... 21 Figura 7: Arquitectura EPC [25] ...... 22 Figura 8: Red VoLTE [27] ...... 24 Figura 9: Arquitectura de aplicación [28] ...... 27 Figura 10: Señalización SIP [31] ...... 32 Figura 11: Intercambio de mensajes en un registro VoLTE [32] ...... 33 Figura 12: Registro VoLTE ...... 37 Figura 13: Información Register VoLTE ...... 37 Figura 14: Flujo registro VoLTE [Elaboración propia] ...... 38 Figura 15: Llamada VoLTE-VoLTE (1) ...... 41 Figura 16: Llamada VoLTE-VoLTE (2) ...... 42 Figura 17: 5G conexión con los servicios [34] ...... 46 Figura 18: Frecuencias 5G [39] ...... 49 Figura 19: 5G NSA vs 5G SA [42] ...... 51 Figura 20: Despliegue inicial del 5G [43] ...... 52 Figura 21: Arquitectura de transporte 5G [45] ...... 52 Figura 22: Antenas 4G vs antenas 5G [47] ...... 56 Figura 23: Respuesta encuesta (1) ...... 57

v 1. Introducción

1.1 Contexto y justificación del Trabajo

Con el paso del tiempo se ha pasado por diferentes tecnologías, cada cual mejorando las prestaciones de la anterior; actualmente el incremento de dispositivos conectados a internet (IoT) y el aumento de direcciones IP ha generado la necesidad de la evolución de la tecnología, mejorando calidades de servicio, y satisfacción de la demanda de los usuarios.

La voz sobre LTE, a partir de ahora denominado VoLTE (Voice over long- term evolution) es un estándar de comunicación inalámbrica para teléfonos móviles, y terminales de datos incluidos en dispositivos de IoT (Internet de las cosas), VoLTE cubre las necesidades de velocidad y capacidad de voz y datos demandada por los usuarios, pero pese a ser una tecnología muy actual tiene debilidades y debido a ello requiere mejoras para cumplir con la demanda de los usuarios, estas mejoras son necesarias por el incremento de dispositivos que utilizan esta tecnología.

Es necesario cubrir el incremento de dispositivos conectados a la red, Comentado [MIV2]: Que incremento? aumentar velocidades de transmisión, así como la calidad de sonido, mejorar el establecimiento de llamada, conocer más a fondo que nodos y tecnología intervienen en VoLTE lo que permitirá evaluar si las mejoras que el 5G Voice aportará serán suficientes para el incremento de dispositivos conectados a la red y de la calidad demandada por los usuarios

1.2 Objetivos del Trabajo

Los objetivos principales de este trabajo son los siguientes:

- Comprender las aportaciones del 5G Voice - Proponer mejoras para el 5G Voice - Conocer los requisitos para la implementación del 5G Voice - Tener una visión de las expectativas de los usuarios del 5G Voice - Conocer que esperan los usuarios de las prestaciones del 5G Voice - Evaluar los puntos débiles de VoLTE. - Uso de la aplicación Wireshark en análisis de llamadas.

Para cumplir estos objetivos es necesario tener una visión general de la evolución de las redes VoIP y un conocimiento más exhaustivo del actual 4G para llegar a comprender porque es necesario el 5G Voice.

1 1.3 Enfoque y método seguido Comentado [MIV3]: Explica un poco más el metodo seguido. Que casos prácticos pretendes realizar y con que finalidad, que evaluaras en el estudio de mercado y La estrategia que se pretende seguir a lo largo de este trabajo es obtener con que finalidad, etc... en primer lugar una visión general de la evolución de las redes comprendiendo las mejoras y aportaciones tecnológicas de las mismas.

Conocer más a fondo la tecnología VoLTE, conociendo los nodos utilizados, protocolos de comunicación, características, así como prestaciones de servicio que ofrece.

Se intentará realizar un análisis de varios casos prácticos ya que ayudará a comprender mejor el funcionamiento de estos nodos y así entender cuáles son las debilidades que pretende cubrir el 5G Voice, además se pretende aportar propuestas de mejora para la demanda exigida por los usuarios y realizar un pequeño estudio de mercado para conocer cuáles son las expectativas y la demanda de los usuarios para el servicio de 5G Voice, para realizar dicho estudio de mercado, se realizará una encuesta a través del dispositivo móvil a diferentes usuarios (diferente sexo, edad, ciudad, estudios..) para comprender a partir de sus conocimientos sobre la tecnología de voz cuáles son sus expectativas para el 5G.

2 1.4 Planificación del Trabajo Comentado [MIV4]: Desarrolla un poco mas la planificación, solo con el diagrama queda un poco vacio La planificación para este Trabajo de Fin de Máster quedaría distribuida de la siguiente forma:

Tarea Fecha inicio Fecha Fin Presente y futuro de la tecnología VoIP: De VoLTE a 5G Voice 01/03/2021 10/06/2021 Desarrollo del estado del arte (investigación documental sobre VoLTE y el 5G) 01/03/2021 12/03/2021 PEC2 (Objetivo de entrega) 15/03/2021 15/03/2021 Evolución de la VoIP (Breve resumen de la evolución de la VoIP) 15/03/2021 19/03/2021 Estudio de la situación actual VoLTE (Conocimiento de la situación actual de VoLTE tratando los temas descritos en los siguientes subapartados: características, protocolos de comunicación y arquitectura) 22/03/2021 15/04/2021 Características del servicio VoLTE 22/03/2021 22/03/2021 Prestación del servicio VoLTE 23/03/2021 23/03/2021 Protocolos de comunicación 24/03/2021 02/04/2021 Protocolo SIP 24/03/2021 25/03/2021 Protocolo Diameter 26/03/2021 29/03/2021 Protocolo GTP 30/03/2021 31/03/2021 Protocolo Megaco 01/04/2021 02/04/2021 Arquitectura del servicio VoLTE 05/04/2021 15/04/2021 Arquitectura de Transporte 05/04/2021 07/04/2021 Arquitectura de Servicio 08/04/2021 12/04/2021 Arquitectura de Aplicación 13/04/2021 15/04/2021 Casos prácticos VoLTE (Se pretende analizar una llamada tanto originante como terminante de usuario VoLTE y otra de originante y terminante VOLTE para extraer conclusiones del resultado obtenido) 16/04/2021 23/04/2021 Llamada usuario VoLTE->VoLTE 16/04/2021 20/04/2021 Conclusiones 21/04/2021 23/04/2021 5G Voice (Realizar un análisis de las características, y la arquitectura 5G Voice implementadas en la red) 21/04/2021 23/04/2021 Características del 5G Voice 26/04/2021 05/05/2021 Arquitectura del 5G Voice 26/04/2021 28/04/2021 Comparación 5G Voice - VoLTE 29/04/2021 05/05/2021 PEC3 (Objetivo de entrega) 06/05/2021 12/05/2021

3 Estudio de mercado a usuarios (encuesta para conocer las expectativas y los conocimientos de VoLTE y 5G enfocada a los usuarios de dispositivos móviles) 07/05/2021 07/05/2021 Resultados de encuesta obtenidos (Análisis de la encuesta realizada) 01/04/2021 16/04/2021 Conclusiones (Conclusiones obtenidas de la encuesta realizada) 01/04/2021 14/04/2021 Propuestas de mejora para el 5G 15/04/2021 16/04/2021 Conclusiones del TFM 13/05/2021 24/05/2021 PEC4 (Objetivo de entrega) 25/05/2021 27/05/2021 Presentación 31/05/2021 31/05/2021 PEC5 (Objetivo de entrega) 01/06/2021 10/06/2021 10/06/2021 10/06/2021

Dentro de las tareas presentadas en la tabla anterior, se utilizaran recursos como Wireshark para el analisis de trazas, y aplicaciones en linea para la realizacion de encuestas.

A continuación de muestra un diagrama de Gantt donde de forma visual se verán las tareas mencionadas anteriormente y los tiempos estipulados para la realización de estas.

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1.5 Breve sumario de productos obtenidos

A lo largo de este proyecto de fin de carrera se han obtenido los conocimientos básicos de protocolos de comunicación, arquitectura de red, prestaciones de servicio VoLTE y 5G Voice así como las características de ambos, permitiendo realizar una comparación entre ambos llegando incluso a proponer mejoras para futuras implementaciones de red.

Los objetivos de conocer la red actual sobre la que se realizan las llamadas, y sus características, así como la importancia y la evolución de la misma se han conseguido a lo largo de este trabajo, incluyendo cuales son las expectativas y conocimiento sobre VoLTE y 5G Voice de un pequeño público al que se ha llegado a través de una encuesta realizada, explicada en el apartado 9.

1.6 Breve descripción de los otros capítulos de la memoria

Los capítulos que se muestran a continuación comienzan con una pequeña descripción de la evolución de la red de comunicaciones de voz, llegando hasta el futuro 5G Voice, pasando por red actualmente implementada VoLTE.

A lo largo de ellos se realiza un estudio de las características de la situación actual implementada (VoLTE) conociendo sus prestaciones de servicio y arquitectura de red.

Se realiza una pequeña descripción de los protocolos de comunicación más utilizados y conocidos en el ámbito de las comunicaciones de voz, especialmente en VoLTE.

A continuación, se ve un caso práctico de una llamada VoLTE-VoLTE para la que se ha hecho uso de la aplicación wiresark para capturarla.

Finalmente se amplían los conocimientos de 5G Voice, incluyendo características, arquitectura de red, para realizar una comparación entre VoLTE y 5G Voice, acompañado de un estudio de mercado para conocer las expectativas del 5G Voice en los usuarios, concluyendo el trabajo con una serie de propuestas de mejoras e implementación para el futuro de la red de comunicaciones.

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2. Estado del arte

2.1 Introducción

Desde los años 80 la voz ha tenido un papel muy importante en las comunicaciones y el mundo 5G Voice será aunaún más protagonista. La Comentado [VM5]: aún infraestructura de red utilizada actualmente para dar el servicio VoLTE actualmente, será utilizada para habilitar las llamadas de voz 5G, donde Comentado [VM6]: Y que aporta esta característica? solo existe cambio en la generación de acceso radio mejorando las velocidades y latencia respecto a VoLTE, pero sin llegar al objetivo final del 5GNR..

El viaje hasta el 5G tiene varios caminos y pasos posibles de migración de redes móviles y de los servicios de voz, es fundamental comprender como llevar los servicios de voz basados en VoLTE de hoy en 5G, explicando varios modelos de implantación de red. Las capacidades de negocio, exigencia de consumidores y empresas, han sido inspiración para el desarrollo de nuevos casos de usos del servicio de voz y comunicación 5G.

2.2 La evolución de las redes de comunicación móvil: del 1G al 5G

La evolución de las redes de comunicación ha traído consigo cambios en la generación de la telefonía móvil, necesarias para soportar los cambios Comentado [VM7]: Que explicaras mas adelante? que se han producido en las redes, ya que para que los dispositivos móviles sean compatibles con los cambios generacionales que se han visto implementados en la arquitectura de red, es necesario actualización hardware y compatible con los cambios producidos para hacer uso de la evolución de las redes.

Figura 1: Evolución de la telefonía móvil [1] Comentado [VM8]: Está bien la imagen, pero, ¿qué aporta? Quizás añadiría alguna imagen que sea mas La generación cero, trajo radioteléfonos conectados a la red de telefonía representativa a nivel de red y no de terminal fija, pero con sus propios números.

En los años 90 Moviline era el único operador que trajo el servicio de telefonía 1G, el cual utilizaba canales de comunicación analógicos y servía exclusivamente para la transmisión de voz, la tecnología utilizada

7 se basaba en la conmutación de circuitos y con una seguridad en las comunicaciones muy baja. Fue en 2003 cuando Movistar mejoró con el la seguridad de las comunicaciones al utilizar protocolos digitales cifrados, siento GSM (Sistema Global de comunicaciones móviles) el más extendido, entonces la tecnología de red utilizada se basaba en la conmutación de paquetes y en la conmutación de circuitos, lo que incorporó además de las mejoras de voz el uso de SMS y datos. Entre la tecnología 2G y 3G, apareció una tecnología intermedia 2,5G, y 2.75G las cuales incorporan cambios en la transferencia de datos superiores al 2G, pero inferiores al 3G. En 2004 para aumentar la velocidad de internet conexión de datos como Comentado [VM9]: Velocidad de conexión de datos principal objetivo, llegó la tercera generación 3G, esta tecnología mantuvo la arquitectura de red de la generación anterior (conmutación de circuitos Comentado [VM10]: La de la? y conmutación de paquetes). En 2008 mejoró el 3G una tecnología intermedia 3,5G antes de pasar al 4G donde una de las principales diferencias era la velocidad de descarga y paso intermedio hasta llegar al 4G

La tecnología 3G fue de las más duraderas entre los ciudadanos hasta 2013 que se hizo realidad el 4G mejorando la seguridad y aportando mayor capacidad en las redes, con el aumento exponencial de los usuarios que hacían uso del 3G, las redes empezaban a no soportar tantos usuarios conectados pues los dispositivos móviles cada vez eran más demandados por la población. El protocolo utilizado por el 4G se denominó LTE (Long Term Evolution).

Al igual que para la tecnología 4G, para la quinta generación 5G el nuevo protocolo se ha denominado New Radio, y el núcleo de red NGCN (Next Generation Core Network) está basado en software de red y de la nube. En España ha sido en 2021 cuando se ha empezado con la implantación del 5G NSA (Non stand alone) es decir que se sigue operando sobre el núcleo de red LTE. El 5G completo 5G SA (stand alone) será el que ofrezca todas las garantías de latencias mínimas y mayores velocidades Comentado [VM11]: Debido a que ofrecerá estas de conexión red, así como disminución en el establecimiento de las garantías? llamadas de voz por los cambios en la arquitectura de red .introducidos. [1]

En la siguiente figura se ven las diferentcias del despliegue de 4G y 5G, la mayoria de los operadores han utilizado una arquitectura NSA más concretamente la opción 3, donde se utiliza la arquitectura de red de LTE, y NR sobre EPC (Evolved Packet Core) ambas arquitecturas simultaneamente, permite ofrecer mayores anchos de banda con mayor eficiencia espectral que utilizando solo radio LTE, las celdas NR se utilizan principalmente para aumentar el trafico de datos, sobre todo en las areas mas congestionadas. Toda la señalización de voz entre la radio y el núcleo de red es transportada sobre LTE, y el tráfico de datos se transporta sobre NR.

