TECNOLOGIA LTE

TECNOLOGIA LTE

1. INTRODUCCION:

La tecnología no ha dejado de evolucionar, ha desarrollado mayores cantidades y características, hasta llegar a la cuarta generación (4G), dentro de la cual se puede encontrar la tecnología WIMAX y la LTE, en donde la tecnología LTE se perfila como la tecnología dominante.

La LTE ha sido un desarrollo para solucionar las necesidades de los usuarios sobre banda ancha en aplicaciones móviles. Este desarrollo se inicia en el año 2004 con el estudio de las especificaciones que debía cumplir la LTE detalladas por la 3GPP, las cuales se identifican como flexibilidad, velocidad, reducción de latencia, cobertura, compatibilidad de interconexión y QoS (calidad de servicio).

Esto se logra gracias a que LTE emplea una técnica de acceso múltiple en la capa física llamada OFDMA (Orthogonal Frecuency Division Multiplexing Access) en el Dowlink (descarga de datos), mientras que para el Uplink (carga de datos) utiliza la técnica SC-FDMA (Single Carrier Frecuency Division Multiplexing Access); además, lo que repotencia el esquema de LTE es el uso de antenas MIMO (Multiple-Input and Multiple-Output).

2. HISTORIA DE LA LTE:

LTE es una tecnología que nace para ocupar el lugar de 4G, con el reciente aumento del uso de datos móviles y la aparición de nuevas aplicaciones y servicios como MMOG (Juegos Masivos Multijugador Online), televisión móvil, web 2.0, flujo de datos de contenidos han sido las motivaciones por el que 3GPP desarrollase el proyecto LTE.

Poco antes del año 2010, las redes UMTS llegan al 85% de los abonados de móviles. Es por eso que LTE 3GPP quiere garantizar la ventaja competitiva sobre otras tecnologías móviles. De esta manera, se diseña un sistema capaz de mejorar significativamente la experiencia del usuario con total movilidad, que utilice el protocolo de internet (IP) para realizar cualquier tipo de tráfico de datos de extremo a extremo con una buena calidad de servicio (QoS) y de igual forma el tráfico de voz, apoyado en Voz sobre IP (VoIP) que permite una mejor integración con otros servicios multimedia.

3. EVOLUCION DE LA LTE:

LTE significa hasta el día de hoy el pico de la evolución para 3GPP (3G Partnership Project). El proceso de evolución por las que pasaron las tecnologías de 3GPP para llegar a LTE es:

El Release 99 fue publicado en diciembre de 1999 y contenía los aspectos básicos de WCDMA (Wideband Code Division Multiple Access). A partir del año 2001 el 3GPP dejó de nombrar los Releases por el año de publicación e inició una nueva nomenclatura a partir del Release 4 el cual fue terminado en marzo 2001 y contenía la versión TDD (Time Division Multiplexing), TD-SCDMA (Time Division Synchronous Code Division Multiple Access) para baja capacidad. El Release 5 se concluyó en marzo de 2002 y estaba dedicado a HSDPA (High Speed Downlink Packet Access), mientras que el Release 6 se publicó en diciembre de 2004 y se refería a HSUPA (High Speed Uplink Packet Access) para WCDMA. El Release 7 se terminó en junio de 2007 y presentaba ciertas mejoras tanto en HSDPA como en HSUPA. Actualmente se ha terminado el Release 8 con mejoras en HSDPA/HSUPA, denominado HSPA (High Speed Packet Access) y también contiene las primeras especificaciones de LTE, el Release 8 fue terminado en diciembre de 2008.

Por su parte el Release 9 se refiere a LTE y se desarrolló en paralelo con el Release 10 que define la tecnología 4G que cumplía con las especificaciones de IMT –Advanced (International Mobile Telecommunication Advanced) de la lTU (International Telecommunication Unit). Precisamente en el año 2010 esta organización la aprobó junto a WiMAX como las elegidas para llevar el rótulo de tecnología 4G.

Sin embargo, definir LTE no fue tan sencillo. El concepto de LTE de hoy en día, se discutió en detalle en el año 2004 en un taller sobre Redes de Acceso de Radio (Radio Access Network, nombre original del taller) que tuvo lugar en Toronto, Canadá. El taller contó con la presencia de más de 40 operadores de telecomunicaciones, provenientes de universidades e institutos técnicos mundialmente conocidos. Así como de profesionales de las instituciones 3GPP.

El resultado fue un estudio de viabilidad puesto en marcha por el 3GPP sobre la posibilidad de diseñar e implementar de manera oportuna un paquete de alta velocidad optimizado en la red de datos inalámbrica con baja latencia y tiempos rápidos de respuesta. En otras palabras, desarrollar una red donde se permita transmitir datos a altas velocidades con bajos índices de latencia.

La primera versión notable de LTE incluyen especificaciones para HSPA+, que se trata de una versión mejorada de HSPA y es el puente de conexión entre redes 3G HSPA y LTE. Así como todas las redes basadas en IP esta red brinda eficacia en lo que respecta a la conectividad a Internet, lo cual es muy importante en la era de la banda ancha móvil actual en la que vivimos.

