HSPA + : Evolución de HSPA

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1.4 Tecnologías de redes Celulares

1.4.5 HSPA + : Evolución de HSPA

Los objetivos principales perseguidos por HSPA + son los siguientes:

 Explotar todo el potencial de CDMA antes de migrar a una plataforma OFDM en 3GPP LTE

 Alcanzar una performance cercana a LTE en 5 MHz de espectro

 Proveer interoperabilidad entre HSPA+ y LTE, para facilitar la operación de ambas tecnologías

 Permitir la operación en modo de paquetes solamente para ambos datos y voz  Ser compatible hacia atrás con los sistemas previos

 Facilitar la migración de HSPA a HSPA+

En los Releases 7 y 8 de 3GPPP se han definido una serie de mejoras para HSPA.

Un área importante es la de receptores avanzados. Se definieron diferentes tipos de diseños, esos diseños son el tipo 1, usa la diversidad del receptor móvil, el tipo 2 el cual usa la

ecualización del canal y el tipo 3, que incluye la combinación de los dos anteriores. Los dispositivos tipo 3i (aun no disponibles) implementarán cancelación de interferencia.

El primer avance de la diversidad en la recepción del móvil es la combinación óptima de dos señales recibidas por antenas de recepción separadas. La combinación de la diversidad en el recepción y la ecualización del canal es atractiva, porque resulta un una ganancia importante en capacidad independiente del canal de radio.

Otra técnica estandarizada es MIMO, es una técnica que emplea antenas múltiples tanto en transmisión como en recepción, generalmente vienen de la mano de múltiples radios y múltiples streams de datos en paralelo. Es una multiplexación espacial, donde el transmisor envía diferentes streams de datos por cada una de las antenas.

La multiplexación espacial de MIMO puede beneficiar los “hotspots” HSPA sirviendo áreas locales como aeropuertos, campus, shoppings, donde la tecnología puede aumentar la capacidad y las velocidades alcanzadas. Sin embargo, en una red totalmente cargada, con interferencia de las celdas adyacentes, la ganancia va a ser mucho más modesta (en el rango del 20 al 30% sobre la diversidad del receptor).

En relación con sistemas de antenas 1X1, los sistemas MIMO 2X2 pueden tener una ganancia en el troughput de la celda de alrededor del 80%.

3GPP estandarizó el MIMO con multiplexación espacial en el Release 7 usando Double Transmit Adaptive Array (D-TxAA).

En el Release 7, otra mejora que se presenta es el mecanismos llamado CPC (Continuous Packet Connectivity), el cual reduce la interferencia en el uplink creada por los canales de control de paquetes de los usuarios, cuando no hay datos para transmitir. Esta técnica también aumenta los usuarios HSUPUA simultáneos.

Este mecanismo permite tanto transmisión discontinua en el uplink como recepción discontinua en el downlink, es decir el módem puede apagar su receptor luego de un cierto período de inactividad de HSDPA.

Este mecanismo es especialmente beneficioso para VoIP en el uplink porque el radio puede apagarse entre paquetes de VoIP.

Otra de las técnicas vistas para aumentar la performance es utilizar modulaciones de orden más alta, HSPA utiliza 16 QAM en el downlink y QPSK en el uplink. En HSPA+ se introducen nuevos esquemas de modulación 64 QAM en downlink y 16 QAM en el uplink, estas modulaciones requieren de mejores niveles de SNR, los que se logran con otras técnicas mencionadas anteriormente como es la diversidad en recepción y la ecualización.

En la siguiente tabla se resumen las capacidades de HSPA y HSPA+.

Tecnología Downlink Velocidad de pico (Mbps) Uplink Velocidad de pico (Mbps) Release 6 HSPA 15.4 5.6 Release 7

HSPA+ DL 64QAM,UL 16QAM 21.1 11.5

Release 7

HSPA+ 2X2 MIMO, DL 16 QAM, UL 16 QAM 28.0 11.5

Release 8

HSPA+ 2X2 MIMO DL 64 QAM, UL 16 QAM 42.2 11.5

HSPA+ 4X4 MIMO,

(teórico, todavía no hay especificación) 84 11.5

Tabla 18. Configuraciones de HSPA+

Como se ha visto las mejoras de HSPA+ en capacidad superan el doble de las manejadas en HSPA actual, también la latencia logra valores menores de 25ms, y reduce el consumo de potencia para principalmente para aplicaciones con VoIP, con el mecanismo CPC.

1.4.6

3GPP LTE

A pesar que con HSPA y HSPA+, se ofrecen servicios de banda ancha inalámbrica con una buena eficiencia espectral que permitirá cubrir las necesidades de los usuarios ampliamente por una década o más, el 3GPP está trabajando en LTE (Long Term Evolution) como parte del Release 8.

LTE permitirá obtener mayores velocidades de datos con mayor cantidad de espectro (mayor a 5MHz). El trabajo en LTE comenzó en el 2004 y se piensa tener la especificación terminada para el 2008.

LTE utiliza la técnica de acceso al medio denominada OFDMA en el downlink, lo cual permitirá alcanzar grandes velocidades teniendo un canal de frecuencia espectral mucho mayor a 5MHz. La tecnología de radio WCDMA es tan eficiente como OFDMA para alcanzar velocidades de alrededor de 10Mbps en 5 MHz de ancho de banda. Sin embargo alcanzar velocidades de 100Mbps con canales más grandes resultaría en terminales muy complejos y no es práctico con la tecnología actual. Esta es la ventaja de implementación práctica que ofrece OFDM. OFDMA minimiza la interferencia y tiene una eficiencia espectral muy buena, además es muy flexible en cuanto a la canalización, LTE puede operar con anchos de banda de canal de 1.25 a 20 MHz.