8 Con formato: Descripción, Centrado, Sangría: Izquierda: 0 cm

Figura 1: Opciones de despliegue de 4G y 5G [2] Los despliegues siguiendo la arquitectura SA, comenzaran a lo largo de este año 2021, introduciendo el nucleo de 5G, donde la arquitectura objetivo permitirá aprovechas las innovaciones del 5G para voz y datos.

La aparición del 5G no solo incluye mejoras en la tecnología de voz y datos, además surgirán nuevas aplicaciones y utilizaciones usos como Comentado [VM12]: Utilizaciones o usos? puede ser vehículos autónomos y ciberseguridad. [3]

Figura 2: Evolución de las redes tecnología [4] Comentado [VM13]: Evolución de que tecnología?

Hay un proyecto piloto donde el IMT-2020 (5G) (equipo dedicado a desarrollar sistemas de telecomunicaciones móviles) está trabajando en la tecnología 6G. Lo poco que se conoce de este proyecto es que podría alcanzar una velocidad de descarga de hasta 1TB por segundo y cubrir la comunicación bajo el agua, así como el uso de la inteligencia artificial para el desarrollo de la tecnología. Se prevé que hasta 2030 mínimo esta tecnología no sea implementada. [5]

9 2.4 El 5G Voice

El objetivo de las generaciones anteriores han sido principalmente ofrecer servicios de datos móviles rápidos y confiables a los usuarios de la red, sin embargo. el 5G amplia esta situación en servicios inalámbricos a los usuarios finales a través de diversas plataformas de acceso y redes multicapa.

Existen nuúmerosos artículos entre los diferentes fabricantes Comentado [VM14]: Numerosos principalmente Ericscson y donde especifican su tecnología para Comentado [VM15]: Ericsson incluir el 5G Voice en las redes, donde se barajan varias opciones en la implementación de los nodos, en función de las compañías telefónicas podrían implementar una u otra, sin embargo, hasta el 5G Voice esté Comentado [VM16]: Que el completamente implantado e implementado aún quedan años. [6] [7] Comentado [VM17]: Puedes hacer una previsión?

La convivencia de estas dos tecnologías tanto VoLTE como 5G Voice va a tener un papel muy importante a lo largo de los próximos años, ya que la comunicación por voz ya no solamente se aplica entre personas si no Comentado [VM18]: sino también a través de la inteligencia artificial nos podremos comunicar y conectar con máquinas, controlar drones, comunicarse con dispositivos electrónicos como pueda ser Alexa o Siri.

La tecnología 5G NR no es compatible con todos los terminales, es necesario que los dispositivos móviles tengan el hardware y software actualizada actualizado para poder realizar llamadas de voz en 5G, Comentado [VM19]: actualizado además de que la operadora con la que esté abonado haya implementado el servicio, similar a lo ocurrido con VoLTE que dependiendo del dispositivo se puede hacer uso de este servicio y dependiendo de la operadora, ha sido implementado en una fecha u otra.

Hace unos meses Forbes en Forbes publicó la siguiente cita “la tecnología Comentado [VM20]: de voz está tomando el control y transformará la forma en que sus clientes encuentran e interactúan con su marca” [8], la comunicación por voz puede ser mucho más importante de lo que imaginamos.

Es decir que afecta en todo el ámbito de las TICs, principalmente con el uso de la inteligencia artificial y el internet de las cosas, el uso de dispositivos conectados a internet que reclaman no solo alta seguridad, si no también bajas latencias y altas velocidades. Comentado [VM21]: sino

El 5G afectará al sector de las TIC, en la siguiente tabla se pueden ver algunas de las tendencias emergentes y el papel en su apoyo [9]:

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Tabla 1: El apoyo del 5G a las TICs

2.5 El 5G Voice frente al VoLTE

El crecimiento en el consumo de aplicaciones OTT (over the top) que ofrecen contenido de vídeo a través de internet en lugar de la televisión por cable hace que el uso de llamadas de voz o video puedan perder calidad e incluso sufrir retardos por la latencia de la red, para que esto no se produzca las redes de voz están separadas de las redes de datos.

Los sistemas de voz están basados en IMS (Subsistema Multimedia IP) que mantienen las llamadas de voz separadas del tráfico general de internet.de datos. Comentado [VM22]: trafico de internet o cualquier tipo de trafico de datos? El 5G VoNR ofrece a los operadores de red mejoraríía en la calidad de las Comentado [VM23]: mejoría llamadas y reducción de los costes operativos, esto se debe a que permitirá que las llamadas de voz utilicen de forma más eficiente el hardware y el espectro de red, utilizando códecs mejorados, pues el 5G introducirá el códec IVAS (Immersive Voice and Audio Services),introduce Comentado [VM24]: introducirá introducirá el concepto de “network slicing” o cortes de red, donde lo ques Comentado [VM25]: Una traducción un poco literal se pretende es utilizar los recursos de red específicos, para su uso exacto, no? utilizando únicamente los recursos necesarios, de esta forma las se Comentado [VM26]: ¿?? realizaría un uso más eficiente de las redes. [10] Comentado [VM27]: ¿?? Con la llegada del 5G Voice varias operadoras están considerando apagar las redes 3G durante los próximos años y lo mismo con las redes 23G, Comentado [VM28]: Otra vez 3G??

11 esto provocaría que el roaming que actualmente se está haciendo en conmutación de circuitos deba a empezar a hacerse en VoLTE, es decir que, pese a que el crecimiento de VoLTE haya sido lento hasta el Comentado [VM29]: Que el momento, la introducción del 5G Voice será de gran importancia para acelerar su adopción. [11] [12]

En la siguiente tabla se pretende ilustrar a grandes rasgos un pequeño resumen de los cambios que incorporará el 5G Voice frente a VoLTE en cuanto a códecs, tecnología, latencia espectro, técnicas de acceso, capacidad de tráfico y movilidad del usuario:

VoLTE 5G Voice Tabla con formato AMR-WB Voice and Audio Services Códecs Adaptive Multi-Rate (IVAS) Wideband EPS (Evolved Packet System) , NFV (Network Function Tecnología LTE Virtualizacion) 800 MHz-3,5 GHz + Espectro 800 MHz-3,5 GHz mmWaves Latencia 10 ms < 1 ms

OFDMA OFDMA y BDMA Técnicas de acceso (Orthogonal Frecuency- (Beam Division Multiple múltiple Division Multiple Access) Acces)

Capacidad de tráfico 0,1 Mbit/s 10 Mbit/s Movilidad de 350 km/h 500 km /h usuario Tabla 2: Comparación VoLTE- 5G Voice[Elaboración propia] Comentado [VM30]: ¿De donde sale la tabla? ¿Es elaboración propia? Ponlo si es así.

2.6 Proyectos realizadosrelacionados con VoLTE y 5G Voice

Existen números artículos tesis, másteres de referencia de VoLTE y el 5G Voice, algunos consultados son los siguientes:

1. “Evaluación de redes móviles 5G en entornos con aplicaciones IoT”. Donde se analiza la arquitectura LTE, la estandarización y el espectro 5G, definición del internet de las cosas, poniendo foco en la evolución de las diferentes generaciones de móviles. (Trabajo de fin de Máster) [13]

2. “Tecnologías 3G, 4G y 5G una perspectiva económica y social de la carrera por la innovación de las redes de banda ancha” Se analiza el impacto social y económico de cada una de las tecnologías implantadas, así como las repercusiones en los usuarios. (Trabajo de fin de Grado). [14] Con formato: Sangría: Izquierda: 1,27 cm, Sin viñetas 3. “NB-IoT M2M Communications in 5G Cellular Networks”. Se introduce el ni numeración internet de las cosas en la tecnología de red tanto LTE como 5G,

12 considerando aspectos como la energía necesaria para la implementación y evaluación de los nodos de red principalmente los de radio. (Tesis doctoral) [15] Con formato: Sangría: Izquierda: 1,27 cm, Sin viñetas 4. “VoIMS-IMS and 5G”. Es un artículo que recoge la implementación Core ni numeración y arquitectura IMS para el 5G. (Articulo) [16] Con formato: Sangría: Izquierda: 1,27 cm, Sin viñetas 5. “IMS in 5G. Realiza un análisis de la arquitectura LTE y 5G, así como de ni numeración la convivencia de ambas tecnologías. Usos del 5G y resultados obtenidos Con formato: Párrafo de lista, Esquema numerado + tras realizar llamadas y videollamadas en 5G (Tesis doctoral) [17] Nivel: 1 + Estilo de numeración: 1, 2, 3, … + Iniciar en: 1 + Alineación: Izquierda + Alineación: 0,63 cm + Sangría: 1,27 cm Estos recursos han sido y serán consultados de forma complementaria a la Con formato: Normal realización de este trabajo de fin de máster. Cabe destacar que en la documentación consultada no he encontrado información a nivel de usuario, conocimiento que tienen sobre VoLTE y que esperan del 5G es por esto por lo pretendoque se pretende añadir el estudio de una encuesta realizada a los usuarios relacionada con el 5G Voice lo he añadido en mi proyecto para analizar los resultados que obtendré.

13 3. Evolución de la voIP

La telefonía IP ha ido evolucionando, el envío y la recepción de llamadas, transmitiendo paquetes de datos a través de Internet. El 1989 Alan Cohen hizo posible la existencia de la voz sobre el protocolo de Internet (VoIP) él creó los primeros fundamentos de VoIP, la conversión de señales analógicas de audio en datos digitales para la transmisión a través de Internet hacia la otra dirección IP.

Fue VocalTec en 1995 la primera compañía que logró la transmisión y compresión de la voz por paquetes de datos vía Internet y 12 meses después esta misma compañía pudo establecer una comunicación entre usuarios de telefonía IP y líneas telefónicas analógicas. [18]

VoIP no ofrecía a los usuarios un gran servicio, la calidad era baja las desconexiones eran frecuentes y con ello los cortes en las llamadas y había lentitud constante en las llamadas, sin embargo, con el tiempo ha logrado perfeccionarse.

A medida que la velocidad de conexión de Internet ha ido aumentando aparecieron conexiones de internet dedicadas a la transmisión de voz y datos exclusivamente, así como la aparición de la fibra óptica han hecho que la tecnología VoIP comenzara a tener mejor calidad y mayor velocidad en las transmisiones de voz, mejorando exponencialmente la calidad del servicio y la experiencia de los usuarios.

La aparición de la VoIP tuvo un impacto tan alto que impulsó a la Unión Internacional de las Telecomunicaciones (ITU-T) la estandarización de la señalización de las comunicaciones sobre VoIP.

La estrategia de posicionamiento en el mercado que siguieron las empresas fue ofrecer una promoción servicio de voz gratuito a sus clientes, la que se conoce actualmente, antes de que apareciera la VoIP las empresas cobraban a sus clientes por la duración de las llamadas y los destinos a los que se realizaban estas, descendiendo la cantidad económica que se paga por la realización de las llamadas de voz, por lo que no solo fue un avance tecnológico sino que también hay numerosas tecnologías asociadas y la estrategia de las empresas cambió considerablemente.

La gran inversión económica y los gigantes tecnológicos invirtieron multitud de recursos en búsqueda de optimización de eficiencias aumento de las velocidades de transporte, mejora de los servicios y principalmente el crecimiento de Internet para llegar a todos los usuarios independientemente de la ubicación, esta inversión se ve reflejada en el crecimiento de las tecnológicas y aplicaciones relacionadas con VoIP.

La experiencia de los usuarios ha ido mejorando considerablemente en el uso de la VoIP y de las videollamadas, esto es posible por la tecnología y los protocolos de comunicación impulsados por la telefonía IP, servicios de uso cotidiano como puede ser Netflix o Youtube así como la mejora del soporte de

14 los servicios han sido posible gracias a los protocolos y la tecnología IP impulsada por la VoIP.

La evolución de las redes, y el despliegue de fibra para tratar de llegar a todos los hogares han hecho posible el incremento de la accesibilidad por parte de los usuarios al uso de la VoIP. En la siguiente imagen se muestra la evolución desde 2014 y la previsión para 2024 de la cantidad de usuarios (en billones) que hacen uso de telefonía de VoIP.

Figura 3: Incremento de usuarios VoIP [19]

El crecimiento exponencial de los usuarios que utilizan VoIP y la facilidad para acceder a su uso implica no solo aumento en las redes para dar servicio si no que la exigencia demandada por los clientes también es mayor, es por eso por lo que es necesaria la evolución de la tecnología VoIP.

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4. Estudio de la situación actual VoLTE

Pese a que usamos los teléfonos móviles más que nunca, las llamadas de teléfono han pasado a un segundo plano con el uso de aplicaciones como Whatsap o Telegram, pese a ello las llamadas siguen teniendo un papel fundamental en el día a día. VoLTE son las siglas en ingles de Voice over Long Term Evolutión, es el nombre que recibe la tecnología utilizada actualmente para la VoIP, también se puede encontrar como llamadas 4G o voz sobre LTE. Se resume en hacer llamadas a través de 4G con todas las ventajas que esto implica como es una mejor calidad de red y mayor calidad de servicio, establecimiento de llamada mucho más rápido y mejora en la calidad del sonido son algunas de las mejoras más reseñables en comparación con las tecnologías anteriores.

Actualmente se pueden realizar llamadas con voz en alta definición y disfrutar a la vez del uso de internet en el dispositivo móvil, además de ofrecer llamadas WI-FI utilizando la red del lugar donde se encuentre el llamado VoWIFI, de forma automática (siempre que esté habilitado en el dispositivo) el servicio de VoWIFI es muy útil en caso de que el usuario se encuentre en el extranjero pues solo haría falta conectarse a una red WI-FI para realizar o recibir llamadas de voz con un consumo mucho menor, además de ser útil utilizarlo en caso de que el operador tenga algún problema de red. En caso de tener contratado un servicio donde no se disponga de llamadas ilimitadas el uso de VoWIFI no incrementa el consumo de minutos utilizados en la realización de llamadas y en caso de salir de la red continuar la llamada en 4G sin cortes. Las operadoras de Movistar, Vodafone y Orange tienen implementada está tecnología y la ofrecen a sus clientes sin coste adicional.