4. LTE (LONG TERM EVOLUTION):

Es un estándar de comunicaciones móviles desarrollado por la 3GPP, la asociación que desarrollo y mantiene GSM (segunda generación o 2G) y la UMTS (tercera generación o 3G), que busca mejorar y optimizar la arquitectura para conseguir que el usuario de banda ancha pueda tener una conexión de nueva generación.

LTE está basado en metas como:

Mejor desempeño en comparación con las actuales tecnologías.

Tener una prospectiva económica clara.

Conseguir un uso mejorado del espectro debido a que en la actualidad el espectro tiene una gran demanda y por último diseñar el sistema de manera más simplificada.

LTE será de vital importancia en el uso de internet móvil y soportará la transmisión de datos a más de 300 metros y videos en formato de alta definición (HD), alcanzando aproximadamente 10 veces más velocidad que 3G, es decir, cubrirá las siguientes necesidades:

Una conexión de datos que descargue y suba a más velocidad.

Un estándar menos complejo y que reduzca los costes de los fabricantes y operadores.

Asegurar la competitividad del 3G en el futuro frente a WIMAX.

Esta tecnología utiliza OFDMA la cual es un esquema de modulación multiportadora utilizando un gran número de subportadoras muy cercanas entre sí en frecuencias y ortogonales y la técnica SC-FDMA que requiere de una menor cantidad de potencia.

5. CARACTERISTICAS DEL LTE:

LTE es una tecnología muy buena y estable con tres características importantes:

 Permite altas tasas de bits con baja latencia:

Las tasas de descarga y subida, puede alcanzar velocidades de pico de 172Mbps de bajada y 86 Mbps de subida, con 2 antenas en la estación base y 2 en el terminal (y hasta 300 Mbps de bajada con 4x4 antenas).

LTE Advanced, la siguiente revisión de LTE, nos permitirá tener descargas cercanas a los 900Mbps.

En cuanto a la latencia estos serán de valores muy bajos (desde 10ms), que será algo esencial para nuevos servicios (juegos en red, aplicaciones para empresas, etc.).

 Barato y fácil de desplegar por los operadores:

Respecto a que sea una red fácil de desplegar, la importancia está en que los servicios de LTE sólo utilizan conmutación de paquetes. LTE no puede gestionar SMS o llamadas, con conmutación de circuitos; de eso se seguirán encargando las redes GSM y además con la consiguiente optimización de los costes en infraestructura.

 Evita la fragmentación por el tipo de duplexación:

LTE también está pensando para evitar la fragmentación de los terminales a nivel mundial por el tipo de duplexación, ya que las últimas revisiones del estándar son compatibles tanto con FDD (Frecuency Division Duplex) que utiliza varias zonas del espectro y TDD (Time Division Duplex) que ocupa una sola zona. Así por ejemplo un teléfono chino LTE TDD funcionará en España sin ningún inconveniente.

6. ARQUITECTURA DEL SISTEMA LTE:

6.1. Arquitectura general de los sistemas celulares:

Los elementos principales que constituyen la arquitectura de un sistema de comunicaciones celular son tres:

1. Equipo de usuario (UE):

Es el equipo que permite al usuario conectarse a la red LTE y disfrutar de los servicios que nos proporciona a través de la interfaz radio. La arquitectura funcional de un equipo de usuario es la misma que se definió para GSM y UMTS.

El equipo de usuario (User Equipment, UE) contiene dos elementos básicos: un módulo de suscripción del usuario (SIM/USIM) y el terminal móvil propiamente dicho (Mobile Equipment, ME). A su vez, el ME considera dos entidades funcionales: la terminación móvil (MT) y el equipo terminal (TE). A continuación definimos todos estos elementos.

A. Módulo de suscripción de usuario:

La SIM/USIM está asociada a un usuario y por tanto es quien le identifica dentro de la red independientemente del equipo móvil utilizado. La separación entre SIM y ME facilita que un usuario pueda cambiar de terminal sin necesidad de cambiar de identidad, de SIM.

B. El equipo móvil (ME):

En él se integran las funciones propias de comunicación con la red celular, así como las funciones adicionales que permiten la interacción del usuario con los servicios que ofrece la red.

Terminación móvil (MT): Alberga las funciones propias de la comunicación.

Equipo terminal (TE): Equipo que se ocupa de la interacción con el usuario.

2. Red de acceso (AN):

Es la parte del sistema que realiza la comunicación, transmisión radio, con los equipos de usuario para proporcionar la conectividad con la red troncal. Es la responsable de gestionar los recursos radio que estén disponibles para ofrecer los servicios portadores de una manera eficiente. La red de acceso está formada por estaciones base y dependiendo de la generación, por equipos controladores de estaciones base.

En la red 3GPP se especifican tres tipos de redes de acceso diferentes:

La GSM, utiliza un acceso basado en TDMA, mientras que en UTRAN la tecnología utilizada es WCDMA.

Las redes de acceso GSM y UTRAN forman parte del sistema 3G UMTS mientras que E-UTRAN, el cual usa un acceso basado en la tecnología OFDMA, es la nueva red de acceso del sistema LTE.

De la misma forma la interconexión de las redes de acceso a la red troncal se realiza mediante interfaces AN-CN específicas.

