Contribución al estudio de enlaces de radio en el sistema LTE

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(1)Facultad de Ingeniería Eléctrica. Departamento de Telecomunicaciones y Electrónica. Trabajo de Diploma. Título: Contribución al estudio de enlaces de radio en el sistema LTE. Autor: Dayán Suárez Iglesias. Tutor: MSc. Carlos A. Rodríguez López.. Santa Clara. Año 56 de la Revolución. 2014.

(2) Hago constar que el presente trabajo de diploma fue realizado en la Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas como parte de la culminación de estudios de la especialidad de Ingeniería en Automática, autorizando a que el mismo sea utilizado por la Institución, para los fines que estime conveniente, tanto de forma parcial como total y que además no podrá ser presentado en eventos, ni publicados sin autorización de la Universidad.. Firma del Autor Los abajo firmantes certificamos que el presente trabajo ha sido realizado según acuerdo de la dirección de nuestro centro y el mismo cumple con los requisitos que debe tener un trabajo de esta envergadura referido a la temática señalada.. Firma del Tutor. Firma del Jefe de Departamento donde se defiende el trabajo. Firma del Responsable de Información Científico-Técnica.

(3) i. PENSAMIENTO. El verdadero sabio sólo es riguroso consigo mismo; con los demás es amable. Mestrio Plutarco..

(4) ii. DEDICATORIA A mis amigos y profesores. En especial a mis padres Ileana y Cirilo..

(5) iii. AGRADECIMIENTOS. Agradezco en especial a mis profesores y amigos Carlos Rodríguez y José Omar, por su notable influencia en mi formación como profesional y ser humano..

(6) iv. TAREA TÉCNICA . Presentar una síntesis de las principales características de los sistemas móviles de cuarta generación.. . Determinar parámetros del canal de radio con incidencia significativa en el proceso de modelado y simulación de sistemas móviles de cuarta generación.. . Documentar los modelos para simulación de canal de radio tratados en la bibliografía.. . Elaboración del informe.. Firma del Autor. Firma del Tutor.

(7) v. ABREVIACIONES Y ACRONIMOS. 3GPP. 3rd Generation Partnership Project. ARQ. Automatic Repeat-reQuest. AT&T. American Telephone and Telegraph. BCH. Broadcast Channel. C/I. Carrier to Interference ratio. CCE. Control Channel Element. COST. Cooperation in Science and Technology. CQI. Channel-Quality Indicator. CRC. Cyclic Redundancy Check. CSI-RS. CSI reference signals. DCI. Downlink Control Information. DFTS-OFDM. DFT-Spread OFDM. DL-SCH. Downlink Shared Channel. DVB. Digital Video Broadcasting. DVB-T. Digital Video Broadcasting – Terrestrial. eNB. evolved Node Base. EKF. Extended Kalman Filter. ETSI. European Telecommunications Standards Institute. EURO-COST. European Cooperation in Science and Technology. FCC. Federal Communications Commission. FDD. Frequency Division Duplex. FDMA. Frequency-Division Multiple Access. GPRS. General Packet Radio Services. GSM. Global System for Mobile communications. HARQ. Hybrid ARQ. HSPA. High-Speed Packet Access. IMT. International Mobile Telecommunications. IP. Internet Protocol.

(8) vi LTE. Long-Term Evolution. LMMSE. Linear Minimum Mean Square Error. LS. Least Squares. MAC. Medium Access Control. MCH. Multicast Channel. OFDM. Orthogonal Frequency-Division Multiplexing. OFDMA. Orthogonal Frequency-Division Multiple Access. PCH. Paging Channel. PDCCH. Physical Downlink Control Channel. PDSCH. Physical Downlink Shared Channel. PUSCH. Physical Uplink Shared Channel. QAM. Quadrature Amplitude Modulation. QoS. Quality-of-Service. QPP. Quadrature Permutation Polynomial. QPSK. Quadrature Phase-Shift Keying. RLC. Radio Link Control. SC-FDM. Single Carrier Frequency-Division Multiplex. SMS. Short Message Service. SPS. Semi Persistent Scheduling. SRS. Sounding Reference Signal. TDD. Time-Division Duplex. TDMA. Time-Division Multiple Access. UE. User Equipment, the 3GPP name for the mobile terminal. UIT. Unión Internacional de Telecomunicaciones. UIT-R. UIT-Radiocomunicaciones. UL-SCH. Uplink Shared Channel. UTRA. Universal Terrestrial Radio Access. WCDMA. Wideband Code-Division Multiple Access. WiMAX. Worldwide Interoperability for Microwave Access. WMAN. Wireless Metropolitan Area Network.

(9) vii. RESUMEN. En este proyecto se exponen aspectos fundamentales de LTE y se discuten modelos de canal imprescindibles para realizar simulaciones relacionadas con esta tecnología. Para ello, inicialmente se presenta una síntesis de la evolución de los sistemas móviles, las actividades de la UIT, factores determinantes del surgimiento y evolución de esta tecnología y el proceso de estandarización. A continuación se explican temas que facilitan la comprensión de la tecnología LTE, tales como: la estructura de tramas, bloques de recursos, interfaz aérea, transmisión OFDM, estrategias de planificación, protocolos de retransmisión y señalización de información de control. Finalmente se describen diversos modelos que permiten representar el comportamiento de un canal de radio, elemento de gran utilidad para realizar simulaciones..

(10) viii. TABLA DE CONTENIDOS. PENSAMIENTO .......................................................................................................................... i AGRADECIMIENTOS ............................................................................................................. iii ABREVIACIONES Y ACRONIMOS ...................................................................................... v RESUMEN ................................................................................................................................ vii INTRODUCCIÓN ...................................................................................................................... 1 CAPÍTULO 1.. Antecedentes, surgimiento y desarrollo de LTE. ................................ 3. 1.1. Evolución de los sistemas móviles antes de LTE.............................................. 3. 1.2. Actividades de la UIT. .............................................................................................. 4. 1.3. Factores determinantes del surgimiento y evolución de LTE. ........................ 6. 1.4. Estandarización de LTE. ......................................................................................... 7. 1.5. El proceso de estandarización. .............................................................................. 8. CAPÍTULO 2.. Características fundamentales de los sistemas móviles de cuarta. generación.. 9. 2.1. Estructura de trama. ................................................................................................. 9. 2.2. Bloques de Recursos. ............................................................................................ 10. 2.3. La interfaz aérea de LTE. ...................................................................................... 12. 2.4. Transmisión Multiportadora. ................................................................................. 13. 2.5. Transmisión OFDM. Principios Básicos. ........................................................... 14. 2.6. Transmisión SC-FDM............................................................................................. 16.