Una de las características más demandadas y notables por parte de los consumidores que hacen uso de VoLTE es la reducción del consumo de batería, esto es debido a la eficiencia de las antenas a las que se conectan los usuarios para establecer las llamas, la actualización de la tecnología tanto a nivel software como hardware, pese a esta reducción, el 5G Voice será capaz de disminuirla aún más.

Según un estudio de Juniper Rsearch publicado en “Tecnología para tu empresa” con fecha 20 de febrero de 2021 el número de usuarios VoLTE se acercará a los 5.000 millones para 2024, frente a los 2.000 millones de 2019 La investigación identificó a los altavoces inteligentes y VoLTE como tecnologías que trabajarán juntas para habilitar servicios de voz basados en IP. Se pronostica que más de 220 millones de altavoces inteligentes se utilizarán para hacer llamadas a números de teléfonos fijos o móviles para 2024. Los altavoces inteligentes, como Echo y Nest, habilitarán nuevos canales de interacción que los operadores pueden ofrecer a marcas y empresas. La investigación pronostica que la cantidad de minutos de voz de los altavoces inteligentes a números de teléfono crecerá más del 1.000% en los próximos cuatro años, para representar 230.000 millones de minutos de uso de voz a nivel mundial para 2024. [20]

16 En España la cobertura 4G para hacer uso de VoLTE es muy alta en las ciudades más pobladas, mientras que los pueblos donde el número de habitantes es menor es baja, existen numerosas paginas donde introduciendo la provincia y localidad se puede comprobar la cobertura de la que dispone en dicha zona.

Figura 4: Mapa cobertura 4G en España [21]

Existe también el 4G+ el cual ofrece mayores velocidades de transmisión al utilizar varias portadoras de radio mintiéndose sin cambios a nivel de núcleo de red, actualmente implementado, pero ha pasado desapercibido por no introducir grandes cambios en la tecnología.

Como desventaja reseñable es que no se puede utilizar en cualquier dispositivo, esta tecnología está reservada para dispositivos que acepten 4G. Algunos dispositivos que soportan esta tecnología se recogen en la siguiente tabla:

Dispositivos compatibles VoLTE Galaxy S9+ G965F (ELE-L29) S10e G970FDS Huawei P30 Pro (VOG-L29) G973FDS Pro (LYA-L29) Samsung Galaxy S10+ G975FDS Huawei Mate 20 (HMA-L29) N960F Lite (JNY-LX1) A505FN/DS Huawei P40 Pro (ELS-NX9) Huawei P40 (ANA-NX9) Huawei P40 5G Samsung Galaxy Note 10+ 9 (M2004J19AG) Samsung A71 Apple iPhone 6S o posterior, con iOS 13.4 o superior Samsung Galaxy S10 Lite A9 2020 (CPH1941) Oppo A91 (CPH 2021) Samsung Galaxy S20+ Lite (CPH 2005) Samsung Galaxy S20 Ultra 5G Oppo Find X2 Neo (CPH 2009) Samsung Galaxy S20+ 5G Oppo Find X2 Pro (CPH 2025) Samsung Galaxy A6 (A600FN/DS) Oppo A72 (CPH 2067)

17 Dispositivos compatibles VoLTE Samsung Galaxy A20e (A202FDS) (A405FN/DS) (J600FN) (A705FNDS) (A215F) 2018 (A920F) Samsung Galaxy A6+ (A605FN/DS) Samsung Galaxy Note 9 (N960F) (SM-A315G) Tabla 3: Dispositivos compatibles con VoLTE [Elaboración propia]

4.1 Características del servicio VoLTE

El uso de VoLTE es cada vez más frecuente entre los usuarios y más accesible en los dispositivos nuevos.

Los servicios de voz que ofrece VoLTE tiene una gran calidad de servicio (QoS) punto a punto, para que esto sea posible es necesario que crear bearer EPS con GBR (Guaranteed Bit Rate) para el tráfico multimedia, además de otros defaults no-GBR para la señalización o internet.

Las características más comunes de esta tecnología son las siguientes:

• Disminución de la señalización, esto es posible porque la señalización VoLTE no utiliza mensajes de monitorización Keep Aliv lo que hace que el número de mensajes sea menor a la hora de realizar llamadas, en comparación con tecnologías anteriores.

• Calidad de audio en HD por el uso de códecs AMR-WD (Adaptativa Rate Wideband)

• Bajo consumo energético y de batería en los dispositivos móviles, el consumo de los dispositivos telefónicos actuales es multi-precosadores de varios GHz. La reducción de consumo se consigue gracias a la optimización radio que permite el apagado del receptor y transmisor mientras no transmiten, es decir solo están encendidos cuando se realiza una llamada, además se aumenta el tiempo de hibernación con la agregación de varios paquetes en los transmisores.

• Mayor calidad en situaciones de baja cobertura o malas condiciones de radio, por la técnica TTI (Transmision Time Interval)

• Latencia mínima en comparación con la tecnología anterior, que dependía de la ruta del tráfico que siguiera la llamada y si estaba muy concurrida dicha ruta.

18 • Para dar continuidad a las llamadas, el llamado hand-over es necesario el uso de una tecnología complementaria como puede ser el VoWIFI mencionado anteriormente o se baja en a 3G perdiendo calidad de la llamada, pero sin corte, continuando en circuitos.

4.2 Prestaciones del servicio VoLTE

VoLTE con independencia total de la red de circuitos debe ofrecer llamadas de voz sobre una red IMS-LTE por lo que la comunicación se realiza íntegramente por IP.

Se conoce como un servicio RCS (Rich Comunication Suite), este concepto se presenta por la GSMA como plataforma para ofrecer servicios de voz, video o mensajería.

Para satisfacer y cumplir con las características mencionadas en el apartado anterior es necesario que la red IMS cumpla una serie de requisitos mínimos:

• Continuidad de la llamada en lugares de baja cobertura 4G. • Negociación en tiempo real de las características multimedia. • Mínimo tiempo de establecimiento de llamada • Utilización de códecs de banda ancha.

A nivel de servicio de llamadas: [22]

• Debe ofrecer la posibilidad de realizar y recibir llamadas desde cualquier número de telefonía nacional o internacional, fija o móvil a través de una red de acceso LTE desde un dispositivo móvil que sea apto para ello. • Las llamadas a números especiales y numeración corta en general (10x, 11x) serán cursadas por la red celular 2G/3G en forma automática. • Las llamadas 0800 y 0810 se cursarán utilizando 4G. • No hay coste adicional en la factura por el uso de VoLTE. • El servicio mantiene continuidad de la llamada cuando se pasa a WI-FI y viceversa y cuando se pasa de cobertura 4G a 3G y viceversa.

4.3 Arquitectura del servicio VoLTE

La arquitectura LTE tiene como base principal una red únicamente de conmutación de paquetes, que permite una baja latencia y un bajo coste de operación y mantenimiento, para alcanzarlo se establece una arquitectura de red compuesta por dos bloques generales: el de la red de acceso denominada E- UTRAN (Evolved -UMTS Terristrial Radio Access Network), y el núcleo de red denominado EPC (Envolved Packet System). En la siguiente figura se muestra la arquitectura de red LTE y los elementos que constituyen sus capas:

19

Figura 5: Arquitectura de red VoLTE [23]

La arquitectura de la red de acceso se encarga de las conexiones móviles mientras que la parte core network EPC ofrece la interfaz para el transporte de los paquetes de datos, funcionamiento de gestión de movilidad, funciones de seguridad y de transferencia y enrutamiento de paquetes son algunas de las funcionalidades de esta parte de la red.

A continuación, se detallarán los nodos y las interfaces que forman la arquitectura VoTE diferenciando entre la arquitectura de transporte, de servicio y de aplicación, tratando de explicar la utilidad de estos, en el servicio de VoLTE, todos estos nodos son imprescindibles para llevar a cabo la continuidad del servicio prestado.

20 4.3.1 Arquitectura de transporte

En la arquitectura de transporte se diferencia el acceso E-UTRAN y el transporte troncal EPC (Envolved Packet Core). La red de acceso E-UTRAN incluye solo un tipo de identidad, la estación radioeléctrica eNB (Evolved Nodo B) con las conexiones UE (User Equipment):

Figura 6: Arquitectura de red EPS (Envolved Packet System) [24]

El eNB es el responsable de gestionar los recursos radioeléctricos, la asignación de las portadoras a los dispositivos móviles, y la movilidad de los equipos de usuarios UE. Los eNB transportan el tráfico de datos desde el dispositivo móvil al SGW (Signaling Gateway) y viceversa, cuando los eNB reciben los datos del UE o desde el SGW examina los QCI (QoS Class Identifier) para implementar el mecanismo de clasificación del paquete.

Las celdas son el área de cobertura radioeléctrica del eNB, para tomar la decisión y planificación del intercambio de los paquetes del dispositivo móvil se utilizan estas celdas para realizar la difusión broadcast.

En resumen, las entidades que forman la arquitectura de transporte son:

• UE (User Equipment o terminal del usuario) • eNB: Elemento central de E-UTRAN cuyas funciones se han descrito anteriormente.

La interacción de los nodos se hace a través de interfaces, entendiendo por interfaz el punto de unión entre dos entidades, donde se define la información que se intercambia y el protocolo utilizado. La siguiente tabla recoge las interfaces, así como el protocolo y una pequeña descripción:

Interfaz Protocolo Descripción Interfaz usada para conectar el dispositivo móvil al eNB, por lo que LTE-Uu E-UTRAN lleva el tráfico desde el móvil al intercambio de señalización entre el móvil y el eNB.

21 Interfaz Protocolo Descripción X2-ap (Control) Usada para la transferencia intra-UTRAN y para el intercambio de la X2 GTP-U información cargada en la celda. (Usuario) S1-U GTP-U Solo llega tráfico de datos Sirve para la activación del portador radioeléctrico, y para la gestión S1-MME S1-AP de movilidad Tabla 4: Interfaces arquitectura de transporte E-UTRAN [Elaboración propia]

En cuanto al transporte troncal mencionado anteriormente (EPC) es la última evolución del núcleo de red presentado por la 3GPP, realiza el procesamiento de señalización y la transferencia del tráfico de datos. En la siguiente figura se muestra los elementos que la forman:

Figura 7: Arquitectura EPC [25]

A grandes rasgos las identidades que forman la arquitectura EPC y características principales son las siguientes:

• MME: (Mobility Managment Entity) nodo de control que procesa la señalizacion entre el EPS y el UE, controla el establecimiento de las portadoras para la transmisión del tráfico de datos. Algunas funciones son las siguientes:

o Selecciona el S-GW durante el proceso de registro y handover entre redes LTE. o Realiza funciones relacionadas con la conexión, establecimiento de conexión y la seguridad de la red. Interacciona con el HSS como responsable de la autenticación final. o Asegura que tiene autorización el UE para utilizar la PLMN del operador y hace cumplir las restricciones de itinerancia que el UE pueda tener. o Encargado de la liberación y establecimiento de las portadoras. o Selección del P-GW Y S-GW.

22 o Administración de recursos radio (Bearer).

• S-GW (Puerto de enlace de servicio Serving Gateway). Es el equivalente de la SGSN de las redes 3G. Se define como un punto de anclaje entre el plano del usuario de interconexión con la red de acceso. Algunas de las funciones son las siguientes:

o Control de la movilidad entre los e-NB (Handover) o Enrutamiento y envío de paquetes de datos o Retención de paquetes IP cuando el usuario no se encuentra conectado.

• P-GW (Packet Data Network Gateway) es equivalente a la GGSN en las redes 3G. Se encarga de la conectividad con las redes externas de paquetes de datos. Controla la asignación y direccionamiento IP de la creación de los Bearers Algunas funciones son las siguientes:

o Verificación y filtrado de los paquetes válidos. o Asignación de la dirección IP para el terminal de usuario. o Soporte para la interconexión entre redes. o Generación de CDR (Call Detail Records) por volumen y tiempo y para conciliación de tráfico con otras operadoras. o Aplicación de las reglas del uso de red y control de tarificación en función de los servicios contratados por el usuario.

• HSS (Home Suscriber Server): es el equivalente al HLR en las redes 3G. es una base de datos que contiene la información tanto fija como temporal de los usuarios de la red, entendiendo por información datos como el número del servicio e identificación universal del usuario (IMSI y (MSISDN). Algunas de las funciones que realiza son las siguientes:

o Autenticación y registro del usuario. o Transferencia del perfil hacia el MME. o Restricciones de Roaming.

• PCRF (Policy Control and Chargingn Rules Function) es la plataforma encargada de crear las reglas de tarificación que van a aplicarse al tráfico del usuario, en función del servicio contratado. Sus funciones son:

o Administración de políticas de servicio. o Control dinámico de calidad del servicio o Aplicación de políticas por volumen y tiempo de servicio.

La comunicación entre los nodos anteriores se lleva a cabo a partir de las siguientes interfaces:

Interfaz Protocolo Descripción S11 GTP-C Interfaz de control entre el MME y S-GW.

23 Interfaz de control y datos entre S-GW y P-GW. GTP-U S5/S8 La diferencia entre S5 y S8 es que la segunda se usa en caso de GTP-C Roaming

Interfaz de control entre el HSS y MME, se utiliza para la S6a Diameter descarga de la ficha del usuario

SP Diameter Interfaz de control entre el SPR y el HSS Gx Diameter Interfaz entre el PCRF y P-GW Tabla 5: Interfaces arquitectura de transporte EPC [Elaboración propia]

4.3.2 Arquitectura de servicio

Se denomina arquitectura de servicio a la red IMS o Multimedia Subsystem, donde es un sistema de control de sesión del servicio, para realizar está función se utiliza el protocolo SIP y funciones de provisión del servicio mediante SDP. [26]

En la siguiente figura se muestra la red VoLTE y concretamente la arquitectura de servicio IMS en verde:

Figura 8: Red VoLTE [27]

Los elementos de red que forman el núcleo IMS y sus funciones son los siguientes:

• P-CSCF (Proxy Call Session Control Function). Interconecta la capa de transporte con la de aplicación, realiza la función de un servidor Proxy, o lo que recibe solicitudes tanto del UE como del S-CSCF y las transfiere respectivamente al S-CSCF o al I-CSCF. Algunas de las funciones que realiza son las siguientes:

o Transferencia de solicitures SIP Register al I-CSCF. (En un mensaje SIP Register estará la IP del I-CSCF donde debe enviarla, posteriormente irá al S-CSCF y la almacenará).