3. Red Troncal (CN):

Es la parte del sistema que se encarga del control de acceso a la red celular, por ejemplo la autenticación de los usuarios, gestión de la movilidad de los usuarios, gestión de la interconexión con otras redes, control y señalización asociada al servicio de telefonía, etc. Los equipos que conforman esta red albergan funciones de conmutación de circuitos, routing, bases de datos, etc.

Se divide de forma lógica en un dominio de circuitos (Circuit Switched Domain, CS), un dominio de paquetes (Packet Switched Domain, PS) y el subsistema IP Multimedia (IP Multimedia Subsystem, IMS).

• El dominio CS:

Alberga a todas las entidades de la red troncal que participan en la provisión de servicios de telecomunicaciones basados en conmutación de circuitos, como por ejemplo, los servicios de voz y videoconferencia en redes UMTS.

El diseño de E-UTRAN no contempla el acceso al dominio CS ya que todos los servicios se proporcionan a través del dominio PS.

• El dominio PS:

Incluye a las entidades de la red troncal que proporcionan servicios de tele-comunicaciones basados en conmutación de paquetes: la información de usuario se estructura en paquetes de datos que se encaminan y transmiten por los diferentes elementos y enlaces de la red. Existen dos implementaciones diferentes del dominio PS: GPRS (General Packet Rasio System) y EPC (Envolved Packet Core).

GPRS se desarrolló inicialmente en el contexto de redes GSM y son accesibles tanto a través de UTRAN como de GSM. Por otro lado, EPC es la nueva especificación del dominio PS desarrollada en el contexto del sistema LTE, proporciona un servicio de conectividad IP a los equipos de usuario a través de E-UTRAN. El dominio EPC también ha sido concebido para soportar el acceso al servicio de conectividad IP desde las otras redes de acceso 3GPP, como las ya mencionadas UTRN y GSM; así como desde redes no 3GPP, como WiMAX.

El subsistema IMS está relacionado con la provisión de servicios IP multimedia basados en el protocolo SIP (Session Initiation Protocol) de IETF (Internet Engineering Task Force 2). El subsistema IMS es responsable de la señalización asociada a los servicios multimedia y utiliza como mecanismo de transporte los servicios de transferencia de datos proporcionados por el dominio PS.

6.2. Arquitectura general del sistema LTE:

Se denomina a la arquitectura del sistema LTE como Evolved Packet System (EPS). Está formado por un equipo de usuario, una nueva red de acceso llamada E-UTRAN y una red troncal llamada EPC. Todos los componentes que engloban este sistema están diseñados para soportar todo tipo de servicios de telecomunicación mediante mecanismos de conmutación de paquetes, por lo que no es necesario disponer de un dispositivo que trabaje en modo circuito, ya que en el sistema LTE los servicios con restricciones de tiempo real se soportan también mediante conmutación de paquetes.

La red física que se utiliza en LTE para interconectar todos los equipos de la red, que se denomina red de transporte, es una red IP convencional. En la infraestructura de red LTE aparte de los equipos que realizan las funciones específicas del estándar, también habrá elementos de la red propios de redes IP como routers, servidores DHCP, servidores de DNS, switches, etc.

Red de acceso evolucionada (E-UTRAN):

Opera bajo la conmutación de paquetes y ofrece conectividad bajo IP así como QoS extremo a extremo.

Además, se fundamenta en nodos B Evolucionados (eNBs), los cuales se comunican por la interfaz S1 y se interconectan por la interfaz X2.

La eNBs integra todas las funcionalidades de la red de acceso. Esto representa un cambio respecto a las anteriores generaciones, GSM y UMTS, ya que en estas, la red de acceso contenía además de las estaciones base (BTS y NodoB), un equipo controlador (BSC y RNC).

En la red de acceso E-UTRAN, al estar formada únicamente por estaciones base eNB, estas serán los que proporcionen la conectividad entre los usuarios y la red troncal EPC.

Algunas de las funcionalidades de estos nodos son interconectar, aportar mayor movilidad, prevenir la interferencia entre células y enviar mensajes paging. Este tipo de mensajes son avisos a nivel IP en la red de acceso radio, los cuales imponen al móvil el control de la movilidad, ya que avisan cuando llega un paquete en caso de que el móvil se encuentra en estado “durmiente”.

Entre otras funciones de los nodos eNB se encuentra el control de conexión móvil y la asignación dinámica de recursos para los equipos de usuario (UE) para enlace ascendente y descendente. También tiene el objetivo de disminuir la latencia.

A la red troncal se comunica a través de la interfaz S1, la cual se encuentra ubicada entre el eNodeB y la MME, utilizando el protocolo de aplicación S1-AP. Principalmente sus funciones son: suministrar la red y enrutamiento, originar la conexión mediante la creación, modificar o liberar las portadoras activadas por el MME, controlar el tráfico y congestión y brindar redundancia.

La interfaz S1 se divide en otras dos, la S1-MME, que se utiliza para el plano de control y S1-U para el plano de usuario. El plano de usuario se refiere a la torre de protocolos

empleadas para el envío de tráfico de usuario a través de dicha interfaz. El plano de control se refiere a los protocolos necesarios para sustentar las funciones y procedimientos necesarios para gestionar la interfaz. Esta separación entre las entidades de red, una dedicada al plano de usuario y otra al de control, nos permite dimensionar de forma independiente los recursos de transmisión necesarios para el soporte de la señalización del sistema y para el envío del tráfico de los usuarios.