(11) ix 2.7 El planificador MAC. ................................................................................................... 17 2.8 Estrategias de planificación. ...................................................................................... 22 2.9 Protocolos de Retransmisión. ................................................................................... 23 2.10 Mecanismo HARQ. .................................................................................................... 24 2.11 Procesamiento del canal de transporte. ............................................................... 25 2.11.1 Pasos del procesamiento. ................................................................................ 25 2.12 Señalización de información de control. ............................................................... 27 2.13 Señalización de control L1/L2. ................................................................................ 30 CAPÍTULO 3. 3.1. Modelos de utilidad para la simulación. .............................................. 32. Modelos de pérdidas de propagación en espacio libre. Modelos de. pérdidas de propagación en espacio libre.................................................................... 32 3.2. Ecuaciones de Maxwell. ........................................................................................ 33. 3.3. Modelo de rayos. ..................................................................................................... 33. 3.4. Modelos empíricos. ................................................................................................. 33. 3.5. Modelo Okumura. .................................................................................................... 34. 3.6. Modelo Hata. ............................................................................................................ 34. 3.7. Modelo COST 231 Hata. ....................................................................................... 34. 3.8. Modelos simplificados. ........................................................................................... 34. 3.9. Modelo de pérdidas de propagación utilizado en simulaciones de LTE. ... 37. 3.10 Modelos de desvanecimientos lentos. ................................................................ 37 3.11. Parámetros propuestos por ETSI. ................................................................... 38. 3.12. Correlación entre ensombrecimiento y distancia. ........................................ 39. 3.13. Modelos de desvanecimientos lentos usados en simulaciones de LTE. 39. 3.14. Algoritmos de compensación para desvanecimientos rápidos en LTE. . 39. Conclusiones parciales. .................................................................................................... 41.

(12) x CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ...................................................................... 42 Conclusiones ....................................................................................................................... 42 Recomendaciones ............................................................................................................. 42 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS..................................................................................... 43.

(13) INTRODUCCIÓN. 1. INTRODUCCIÓN. Las comunicaciones móviles se han convertido en una comodidad diaria. En las últimas décadas, han pasado de ser una tecnología costosa para pocos individuos a los actuales sistemas usados por una parte considerable de la población mundial. Para comprender la complejidad de los sistemas de comunicaciones móviles de los que hoy se dispone, es importante entender de donde vinieron y cómo han evolucionado los sistemas celulares. La tarea de desarrollar tecnologías también ha pasado de ser un tema de interés nacional. a. convertirse. en. un. trabajo. de. organizaciones. globales. desarrolladoras de estándares tales como 3GPP. Las. tecnologías. de. comunicaciones. móviles. están. divididas. en. generaciones, donde 1G son los sistemas analógicos de radio de los 80, 2G los primeros sistemas digitales móviles, y 3G los primeros sistemas móviles con conexión de banda ancha para transporte de datos. LTE es frecuentemente denominado 4G, aunque muchos plantean que LTEAdvanced es el verdadero paso evolutivo hacia 4G. Esta continua intención de asignar números a las tecnologías de acuerdo con sus generaciones no es relevante. Lo que importa son las capacidades de los sistemas y cómo han evolucionado. Para comenzar es necesario subrayar que LTE y LTE-Advanced son la misma tecnología, con el término “Advanced” adicionado para destacar la relación entre LTE version 10 y UIT/IMT-Advanced. Otro importante aspecto consiste en que la labor de desarrollo de LTE y LTE-Advanced está bajo la.

(14) INTRODUCCIÓN. 2. responsabilidad de 3GPP, el mismo fórum que desarrolló el primer sistema 3G (WCDMA/HSPA) [1]. Numerosas son las investigaciones relacionadas con LTE que se pueden realizar a partir de procesos de modelación y simulación, ejemplo de las cuales pueden ser: la eficiencia espectral, la eficiencia energética y la calidad de los servicios. Para la realización de cualquiera de estos estudios se precisa dominar el funcionamiento de la tecnología en cuestión. Esa es la razón por la cual este proyecto propone como objetivo general contribuir al estudio y modelación de enlaces de radio en el sistema LTE a partir de una exposición de las características generales de esta tecnología y de una selección de modelos para simulación. El objetivo general se desglosa en los siguientes objetivos específicos: Estudiar características y conceptos fundamentales sobre los sistemas móviles de cuarta generación. Determinar los parámetros que deben ser evaluados durante el proceso de simulación. Proponer los modelos y parámetros de simulación para el estudio de estos sistemas. El informe será estructurado en introducción, capitulario, conclusiones, recomendaciones y referencias bibliográficas. Introducción: se recogerá la importancia, necesidad y objetivos de la realización de esta investigación. Capitulario: estará dividido en tres capítulos, el primero, referido a los antecedentes, el surgimiento y desarrollo de LTE. El segundo, contiene características fundamentales del sistema tratado, cumpliendo con el propósito de crear una infraestructura de conocimientos útiles para el diseño de experimentos de simulación. En el tercero se exponen modelos de canal de radio y se seleccionan los más adecuados para simulaciones en LTE..

(15) CAPÍTULO 1. ANTECEDENTES, SURGIMIENTO Y DESARROLLO DE LTE.. 3. CAPÍTULO 1. Antecedentes, surgimiento y desarrollo de LTE.. 1.1. Evolución de los sistemas móviles antes de LTE.. La FCC aprobó el primer servicio telefónico en 1946, el dispositivo móvil era muy voluminoso y pesado, por lo que se instalaba en automóviles, el mismo era operado por AT&T. Dicha compañía introdujo en 1947 el concepto celular de reutilización de frecuencias. Los equipos móviles de las décadas de 1950 y 1960 consumían mucha potencia y el servicio abarcaba un limitado número de usuarios. La posibilidad de ofrecer servicios a un gran número de subscriptores surgió cuando las comunicaciones móviles se convirtieron en tema de interés internacional, principalmente para los operadores. La introducción del roaming amplió el mercado de teléfonos móviles dando servicio a usuarios que se encontraban fuera del núcleo principal de los operadores. Con la llegada de las comunicaciones digitales en la década de 1980 fue posible ofrecer una mejor calidad de servicio, así como desarrollar dispositivos móviles más atractivos. En Europa surgió el estándar GSM a mediados de 1980, basado en TDMA, al tiempo que se desarrollaban otros en diversas regiones. Todos eran sistemas de banda estrecha, en el sentido de que se utilizaba un ancho de banda pequeño para el transporte de voz. Esta generación. digital. de. comunicaciones. móviles. también. ofreció. la. oportunidad para el transporte de datos. Los primeros servicios de datos introducidos fueron SMS y correo electrónico. Posteriormente GPRS fue una de las mejoras agregadas a GSM, en la segunda mitad de los 90, ofreciendo mejores razones de datos, significando un importante paso en la evolución de los sistemas digitales. Con la llegada de 3G y la interfaz de radio de.