24 o Treansfererir la solicitud SIP Invite desde el S-CSCF o desde el UE. (Contiene en la cabecera la IP donde debe enviar el mensaje). o Detectar llamadas de emergencia para enviarlas al E-CSCF. o Establecer IPSec (IP Security) asociándola con el UE de registro. o Generar los datos necesarios para facturación. o Verificar que hay recursos de red disponibles en la red EPS. o Compresión y descompresión de los mensajes SIP para su interpretación.

• I-CSCF: (Interrogatin Call Session Control Function). Es el punto de unión entre P-CSCF y S-CSCF. Algunas de las funciones que realiza son las siguientes:

o En el momento que recibe una primera solicitud SIP Register, se asigna un S-CSCF al UE y se transfiere la solicitud al S-CSCF correspondiente. (Se cumple gracias a una petición Diameter con el HSS que le indica a que S-CSCF debe realizar el disparo SIP.) o Para una llamada entrante (SIP Invite) se consulta al HSS la dirección IP y la transfiere al CSCF correspondiente.

• S-CSCF: (Servind Call Session Control Function). Dependiendo de la solicitud realiza unas funciones diferentes:

o Proxy Server para establecimiento de la sesión o UA en cuando se tiene que terminar una comunicación SIP porque hay problemas en la red. o Siempre debe mantener el registro o Debe almacenar los perfiles de servicio para usuarios registrados en la red.

• E-CSCF: (Emergency Call Session Control Function). Maneja las llamadas de emergencia que son transmitidas por el P-CSCF (marcaciones 11X) y enruta las solicitudes a los centros más cercanos de UE, puede estar vinculado a la red fija o móvil de otra red IMS. Las funciones que realiza son las siguientes:

o En solicitudes SIP entrantes Invite, se conecta con el LRF (Location Retrival Fuction) para obtener la ubicación el UE. o En base a la información obtenida por el LRF, se transfiere la solicitud al centro de emergencia más cercano.

• BGCF: (Breakout Gateway Control Function). Es el nodo encargado de conectar dos núcleos IMS perteneciente a dos operadoras diferentes. Alguna de sus funciones son: • o Determinar el próximo salto para el enrutamiento de los mensajes SIP cuando las llamadas son de usuarios de PSTN o PLMN.

• MRFC: (Multimedia Resource Function Control). Interpreta las demandas del AS para satisfacerlas. Sus funciones son las siguientes:

25

o Combinar los flujos de media para brincar el servicio de videoconferencia. o Realizar los tratamientos de transcoding.

• MGCF: (Media Gateway Control Function). Es la encargada de interconectar el núcleo de red IMS con las redes de telefonía convencional, como la PSTN, Algunas de sus funciones son:

o Realizar conversión de la señalización SIP a ISUP para conseguir establecimientos de sesiones.

Los nodos de almacenamiento donde se realizan las consultas para saber los datos del cliente y de los nodos donde debe realizar las peticiones son el HSS y SLF:

• HSS: (Home Suscriber Server) es una base de datos compartida donde se almacenan los datos de cada usuario. Se almacena: o IDs de los usuarios. (Incluye los IDs públicos y privados, el ID privado que se asigna al operador de una red IMS, el cual se usa para el registro. El ID público es el que otros usuarios usan para establecer la sesión. o Parámetros de accesos. o Reglas de invocación del servidor de aplicaciones por el S-CSCF. o Participa en los procesos de registro, re-registro de usuarios para el manejo de las sesiones.

• SLF: (Subscription Locator Fuction), es la entidad de red utilizada en arquitectura que contiene más de un HSS, se realiza la consulta al SLF para conocer que HSS tiene la información buscada.

Para la comunicación entre todos los nodos mencionados anteriormente se utilizan diferentes interfaces, en la siguiente tabla se resumen las principales interfaces que se utilizan, así como el protocolo de comunicación utilizado para la comunicación (las que utilizan protocolo Diamter se utilizan para comunicación con las bases de datos (HSS y SLF):

Interfaz Protocolo Descripción Rx Diameter Interconecta el P-CSCF y PCRF. Gm y S-U1 SIP Interconecta el UE y el P-CSCF Mw SIP Interconecta CSCFs. Utilizado para señalización SIP Interconecta el CSCF o BGCF, se utiliza para reenvío de señalización Mx SIP SIP Interconecta el S-CSCF o MRFC, se utiliza cuando hace falta activar Mr SIP servicios de transporte Interconecta MRFC y MRFP, se utiliza para gestionar recursos Mp H.248 multimedia demandado por el AS.

26 Interfaz Protocolo Descripción

Interconecta el S-CSCF y BGCF, se utiliza cuando el S-CSCF quiere Mi SIP redirigir mensajes SIP a una red externa.

Interconecta el MGCF y el I-CSCF o S-CSCF, se utiliza para reenviar Mg SIP mensajes SIP entrantes de RTC. Interconecta el S-CSCF o el I-CSCF con el AS, se utiliza para reenviar y Ma SIP recibir peticiones SIP al AS con servicios públicos de identidades (PSI). Interconecta el S-CSCF con el AS. Se usa para reenviar y recibir ISC SIP peticiones SIP

Interconecta el S-CSCF O I-CSCF con UPSF, se utiliza para consultar al Cx Diameter IPSF información de autenticación y autorización (S-CSCF asignado)

Interconecta otras redes de NGN con el IBCF, intercomunica Ic, Ici SIP dominios IMS Interconecta el S-CSCF o I-CSCF con SLF. Se usa para consultar Dx Diameter localización del HSS Interconecta el AS y el UPSF, se utiliza para consultar información de Sh Diameter autenticación. Interconecta el AS y el SLF se utiliza para consultar la localización del Dh Diameter UPSF. Tabla 6: Interfaces arquitectura de servicio [Elaboración propia]

4.3.3 Arquitectura de aplicación

En las redes de NGN (New Generation Network) los servicios se diseñan independientemente de la tecnología de la capa de transporte y se descomponen en elementos reutilizables llamados Service Enablers.

En la siguiente figura se muestra la arquitectura de aplicación explicada a continuación.

Figura 9: Arquitectura de aplicación [28]

27 Los elementos con los que interactúa la capa de transporte son el AS y la API (Application Porgramming Interface).

Los dos nodos principales son los siguientes:

• El AS es el elemento central de la arquitectura, donde se ejecutan los servicios de valor añadido. Puede jugar varios roles en el procesamiento de un mensaje SIP, como, por ejemplo:

o Proxy Server, en este modo las solicitudes SIP desde el S-CSCF es enviada al AS, y el AS puede agregar modificar o borrar cabeceras del mensaje SIP. o UA Server o un servidor redireccionado, en este modo la respuesta de un AS a una solicitud SIP desde el S-CSCF es 2XX, 4XX, 5XX, 6XX. (Servidores redireccionados). o UAC (UA Cliente), en este modo el AS genera solicitudes SIP y las transmite al S-CSCF. o B2BUA, en este modo el AS recibe una solicitud SIP y la transmite al S-CSCF.

• Las APIs se utilizan para conseguir independencia con las tecnologías de las capas inferiores, donde utilizando interfaces abiertas se crean los servicios.

En la siguiente tabla se resumen las interfaces que se utilizan, así como el protocolo de comunicación utilizado para la comunicación, dichos protocolos de explicarán a continuación en el punto 5.

Interfaz Protocolo Descripción ISC (IMS Service Control) Interfaz a través se implementa el ANI ISC SIP (Aplication Network Interface) e interconecta el AS con las aplicaciones. Sh Diameter Descarga de información del usuario Cx Diameter Descarga de información del usuario Permite al usuario acceder a su perfil de servicios de Ut xCAP la capa de aplicación Tabla 7: Interfaces de Aplicación [Elaboración propia]

28 5. Protocolos de comunicación

Los protocolos de red incluyen mecanismos para que los dispositivos se identifiquen y establezcan conexiones entre sí, así como reglas de formato que especifican como se forman los paquetes y los datos en los mensajes enviados y recibidos. Algunos protocolos admiten el reconocimiento de mensajes y la compresión de datos diseñados para una comunicación de red confiable de alto rendimiento.

Los protocolos para la transmisión de datos en internet más importantes son TCP/IP (Protocolo de Control de Transmisión) e IP (Protocolo de Internet). De manera conjunta TCP/IP podemos enlazar los dispositivos que aceden a la red, algunos protocolos de comunicación asociados a internet son POP, SMTP y HTTP.

Algunos de los protocolos de red más conocidos según las capas del modelo OSI son los siguientes: [29]

Protocolos de la capa 1 - Capa física

• USB: Universal Serial Bus • Ethernet: Ethernet physical layer • DSL: Digital subscriber line

Protocolos de la capa 2 - Enlace de datos

• DCAP: Protocolo de acceso del cliente de la conmutación de la transmisión de datos • FDDI: Interfaz de distribución de datos en fibra • LAPD: Protocolo de acceso de enlace para los canales • VTP VLAN: trunking virtual protocol para LAN virtual

Protocolos de la capa 3 - Red

• ARP: Protocolo de resolución de direcciones • ICMP: Protocolo de mensaje de control de Internet • IPv4: Protocolo de internet versión 4 • IPv6: Protocolo de internet versión 6 • IPX: Red interna del intercambio del paquete

Protocolos de la capa 4 - Transporte

• TCP: Protocolo del control de la transmisión • UDP: Protocolo de datagramas de usuario

Protocolos de la capa 5 - Sesión

• NFS: Red de sistema de archivos • RPC: Llamada a procedimiento remoto • SDP: Protocolo directo de sockets

29 • SMB: Bloque de mensajes del servidor • SMPP: Mensaje corto punto a punto

Protocolos de la capa 6- Presentación

• TLS: Seguridad de la capa de transporte • SSL: Capa de conexión segura

Protocolos de la capa 7 - Aplicación

• DNS: Domain Name System • HTTP: Protocolo de transferencia de hipertexto • HTTPS: Protocolo de transferencia de hipertexto seguro • Telnet: Protocolo de telecomunicaciones de red

A continuación, veremos con más detalles 3 de los protocolos más utilizados a nivel de señalización Core IMS, principalmente encargados de establecer las comunicaciones entre dos dispositivos.

1.15.1 Protocolo SIP

SIP (Session Initiation Protocol) o protocolo de iniciación, es un protocolo de señalización utilizado para establecer una sesión entre 2 o más participantes, modificar la sesión y terminarla, principalmente utilizado en el mundo de la telefonía IP.

Los mensajes están basados en un mecanismo petición-respuesta y describen la identidad de los participantes de una llamada, encapsulado en los mensajes SIP se puede encontrar también SDP (Session Description Protocol) que define el tipo de canales de comunicación que pueden establecerse para la sesión, principalmente los códecs disponibles.

El trabajo de SIP es establecer una llamada, conferencia u otra sesión de comunicación interactiva y terminarla cuando termine.

SIP hace esto enviando mensajes entre los puntos finales en Internet conocidos como «direcciones SIP». Una dirección SIP puede ser enlazada:

Un cliente SIP físico, como un teléfono de escritorio IP.

O, un cliente de software, como una aplicación de ordenador que permite hacer y recibir llamadas (conocido como softphone).

SIP no hace mucho durante la sesión en sí, su propósito principal es establecer la sesión y luego terminarla. Te dice la presencia de la otra parte, hace una conexión y te permite hacer lo que quieras a través de la conexión, pero no tiene ni idea de lo que está pasando a través de la conexión.

Por eso el SIP se puede usar para videoconferencias y mensajería instantánea, así como para hacer llamadas telefónicas a través de Internet. Dejaremos los

30 otros usos de SIP a un lado por ahora y nos centraremos en cómo funciona el protocolo en el contexto de una llamada telefónica.

Antes de que la información de voz pueda ser transportada por Internet, debe ser codificada con códecs que traducen las señales de audio en datos. Para ello se utilizan diversos códecs, pero dos de los más comunes son:

El códec G.711, que se utiliza para la voz digital sin comprimir. Si bien la calidad de audio es mejor que la de otros códecs, el G.711 también utiliza más ancho de banda.

El códec G.729, que se utiliza comúnmente para la voz comprimida. Degrada la calidad de audio a fin de reducir la cantidad de datos transmitidos, reduciendo así la cantidad de ancho de banda consumida por la llamada.

Los paquetes codificados de datos de audio se transportan luego utilizando el protocolo de transporte en tiempo real (RTP): un protocolo especializado en capas de aplicación para el transporte de datos de audio y vídeo cuando se necesita una transmisión en tiempo real.

El protocolo de control RTP (RTCP) funciona junto con el RTP para proporcionar información sobre la entrega de paquetes RTP, que se utiliza en la gestión de la calidad del servicio de voz.

Los paquetes RTP y los paquetes SIP son a su vez transportados por protocolos en la capa de transporte como:

Protocolo de Control de Transmisión (TCP): Un protocolo diseñado para transmitir paquetes en una secuencia ordenada y para retransmitir cualquier paquete que se pierda en el camino. Los encabezados de los paquetes especifican el orden de cada paquete en la secuencia. Si los paquetes se mezclan durante la transmisión, pueden reordenarse en el extremo receptor.

Protocolo de Datagrama de Usuario (UDP): Un protocolo diseñado para transmitir datos sin retransmisión de paquetes perdidos o detección de paquetes fuera de la secuencia.