La otra interfaz que existe es la X2, que se utiliza para conectar los eNBs entre sí y utiliza el protocolo de aplicación X2-AP, el cual se desempeña como gestor de movilidad permitiendo a los eNBs asegurarse de transmitir de cualquier UE a otro eNB, además de generar informes de error de los UE.

Gracias a esta interfaz se pueden intercambiar tantos mensajes de señalización, destinados a permitir una gestión más eficiente de los recursos radio, así como el tráfico de los usuarios del sistema cuando estos se desplazan de un eNB a otro en el momento de un traspaso (handover).

Red troncal de paquetes evolucionada (EPC):

El núcleo de la red troncal EPC está formado por tres entidades de red, MME (Mobility Management Entity), Serving Gateway (S-GW) y el Packet Data Network Gateway (P-GW), que, junto a la base de datos principal del sistema denominada HSS (Home Subscriber Server), constituyen los elementos principales para la prestación del servicio de conectividad IP entre los equipos de usuario conectados al sistema a través de la red de acceso E-UTRAN y redes externas a las que se conecta la red troncal EPC.

• MME (Mobility Management Entity):

Es el elemento principal del plano de control de la red LTE para gestionar el acceso de los usuarios a través de E-UTRAN. Todo terminal que se encuentre registrado en la red LTE y sea accesible a través de E-UTRAN, tiene una entidad MME asignada. Esta elección de MME se realiza dependiendo de varios aspectos tales como la ubicación geográfica del terminal en la red, así como a criterios de balanceo de cargas.

Las principales funciones de esta entidad son:

 Autenticación y autorización del acceso de los usuarios, siempre a través de EUTRAN.

 Gestión de los servicios portadores EPS (EPS Bearer Service). Esta entidad es la encargada de gestionar la señalización que se necesita para establecer, mantener, modificar y liberar los servicios portadores.

 Gestión de movilidad de los usuarios en modo idle (son terminales que no tienen establecida ninguna conexión de control con E-UTRAN pero están registrados en la red LTE).

 Señalización para el soporte de movilidad entre EPS y otras redes externas.

• S-GW:

Dentro de las finalidades del S-GW se encuentra la prestación de movilidad al plano de usuario, además de servir como frontera entre la red principal y la red de acceso radio.

Igualmente, almacena las rutas de acceso entre los eNBs y los PDN.

Es la pasarela del plano de usuario entre E-UTRAN y la red troncal EPC. Igual que en la entidad MME, todo usuario registrado en la red LTE tiene asignado una entidad S-GW en la red EPC a través de la cual transcurre su plano de usuario.

Las características principales son:

 Proporciona un punto de anclaje en la red EPC con respecto a la movilidad del terminal entre eNBs.

 La funcionalidad de anclaje también se aplica a la gestión de la movilidad con las otras redes de acceso del 3GPP (UMTS y GSM).

 Almacenamiento temporal de los paquetes IP de los usuarios en caso de que los terminales se encuentren en modo idle.

 Encaminamiento del tráfico de usuario. Esta entidad albergara la información y funciones de encaminamiento necesarias para dirigir el tráfico de subida hacia la pasarela P-GW que corresponda y el tráfico de bajada hacia el eNB.

• PDN Gateway (P-GW):

Es la encargada de proporcionar conectividad entre la red LTE y las redes externas. Especifica las políticas y filtrado de paquetes, asigna las direcciones IP a los UE y suministra la conexión entre las señales externas y el UE. Por lo tanto, un paquete IP generado en la red LTE resulta “invisible” en la red externa, a través de la entidad P-GW, que hace de pasarela entre una red y otra. Un usuario tiene asignada como mínimo una pasarela P-GW desde su registro en la red LTE.

Principales características de esta entidad de red:

 Aplicación de reglas de uso de la red y control de tarificación a los servicios portadores que tenga establecidos el terminal.

 La asignación de la dirección IP de un terminal utilizada en una determinada red externa se realiza desde la pasarela P-GW que corresponda.

 Actúa de punto de anclaje para la gestión de movilidad entre LTE y redes externas no 3GPP (WiMAX, Wi-Fi, CDMA2000, etc.).

 El trafico IP que transcurre por la pasarela P-GW es procesado a través de un conjunto de filtros que asocian cada paquete IP con el usuario y servicio portador EPS que corresponda.

• HSS:

Es la base de datos principal que almacena los datos de todos los usuarios de la red. La información almacenada es tanto lo relativo a la suscripción del usuario como lo necesario para la operatividad de la red. Esta base de datos es consultada y modificada desde las diferentes entidades de red encargadas de prestar los servicios de conectividad o servicios finales (desde el MME de red troncal EPC y también desde servidores de control del subsistema IMS). La información almacenada en la HSS que podemos encontrar es:

Identificadores universales del usuario, identificadores de servicio, información de seguridad y cifrado, información relacionada con la ubicación de un usuario en la red, etc.

HSS se estandarizó en 3GPP R5 en base a la integración de dos entidades definidas en redes GSM y que se denominan HLR y AuC, a las que se les han añadido funcionalidades adicionales necesarias para soportar el acceso y la operativa del sistema LTE.