En el uplink un OFDMA puro produce alta relación entre el pico y el promedio de la señal, alto PAR (Peak to Average Ratio), lo que compromete la eficiencia de la potencia y la vida de la batería de los teléfonos. Por esta causa LTE utiliza una mejora llamada SC-FDMA, que es similar a OFDMA pero tiene entre 2 y 6 dB de ventaja en el PAR que OFDMA.

La lista de capacidades principales incluidas en LTE son las siguientes:

 Velocidades en el downlink de 326 Mbps con 20MHz de ancho de banda.  Velocidades en el uplink hasta 86.4 Mbps con 20MHz de ancho de banda.  Operación en ambos modos FDD y TDD.

 Ancho de Banda escalable hasta 20 MHz, con pasos de 1.25, 2.5, 5, 10, 15, y 20 MHz.  Aumenta la eficiencia espectral sobre HSPA Release 6 por un factor de 2 o 4.

 Reduce la latencia a 10 ms, y menos de 100 ms entre la transición de activo a inactivo. En la siguiente tabla se resumen las velocidades alcanzadas con diferentes tipos de diseño uplink y downlink usados en LTE.

Configuración LTE Downlink Velocidad de pico (Mbps) Uplink Velocidad de pico (Mbps)

Usando 2X2 MIMO en DL, UL 16 QAM 172,8 57,6

Usando 4X4 MIMO en DL, UL 64 QAM 326,4 86,4

Tabla 19. Configuraciones definidas para LTE

LTE implementa una técnica diferente a las que veníamos utilizando en UMTS/HSPA denominada OFDMA.La técnica OFDMA multiplexa los usuarios en el dominio de la frecuencia y el tiempo, es decir la asigna a cada usuario u grupo de frecuencias en determinado tiempo.El bloque mínimo de recurso que puede asignar es de 12 portadoras sobre 14 símbolos (10 ms). En la figura 22 se esquematiza la asignación en esta técnica.

Figura 22. Asignación de LTE en dowlink en el dominio de la frecuencia y el tiempo

1.4.7

4G, IMT-Advanced, LTE- Advance

Como se hace referencia en [22], el término 4G se aplica a las redes que cumplen los requerimientos de IMT-Advanced, especificados en el reporte ITU-R M.2134.

Los principales requerimientos establecidos en este reporte incluyen:  Soporte de ancho de banda escalable hasta e incluído 40 Mhz.  Soporte de gran ancho de banda (por ejemplo canales de 100 MHz).

 Mínima eficiencia espectral pico en dowmlink de 15 bps/Hz (asumiendo MIMO 4x4)  Mínima eficiencia espectral pico en uplink de 6.75 bps/Hz (asumiendo MIMO 2x4)  En la siguientes tablas, 20 y 21, se muestran los requerimientos para eficiencia

espectral de las celdas y de capacidad en términos de usuarios activos de voz.

Entorno de prueba Downlink (bps/Hz) Uplink (bps/Hz)

Indoor 3 2.25

Microcelular 2.6 1.8

Cobertura Urbana básica 2.2 1.4

Alta Velocidad 1.1 0.7

Tabla 20. Eficiencia espectral por celda

Entorno de prueba Minimum VoIP Capacity (Active Users/Sector/MHz)

Indoor 50

Microcelular 40

Cobertura Urbana básica 40

Alta Velocidad 30

Tabla 21. Capacidad para voz

Para cumplir estos requerimientos, 3GPP está desarrollando una nueva versión de LTE denominada LTE- Advanced.

Proyecto a estudio en 2009 con expectativa de que las especificaciones sean finalizadas en la segunda mitad del 2010 como parte del Release 10.

LTE-Advanced va a ser compatible con LTE, es decir terminales de LTE-Advanced van a operar en redes LTE y terminales LTE van a poder operar en redes LTE-Advanced. Para este proyecto 3GPP pone énfasis en el estudio de los siguientes puntos:

 Soporte de mayor ancho de banda hasta 100 Mhz con agregación de bloques de 20 Mhz.

 MIMO en uplink (2 antenas trasmisoras en los dispositivos).  MIMO en downlink hasta 8x8

 CoMP (Coordinated multipoint transmission): scheduling y/o beamforming coordinado y procesamiento conjunto en la Tx.

Los desafíos propuestos por el 3GPP LTE-Advanced superan los requerimietos de 4G del IMT- Advanced, como se puede observar en la siguiente tabla.

Item IMT-Advanced Requirement

LTE-Advanced Projected Capability

Peak Data Rate Downlink 1 Gbps

Peak Data Rate Uplink 500 Mbps

Spectrum Allocation Up to 40 MHz Up to 100 MHz

Latency User Plane 10 msec 10 msec

Latency Control Plane 100 msec 50 msec

Peak Spectral Efficiency DL 15 bps/Hz 30 bps/Hz Peak Spectral Efficiency UL 6.75 bps/Hz 15 bps/Hz Average Spectral Efficiency DL 2.2 bps/Hz 2.6 bps/Hz Average Spectral Efficiency UL 1.4 bps/Hz 2.0 bps/Hz Cell-Edge Spectral Efficiency DL 0.06 bps/Hz 0.09 bps/Hz Cell-Edge Spectral Efficiency UL 0.03 bps/Hz 0.07 bps/Hz

Tabla 22. Requerimientos IMT-Advanced vs capacidades proyectadas de LTE-Advanced.

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