(16) CAPÍTULO 1. ANTECEDENTES, SURGIMIENTO Y DESARROLLO DE LTE.. 4. UTRA, la cual ofreció mayor ancho de banda, fue posible ofrecer nuevos servicios. La internacionalización de los estándares de tecnología celular abrió el camino para 3G. GSM, que había surgido como un proyecto para países europeos, atrajo el interés de la comunidad mundial. Gracias al desarrollo en economía y escala de este estándar, la cooperación internacional alrededor de 3G ha sido mayor que la de generaciones anteriores. El proceso de desarrollo de la tercera generación comenzó en la UIT. Paralelo al despliegue de 2G durante los 90, se realizó el proceso de investigación y desarrollo de 3G. En Europa diversos proyectos arrojaron resultados prometedores, dando origen al concepto de acceso múltiple, lo cual propició que WCDMA se introdujera en ETSI en 1996. WCDMA fue también la base del desarrollo de tecnologías en Japón, Estados Unidos y Korea del Sur. 3G es la denominación europea para UMTS, estándar que surgió al fusionarse las propuestas de Europa y Japón respecto a WCDMA en 1998 [1]. 1.2. Actividades de la UIT.. La UIT-R ha sido responsable de los sistemas IMT, denominando IMT-2000 a los sistemas 3G e IMT-Advanced a los sistemas 4G. Su labor ha consistido en definir las características de IMT en cooperación con las organizaciones de estandarización. La recomendación fundamental sobre IMT-2000 es la UIT-R M.1457, que identifica las especificaciones de la interfaz de radio para IMT-2000. La familia compuesta por seis interfaces de radio se ilustra en la Figura 1.1, mostrando la organización desarrolladora del estándar o el proyecto de asociados que produce las especificaciones. Además de esto, una actividad fundamental de la UIT-R se ha encaminado hacia el trabajo sobre sistemas más allá de IMT-2000. El término IMT-Advanced es usado para sistemas con interfaces de radio que superan a los sistemas IMT-2000. El proceso de definir las características de los sistemas IMT-Advanced por parte de la UIT-R ha sido similar al proceso de desarrollo de las.

(17) CAPÍTULO 1. ANTECEDENTES, SURGIMIENTO Y DESARROLLO DE LTE.. 5. recomendaciones de IMT-2000. La UIT-R primero concluyó estudios de servicios y tecnologías para IMT-Advanced, pronósticos de mercado, fundamentos. para. la. estandarización,. estimación. de. necesidades. espectrales, e identificación de bandas de frecuencia. En octubre de 2010 la UIT-R determinó la inclusión de dos tecnologías que conforman la familia de IMT-Advanced. Estas son: LTE-Advanced y WMAN-Advanced (ver Figura 1.2). La recomendación principal para IMT-Advanced se denomina ITUR[IMT.RSPEC] [1].. Figura 1.1 Definición de IMT-2000 en UIT-R. Tomado de 4G LTE/LTEAdvanced for Mobile Broadband..

(18) CAPÍTULO 1. ANTECEDENTES, SURGIMIENTO Y DESARROLLO DE LTE.. 6. Figura 1.2 Tecnologías de interfaz de radio para IMT-Advanced. Tomado de 4G LTE/LTE-Advanced for Mobile Broadband. 1.3. Factores determinantes del surgimiento y evolución de LTE.. La evolución y desarrollo de sistemas 3G hacia 4G es conducido por la creación y desarrollo de nuevos servicios para dispositivos móviles, y es posible gracias al avance de la tecnología disponible para dichos sistemas. También ha habido una evolución del entorno en el cual se despliegan y operan los sistemas móviles, en términos de competencia entre operadores, retos ofrecidos por otras tecnologías, nuevas regulaciones sobre el uso del espectro, y aspectos relacionados con el mercado. La. rápida. evolución. de. tecnología. usada. en. sistemas. de. telecomunicaciones, y específicamente en dispositivos móviles ha sido notable en lo últimos 20 años. La ley de Moore describe esta situación e indica una continua evolución del desempeño de los procesadores y el incremento de la. capacidad. de. almacenamiento de las memorias,. acompañado de la reducción del tamaño, el consumo de potencia y el costo por dispositivo. Las pantallas de alta resolución y sensores de cámara con capacidades del orden de los megapíxeles también han venido a formar parte de los dispositivos móviles. En combinación con las altas velocidades provistas por los núcleos de red, dadas por las potencialidades de la fibra óptica, un amplio rango de tecnologías ha tomado lugar en el desarrollo actual junto a las tecnologías de comunicaciones móviles tales como LTE..

(19) CAPÍTULO 1. ANTECEDENTES, SURGIMIENTO Y DESARROLLO DE LTE.. 7. El rápido incremento en el uso de internet para proveer todo tipo de servicios comenzó al mismo tiempo que el despliegue de sistemas móviles 2G y 3G. El siguiente paso consistió en mover dichos servicios hacia los dispositivos móviles, creando lo que actualmente se conoce como banda ancha móvil (mobile broadband). Por esa razón, una primicia para la evolución de LTE consistió en la posibilidad de soportar servicios basados en el protocolo IP. Anteriormente unos pocos servicios eran soportados por sistemas 2.5G, pero no fue hasta la aparición de sistemas basados en IP que tuvo lugar la verdadera revolución de IP móvil. Las potencialidades ofrecidas por la movilidad y el roaming han creado un rango totalmente nuevo de servicios extendidos hacia el entorno móvil. La telefonía fija y las primeras generaciones de tecnologías móviles fueron construidas para el soporte de servicios sobre conmutación de circuitos, fundamentalmente voz. Los primeros servicios de datos sobre GSM eran conmutados por circuitos. La adición de GPRS para mejorar los servicios ofrecidos por GSM influyó en el desarrollo de 3G, el cual se basó en la conmutación de circuitos para datos, con la adición de servicios sobre conmutación de paquetes. No fue hasta la evolución hacia HSPA y posteriormente LTE/LTE-Advanced que los servicios sobre conmutación de paquetes y basados en IP fueran el objetivo primario de diseño. Los servicios que antiguamente se ofrecían sobre conmutación de circuitos permanecen, pero en LTE serán ofrecidos sobre IP [1]. 1.4. Estandarización de LTE.. Con el marco de trabajo creado por la UIT-R para los sistemas IMT y la siempre creciente demanda de un mejor desempeño, la tarea de definir las especificaciones del sistema LTE se ha llevado a cabo por 3GPP. El mismo escribe especificaciones para sistemas 2G, 3G, y 4G. Sus tecnologías son las más ampliamente difundidas en el mundo, con más de 4500 millones de conexiones en 2010 [1]. Para entender cómo trabaja 3GPP es importante comprender el proceso de redacción de los estándares..

(20) CAPÍTULO 1. ANTECEDENTES, SURGIMIENTO Y DESARROLLO DE LTE.. 1.5. 8. El proceso de estandarización.. Definir las características de un estándar para comunicaciones móviles no es tarea de un solo intento, sino un proceso continuo. Los fórums de estandarización están constantemente evolucionando con el objetivo de satisfacer nuevas demandas. El proceso de estandarización es diferente en cada fórum, pero típicamente incluye cuatro fases:. . Requerimientos, donde se decide qué se pretende lograr en cuanto a mejoras para el estándar.. . Arquitectura, donde se seleccionan los principales bloques a construir y las interfaces.. . Especificaciones detalladas, donde cada interfaz se especifica de manera detallada.. . Pruebas y verificaciones, donde las especificaciones de las interfaces se prueban con equipos reales..