IP Multimedia Subsystem (IMS):

Es un subsistema que proporciona los mecanismos de control necesarios para la prestación de servicios de comunicación multimedia que están basados en la utilización del protocolo IP a los usuarios de la red LTE.

La idea es desplegar una infraestructura constituida por una serie de elementos (servidores, base de datos, pasarelas) que se comunicaran entre sí mediante una serie de protocolos, la mayoría estándares del IETF, y que nos permiten ofrecer servicios de voz y video sobre IP, videoconferencia, mensajería instantánea, etc. El acceso a estos servicios por parte de los terminales de usuario se realiza a través de los servicios de conectividad que ofrece la red LTE.

La prestación de estos servicios por parte del IMS pretende sustituir a medio-largo plazo los servicios equivalentes ofrecidos actualmente en modo circuito.

El modelo de prestación de servicio en base al subsistema IMS se estructura en tres capas: transporte, control y aplicación.

 Capa de transporte:

Representa la infraestructura de red IP, que depende de la tecnología de acceso, que nos proporciona el encaminamiento de los flujos IP entre terminales y demás elementos de la red.

 Capa de control:

Aquí se ubican los elementos especializados en la gestión de sesiones, como los servidores SIP, así como otros elementos específicos para la interacción con redes telefónicas convencionales (pasarelas VoIP, controladores, etc.).

 Capa de aplicación:

En esta capa residen los servidores de aplicación que albergan la lógica y datos asociados a los diferentes servicios proporcionados a través de IMS. En esta capa también se presentan elementos ligados a otras plataformas de servicios como redes inteligentes.

El establecimiento y liberación de sesiones a través del IMS se basa en el protocolo de señalización SIP complementándolo con una serie de extensiones adicionales. SIP es un protocolo que se concibió para el establecimiento y liberación de sesiones multimedia (telefonía, videoconferencia, etc.) sobre redes IP entre dos o más participantes.

Gracias a la flexibilidad de SIP, ahora abarca una gama de aplicaciones mucho más extensa, mensajería instantánea, juegos distribuidos, control remoto de dispositivos, etc.

Arquitectura de RED E-UTRAN

7. TECNOLOGIA DE NIVEL FISICO:

Las tecnologías de nivel físico permiten alcanzar mayores niveles de capacidad y eficiencia en el uso de los recursos radio que los sistemas predecesores. En el enlace descendente se usa la técnica de acceso múltiple denominada OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access) y para el enlace ascendente, la técnica denominada CS-FDMA (Single Carrier Frequency Division Multiple Access) y las estructuras de transmisión y recepción con múltiples antenas (MIMO).

7.1. OFDMA:

La técnica de acceso múltiple OFDMA que se utiliza en el enlace descendente en el sistema LTE ofrece la posibilidad de que los diferentes símbolos modulados sobre las subportadoras pertenezcan a usuarios distintos. Por tanto, es posible acomodar varias transmisiones simultáneas correspondientes a diferentes flujos de información al viajar en subportadoras diferentes. Se consigue que un conjunto de usuarios puedan compartir el espectro de un cierto canal para aplicaciones de baja velocidad. El acceso múltiple se consigue dividiendo el canal en un conjunto de subportadoras que se reparten en grupos en función de la necesidad de cada uno de los usuarios. El sistema se realimenta con las condiciones del canal, adaptando continuamente el número de subportadoras asignadas al usuario en función de la velocidad que este necesita y de las condiciones del canal. Si la asignación se hace rápidamente, se consigue cancelar de forma eficiente las interferencias co-canal y los desvanecimientos rápidos.

Ventajas de OFDMA:

• Diversidad multiusuario: La asignación de subportadoras se realiza de manera dinámica.

Como el canal radio presentara desvanecimientos aleatorios en las diferentes subportadoras, y que serán independientes de cada usuario, se puede intentar seleccionar para cada subportadora el usuario que presente un mejor estado del canal, es decir, el que perciba una mejor relación señal a ruido. Con esto conseguiríamos una mayor velocidad de transmisión y una mayor eficiencia espectral. A esta manera de actuar se le denomina scheduling.

• Diversidad frecuencial: Es posible asignar a un mismo usuario subportadoras no contiguas, separadas suficientemente como para que el estado del canal en las mismas sea independiente, lo que nos proporciona diversidad frecuencial en la transmisión de dicho usuario ante canales selectivos en frecuencia.

• Robustez frente al multitrayecto: Esta técnica es muy robusta frente a la interferencia intersimbólica (ISI), resultante de la propagación multitrayecto y se puede combatir la distorsión mediante técnicas de ecualización en el dominio de la frecuencia, que resultan menos complejas que las que se realizan en el dominio del tiempo.

• Flexibilidad en la banda asignada: Esta técnica de acceso múltiple nos proporciona una forma sencilla de acomodar diferentes velocidades de transmisión a los diferentes usuarios en función de las necesidades de servicio requeridas por cada usuario, simplemente asignando más o menos subportadoras a cada usuario.

• Elevada granularidad en los recursos asignables: Como estamos subdividiendo la banda total en un conjunto elevado de subportadoras de banda estrecha que se asignan dinámicamente a los usuarios, se dispone de una elevada granularidad a la hora de asignar más o menos recursos a cada uno, con lo que nos ayudara a acomodar servicios con diferentes requisitos de calidad.