El UDP es mejor que el TCP para el transporte de llamadas VoIP. Los paquetes perdidos y fuera de secuencia pueden causar leves problemas de calidad de audio, pero en muchos casos no son detectables por el oído humano. La cantidad de retraso causada por el reordenamiento y la retransmisión de los paquetes TCP puede, en última instancia, dar lugar a problemas de calidad de audio mucho peores y a llamadas perdidas.

Por último, dado que SIP es independiente del medio, otro protocolo de capa de aplicación llamado Protocolo de Descripción de la Sesión (SDP) funciona junto con SIP, y especifica qué tipos de medios pueden soportar realmente los clientes SIP que participan en la sesión. [30]

31 Las peticiones SIP son caracterizadas por la línea inicial del mensaje, llamada Request-Line, que contiene el nombre del método, el identificador del destinatario de la petición (Request-URI) y la versión del protocolo SIP. Existen seis métodos básicos SIP (definidos en RFC 254) que describen las peticiones de los clientes:

- INVITE: Permite invitar un usuario o servicio para participar en una sesión o para modificar parámetros en una sesión ya existente. - ACK: Confirma el establecimiento de una sesión. - OPTION: Solicita información sobre las capacidades de un servidor. - BYE: Indica la terminación de una sesión. - CANCEL: Cancela una petición pendiente. - REGISTER: Registrar al User Agent.

Respuestas que se pueden obtener del protocolo SIP:

• 1XX (Provisional) 100 Trying, solicitud recibida, procesando la solicitud. • 2XX (Éxito) 200 OK la acción fue recibida con éxito y aceptada. • 3XX (Redirección) 302 Moved Temporaly, se necesita tomar nuevas medias para completar la solicitud. • 4XX (Error de cliente) 404 Not Found, la solicitud contiene sintaxis incorrecta o no se puede completar por el servidor. • 5XX (Error del servidor) 504 Server Time-ou, el servidor no cumplió con la solicitud y expiro el tiempo de espera. • 6XX (Fallo Global) 603 Decline, la solicitud no se puede cumplir en ningún servidor.

En la siguiente imagen se muestra un ejemplo de flujo de señalización SIP de una llamada donde los mensajes (Register, Invite.) van transmitiéndose entre los nodos intermedios hasta llegar al destino en el apartado siguiente donde se muestra un caso práctico se verá con mayor claridad.

Figura 10: Señalización SIP [31]

32

5.2 Protocolo Diameter

Diameter es un protocolo de señalización red, diseñado para servicios AAA (Authetication, Authorization, Accounting) para aplicaciones de acceso a redes o IP, por lo que se utiliza para el control de políticas, gestión de movilidad de usuarios y facturación en IMS. Se encarga del intercambio de datos del perfil del abonado, al igual que el protocolo SIP utiliza mensajes de tipo petición- respuesta. Como el protocolo diameter se utiliza principalmente para intercambio de perfil de usuario, se utiliza como medio de descarga de datos con los nodos que tienen la función de base de datos.

Algunos de los mensajes más utilizados son los siguientes:

• UAR: User-Authorization-Request • UAA: User-Authorization-Answer • MAR: Multimedia-Auth-Request • MAA: Multimedia-Auth-Answer • SAR: Server-Assignment-Request • SAA: Server-Assignment-Answer • LIR: Location-Info-Request • LIA: Location-Info-Answer

En la siguiente imagen se ve el intercambio de mensajes de Diameter en el proceso de registro de un terminal VoLTE antes de realizar una llamada:

Figura 11: Intercambio de mensajes en un registro VoLTE [32]

33 5.3 Protocolo GTP

El protocolo GTP (GPRS Tunnelling Protocol) es más bien un grupo de protocolos de comunicaciones basados en IP que se utilizan para transportar servicios generales de radio por paquetes, dentro de las redes LTE. La familia GTP se puede descomponer en protocolos separados, entre ellos GTP-C, GTP-U y GTP.

• GTP-C se utiliza dentro de la red central GPRS para la señalización entre los nodos de soporte GPRS de puerta de enlace GGSN y los nodos de soporte GPRS (SGSN, Serving GPRS Support Node).

Esto permite al SGSN (Serving GPRS Support Node) activar una sesión en nombre de un usuario mediante la activación de contexto PDP (Packet Data Protocol), desactivar la misma sesión, ajustar los parámetros de calidad del servicio o actualizar una sesión para un suscriptor que acaba de llegar de otro SGSN o nodo de soporte.

• GTP-U se utiliza para transportar datos de usuario dentro de la red central GPRS y entre la red de acceso de radio y la red central. Los datos de usuario transportados pueden ser paquetes en cualquiera de los formatos IPv4, IPv6 o PPP.

• GTP: utiliza la misma estructura de mensaje que GTP-C y GTP-U, pero tiene una función independiente. Se puede utilizar para transportar datos de carga desde la función de datos de carga o CDF (Charging Data Function) de la red GSM o UMTS a la función de puerta de enlace de carga o CGF (Charging Gateway Function).

Las estaciones móviles GPRS (MS) están conectadas a un SGSN sin tener conocimiento de GTP. GTP se puede usar con UDP o TCP. UDP es recomendado u obligatorio, excepto para tunelizar X.25 en la versión 0. La versión 1 de GTP se usa solo en UDP.Y aquí es el protocolo GTP está creando serias vulnerabilidades en redes 4G y 5G (Punto a tratar en el punto 10 del trabajo).

5.4 Protocolo Megaco

El protocolo H.248 o Megaco (Gateway Protocol Control) es un protocolo maestro /esclavo para el control de las funciones de la puerta de enlace en el borde de la red de paquetes, como por ejemplo los Gateways troncales para la unión con de PSTN con VoLTE.

El MGC (Media Gateway Controller) controla el establecimiento de la llamada y desconexión dentro de las MGCs,la MG (Media Gateway) no tiene conocimiento del control de llamadas solo se encarga de manejar las conexiones y configuraciones.

34 6. Casos prácticos de VoLTE

En este apartado se muestran los flujos de una llamada donde tanto el usuario A como el usuario B son VoLTE.

Para realizar este apartado se han realizado dos llamadas desde dos números de teléfono VoLTE capturando con Wiresark todos los nodos por los que pasa la llamada de esta forma se podría realizar un estudio muy especifico de los campos que se pueden observar en las trazas de una llamada.

Whireshark es un analizador de protocolos utilizado para realizar el análisis y solucionar problemas de redes de comunicación, análisis de datos y protocolos, por lo que es una herramienta muy potente que nos permitiría analizar cualquier problema que pueda aparecer en la llamada, o incluso observar si se pierden paquetes entre los nodos.

Se podría realizar un estudio muy exhaustivo de los campos que se pueden observar en el protocolo SIP utilizado en las llamadas VoLTE, pero la extensión del trabajo no lo permite, por lo tanto, centrándose en los nodos por los que pasa la llamada para conocer más en profundidad el funcionamiento de red descrito en los apartados anteriores se podría analizar como se indica a continuación.

Antes de realizar una llamada el usuario debe estar registrado, la red, el proceso de registro de un usuario VoLTE es el siguiente:

1. UE → P-CSCF El UE manda un mensaje SIP Register para registrarse en la red al P-CSCF, este mensaje contiene el IMPU (P- Multimedia Public Identity).

2. P-CSCF → DNS El P-CSCF realiza una consulta al DNS para conocer la dirección IP del I-CSCF para enviarle el mensaje Register

3. DNS → P-CSCF responde indicándole la IP del I-CSCF al que debe enviar el disparo con el Register.

4. P-CSCF → I-CSCF El P-CSCF enruta el mensaje de registro al S- CSCF.

5. I-CSCF → HSS El I-CSCF realiza una consulta Diameter UAR, preguntándole por el S-CSCF donde está la información del usuario que realiza la llamada.

6. HSS → I-CSCF El HSS responde al I-CSCF en que S-CSCF está la información del usuario a través de un mensaje Diameter UAA.

35 7. I-CSCF → S-CSCF el I-CSCF envía el mensaje SIP Register al S- CSCF correspondiente.

8. S-CSCF → HSS El S-CSCF envía mensaje al HSS MAR para el vector de autenticación del usuario.

9. HSS → S-CSCF Responde con el vector de autenticación el S- CSCF con un mensaje Diameter MAA.

10 y 11 S-CSCF → P-CSCF Responde al S-CSCF con un mensaje SIP 401 Unautorized que contiene el vector de autorización.

12. P-CSCF → UE El P-CSCF envía el mensaje 401 al usuario, que contiene el vector de autenticación, pero le falta la clave secreta

13. UE → P-CSCF El terminar vuelve a mandar SIP Register al P- CSCF con la clave secreta solicitada en el 401.

14 y 15 P-CSCF → DNS Pregunta al DNS por la dirección del I-CSCF al que mandar el mensaje, y obtiene la respuesta con la IP donde tiene que mandar el mensaje.

16. P-CSCF → I-CSCF Enruta el mensaje SIP al I-CSCF

17. I-CSCF → HSS Manda mensaje para conocer a que S-CSCF mandar el mensaje de Registro.

18. HSS → I-CSCF Responde al con I-CSCF con las Capabilities y rutas para registrar el usuario en el S-CSCF. 19. I-CSCF → S-CSCF Envía el registro al S-CSCF.

20. S-CSCF → HSS El S-CSCF compara la clave de seguridad aportada por el UE con la que tenía en el HSS sí coinciden el usuario queda registrado. Y dispara al HSS para descargarse el perfil del usuario (en el perfil se puede ver si tiene restricciones por ejemplo llamadas, a internacional activadas)

21. HSS → S-CSCF Responde con el perfil del usuario al S-CSCF.

22. S-CSCF → I-CSCF Responde con un 200OK confirmando que el mensaje está bien formado y recibido.

23. I-CSCF → P-CSCF Envía al 200 OK al P-CSCF

24. P-CSCF → UE Envía el 200 OK quedando el usuario bien registrado. Y pudiendo realizar llamadas ya.

36

En la siguiente imagen se muestra una captura realizada en Wireshark.

Se ve el registro de un usuario VoLTE en la red, únicamente se ven los nodos iniciales y finales, es decir, la IP: 172.24.57.224 sería la del P-CSCF y la IP 192.162.5.218 sería la del S-CSF.

Figura 12: Registro VoLTE

Como información de interés en el Register podemos encontrar el usuario llamante (“From”) y el usuario llamado (“To”). Además de la IP del salto al siguiente nodo donde debe enviar el tráfico:

Figura 13: Información Register VoLTE

A continuación, se ve de forma más visual la representación del flujo de un registro de un usuario en la red, así como los nodos que intervienen, y el orden que sigue, explicado anteriormente

37 Figura 14: Flujo registro VoLTE [Elaboración propia]

38 6.1 Llamada usuario VoLTE-> VoLTE

El flujo de una llamada de un usuario Registrado en la red VoLTE a otro usuario VoLTE es el indicado a continuación:

1 y 2 UE (FROM) → Orig S-CSCF El UE manda un mensaje SIP Invite para establecer la llamada al S-CSCF, este mensaje contiene cabeceras, las más significativas son: del from, to, contact y allow.

3 y 4. Orig S-CSCF → UE El S-CSCF responde con un mensaje SIP 100 Trying indicando que se está procesando su petición de invite.

5. Orig S-CSCF → Term I-CSCF El S-CSCF después de realizar una consulta Diamter al DNS dispara el Invite al I-CSCF.

6. Term I-CSCF → Orig S-CSCF El I-CSCF responde con un mensaje SIP 100 Trying indicando que se está procesando su petición de invite.

7. Term I-CSCF → Term S-CSCF El I-CSCF después de realizar una consulta Diamter al HSS dispara el Invite al S-CSCF donde está registrado el usuario B. .

8. Term S-CSCF → Term I-CSCF El S-CSCF responde con un mensaje SIP 100 Trying indicando que se está procesando su petición de invite. . 9. Term S-CSCF → UE(TO) El S-CSCF manda el mensaje de Invite al usuario B al que quiere llamar.

10. UE(TO) → Term S-CSCF El UE del usuario B responde con un mensaje SIP 100 Trying indicando que se está procesando su petición de invite.

11-15. UE(TO) → UE(FROM) El usuario B procesa el 183 Session in progres hasta el usuario A (pasando por el resto de los nodos intermedios) indicando que la llamada se está realizando con normalidad, cuando llega a A este mensaje SIP empieza a escucharse el tono de ringback.

39 16-20 UE (FROM) → UE(TO) El UE del usuario A envía un PRACK hasta llegar al usuario B pasando por todos los nodos intermedios, esta solicitud de PRACK, se utiliza como respuesta provisional al 183 Session Progress.

21-24. UE(TO) → UE (FROM) El UE del usuario B responde con un 200 OK hasta llegar el mensaje al llamante indicando que la petición se ha gestionado de forma correcta.

25-29. UE (FROM) → UE(TO) El llamado manda al usuario B un mensaje SIP Update que permite al terminal actualizar parámetros multimedia como puede ser los códecs, se ponen los parámetros en conjunto antes de establecer la llamada.

30-34 UE(TO) → UE (FROM) El usuario B responde con un 200 Ok hasta llegar al llamante indicando que la petición se ha gestionado de forma correcta y que tanto el usuario A como el usuario B utilizarán los mismos códecs para establecer la comunicación.

35-39 UE(TO) → UE (FROM) El usuario B envía el mensaje SIP 180 Ringing hasta el usuario A informando al que llama de que se está realizando la llamada, con lo que empezaría a escuchar el tono de llamada.

40-44. UE(TO) → UE (FROM) El usuario B responde con un 200 OK AL Invite inicial indicando que los mensajes intermedios se han procesado de forma correcta. Se puede interpretar también como el descolgado por parte del usuario B.

45-49 UE (FROM) → UE(TO) El usuario A responde con un ACK indicando que la llamada se ha establecido y se puede ejecutar el tráfico de voz RTP con lo que la llamada quedaría establecida y comenzarían a escucharse.