(21) CAPÍTULO 2. CARACTERÍSTICAS FUNDAMENTALES DE LOS SISTEMAS DE CUARTA GENERACIÓN. 9. CAPÍTULO 2. Características fundamentales de los sistemas. móviles de cuarta generación.. 2.1. Estructura de trama.. En [2] se exponen las características de los tipos de tramas que utiliza LTE. Las tramas Tipo 1 son aplicables para el establecimiento de enlaces full duplex y half duplex, son tramas FDD. Las tramas Tipo 2 son aplicables para el establecimiento de enlaces half duplex, son tramas TDD. Para el caso de FDD, ocurre un duplex por división de frecuencia, lo que implica que una parte del ancho de banda del enlace se utilice en un sentido y la otra en sentido contrario (full duplex). Para el caso de TDD, ocurre un duplex por división de tiempo, lo que implica que el ancho de banda se utiliza en diferentes instantes de tiempo para realizar los procesos de transmisión correspondientes a sentidos diferentes (half duplex). Los dos tipos de tramas tienen una duración de 10 ms y están compuestas a su vez por 10 subtramas, cada una de 1 ms de duración. Una subtrama es la unidad mínima que puede ser planificada, lo que se traduce en la posibilidad de que el planificador haga reasignación de recursos y reconfiguraciones de los esquemas de modulación y codificación para cada subtrama. La duración de una subtrama consiste en un Intervalo de Tiempo de Transmisión (TTI). En los despliegues se pueden utilizar tramas FDD o tramas TDD de manera excluyente. Si bien las subtramas son la unidad mínima de planificación, estas están compuestas por dos slot (ranuras de tiempo). Los slot tiene una duración de 0.5ms y constituyen la unidad de tiempo mínima que un enlace puede establecerse sobre determinada región del espectro, es decir, los.

(22) CAPÍTULO 2. CARACTERÍSTICAS FUNDAMENTALES DE LOS SISTEMAS DE CUARTA GENERACIÓN. 10. bloques de recursos que se asignan a un enlace durante un slot, en sentido general, pueden ser sustituidos por otros bloques para el mismo enlace en el slot siguiente, lo que implica un cambio de la ubicación espectral para dicho enlace. Dentro del tiempo de duración de un slot, un enlace utiliza los recursos que le han sido asignados por el planificador. A pesar de existir diferentes tipos de asignaciones, las que se pueden encontrar en [3] y [4], en todas se aprecia que el recurso se asigna en forma de bloques o grupos de bloques. El número de bloques en un enlace es siempre un entero. Los bloques de recursos se encuentran formando parte del ancho de banda de la estación base (eNB). La totalidad de los bloques antes mencionados se llama rejilla de recursos (resource grid), por tanto, al hablar de la rejilla de recursos, se está haciendo referencia al ancho de banda de la estación base. La rejilla de recursos es la que provee los recursos radioeléctricos de todos los enlaces con la estación base dentro de la célula. 2.2. Bloques de Recursos.. Los bloques de recursos están compuestos por elementos de recursos. Los elementos de recursos tienen una dimensión frecuencial y otra temporal. En la Figura 2.1, que muestra un bloque de recursos dentro de la rejilla. Se aprecia que en el eje vertical se extiende la dimensión frecuencial, la cual está conformada por subportadoras, correspondiendo una subportadora a cada elemento de recurso en el eje vertical. En total son 12 las subportadoras que definen un bloque de recursos. Las mismas son contiguas y cada una tiene una separación de 15 KHz de sus adyacentes. El ancho espectral de un bloque, siguiendo lo antes planteado, es de 180 KHz. Las estaciones base pueden tener un mínimo de 6 bloques de recursos y como máximo 110. El número de bloques del que dispondrá una estación base depende del operador. Por otra parte, la dimensión temporal coincide con un slot (0.5ms) y pueden estarla integrando 6 ó 7 símbolos, en dependencia del tipo de prefijo cíclico que se esté utilizando. Los prefijos cíclicos pueden ser normales o extendidos, para el primero, el número de.

(23) CAPÍTULO 2. CARACTERÍSTICAS FUNDAMENTALES DE LOS SISTEMAS DE CUARTA GENERACIÓN. 11. símbolos que forman un bloque en el dominio temporal es 7, y para el segundo es 6.. Figura 2.1 Rejilla de Recursos..

(24) CAPÍTULO 2. CARACTERÍSTICAS FUNDAMENTALES DE LOS SISTEMAS DE CUARTA GENERACIÓN. 2.3. 12. La interfaz aérea de LTE.. Tomando en cuenta que proveer altas razones de datos con buena cobertura es uno de los objetivos de las comunicaciones móviles, es necesario incluir el incremento del ancho de banda de transmisión como parte importante de esta evolución. Sin embargo, existen grandes problemas relacionados con el aumento del ancho de banda de transmisión en los sistemas de comunicaciones móviles: . El espectro es un recurso escaso y costoso, y puede ser difícil encontrar. zonas. espectrales. de. suficiente. dimensión. para. transmisiones de banda ancha, especialmente en bandas de baja frecuencia. . El uso de mayores anchos de banda para transmisión y recepción tiene un gran impacto sobre la complejidad del equipo de radio, tanto de la estación base como del terminal.. Además. de los dos aspectos antes mencionados, existe un problema. técnico más específico relacionado con la transmisión sobre grandes anchos de banda. Este problema se denomina dispersión temporal y ocurre cuando la señal transmitida se propaga hacia el receptor mediante múltiples caminos, experimentando diferentes demoras. En el dominio de la frecuencia, una dispersión temporal del canal se corresponde con una respuesta de frecuencia no constante. Esta selectividad de frecuencia del canal de radio degrada la estructura de la señal transmitida en el dominio de la frecuencia e incrementa la razón de errores. Todo canal de radio está sujeto a cierto grado de selectividad de frecuencia. Sin embargo, la magnitud con la que impacta la comunicación por radio depende del ancho de banda de la señal transmitida, teniendo mayor efecto sobre transmisiones de mayores anchos de banda. La magnitud de selectividad de frecuencia también depende del entorno, con menos impacto en el caso de pequeñas células y en entornos con poca obstrucción. La ecualización en el receptor se ha utilizado durante muchos años para contrarrestar la degradación de la.

(25) CAPÍTULO 2. CARACTERÍSTICAS FUNDAMENTALES DE LOS SISTEMAS DE CUARTA GENERACIÓN. 13. señal a causa de la selectividad de frecuencia. La ecualización ha mostrado un desempeño satisfactorio con una complejidad racional para anchos de banda de 5MHz en WCDMA. Sin embargo, para un ancho de banda de 20MHz, como es el caso de LTE, la complejidad para obtener un adecuado desempeño del proceso de ecualización se convierte en un serio problema. Una opción consiste en aplicar una ecualización menos óptima, con el correspondiente impacto negativo en la capacidad de contrarrestar la degradación de la señal a causa de la selectividad de frecuencia, y por tanto, una disminución en el desempeño del enlace de radio. Otra alternativa implica considerar esquemas específicos de transmisión y diseños de señal que permitan un buen desempeño del enlace ante situaciones de considerable selectividad de frecuencia sin una excesiva complejidad en el receptor. A continuación serán discutidas dos técnicas que se utilizan en transmisiones con grandes anchos de banda: . El uso de diferentes tipos de transmisión multiportadora. Un caso específico de este tipo de transmisión es OFDM.. . El uso de esquemas de transmisión de una portadora, especialmente diseñados. para. permitir. una. eficiente. ecualización. con. baja. complejidad. 2.4. Transmisión Multiportadora.. Una forma de incrementar la totalidad del ancho de banda de transmisión, sin sufrir los efectos de la selectividad de frecuencia, consiste en el uso de la transmisión multiportadora. Esto implica que, en lugar de transmitir una única señal con gran ancho de banda, múltiples señales con anchos de banda más estrechos son multiplexadas en el dominio de la frecuencia y transmitidas conjuntamente sobre el mismo enlace de radio hacia el receptor. El impacto de la selectividad de frecuencia en términos de degradación de la señal depende de su ancho de banda. De esta forma se ve reducido el impacto de la selectividad de frecuencia, dado que es el mismo.