• Elevado grado de utilización de la banda asignada: gracias a la utilización de la transmisión OFDM, la transmisión multiportadora se consigue con una separación mínima entre subportadoras, existiendo una superposición.

• Sencillez de implementación en dominio digital: Gracias al uso de la Transformada Rápida de Fourier (FFT e IFFT).

Desventajas de OFDMA:

• Elevada relación entre la potencia instantánea y la potencia media (PAPR).

• Susceptibilidad frente a errores en frecuencia.

7.2. SC-FDMA:

La SC-FDMA es una variante de OFDMA. Es por ello que tiene las mismas características de ésta como el hecho de presentar robustez ante los multitrayectos, el tener una alta eficiencia espectral, reducir la Interferencia Intersimbólica y el hecho de que su implementación sea sencilla. Además, muestra otras ventajas que OFDMA no nos daba, como el caso del PAPR, con SC-FDMA el PAPR será reducido al igual que el consumo de potencia. Sin embargo, en SC-FDMA tendremos un receptor muy complejo, pero esto se soluciona utilizando SC-FDMA para el Uplink, con lo cual tendremos que el receptor en la unidad móvil debe ser sencilla y económica mientras que la complejidad del receptor y los altos costos que se pudiesen generar se dejan a la Estación Base, la cual tiene más recursos.

En resumen, en OFDMA se comparte el ancho de banda, cada símbolo de datos (dependiendo de la modulación) se usa para modular una subportadora, las cuales son ortogonales entre sí, de aquí es de donde nace la característica multiportadora de OFDMA. Además los “M” símbolos que se transmiten lo harán en paralelo y repartiéndose en todo el ancho de banda disponible. Esto implicará que se superpongan varios símbolos de datos en forma simultánea, es decir varias sinusoides con amplitudes y fases distintas, las cuales en determinado instante pueden estar algunas de ellas en fase y producir un PAPR elevado.

Por el contrario, en SC-FDMA se emplea una combinación lineal, donde varios símbolos de datos se usan para modular varias subportadoras ortogonales; es decir que cada símbolo de los “M” que se transmitan lo harán ocupando todo el ancho de banda disponible y con una duración igual a una parte del tiempo del símbolo SC-FDMA. Esto quiere decir, que en el ancho de banda que se dispone, solo se envía información de varios símbolos de datos dependiendo de la modulación que se elija.

Características del Downlink y Uplink:

 Alta eficiencia espectral.

 Robusto frente a la frecuencia selectiva, interferencia de multitrayecto.

 Soporta despliegue de banda flexible.

 Facilita el dominio de la frecuencia de programación.

 Muy adecuado para las técnicas avanzadas MIMO.

7.3. MIMO:

El sistema MIMO utiliza múltiples antenas tanto para recibir como para transmitir. Una transmisión de datos a tasa elevada se divide en múltiples tramas más reducidas. Cada una de ellas se modula y transmite a través de una antena diferente en un momento determinado, utilizando la misma frecuencia de canal que el resto de las antenas. Debido a las reflexiones por multitrayecto, en recepción la señal a la salida de cada antena es una combinación lineal de múltiples tramas de datos transmitidas por cada una de las antenas en que se transmitió.

Las tramas de datos se separan en el receptor usando algoritmos que se basan en estimaciones de todos los canales entre el transmisor y el receptor. Además de permitir que se multiplique la tasa de transmisión (al tener más antenas), el rango de alcance se incrementa al aprovechar la ventaja de disponer de antenas con diversidad.

La teoría de la capacidad inalámbrica, extiende el límite del teorema de Shannon, en el caso de la utilización de esta tecnología. Este resultado teórico prueba que la capacidad de transmisión de datos y rango de alcance de los sistemas inalámbricos MIMO se puede incrementar sin usar más espectro de frecuencias. Este aumento es de carácter indefinido, simplemente utilizando más antenas en transmisión y recepción. MIMO requiere la existencia de un número de antenas idéntico a ambos lados de la transmisión, por lo que en caso de que no sea así, la mejora será proporcional al número de antenas del extremo que menos antenas tenga.

8. CONCEPTOS IMPORTANTES DE LA INTERFAZ RADIO:

8.1. CAPA FISICA:

La capa física del sistema LTE esta diseñada para que opere en las bandas altas de UHF, es decir, por encima de los 450 MHz y hasta los 3,5 GHz. El estándar define hasta 40 posibles bandas de operación para trabajar en modo duplexion por división en frecuencia (FDD) o en modo duplexion por división en el tiempo (TDD).

La capa física de la interfaz radio del sistema LTE se basa en la utilización de técnicas de acceso múltiple OFDMA en el enlace descendente y SC-FDMA en el enlace ascendente. En los dos casos, la separación entre subportadoras es fija e igual a 15 KHz. En la Tabla 2.1 se muestra el número de subportadoras en la canalización del sistema LTE:

El esquema de transmisión en la arquitectura E-UTRAN, utilizada es:

 Para enlaces descendentes OFDMA:

Divide el canal RF en varias subportadoras normalmente de 15KHz, utilizando como esquema de modulación QPSK, 16QAM y 64QAM. La configuración de la antena MIMO es de dos antenas de transmisión en la célula y dos antenas de recepción en la UE.