40 En wireshark se podría analizar una llamada de un usuario VoLTE a continuación se muestra la traza de una llamada

Figura 15: Llamada VoLTE-VoLTE (1)

41

Figura 16: Llamada VoLTE-VoLTE (2) :

El flujo anterior se muestra representado de una forma más visual en la siguiente representación donde aparecen los elementos que intervienen en la comunicación, si se quisiera entrar en detalle, al igual que en el apartado anterior, en cada uno de los flujos de la llamada, se podría ver el “From”, el “To”, el siguiente salto, y detalles propios de cada respuesta SIP.

Con la realización de esta llamada de prueba y el análisis de los datos recogidos por Wireshark se puede observar que la arquitectura de red explicada en los apartados anteriores se corresponde con un caso práctico de una llamada entre dos usuarios registrados en la red VoLTE.

42

From Orig.P-CSCF Orig S-CSF Term I-CSCF Term S-CSCF To

1.Invite (SIP) 2.Invite (SIP)

3.100 Trying (SIP) 4.100 Trying El S-CSCF hace una petición al DNS para (SIP) conocer la IP del I-CSCF del destino 5.Invite (SIP) 6.100 Trying (SIP) El I-CSCF hace una petición al HSS para conocer la IP del SCSCF del destino 7.Invite (SIP)

8.100 Trying 9.Invite(SIP) (SIP) 10.100 Trying (SIP)

11.183 Session in Progress 12.183 Session in Progress (SIP) 13.183 Session in Progress(SIP) 14.183 Session in Progress(SIP) 15.183 Session in Progress(SIP) (SIP)

43 44

6.2 Conclusiones

La voz sobre LTE a diferencia de la voz bajo cobertura 3G aprovecha la banda ancha al ofrecer las llamadas de voz sobre la banda del 4G. VoLTE ofrece mayor calidad de sonido, y decremento del tiempo de establecimiento de la llamada, ya que la conmutación de circuitos en 3G es mucho más lenta. La carga de red es mejoras, ya que los nodos que se utilizan para dar el servicio sobre LTE tienen mayor rendimiento y mejores capacidades que los utilizados para la conmutación de circuitos, incluso la mayoría de los nodos utilizados actualmente son entornos virtualizados, donde el ahorro energético es mucho mayor que los nodos en planta utilizados para 3G.

El establecimiento de llamada entre usuarios VoLTE se ve incrementado en prácticamente un por dos respecto a una llamada entre usuarios bajo cobertura 3G.

Con estos avances de LTE y el aumento de cobertura 4G, se pretende apagar el 2G, lo que supondrá un ahorro energético muy alto, y mejora de la calidad de las llamadas para los usuarios, pues tener actualmente activo el 2G, 3G, VoLTE y el 5G NSA puede suponer interferencias por el ancho de banda utilizado. Los recursos utilizados para VoLTE son mucho menores que los necesarios para establecer una llamada en 3G, lo que da lugar a que la batería de los dispositivos móviles sea más duradera, si se realiza una llamada, en dos dispositivos iguales, pero desactivando el servicio VoLTE en uno de ellos, se podría ver como la duración de la batería es mucho menor que en el dispositivo que tiene activado el servicio VoLTE.

En 3G el UE debe actualizar la localización en la red de localización y en la red core de paquetes, sin embargo, en LTE solamente se usan las áreas de seguimiento del core de paquetes. La red LTE conoce la localización del UE con exactitud pudiéndole asignar los recursos más cercanos con lo que se ahorra tiempos de establecimiento.

En 3G se usa el traspaso suave para WCDMA en el enlace ascendente y descendente y en HSUPA para el enlace ascendente, en cambio LTE no tiene traspasos suaves, en los cuales el UE siempre mantiene al menos un enlace radio a UTRAN y varios enlaces radio pueden estar activos al mismo tiempo.

En LTE no se tienen traspasos suaves ya que se espera que los teléfonos móviles LTE estén en el modo de LTE ó en el modo 2G/3G, pero no en ambos modos a la vez. La razón es la eficiencia de la batería y también algunos desafíos técnicos para combinar 2G/3G basado en TDM con LTE basado en IP puro. La razón principal por la que no se producen terminales capaces de estar en LTE y en 2G/3G al mismo tiempo es la interferencia y se requerirían filtros de frecuencia muy costosos para separar la señal LTE de la señal 2G/3G.

45 7. 5G Voice

“Voice technology is taking over, and it will transform how your customers find and interact with your .” (La tecnología de voz está tomando el control y transformará la forma en la que los clientes interactúan son su marca”). Publicado en Forbes en abril de 2021. [33]

La importancia de las llamadas telefónicas ha ido decreciendo a lo largo de los años, con la aparición de aplicaciones como whatsap o Telegram, ha hecho que se pase a un segundo plano realizar una llamada; sin embargo, es completamente necesaria para el uso llamadas a través de aplicaciones, la comunicación con máquinas a través de la IA (incluso es posible dirigir drones a través de la voz). La red de comunicaciones o red IMS es imprescindible para que se puedan producir las comunicaciones mencionadas anteriormente, la mayoría de las nuevas tecnologías de las que se hace uso se basan en la voz, todo ello, el avance del uso de la voz en diferentes dispositivos y no solo a través de una llamada telefónica hace que sea necesario avances tecnológicos y de las capacidades de red para mejorar no solo la prestación y calidad de los servicios si no la capacidad de dar servicio a las nuevas experiencias de usuario que hacen uso de la voz mencionadas anteriormente, así como que el uso de la voz sea compatible con las redes 5G utilizado para las aplicaciones e IA que hacen uso de la voz.

Figura 17: 5G conexión con los servicios [34]

Actualmente el 5G Voice utiliza la infraestructura IMS de VoLTE explicada anteriormente en el trabajo, la implementación del 5G completa se prevé para finales de 2021 o 2022 dependiendo de la compañía.

VoNR (Voice Over New Radio) es una solución de voz y video que funciona bajo la infraestructura de red 5G SA.

A continuación, se explican las principales características que presenta actualmente 5G Voice y que presentará finalmente cuando esté implementado.

46 7.1 Características de 5G Voice

1.Latencias bajas

La latencia es el tiempo que tarda en transmitirse un paquete, en este caso los paquetes de voz y señalización dentro de la red, es un factor clave para el establecimiento de la conexión, por ejemplo, cuanto menor sea la latencia, menos tiempo tardará en verse en el dispositivo B la llamada o la comunicación por voz en el caso de los dispositivos IoT.

Con la implementación del 5G Voice la latencia se verá reducida hasta llegar a 1 ms prevista alcanzar en 2022 con la implementación final del 5G SA, lo que llevaría a establecer la comunicación prácticamente de forma instantánea.

Uno de los objetivos principales para reducir la latencia es el desarrollo de MEC (Computación en el extremo de la red Edge Computing), este concepto tecnológico se basa en el principio de disponer los recursos (almacenamiento, bases de datos…) cerca del usuario que los va a necesitar (los datos no deben viajar a un servidor lejano, si no deben procesarse cerca del usuario). De esta forma se reduce la latencia, pues el tiempo de respuesta del sistema a cualquier solicitud sería mucho menor.

2. Mejora de la calidad.

5G Voice mejora considerablemente la calidad de la comunicación entre los dispositivos, algunas de las medidas a tomar para conseguir dicha mejora son las mencionadas a continuación.

El uso de la tecnología MEC evita las pérdidas de información, o dificultados en el servicio en caso de que las redes se encuentren saturado, por lo que mejora la calidad del servicio prestado.

Las antenas MIMO (múltiple entrada, múltiple salida) permiten hacer más eficiente las comunicaciones en entornos con obstáculos, la señal desde el origen hasta el destino sufre atenuaciones en el camino, produciendo incremento de latencia, sin embargo, al incorporar múltiples antenas en transmisión se facilitan múltiples caminos para la señal, facilitando que la señal mantenga su calidad a través de los múltiples caminos, de forma similar ocurre con la incorporación de antenas en la recepción.

3. Eficiencia energética

Actualmente, el termino eficiencia energética está en auge y se debe tener en cuenta con el objetivo de reducir la calidad de energía requerida para proporcionar productos o servicios, [35] a la hora de incorporar nueva tecnología a producción, el consumo de energía de los dispositivos de red

47 es un factor importante que debe reducirse, además de la protección del medio ambiente, mediante la reducción de emisiones, el 5G Voice pretende reducir la eficiencia energética.

Un estudio realizado por Ericsson y Telefónica en Talavera de la Reina demuestran que la tecnología 5G consume un 10% de la potencia del 4G, es decir, es 10 veces más eficiente. [36]

Algunos de los métodos a utilizar para reducir la eficiencia energética son los siguientes:

El uso de la IA permite que la eficiencia energética empiece a ser una realidad, mediante el uso de algoritmos que maximizan el apagado y encendido de los recursos en función de la demanda de tráfico, se logra que los dispositivos y aplicaciones software estén encendidas únicamente en el momento que se vaya a hacer uso de ellas, pues el uso de la IA permite prever con una alta fiabilidad el uso que va a tener la red, con lo que es posible reducir o incluso evitar el consumo de recursos no estrictamente necesarios para proporcionar el servicio, además de realizar un mantenimiento basado en la situación real y no en previsiones estandarizadas lo que aumenta la eficiencia de su uso.

Lo mencionado anteriormente se podría aplicar a las estaciones base, que únicamente transmitan en el momento que sea necesario, esto reduciría el tráfico y con ello la eficiencia energética.

La técnica de “Beaforming” es una manera de manejar la señal de radiofrecuencia a través de un punto de acceso que utiliza múltiples antenas para transmitir una señal. [37], utilizando esta técnica se “enfocaría” directamente al usuario, lo que permitiría adaptarse a la demanda de los servicios del usuario, de esta forma se puede seguir al usuario en su desplazamiento, y dejar de transmitir en caso de que el usuario, esté pagado, por lo que se ahorraría energía.

La foto final para la arquitectura 5G es que sean plataformas definidas por software, donde la funcionalidad de la red se administra a través de software en lugar de hacerlo a través de hardware, los avances en cuanto a virtualización hacen que las tecnologías basadas en la nube y la automatización requieran un mejor uso de dispositivos hardware lo que reduce el consumo energético.

El uso de antenas MIMO permite dirigir la potencia solo en la dirección requerida lo que reduce la potencia a transmitir y un uso más eficiente de esta, así como enviar y recibir más datos simultáneamente y a más usuarios utilizando la misma cantidad de recursos. [38]

48 4.Banda de frecuencias para el 5G

Se conoce bandas de frecuencias a los canales por los cuales circula la señal móvil que permite las llamadas o conexiones a internet, en las bandas de frecuencia. En España salen a subas publica o concesiones para que las operadoras puedan acceder a ellas. Actualmente la telefonía móvil utiliza las bandas de 700 -3500 MHz, donde cada banda está dedicada a una tecnología, por ejemplo, la banda de los 800 actualmente está destinada el uso del 4G. Cada banda de frecuencia es más adecuada para una u otras aplicaciones de manera resumida a continuación se muestra las ventajas de cada banda.

• Las frecuencias por debajo de 1GHz se propagan con facilidad al verse poco atenuadas por los obstáculos, lo que permite dar servicio a zonas muy extensas y con pocas estaciones.

• Las frecuencias por encima de los 6 GHz tienen alta capacidad para transportar datos, se han empezado a utilizar con la llegada del 5G su capacidad para transmitir es tan alta que se alcanzaría máximas velocidades de transmisión, sin embargo, la propagación se ve muy afectada por la presencia de obstáculos y no debe de utilizarse para superar un alcance de los 200- 300 metros.

• La banda que va entre 1 GHz hasta los 6GHz se consigue buen equilibrio entre cobertura y capacidad, siendo este el rango de frecuencias utilizadas en la actualidad.

Figura 18: Frecuencias 5G [39]

49 5.Aumento de cobertura de red

Las small cells son nodos de acceso radio de baja potencia, se pueden definir como pequeñas estaciones base que hacen que la red se divida en un mayor número de celdas, existen las pico, micro y femto cells, y se clasifican en función del radio de cobertura y el entorno en el que se utilizan si es interior o exterior, así como la potencia de salida y el número de usuario soportados. El objetivo es acercar estas small cell al usuario mediante mobiliario público, o puntos estratégicos, para aumentar la cobertura de red, para ello poder desplegarlas en las ciudades ha requerido y requiere una gran inversión, pues se prevé colocar millones de Smart cell para ofrecer una mayor cobertura a los clientes.

6.Cambios en los dispositivos

Al funcionar bajo redes 5G el uso de VoNR hace que sea necesario que los móviles deban contar con un chip que sea compatible (el Snapdragon X65, de Qualcomm es un ejemplo de chip integrado en los dispositivos móviles compatibles con 5G Voice).

El uso del 5G Voice y la arquitectura implementada para el despliegue reduce considerablemente el uso de la batería de los dispositivos móviles, debido a que múltiples funciones únicamente estarán “encendidas” cuando se haga uso de ellas.

En abril de 2020 OPPO fue de las primeras marcas en ofrecer un móvil con VoNR gracias a MediaTek [40]

7.Mayor seguridad

La seguridad juega un papel muy importante en el 5G por la cantidad de dispositivos conectados y el uso de la voz en mayor número de dispositivos, los retos a los que se enfrentan los desarrolladores es inmenso, la mayoría de las amenazas vienen de las aplicaciones más que de la propia red. Una de las consecuencias es que los operadores de red pueden registrar datos de geolocalización mucho más precisos, proporcionando incluso información exacta de la ubicación de los usuarios, lo que puede ser utilizado para refinar conseguir ciberataques mucho más certeros.

Existen números documentos de proveedores de servicios como CISCO [41] donde se especifican las mejoras, y recomendaciones del uso de su tecnología, como encriptación, incluso implementación de automatismos capaces de reconocer aquellas IP que realizan muchas peticiones de datos e introducirlas en “black list” para análisis de estas.

El debate de la seguridad y ciberseguridad continúa abierto, y tiene varias perspectivas, por un lado, a nivel de empresas como telefónica, Vodafone

50 u Orange donde cada suministrador propone sus mejoras en la arquitectura de red, y es el proveedor del servicio quien decide que métodos utilizar, y por otro lado la seguridad de las aplicaciones y dispositivos utilizados IoT.