(26) CAPÍTULO 2. CARACTERÍSTICAS FUNDAMENTALES DE LOS SISTEMAS DE CUARTA GENERACIÓN. 14. que sufre un esquema de transmisión de banda estrecha correspondiente al ancho de banda de cada subportadora. Una desventaja de la transmisión multiportadora consiste en la imposibilidad de fragmentar una banda perfectamente, es decir, las sub-bandas que se obtienen para las subportadoras están ligeramente separadas, lo que produce un impacto negativo sobre la eficiencia del ancho de banda. Otra desventaja de la transmisión multiportadora es que, la transmisión paralela de múltiples portadoras produce grandes variaciones en la potencia de transmisión instantánea, similar al uso de altos órdenes de modulación, lo cual impacta negativamente sobre la eficiencia de los amplificadores de potencia, implicando un incrementado consumo de potencia de transmisión y costo de los amplificadores. Alternativamente la potencia promedio de transmisión debe ser reducida, lo que reduce la razón de datos dada. Por tal razón, la transmisión multiportadora es más conveniente para el enlace descendente, ya que para el enlace ascendente es fundamental la alta eficiencia de los amplificadores de potencia en los terminales [1]. Transmisión OFDM. Principios Básicos.. 2.5. OFDM es el esquema de transmisión utilizado por 3GPP LTE y otras tecnologías de acceso de radio, por ejemplo WiMAX y las tecnologías de difusión DVB. La transmisión mediante OFDM puede ser vista como un tipo de transmisión multiportadora. Las características que diferencian a OFDM de otros tipos de transmisiones multiportadoras son: . El uso de un gran número de subportadoras de banda estrecha. En contraste, los esquemas de transmisión multiportadora utilizan pocas subportadoras, cada una con un ancho de banda relativamente grande. Como un ejemplo, la evolución de HSPA sobre un ancho de banda de transmisión de 20MHz consiste en cuatro subportadoras, cada una con un ancho de banda de 5MHz. Estableciendo una.

(27) CAPÍTULO 2. CARACTERÍSTICAS FUNDAMENTALES DE LOS SISTEMAS DE CUARTA GENERACIÓN. 15. comparación, la transmisión OFDM puede implicar varios cientos de subportadoras siendo transmitidas sobre el mismo enlace hacia el mismo receptor. . La forma del pulso es rectangular.. . La fragmentación del espectro en subportadoras de banda estrecha, con un espaciamiento ∆f igual al inverso del tiempo de duración del pulso rectangular.. El número de subportadoras depende del ancho de banda total y del espaciamiento entre ellas. La separación entre subportadoras se define atendiendo a las condiciones del entorno, incluyendo aspectos como la máxima selectividad de frecuencia sobre el canal de radio. El término OFDM (Multiplexación por División de Frecuencia Ortogonal) se debe al hecho de que las subportadoras moduladas son mutuamente ortogonales (su correlación es cero). Este tipo de modulación consiste en la transmisión de un set de funciones base. La ortogonalidad de las portadoras se debe a su estructura en combinación con el espaciamiento ∆f. Esto implica que cualquier degradación sobre la estructura de las subportadoras en el dominio de la frecuencia puede producir una pérdida de la ortogonalidad, trayendo como resultado que las subportadoras interfieran. Las señales OFDM se pueden robustecer mediante la inserción de prefijos cíclicos. Con dicha inserción se alarga la duración de los símbolos, copiando una sección del final cada uno al inicio del mismo. Aplicando esta técnica se puede eliminar el efecto de la dispersión temporal en la medida en que el prefijo tenga una duración mayor o igual que dicha dispersión. Las desventajas de esta técnica radican en una reducción de las eficiencias espectral y de potencia. Esta situación establece una relación de compromiso de la que se obtiene que el prefijo no necesariamente tenga que cubrir la totalidad de duración de la dispersión temporal que afecta al canal [1]..

(28) CAPÍTULO 2. CARACTERÍSTICAS FUNDAMENTALES DE LOS SISTEMAS DE CUARTA GENERACIÓN. 16. Transmisión SC-FDM.. 2.6. Anteriormente se ha concluido que la transmisión OFDM permite que los anchos de banda de transmisión sean mucho más grandes, al tiempo que se mantiene la robustez de la señal ante la selectividad de frecuencia que existe en el canal de radio. Sin embargo, se planteó que una de sus desventajas eran las variaciones instantáneas de potencia de la señal transmitida. Por esa razón no se pueden perder de vista las posibilidades que ofrece la transmisión de portadora singular, como alternativa a la transmisión multiportadora, especialmente para el enlace ascendente.. Para el enlace. ascendente en LTE se ha seleccionado el esquema de transmisión DFTSOFDM, porque combina las siguientes características deseables: . Pequeñas variaciones en la potencia instantánea de la señal transmitida.. . Posibilita una baja complejidad y alta calidad para ecualización en el dominio de la frecuencia.. . Posibilita el uso de FDMA con asignación flexible del ancho de banda.. El principal beneficio que ofrece DFTS-OFDM, comparado con OFDM, es que reduce. las. variaciones. instantáneas. de. potencia. de. transmisión,. incrementando la eficiencia de los amplificadores de potencia [1]. En resumen, la interfaz aérea de LTE está basada en OFDM. Esta tecnología ha sido establecida para sistemas digitales, sistemas de banda ancha y sistemas inalámbricos, como WiMAX, WiFi y DVB-T. OFDM soporta altas razones de datos con baja interferencia intersímbolo y por consiguiente reducida complejidad, particularmente en el lado receptor. Sin embargo la reducida complejidad en el lado receptor se obtiene al precio de una reducida eficiencia en el transmisor. Por esta razón LTE utiliza OFDMA en el enlace descendente con la intención de que los Equipos de Usuarios (UE).