 Para enlace ascendente SC-FDMA:

Tiene el fin de obtener ortogonalidad entre usuarios y mejor dominio de la frecuencia en el receptor. Comprende los esquemas de modulación BPSK, QPSK, 8PSK y 16QAM. La configuración de la antena MIMO es de dos antenas de transmisión en el UE y dos antenas de recepción en la célula.

8.2. BLOQUE DE RECURSOS FISICOS (Physical Resource Block):

Se denomina PRB (Physical Resource Block), al mínimo elemento de información que puede ser asignado por el eNB a un terminal móvil. Un PRB ocupa 180 KHz de banda equivalente a 12 subportadoras equi-espaciadas 15 KHz entre ellas y en el se transmiten 6 o 7 símbolos OFDMA, dependiendo de la longitud del prefijo cíclico. La duración de un PRB es de 0,5 ms, es decir la duración de un slot o ranura de tiempo.

En la Tabla 2.2 se muestra el número de PRBs en función de la canalización:

En un PRB tenemos 7 símbolos con 12 subportadoras asociadas a cada uno de ellos, por lo que tenemos en total 84 recursos donde introducir los símbolos QPSK, 16-QAM y 64-QAM. Considerando la modulación de mayor eficiencia espectral, 64-QAM en la que se transmiten 6 bits/simbolo, dentro de un PRB podemos enviar un total de 504 bits cada 0,5 ms, lo que nos ofrece una velocidad bruta de transmision de pico de aproximadamente Rb,PRB=504 bits/0,5 ms ≈ 1 Mb/s. Se muestra un ejemplo en la siguiente figura:

En la siguiente Tabla 2.3 se resumen las velocidades de pico en función de la canalización. Estos cálculos los hemos realizado sin tener en cuenta la estructura MIMO. Si lo tenemos en cuenta y en el caso 2x2 se puede estimar que las velocidades de pico pueden llegar a ser el doble, por lo que se confirma que en la interfaz radio del sistema LTE se pueden alcanzar los 150 Mb/s en el enlace descendente en el caso del canal de 20 MHz.

8.3. Estructura de la trama:

En el dominio del tiempo los recursos físicos del sistema LTE se estructuran siguiendo dos tipos de estructuras de trama, de tipo 1 y de tipo 2. El más importante para la LTE es el de tipo 1 ya que es la que utiliza el modo de duplexion por división de frecuencia (FDD).

Estructura de trama de tipo 1

Se utiliza tanto para el enlace descendente como para el ascendente y soporta semi y full-duplex FDD. La trama de tipo 1 se divide en tramas de 10 ms y cada trama esta a su vez compuesta por 20 ranuras temporales (slot) de duración 0,5 ms. Se define una unidad básica de recursos, formada por dos ranuras temporales que se denomina “subtrama” de duración 1 ms. En cada ranura temporal se transmiten 6 o 7 símbolos OFDM, cada uno de ellos de duración Ts= 66,7 us. Si se usan 7 símbolos, el prefijo cíclico “corto”, tiene una duración de 4,7 us, salvo para el primer símbolo, que tiene un prefijo cíclico de 5,2 us. En el caso de utilizar 6 símbolos por ranura temporal entonces el prefijo cíclico “largo”, tiene una duración de 16,67 us. En el caso de que la celda sea muy grande se utilizan 6 símbolos, ya que el retardo de propagación suele ser del orden de us y se requiere un prefijo cíclico mayor para compensar la propagación multitrayecto.

9. FRECUENCIAS PARA LTE:

Las bandas más usadas actualmente y que ya existen dispositivos móviles son las siguientes:

• Banda 1: Una banda LTE empleada en Japón.

• Banda 2: Banda empleada por Estados Unidos.

• Banda 3: Banda LTE empleada en Australia y Asia.

• Banda 4: Se compone de 1700Mbps para upload y 2100Mbps para download.

Usada principalmente para LTE de AT&T y empleará Telcel para su LTE, así como numerosos carriers en el resto de América.

• Banda 5: Banda LTE empleada en Asia, principalmente en Korea.

• Banda 6: Otra banda LTE empleada en Japón.

• Banda 7: La banda LTE más usada en Europa y Australia, aunque algunos carriers Americanos también implementarán LTE BC7.

10. SERVICIOS EN LTE:

LTE al contar con IMS, puede ofrecer servicios como:

 Push to talk Over Cellular (PoC):

Se trata básicamente de los servicios de comunicación punto-punto o punto-multipunto que se ofrecen en las redes móviles.

 Presence:

Servicio que hace posible que los usuarios compartan información de sus actividades, ubicación actual, zona horaria donde se encuentran, etc.

 Multimedia Broadcast y Multicast Service (MBMS):

Son aquellos servicios como:

• Transmisión de audio y/o video: publicidad, suscripción ciertos servicios

• Descarga de audio y/o video

• Descarga de archivos: actualización de aplicaciones.

 Telefonía Multimedia:

• VoIP: servicio de transmisión y recepción de voz a través de IP.

• Video Telefonía: servicio de telefonía con la particularidad de un video multimedia de la persona en tiempo real durante la llamada.

11. IMT - ADVANCED (4G):

En el 2008 la ITU (Unión Internacional de Telecomunicaciones) estableció los requisitos para la cuarta generación de estándares de telecomunicaciones móviles: los sistemas IMT-Advanced o simplemente 4G. Los principales requisitos para un estándar 4G son:

Que esté basado en un modelo de red “all-IP” que utilice únicamente conmutación de paquetes.