En rasgos generales el 5G NR mejora las capacidades de la red, latencia, y reducción de consumo energético y es necesario para el uso de la comunicación por voz con las nuevas aplicaciones y dispositivos conectados a internet.

7.2 Arquitectura del 5G Voice

En la arquitectura 5G Voice es necesario diferenciar dos escenarios, por un lado, el 5G NSA NR y por otro lado el 5G SA Core Network.

Figura 19: 5G NSA vs 5G SA [42]

7.2.1 Arquitectura 5G NSA NR

La arquitectura 5G NSA NR es el implementado actualmente, utiliza la señalización del Core VoLTE explicada anteriormente, la diferencia es el acceso radio, pero la conexión está anclada a LTE usando portadoras 5G NR que se utilizan para reducir la latencia. Realizando una similitud el actual 5G es como poner un disco duro de estado sólido en un ordenador viejo.

• NG- RAN (Next Generation-Radio Access Network): incorpora estaciones base conocidas como gNB conectadas a la red troncal LTE que proporcionan servicios del plano de control hacia el UE.

• Las celdas NR utilizadas aumenta la velocidad de tráfico de datos, sobre todo en las zonas más congestionadas.

• En este caso, toda la señalización de voz entre la radio y el núcleo de red es transportada sobre LTE, en cambio el tráfico de datos se transporta sobre NR, el terminal se registra en la misma red IMS que se utiliza para ofrecer VoLTE sobre EPC. Cuando el terminal, recibe una llamada de voz

51 se utilizan los mismos procedimientos VoLTE descritos anteriormente, permitiendo utilizar todo el núcleo de red.

Figura 20: Despliegue inicial del 5G [43]

7.2.2 Arquitectura 5G NR Y 5GC SA.

Definir la arquitectura final para la tecnología 5G NR SA es complicada, pues aún no está implantada en ninguna compañía y se están produciendo cambios constantemente sobre todo a nivel de funcionalidad e implementación de los nodos. [44] Continuando con la división hecha para VoLTE la principal incorporación de la tecnología 5G NR SA es la incorporación de nuevas funcionalidades de red NF (Network Function): que afectan a la arquitectura de transporte.

7.2.2.1 Arquitectura de transporte

En la arquitectura de transporte tenemos los siguientes elementos mostrados en la figura siguiente:

Figura 21: Arquitectura de transporte 5G [45]

En resumen, las entidades y la función que realizan son las siguientes:

• AUSF (Authentication Server Function): actúa como servidor de autenticación, es decir es equivalente al HSS mencionado para VoLTE.

• UDM (Unifed Data Managment): maneja la identificación del usuario y la autorización de acceso basada en los datos de suscripción del usuario (por ejemplo, si tiene restricciones de roamming)

52 • PCF (Policy Control Fuction): su propósito es proporcional las políticas para el control de los recursos de la red 5G, para obtener información utiliza el UDM.

• AMF (Access and Mobility Managment Function): Entre sus principales funciones están: o Gestión del registro. o Gestión de conexión. o Gestión de la movilidad del usuario. o Autorización de accesos.

• SMF (Session Managment Function): sus funciones principales son las siguientes: o Soporte de las sesiones (establecimiento, modificación y liberación). o Gestión de las asignaciones de las IP de los equipos de usuario o Terminación de la señalización. o Selección y control de la función UPF para enrutar el tráfico al destino.

• UPF (User Plane Function): las principales funciones son las siguientes: o Soportar el reenvío y el enrutamiento de paquetes. o Actuar como punto de interconexión a la red de datos. o Actuar como punto de anclaje de movilidad entre y dentro de las RAT (Radio Access Tecnologies).

• AF (Application Function): permite interactuar con las aplicaciones haciendo uso de la red. En función de las interacciones con las aplicaciones se requerirán unos requisitos diferentes proporcionados por el PCF.

• NSSF (Network Slice Selection Function). Soporta la selección de las instancias de segmentos de red (network slide) para servir al UE. (El mismo UE puede estar conectado a distintas “network slides”).

• NEF (Network Exposure Function): se trata de una pasarela API (Application Programmin Interface), que soporta la exposición de capacidades y eventos de red y el tratamiento de la información interna y externa.

• NRF (NF Repository Function): Soporta la función de descubrimiento de servicios y mantiene el perfil de funciones de red e instancias de funciones de red disponibles.

• UE (User Equipment): equipamiento de usuario como antenas.

• R(AN) (Radio Access Network): red de acceso radio, que consta de dos nodos para configurar diferentes opciones de conexión, incluye:

o gNB (gNodeB), hace referencia a la estación base 5G.

53 o ng-eNB (next generation eNodeB), red de acceso LTE funciona con la tecnología LTE.

Los interfaces de comunicación entre los diferentes nodos son los que se muestran en la figura 17.

Estas funciones de red se pretenden implementar bajo una misma arquitectura física, esto es posible gracias a la virtualización.

La diferenciación en funciones de red permite adaptarse a los diferentes requisitos del servicio de forma rápida y más eficiente que el actual VoLTE. Las funciones principales se han definido anteriormente, existe poca información al respecto, ya que como van a ser redes definidas por software (SDN) y la virtualización de red depende de cada suministrador, (NFV), esta virtualización permite la sustitución de dispositivos hardware como routers o balanceadores de carga por dispositivos basados en software que se ejecutan como máquinas virtuales en servidores. no existe código abierto que se pueda estudiar para conocer la implementación de dichas funciones de red.

NFV desacopla las funciones de la red de dispositivos hardware y las traslada a servidores virtuales este enfoque reduce los costes y minimiza el mantenimiento.

Se podría confundir con una red virtualizada, pero a diferencia de ello solo busca descargar las funciones de red y no toda la red.

7.2.2.1 Arquitectura de servicio

En cuanto a la arquitectura de servicio para el Core 5G es similar a la utilizada para VoLTE con las mismas funcionalidades con las peculiaridades de la virtualización donde los diferentes suministradores (Ericsson, Huawei, ) ofrecen sus productos virtualizados para el Core de servicios, (cada operadora podrá tener soluciones de diferentes suministradores).

Por ejemplo, algunos de los nodos virtualizados que ofrecen en sus soluciones para el 5G SA es el siguiente [46]:

CCDM (Cloud Core Data Storage): es una base de datos diseñada para proporcionar mayor disponibilidad del servicio, sería equivalente al CUDB empleado para VoLTE.

Por lo tanto, los nodos utilizados para VoLTE y para 5G a nivel funcional en la arquitectura de servicio es la misma, pero serán sustituidos por entornos virtualizados.

7.2.2.1 Arquitectura de aplicación

Al igual que en el apartado anterior los nodos de la arquitectura de aplicación hasta el momento son los mismos que los empleados para VoLTE, con la misma funcionalidad, pero implementados en entornos virtualizados más eficientes.

54 8 Comparación 5G Voice y VoLTE

Si se realiza una comparativa entre el 5G NSA y el actual VoLTE, las diferencias son mínimas, en cuanto al Core o EPC son análogos, la única diferencia que existe es a nivel radio, ya que el core de VoLTE es el utilizado para el 5G Voice NSA. El 5G NR NSA utiliza las frecuencias y el espectro radioeléctrico que se van a utilizar para el 5G Core implementado finalmente, previsto para 2023. centrándose en el 5G SA, en cuanto a comparación de características en la siguiente tabla se muestran las principales diferencias:

Características 5G Voice VoLTE Impacto AMR-WB(Adaptive Multi- EVS (Enhanced Rate Wide Band) Mejora del servicio de voz Voice Services) AMR-NB (Adaptive Multi- Capacidades como el Códec de audio IVAS (Immersive Rate Narrow Band) audio inmersivo y realidad Voice and Audio EVS (Enhanced Voice virtual Services) Services) Mayor compresión y H.265 y H.266 capacidad de errores Códec de video (el último en fase H.264 Y H,265 bajo las mismas avanzada del 5G) condiciones de transmisión Latencia baja permite el Latencia 5-1 ms 50 ms uso de nuevas aplicaciones iOT Se optimiza un x100 la red Eficiencia de red Virtualización Baremetal con los entornos virtualizados Densidad de Aumenta la capacidad de MIMO (hasta 100) 12 antenas conexión tráfico de la red. Iphone 12, 12 Pro y 12 Pro Max Zenfone 7 Pro La mayoría de los Dispositivos Huawei P40, P40 Pro y P40+ dispositivos compatibles Móviles Apartado 4.1 Pro con 5G tienen un precio Compatibles LG Velvet 5G muy elevado .3 5G OnePlus 9 y OnePlus 9 Pro

Tabla 8: Características 5G Voice SA vs VoLTE [elaboración propia]

En cuanto a las funcionalidades de red, pese a que en el 5G Voice aparezcan nuevas funcionalidades implementadas, se puede realizar una similitud con las funcionales actuales de VoLTE, en la siguiente tabla se muestra la equivalencia, aquellas donde en VoLTE no aparece implica que en VoLTE no se contemplaba dicha funcionalidad:

55 Funciones de red 5G Voice Core Función de red VoLTE EPC AUSF HSS UDM HSS PCF PCRF AMF MME SMF MME Y PGW UPF SGW Y PGW AF AF NSSF NRF NEF Tabla 9: Funciones de red 5G Voice vs VoLTE [elaboración propia]

Actualmente una de las diferencias más reseñables que aporta menor latencia (pese a que no sea la buscada para el lanzamiento final del 5G Voice) y mayor eficiencia en cuanto a las conectividades es el Beaforming mencionado en otras ocasiones.

En VoLTE las antenas transmiten en todas las direcciones, a medida que se ve incrementado el número de dispositivos que se conectan, las antenas necesitas emitir más señales lo que haría que la recepción fuera lenta, aumentaría la latencia y la posibilidad de interferencias. En 5G NR en lugar de enviar la información a todas las direcciones, las antenas 5G disparan únicamente al usuario en particular con su propio flujo de datos, lo que es más eficiente y protege las interferencias, además del incremento de dispositivos a los que podría dar recepción. En la siguiente imagen se ve una representación de la diferencia de las antenas usadas para VoLTE y las que se están implementando actualmente.

Figura 22: Antenas 4G vs antenas 5G [47]

56 9 Estudio de mercado de las expectativas de los usuarios

Se ha realizado una encuesta realizada principalmente por redes sociales (whatsap, Instagram, twitter) con el objetivo de llegar a grupos de diferente rango de edad, finalmente solo se ha llegado a jóvenes (entre 20 y 30 años); se han diseñado una serie de preguntas, relacionadas con el 5G y 5G Voice, la mayoría de las preguntas no son específicas, si no relacionadas con los temas tratadas en las redes sociales. Las preguntas realizadas han sido las siguientes:

1. ¿Qué es el 5G Voice? 2. ¿Qué cree que pretende solucionar el 5G Voice? 3. ¿Qué novedades cree que va a introducir el 5G Voice? 4. ¿Qué es el IoT? ¿Cree que está relacionado con la implantación del 5G Voice? 5. ¿Cree que hay algún problema para implementar el 5G Voice?

9.1 Resultados obtenidos

La encuesta ha sido respondida por 187 personas con diferentes estudios.

Aproximadamente el 50 % de las personas que han respondido la encuesta tenían estudios universitarios un 40 % tienen estudios de formación profesional superiores y 10% tenían estudios de formación profesional medios o dejaron sus estudios en la ESO.

Para la primera pregunta se han escogido las respuestas más significativas

Figura 23: Respuesta encuesta (1)

En cuanto a la segunda pregunta se han recogido las respuestas más significativas en la siguiente tabla:

¿Qué pretende solucionar el 5G NR? "Mejora en las comunicaciones relacionadas con el IoT, mejora en la seguridad y mayor aprovechamiento del espectro."

57 ¿Qué pretende solucionar el 5G NR? "Aumentar las frecuencias a las que se conectan los diferentes dispositivos, ya que cada vez aumenta el número de dispositivos conectados a la red" "Pretende apoyarse en los beneficios de las características del 4G ofreciendo mejores prestaciones para un ancho de banda mayor" "Supongo que aumentar el ancho de banda, aumentando el número de frecuencias a las que se puede transmitir y se buscará disminuir la latencia." "Creo que pretende que haya la menor interferencia posible para asegurar la conexión rápida en los teléfonos móviles, asegurando también una mayor velocidad de tráfico de datos" Tabla 10: Respuestas encuesta (pregunta 2)

Para la tercera pregunta, la recopilación de las respuestas más relevantes son las siguientes:

¿Qué novedad cree que va a introducir el 5G Voice? "Mayor calidad y ancho de banda para datos." "Mayores velocidades de descarga y eficiencia energética. Mayor despliegue de nodos de red." "Mayor velocidad de navegación, mayor calidad de servicios de distinto tipo, más capacidad para realizar nuevas incorporaciones a la red, mayor calidad de llamada…" "Mayor velocidad, nueva arquitectura" Tabla 11: Respuestas encuesta (pregunta 3)

La cuarta pregunta obtuvo las siguientes respuestas:

¿Qué es el IoT? ¿Está relacionado con la implementación del 5G Voice? "Tecnología que dota a las cosas de un procesador, sensores/actuadores y una conexión a internet, para poder recopilar/recibir/transmitir información de muchos tipos. Supongo que el 5G facilita el IoT." "Dispositivos interconectados, que intercambian información con el fin de actuar de manera inteligente y autónoma. Tiene que ver con el 5G en tanto que es necesario conectar muchos dispositivos nuevos, a redes que no están diseñadas para soportarlos" "Internet de las cosas. Son todos los aparatos que tenemos por casa que estén conectados a internet haciendo más fácil la vida pudiendo hacerlos funcionar desde un teléfono móvil, por ejemplo. Si, ya que gracias al 5G vamos a tener más dispositivos conectados a la vez." Tabla 12: Respuestas a la encuesta (pregunta 4)

Finalmente, la última pregunta obtuvo las siguientes respuestas:

¿Hay algún problema para implementar la tecnología 5G Voice? "Sí, creo que va a ser más caro y que muchas personas no la usarán al principio ya que sus móviles no son adecuados." "Si, las compañías de internet y teléfono, les sale muy caro para la utilidad que le podría dar un usuario promedio" "No, hoy él mundo de las tecnologías admite cualquier innovación"

58 ¿Hay algún problema para implementar la tecnología 5G Voice? "Sí: desplegar muchas estaciones base hace que se consuma mucha potencia y se genere contaminación. Además, el espectro está saturado" "Hay muchos problemas. El más importe es como deja red de 5G trabajar en baja frecuencias. Como lo sabemos, si una cosa tuviera mayor frecuencia trabajo, es súper fácil a tiene más alta velocidad, pero en este caso, una estación no puede servir para una zona grande. Pero la pregunta es cómo trabaja en baja frecuencia."