(29) CAPÍTULO 2. CARACTERÍSTICAS FUNDAMENTALES DE LOS SISTEMAS DE CUARTA GENERACIÓN. 17. sean simples y SC-FDMA en el enlace ascendente para reducir el costo y consumo de potencia asociado al transmisor de los UE [3]. 2.7 El planificador MAC. El planificador MAC, es un elemento clave dentro del nivel 2 del stack de protocolos de radio dentro de la estación base eNodeB. El mismo es responsable de planificar los recursos de radio pertenecientes a la célula, tanto para los enlaces descendentes como ascendentes, al tiempo que provee los requerimientos de QoS. El objetivo de planificar los recursos de radio consiste en asignar recursos disponibles a UEs específicos dentro de la célula. El planificador MAC puede realizar reconfiguraciones para cada TTI, asignando los recursos de radio para ser usados en los enlaces descendentes y ascendentes. La función de planificación de recursos de radio se puede dividir en: Planificación de canales compartidos y Planificación del canal de control. La primera involucra la asignación de recursos a ser usados por los canales compartidos PDSCH (Physical Downlink Shared CHannel) y PUSCH (Physical Uplink Shared CHannel). La segunda se refiere a la asignación de recursos a ser usados por el PDCCH (Physical Downlink Control CHannel). Este último es usado para comunicar la asignación de recursos de enlaces descendentes y ascendentes de los canales compartidos, o permisos, a los equipos de usuarios en la célula. Los algoritmos utilizados en el planificador tienen un significativo efecto en el desempeño de la estación base y la totalidad de la red LTE. Estos algoritmos son para implementaciones específicas y dependen del despliegue y los escenarios. de. uso.. Para. femtoceldas/picoceldas. interiores. serán. significativamente diferentes de microceldas/macroceldas exteriores en términos del escenario de uso y el ambiente de radiofrecuencias. La planificación de los canales compartidos se divide en funciones para los enlaces descendentes y ascendentes, donde cada dirección es planificada independientemente. En cada caso el objetivo de los algoritmos es asignar recursos de radio para la transmisión de bloques de transporte dentro de un.

(30) CAPÍTULO 2. CARACTERÍSTICAS FUNDAMENTALES DE LOS SISTEMAS DE CUARTA GENERACIÓN. 18. TTI. Previo a la planificación de un UE, el eNodeB tiene que determinar si los datos pueden ser enviados o recibidos por el UE objeto de planificación. Un UE puede estar deshabilitado para transmitir o recibir en un TTI como resultado de: . Intervalos de medición, donde el UE se “desconecta” temporalmente de la célula con intención de medir la calidad de radio de una célula vecina.. . Recepción discontinua, donde un UE apaga su interfaz de radio por un periodo de tiempo para ahorrar batería.. . Restricciones Half-duplex (solo aplicable a TDD).. . Sincronización de temporización. Fuera de sincronismo los UEs pueden recibir, pero no les es permitido transmitir porque pudieran interferir a otros UEs.. Habiendo determinado que un UE puede ser planificado dentro de un TTI, el planificador MAC necesita determinar si el UE debe ser planificado en ese TTI. La decisión de planificar o no al UE está determinada por: . Planificación Semi Persistente (SPS). Esta habilita al UE para utilizar una asignación recurrente para transmisión/recepción de datos en TTIs predeterminados.. . Retransmisiones HARQ.. . Disponibilidad de datos para enviar y requerimientos de QoS para Portadoras de Radio para Datos.. Con la intención de optimizar la célula y la capacidad del sistema, el eNodeB tiene que optimizar la eficiencia espectral de canales compartidos en transmisiones hacia y desde UEs. La adaptación del enlace involucra adecuar el orden de modulación y la razón de código para cada UE en la célula en dependencia de las condiciones del canal, tanto en el sentido.

(31) CAPÍTULO 2. CARACTERÍSTICAS FUNDAMENTALES DE LOS SISTEMAS DE CUARTA GENERACIÓN. 19. descendente como ascendente. En LTE la Información de Calidad del Canal (CQI) es tomada por el eNodeB y utilizada para determinar el esquema de modulación y codificación para los UEs en la célula. En la planificación del enlace descendente, donde se planifica el PDSCH, teniendo priorizado qué se debe enviar en el TTI, el planificador MAC asigna los recursos de radio a los UEs individuales en la forma de asignaciones planificadas en el enlace descendente, la planificación es hecha en unidades de bloques de recursos o grupos de bloques de recursos. La asignación planificada en un enlace descendente involucra seleccionar cuántos y cuáles bloques o grupos de bloques de recursos utilizar, así como el esquema de modulación y codificación a ser usado. El esquema de modulación y codificación para el enlace descendente depende de las condiciones de radio experimentadas por el UE receptor. El planificador MAC recibe reportes CQI desde todos los UEs en la célula basado en sus mediciones del canal descendente. El CQI reportado es un número entre 0 (peor) y 15 (mejor) indicando el esquema de modulación y codificación más eficiente que cumpla con una razón de error de bloques menor o igual al 10%. Se pueden utilizar dos variantes para mejorar la eficiencia espectral y/o la probabilidad de recibir una transmisión en el enlace de bajada: . Planificación por diversidad de frecuencia.. . Planificación de canal enterado.. La planificación por diversidad de frecuencia se refiere a la transmisión de cada subtrama a través de diferentes zonas del espectro con la intención de aumentar las probabilidades de recepción ante posibles desvanecimientos selectivos en frecuencia. La planificación de canal enterado se refiere a la asignación de las regiones espectrales (sub-bandas) con las mejores condiciones para cada UE individual en el enlace descendente; esto permite que la estación base reciba los reportes de manera confiable y su planificación debe ser balanceada contra el incremento de señalización necesitado para los reportes. La planificación de canal enterado no es.

(32) CAPÍTULO 2. CARACTERÍSTICAS FUNDAMENTALES DE LOS SISTEMAS DE CUARTA GENERACIÓN. 20. apropiada para usuarios con alta movilidad u otros que experimenten rápidos cambios en las condiciones del canal. En la planificación del enlace ascendente, donde el canal planificado es el PUSCH dentro de cada TTI el eNodeB tiene que evaluar cuales UEs requieren recursos, y si es posible, qué cantidad de datos tiene/necesita enviar cada UE. A diferencia del enlace descendente, esta información no está disponible directamente en el eNodeB. En lugar de esto, dicha información es reportada por los UEs usando una de las siguientes variantes:. . Petición de planificación, la cual informa al eNodeB que el UE tiene una cantidad no especificada de datos para enviar.. . Reporte de estado del buffer, el cual informa al eNodeB que la cantidad de datos que el UE tiene que enviar está dentro de un rango predefinido.. Al igual que para el enlace descendente, el planificador MAC determina cuántos y cuáles bloques o grupos de bloques de recursos asignar a un UE, en forma de permisos, y el esquema de modulación y codificación a utilizar. Otra técnica, la cual utiliza retroalimentación HARQ para determinar el valor correcto del esquema de modulación y codificación consiste en comenzar con un orden bajo para ambos, y por tanto, una baja razón de transferencia efectiva, e ir incrementándolos gradualmente hasta alcanzar la razón de error de bloques límite. Al pasar cierto tiempo, el esquema de modulación y codificación pudiera ser incrementado o decrementado automáticamente en dependencia de si una transmisión del enlace ascendente fue recibida o no. Debido a que esta técnica utiliza señalización previa, y no adiciona cabecera al sistema, al esquema le toma un tiempo alcanzar la configuración óptima y tiene por tanto una pobre reacción ante cambios rápidos en las condiciones del canal..