Que alcance tasas de pico de 1Gbps en movilidad de baja velocidad (usuario quieto o a pie) y de 100Mbps en movilidad de alta velocidad (trenes, coches, etc.).

Que alcance picos de eficiencia espectral de enlace de 15 bits/Hz en bajada y 6.75 bits/Hz en subida, es decir, que podamos descargar a 1Gbps con un ancho de banda de menos de 67MHz.

Dicho en otras palabras las redes 4G están optimizadas para un mundo en que las comunicaciones son casi todas sobre IP, nos permiten descargar mucho más rápidas y también aprovechan extremadamente bien el espectro radioeléctrico.

Ya que LTE puede alcanzar velocidades máximas de algo más de 300Mbps con 4x4 antenas y un ancho de banda de 20MHz no cumple con los requisitos de la ITU, por eso no se considera estándar 4G sino más bien 3.9G o “casi 4G”.

Al día de hoy las únicas dos tecnologías aprobadas por la ITU como estándar 4G son LTE-Advanced (sucesor de LTE) y WiMAX 2 (sucesor de WiMAX); el primero está siendo desarrollado por la 3GPP y el otro por el IEEE.

11.1. LTE-ADVANCED:

Es el nombre de la interfaz de radio mejorada de UMTS (E-UTRAN) desarrollada por el #GPP, como evolución natural de LTE y se describe en la especificación 3GPP. Las características principales de LTE-Advanced son las siguientes:

• Está basado en LTE y permite una evolución gradual para los operadores móviles. Es espectralmente compatible con LTE.

• Conserva el sistema de acceso SC-FDMA para el enlace ascendente y mejora la tasa de transmisión mediante MIMO.

• Permite operación multiportadora con portadoras en diferentes bandas (contiguas y no contiguas) y agregación de tráfico para manejar anchos de banda de hasta 100MHz.

• Permite operación MIMO mejorada. En el enlace descendente permite MIMO de alto orden (hasta 8x8) y MIMO multiusuario para manejar la interferencia de antenas correlacionadas. En el enlace ascendente soporta MIMO monousuario de hasta 4x4.

• Permite comunicación multisalto, en capa física para aumento de la cobertura y en capa de red para el mejoramiento del desempeño en el borde de las celdas.

• Transmisión coordinada multipunto (CoMP, Coordinated Multiple Point Transmission and Reception).

• Hereda características LTE como el soporte de femtoceldas, arquitectura de acceso plana y flexibilidad espectral.

Evolución de los sistemas de comunicaciones móviles

12. TABLA COMPARATIVA DE LTE CON SUS PREDECESORES:

13. DIFERENCIAS DE LTE CON WiMAX:

• WiMAX requiere su propia red independiente, a diferencia de LTE que funciona sobre una versión evolucionada de infraestructura UMTS actual.

• LTE posee menores tiempos de latencia, esto lo hace ligeramente superior a WiMAX en el servicio de información multimedia.

• A las empresas de telecomunicaciones bien establecidas, les interesa más LTE (no se pueden dar el lujo de cambiar toda una red de infraestructura), mientras que a las nuevas compañías les interesará más ofrecer WiMAX (por costes de implementación y las ventajas de ser abierto).

• Si pensamos a futuro, es necesaria una evolución hacia la implantación de voz y datos a través de redes IP, por ello se puede notar una tendencia a crear una tarifa plana de voz y datos por parte de las compañías de telefonía móvil, las cuales se encuentran más cercanas a LTE que a WiMAX, mientras que WiMAX se acerca más a una tecnología para usuario doméstico, similar al caso WI-FI.

14. TERMINALES PARA LTE:

Samsung Galaxy Indulge, el primer smartphone LTE del mundo

15. CONCLUSIONES:

 Gracias a la nueva arquitectura existe una mejora en el tiempo de latencia y condiciones de velocidad más altas, al implementar como esquemas de modulación OFDMA y SC-FDMA para enlace descendente y ascendente respectivamente.

 La nueva arquitectura genera simplificación en las operaciones evitando gastos operativos, por lo tanto genera beneficios en la reducción de costos financieros.

 Al disminuir los nodos intermedios de la red, el resultado es directamente proporcional a la atenuación del retardo de la señal que pasa entre nodos.

 Los eNodeB ya no sólo se van a encargar de la transmisión y recepción eléctrica sino también tendrán a cargo la compresión y descompresión de enlace descendente y ascendente, QoS, etc.; lo que genera mayor robustez, menor centralización y mayor eficiencia.

 Por medio de las interfaces de conexión se comparte el tráfico de usuario y el tráfico de la señalización ya que la conexión y el tráfico siempre pasa por los RNC.

 Existen interfaces de conexión directa entre los SW-Gateway y los MME con los eNodeB, facilitando la movilidad, handover y el tráfico en el plano de usuario y plano de control.

 La arquitectura de red EPC tiene una mejor conmutación de paquetes, logrando mayor simplificación de la señalización, permitiendo el funcionamiento óptimo con otras tecnologías de la red pública de telefonía conmutada y con el subsistema multimedia IP.

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