"Sí, porque la tecnología 4G prometió grandes beneficios, sin embargo, no alcanzó la eficiencia en su totalidad debido a ciertas incompatibilidades de las bandas de redes ya que, solo era compatible con ciertos dispositivos de gama alta. Aun así, considero que pueda suceder lo mismo con el 5G, mala cobertura, no supera a la fibra óptica, limitación de datos, etc." Tabla 13: Respuestas a la encuesta (pregunta 5)

9.2 Conclusiones

Analizando las respuestas obtenidas en la encuesta realizada, se observa cuando se realiza una pregunta relacionada con el 5G inmediatamente se asocia con la navegación de internet, y pocas veces con la voz, (pese a especificar 5G Voice) con una mayor velocidad en la descarga de archivos y de navegación.

Relacionar 5G con la voz parece complicado, esto sucede porque el uso de las llamadas telefónicas ha disminuido considerablemente, el uso de los dispositivos telefónicos para llamar (sin tener en cuenta empresas) ha caído en torno al 50%, la mayoría de la población utiliza aplicaciones como whatsap o telegram para comunicarse e incluso lo prefieren antes que realizar una llamada.

La comunicación por voz con los dispositivos inteligentes pasa desapercibida se cree que no tiene nada que ver con una llamada telefónica, lo que resulta curioso, la mayoría no se plantea como se realiza esta comunicación con dispositivos inteligentes.

A modo de curiosidad la comunicación por voz con los dispositivos inteligentes se implementa utilizando principalmente SDK (Software Development Kit) que permite comprobar palabras clave para controlar el dispositivo. Que permiten la conexión a las redes LTE o Wifi para realizar la comunicación.

Se cree que las redes LTE o 5G NSA únicamente se va a utilizar para realizar llamadas telefónicas y hoy en día no daría rentabilidad por la disminución en el número de llamadas telefónicas que se realizan diariamente, pero esto no es del todo cierto, pues las redes 5G NSA también se utilizarían para la comunicación con los dispositivos inteligentes, de hecho, es una de las mayores demandas y consecuencia de implantación lo antes posible de la red 5G NSA.

Una de las ventajas prioritarias para los usuarios es el incremento del consumo energético y la mayor duración de las baterías, así como la baja latencia y las comunicaciones masivas, cada vez se tienen mayor número de servicios que

59 permiten realizar llamadas, (Alexa, dispositivos integrados en los coches, etc) que necesitan mejoras en las coberturas, lo que el 5G NR pretende mejorar.

En definitiva, el conocimiento relativo al 5G Voice es escaso, ya que únicamente se asocia a la navegación de red y la conexión a internet de los dispositivos.

60 10 Propuestas de mejora para el 5G Voice

Teniendo en cuenta las mejoras que traerá la implantación del 5G Voice en este apartado se pretende exponer una serie de mejoras, para el posible 6G Voice, el cual, actualmente es un rumor lejano para las futuras redes de próxima generación.

• Una de las características de la evolución de las redes, es la disminución de latencia y aumento de las velocidades, y centrándose en la voz la disminución del tiempo de establecimiento de llamada. Pese a que la latencia y establecimiento de llamada que promete el 5G Voice NR es bajísimo, se podría disminuir aún más utilizando en todos los nodos entornos virtualizados, la arquitectura 5G promete ir sobre redes virtualizadas (SDN) utilizando soluciones cloud, y utilizando funciones de red, pero la interconexión entre VoLTE y 5G Voice o entre diferentes operadoras por lo general no son redes virtualizadas ni utilizan entornos virtualizados, es por ello que trabajar en una solución de red completamente virtualizada quizás llegando a un acuerdo entre operadoras, puede hacer que el 5G Voice sea más eficiente y se reduzcan los tiempos de establecimiento de llamada.

• La inteligencia artificial es la combinación de algoritmos planteados con el propósito de crear máquinas que representan las mismas capacidades que el ser humano, mediante el uso de tecnología. [48]. Se podría aplicar el uso de inteligencia artificial para detectar anomalías en la red, pérdidas o incluso de fonía en los usuarios, por ejemplo, si se presenta una avería con síntomas de pérdida de fonía entre dos usuarios, crear un algoritmo que sea capaz de reconocer cuando se pierde fonía y aplicar los cambios necesarios para solventar el problema, sería una mejora importante en la calidad de los servicios prestada por las operadoras, además del ahorro de tiempos en solventar el problema.

• El uso de la inteligencia artificial también podría ser aplicable, para el reconocimiento para tratar de predecir cuando un usuario va a realizar una llamada. Por ejemplo, si durante un mes el usuario A realiza una llamada a las 9:00 de la mañana desde la misma localización, (sería aplicable sobre todo a proveedores de empresas que llamen a sus clientes siempre el mismo día sobre la misma hora) si a esa hora la antena más cercana enfoca al usuario que va a realizar la llamada, se ahorraría en eficiencia energética y en el caso de los dispositivos móviles la batería del dispositivo duraría más tiempo ya que no sería necesario que constantemente el dispositivo estuviera conectado a la antena.

• Los elementos SDN presenta nuevas vulnerabilidades de red, que no estaban presentes antes, la seguridad es fundamental en las redes, pero queda mucho por desarrollar de ellas, principalmente en la capa de aplicación ya que es la capa más cercana al usuario. Expertos en ciberseguridad han detectado vulnerabilidad en las redes SDN donde se propone, por ejemplo, la arquitectura Slick propone un controlador

61 centralizado, que se encarga de instalar y migrar funciones en cuadros intermedios personalizados. Las aplicaciones pueden dirigir al controlador Slick para que instale las funciones necesarias para enrutar flujos particulares en función de los requisitos de seguridad.

• La comunicación actualmente se hace por tierra, por lo que en un avión no se pueden realizar llamadas, la red de satélites es independiente de la red móvil, por lo que una integración entre ambas permitiría realizar llamadas desde un avión, proporcionar cobertura terrestre a través de una red conjunta entre satélites (principalmente de órbita baja) se podría integrar el realizar llamadas desde cielo y tierra. Incluso la integración con los satélites solventaría el problema de cobertura en áreas más despobladas donde actualmente no llega ni VoLTE.

• Como en el punto anterior, sería posible realizar comunicación submarina, integrando las estaciones bases submarinas en la industria de las telecomunicaciones.

Parece complicado mejorar aún más las redes de comunicaciones actuales, la calidad del sonido y las velocidades de conexión cada vez son mayores, la evolución de la voz cada vez debe estar más pensada a la comunicación por voz entre persona-máquina y deberá ser capaz de soportar multitud de dispositivos conectados simultáneamente.

El uso de la IA (Inteligencia Artificial) podría jugar un papel muy importante en las mejoras de red y calidad del servicio prestado al usuario, si se es capaz de implementar alguna de las mejoras propuestas en los puntos anteriores.

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11. Conclusiones

El aumento de dispositivos conectados a internet con los cuales se puede interactuar ha aumentado con el paso del tiempo, esto ha llevado a la necesidad de cambio y mejora de la infraestructura de red.

La demanda de la sociedad juega un papel fundamental en la implementación de nuevos servicios y desarrollo de las redes 5G Voice, mediante el 5G no solo se podrán satisfacer las necesidades siguientes:

✓ Mayor ancho de banda. ✓ Menor latencia. ✓ Mayor fiabilidad. ✓ Mayor eficiencia espectral ✓ Menor consumo energéticos. ✓ Mayor densidad de dispositivos conectados. ✓ Red virtualiza que implica mayor agilidad y menor costes.

Son muchos los aspectos en los que se puede profundizar relativos a VoLTE y al 5G Voice, a lo largo de este trabajo se ha pretendido dar una visión general clara y concisa de la evolución VoLTE hacia el 5G Voice y tras el análisis y la información recopilada encontrar flaquezas y propuestas de mejora para la futura implementación, que el posible 6G Voice deba tener en cuenta para mejorar las prestaciones que promete implementar el 5G NR.

A lo largo del trabajo se ha podido comprobar los beneficios para los usuarios que incorporará el 5G Voice: calidad de voz mejorada con el nuevo códec que va a introducir, así como mejora de la calidad de las videollamadas, junto con poder realizar llamadas de voz simultáneamente con servicio de datos 5G.

De acuerdo con lo visto a lo largo del trabajo, la implementación del 5G Voice se irá introduciendo de forma gradual abordando inicialmente el acceso radio y reutilizando la red troncal existente para VoLTE, lo que permite amortizar la inversión depositada en el despliegue de las redes VoLTE y disminuyendo el impacto que puede suponer la planificación, construcción y mantenimiento de una red troncal completamente nueva.

La encuesta realizada permite tener una visión general del conocimiento que se tiene sobre el 5G en la sociedad, donde se ha podido apreciar que la gran mayoría asocia el 5G únicamente a velocidad de navegación y disminución de tiempos de descarga, así como la mejora de los striming y de aplicaciones en directo.

Durante la ejecución del trabajo se ha aprendido la arquitectura actual de red VoLTE, el funcionamiento de una red de comunicación y el conocimiento de los nodos necesarios para progresar una llamada entre dos usuarios tanto VoLTE- VoLTE, así como la implementación de la arquitectura 5G Voice y las futuras mejoras, lo que ha permitido realizar una pequeña comparación entre el actual VoLTE y el futuro 5G Voice.

63 El proyecto puede seguir desarrollándose profundizando en los temas mencionados, ya que como se ha mencionado por la extensión del trabajo, y limitaciones de tiempo la visión expuesta relativa a VoLTE y 5G pretende ser a alto nivel, así como en los siguientes temas propuestos a continuación.

- Investigación del 3GPP para el 5G. - Estudio de las cabeceras y protocolo de comunicación para el 5G Voice. - Desarrollo del nuevo códec a utilizar por el 5G Voice. - Realización de una parte práctica tratando de diseñar una red interna a la que se envié información por voz y analizar la implementación. - Estudio de las formas de onda utilizadas para la implementación por voz. - Estudio de la seguridad en las redes virtualizadas.

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12. Siglas y Acrónimos

1G Primera generación 2G Segunda Generación 3G Tercera generación 3GPP 3rd Generation Partnership Project 4G Cuarta generación 5G NSA Quita generación Non Stand Alone 5G SA Quinta generación Stand Alone 6G Sexta generación AF Application Function AMF Access and Mobility Managment Function AMR-WB Adaptive Multi-Rate Wideband ANI Aplication Network Interface AS Aplication Server API Application Porgramming Interface ARP Address Resolution Protocol AUSF Authentication Server Function BDMA Beam Division Multiple Acces BGCF Breakout Gateway Control Function CCDM Cloud Core Data Storage CDF Charging Data Function CGF Charging Gateway Function DCAP Protocolo Acceso Cliente de transmisión de datos DNS Domain Name System DSL Digital subscriber line E-CSCF Emergency Call Session Control Function e-NB Evolved Nodo B EPC Evolved Packet Core EPS Evolved Packet System E-UTRAN Evolved -UMTS Terristrial Radio Access Network EVS Enhanced Voice Services FDDI Interfaz de distribución de datos en fibra GBR Guaranteed Bit Rate GSMA Asociación GSM (asociación de operadoras) HSS Home Suscriber Server HTTP Hypertext Transfer Protocol HTTP Hypertext Transfer Protocol Seguro I-CSCF Interrogatin Call Session Control Function IMS Subsistema Multimedia IP IoT Internet of Things IP Internet Protocol IP-Sec IP Security ITU-T Unión Internacional de las Telecomunicaciones IVAS Immersive Voice and Audio Services QoI QoS Class Identifier QoS Calidad de Servicio LDAP Lightweight Directory Access Protocol

65 LIA Location-Info-Answer LIR Location-Info-Request LRF Location Retrival Fuction LTE Long Term Evolution MAA Multimedia-Auth-Answer MAR Multimedia-Auth-Request MG Media Gateway MGCF Media Gateway Control Function MRFC Multimedia Resource Function Control NEF Network Exposure Function NFS Network File System NFV Network Function Virtualizacion NGN New Generation Network NG-RAN Next Generation-Radio Access Network NSSF Network Slice Selection Function NR New Radio NRF NF Repository Function OFDMA Orthogonal Frecuency-Division Multiple Access SLF Subscription Locator Fuction OSI Open System Interconexion OTT Over the top PCF Policy Control Fuction P-CSCF Proxy Call Session Control Function PLMN Public Land Mobile Network POP Protocolo de Oficina Postal PSTN Public Switched Telephone Network RAN Radio Access Network RAT Radio Access Tecnologies RCS Rich Comunication Suite RPC Remote Procedure Call RTCP Real Time Transport Control Protocol RTP Real Time Transport Protocol SAA Server-Assignment-Answer SAR Server-Assignment-Request S-CSCF Serving Call Session Control Function SDP Session Description Protocol SDK Software Development Kit SGW Signaling Gateway SIP Session Initiation Protocol SMB Server Message Block SMF Session Managment Function SMPP Short message peer-to-peer SMTP Simple Mail Transfer Protocol SSL Secure Sockets Layer TCP/IP Protocolo de Control de Transmisión TIC Tecnologia de la información y Comunicación TLS Transport Layer Security TTI Transmision Time Interval UA User Agent UAA User-Authorization-Answer

66 UAc UA Cliente UAR User-Authorization-Request UDP User Datagram Protocol UDM Unifed Data Managment UE User Equipment UPF User Plane Function USB Universal Serial Bus VoIP Voz sobre IP VoLTE Voz sobre LTE VoWIFI Voz sobre WIFI

67 13.Bibliografia

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