(33) CAPÍTULO 2. CARACTERÍSTICAS FUNDAMENTALES DE LOS SISTEMAS DE CUARTA GENERACIÓN. 21. Planificaciones de canal enterado y diversidad de frecuencia pueden usarse en el enlace ascendente para mejorar la eficiencia espectral y la robustez. Al igual que para el enlace descendente, la planificación de canal enterado en el enlace ascendente requiere una detallada información de calidad del canal para UEs individuales lo cual incurre en el costo de utilizar recursos de radio para transmitir dicha información. En adición a la planificación de los canales compartidos, el planificador MAC también planifica el canal PDCCH. Los demás canales de control no requieren planificación. El PDCCH es usado para informar al UE acerca de las asignaciones de las planificaciones para los canales compartidos tanto del enlace ascendente como descendente, y es por tanto, una parte vital del proceso de planificación. Si la asignación de recursos del canal compartido no se comunica al UE, los recursos quedan inutilizados para el intervalo de tiempo que fueron asignados. Los canales asociados al control ocupan la región de canal de control de la subtrama descendente. El número de símbolos de dicha región es configurado dinámicamente en cada TTI con la intención de optimizar el uso de los recursos de radio del enlace descendente. Los símbolos en cuestión son denominados Elementos de Canal de Control (CCE). El número de CCEs para enviar un mensaje de información de control (DCI) a un UE depende de las condiciones de radio experimentadas por el mismo, con más CCEs siendo requeridos por UEs en el borde de la célula para incrementar la robustez de la transmisión. Aunque los mensajes DCI son relativamente cortos (desde 8 hasta 51 bits, incluyendo CRC), restricciones sobre las razones de código disponibles implican el hecho de que el canal PDCCH se puede congestionar bajo ciertas circunstancias. Por ejemplo, cuando muchos usuarios necesitan transmitir pequeñas cantidades de datos (voz), el canal de control se puede saturar con asignaciones de planificación antes de que los canales para datos PDSCH y PUSCH estén totalmente en uso. Este problema se complejiza si muchos usuarios se encuentran en el borde de la célula, ya que necesitan mayor cantidad de CCEs para sus mensajes DCI [3]..

(34) CAPÍTULO 2. CARACTERÍSTICAS FUNDAMENTALES DE LOS SISTEMAS DE CUARTA GENERACIÓN. 22. 2.8 Estrategias de planificación. El proceso de planificación en LTE toma en cuenta las condiciones instantáneas del enlace de radio, por tal razón se denomina planificación dependiente del canal. Planificar usuarios con las mejores condiciones instantáneas del enlace de radio es una de las estrategias, la misma se conoce como máx-C/I. Dado que las condiciones de radio para diferentes enlaces dentro de la célula varían de manera independiente, existirán usuario con mejores condiciones, los que serán favorecidos recibiendo la totalidad de los recursos. Esto se traduce en una alta capacidad del sistema. Los cambios en las condiciones instantáneas del enlace se deben a los desvanecimientos rápidos. El empleo de esta estrategia de planificación evidencia que los desvanecimientos rápidos, a pesar de sus indeseables efectos, pueden ser explotados. Esta situación, aunque la capacidad del sistema es la máxima, no es aceptable desde el punto de vista de QoS. Una alternativa al uso de máx-C/I consiste en la planificación round-robin. Con la misma los usuarios rotan el uso de los recursos sin que se tomen en cuenta las condiciones instantáneas del canal. En este sentido se establece cierto grado de justicia, porque la misma cantidad de recursos se entrega a los terminales durante iguales períodos de tiempo. No existe equidad desde el punto de vista de QoS dado que para ello los usuarios con peores condiciones necesitarían mayor cantidad de recursos durante mayores períodos de tiempo. El hecho de no incluir las condiciones instantáneas del canal, implica un pobre desempeño del sistema, aunque ofrece una calidad de servicio más equitativa que la planificación máx-C/I. Las técnicas antes mencionadas tienen ventajas y desventajas, que permiten concluir en la necesidad de utilizar una estrategia que sea capaz de aprovechar las variaciones rápidas del canal para mejorar la transferencia efectiva del sistema y al mismo tiempo garantizar al menos un valor mínimo de transferencia efectiva para todos los usuarios. Un ejemplo que cumple.

(35) CAPÍTULO 2. CARACTERÍSTICAS FUNDAMENTALES DE LOS SISTEMAS DE CUARTA GENERACIÓN. 23. con lo anterior, es el planificador proportional-fair (equidad proporcional). Con esta estrategia los recursos son asignados a los usuarios con las mejores condiciones relativas del enlace de radio. La decisión del planificador se basa en el cociente entre la razón instantánea en el momento de la medición y la razón promedio medida durante un período que debe ser mayor que los intervalos de duración de las variaciones a corto plazo en el canal y menor que los intervalos de duración de las variaciones a largo plazo. El período para medir la razón promedio está en el orden de un segundo. Es válido aclarar que el algoritmo de planificación es un problema de implementación en la estación base, y no algo que normalmente se especifique en ningún estándar. La estrategia de funcionamiento del mismo debe ofrecer un desempeño adecuado de la red [1]. 2.9 Protocolos de Retransmisión. Las retransmisiones de paquetes erróneos o perdidos son gestionadas primariamente por el mecanismo HARQ en la capa MAC, y se complementan con la funcionalidad del protocolo RLC. La razón para tener dos niveles con estructuras de retransmisión se debe a la relación de compromiso entre retroalimentación rápida y retroalimentación confiable de los reportes de estado. El mecanismo HARQ se utiliza en combinación con retransmisiones rápidas para las que se establece una retroalimentación que informa al transmisor el posible éxito o fracaso resultante del intento de decodificación del paquete recibido en el receptor. Aunque es posible obtener una probabilidad de error arbitrariamente baja para la retroalimentación HARQ, la misma se traduce en costo de potencia de transmisión. Manteniendo un costo razonable se obtiene una razón de error de retroalimentación del 1%, resultando en una razón de error residual de un orden similar. En comparación con los reconocimientos HARQ, los reportes de estado del nivel RLC son transmitidos con menor frecuencia y el costo de obtener igual probabilidad de error es menor. La combinación entre HARQ y RLC permite.

(36) CAPÍTULO 2. CARACTERÍSTICAS FUNDAMENTALES DE LOS SISTEMAS DE CUARTA GENERACIÓN. 24. retransmisiones rápidas y confiabilidad, la misma puede ser vista como un mecanismo con dos canales de retroalimentación. 2.10 Mecanismo HARQ. La funcionalidad del mecanismo HARQ se extiende a las capas física y MAC. La base de este mecanismo en LTE es una estructura de múltiples protocolos stop-and-wait, cada uno operando sobre un paquete. El hecho de que el transmisor se detenga después de cada transmisión justifica que múltiples procesos operen paralelamente con la intención de lograr una mayor transferencia efectiva. Una parte importante del mecanismo consiste en el uso de soft combining (combinación suave), a causa de que el receptor combina las señales recibidas de múltiples intentos de transmisión. Los protocolos HARQ se pueden caracterizar como sincrónicos o asincrónicos, atendiendo a su flexibilidad en el dominio del tiempo, así como adaptativos o no adaptativos, atendiendo a su flexibilidad en el dominio de la frecuencia: . Un protocolo HARQ asincrónico implica que las retransmisiones pueden ocurrir en cualquier momento, mientras que un protocolo sincrónico implica que las retransmisiones ocurren pasado un intervalo de tiempo fijo, después de la transmisión previa. El beneficio de un protocolo sincrónico es que no necesita señalización explicita del número del proceso HARQ. Por otra parte, un protocolo asincrónico permite mayor flexibilidad en cuanto a la planificación de las retransmisiones.. . Un protocolo HARQ adaptativo implica la posibilidad de un cambio en la frecuencia y el formato utilizado entre retransmisiones. Un protocolo no adaptativo implica que las retransmisiones tienen que ocurrir sobre la misma frecuencia y con el mismo formato de transmisión. En el caso de LTE, para el enlace descendente se utiliza un protocolo HARQ asincrónico adaptativo. Para el enlace ascendente se usa un protocolo HARQ sincrónico, típicamente no adaptativo..

(37) CAPÍTULO 2. CARACTERÍSTICAS FUNDAMENTALES DE LOS SISTEMAS DE CUARTA GENERACIÓN. 25. 2.11 Procesamiento del canal de transporte. Existen cuatro tipos de canales de transporte definidos para el enlace descendente en LTE: DL-SCH. MCH. PCH. BCH. A continuación se describe el procesamiento aplicado al DL-SCH. El DL-SCH es el canal de transporte principal en LTE, y es utilizado para la transmisión específica de usuario e información de control. El procesamiento a nivel físico para el DL-SCH es aplicado también a los canales MCH y PCH, aunque con ciertas limitaciones. Por otra parte, el procesamiento que recibe el BCH es significativamente diferente. 2.11.1 Pasos del procesamiento. El procedimiento se muestra en la Figura 2.2. El primer paso consiste en la inserción de un CRC de 24 bits a cada bloque de transporte. El CRC permite la detección de errores en el receptor. La indicación de los errores correspondientes. puede. desencadenar. peticiones. de. retransmisión. mediante el mecanismo HARQ. A continuación, el bloque de transporte se debe entregar al codificador Turbo (Turbo coder), sin embargo el tamaño máximo del bloque admitido es de 6144 bits tomando en cuenta el CRC, por tanto, para bloques de tamaño superior se aplica la segmentación, donde se adiciona un nuevo CRC de 24 bits a cada segmento. El CRC de los segmentos permite una disminución de la demora de decodificación. Esto reduce el esfuerzo de procesamiento del terminal y un ahorro en el consumo de potencia. En el caso en que el bloque de transporte no es segmentado, no se adiciona CRC. Se pudiera argumentar que los CRC adicionados son.

(38) CAPÍTULO 2. CARACTERÍSTICAS FUNDAMENTALES DE LOS SISTEMAS DE CUARTA GENERACIÓN. 26. redundantes, lo cual implicaría un aumento innecesario del encabezado, dado que el bloque de transporte ya había recibido un CRC previamente. Sin embargo, la segmentación solo se aplica a grandes bloques de transporte, por lo que el aumento extra del encabezado es pequeño. Además, el mismo aumenta las capacidades de detección de error. La información del tamaño del bloque de transporte se envía al terminal como parte de la asignación planificada sobre el PDCCH. Basado en esta información el terminal puede revertir la segmentación y recuperar el bloque decodificado. El siguiente paso consiste en codificar el canal, para lo cual se utiliza el codificador Turbo. En [1] se muestra el esquema del codificador, que consiste en dos codificadores de ocho estados con razón de código 1/3 en combinación con un entrelazador. basado en. QPP que simplifica sustancialmente la. implementación de codificación y decodificación Turbo. La salida del codificador se entrega a la estructura encargada de la adaptación de razón y funcionalidad HARQ a nivel físico. Los bits de salida del entrelazador son insertados en un buffer circular, luego son extraídos para ser adaptados al número de elementos de recursos en los bloques de recursos asignados para la transmisión. El proceso continúa con un cifrado a nivel de bits. En este proceso se utilizan diferentes secuencias en células vecinas con el objetivo de suprimir la interferencia. Con tal procedimiento se obtiene una codificación de canal con ganancia de procesamiento similar a la de técnicas de espectro extendido y ganancia de código adicional. En LTE el cifrado se aplica a todos los canales de transporte y de señalización de control L1/L2 en sentido descendente. Seguidamente el proceso de modulación convierte los bits cifrados en bloques de símbolos de modulación. Los esquemas de modulación de LTE en sentido descendente son: QPSK, 16QAM y 64QAM, correspondiendo a 2, 4 y 6 bits por símbolo respectivamente. A continuación, los símbolos de bloques de transporte diferentes se envían a diferentes puertos de antena. Existen como máximo 8 puertos de antena, donde cada puerto se hace corresponder con una señal de referencia. Si una señal es transmitida por múltiples antenas físicas, estas corresponden a un.

(39) CAPÍTULO 2. CARACTERÍSTICAS FUNDAMENTALES DE LOS SISTEMAS DE CUARTA GENERACIÓN. 27. único puerto de antena. En caso de ser dos las señales transmitidas, el arreglo de antenas transmite la información proveniente de dos puertos de antena separados. Finalmente la información de salida de los puertos se traduce a bloques de recursos, convirtiendo los símbolos de los puertos en elementos de recursos.. Figura 2.2 Procesamiento del nivel físico para el DL-SCH. Tomado de 4G LTE/LTE-Advanced for Mobile Broadband. 2.12 Señalización de información de control. Cada bloque contiene 84 elementos de recurso. Algunos de estos no están disponibles para el canal de transporte, ya que son ocupados por: . Diferentes tipos de señales de referencia.. . Señalización de control relativa a los niveles L1 y L2..

(40) CAPÍTULO 2. CARACTERÍSTICAS FUNDAMENTALES DE LOS SISTEMAS DE CUARTA GENERACIÓN. 28. Existen diferentes tipos de señales de referencia, algunas de las cuales se transmiten en sentido ascendente (ej: SRS) y otras en sentido descendente (ej: DCI). Las mismas ocupan elementos previamente definidos dentro de la rejilla de recursos. Las señales SRS se envían en el sentido ascendente para ofrecer a la estación base una estimación del estado el canal. Esta información es utilizada por el planificador para realizar las asignaciones de recursos en ambos sentidos suponiendo reciprocidad en el canal, así como para seleccionar parámetros tales como la razón instantánea de datos. La SRS no se transmite necesariamente sobre canales físicos y en tal caso puede cubrir una cantidad de recursos típicamente grande. Existen dos tipos de señales SRS definidas para LTE: . SRS periódica.. . SRS aperiódica.. La primera puede ocurrir con períodos que van desde 2ms hasta 160ms. Cuando se transmite en una subtrama ocupa el último símbolo. El sondeo se puede realizar sobre la totalidad de la banda en cada intento, lo cual permite obtener el máximo de información que puede ofrecer cada símbolo, aunque en situaciones en las que el canal sufre grandes desvanecimientos a causa de la distancia, el sondeo se realiza mediante saltos sobre secciones de la banda para concentrar la potencia del símbolo en un menor ancho de banda, disminuyendo la eficiencia en cuanto al uso de los recursos (ver Figura 2.3). La SRS aperiódica ocurre a partir de peticiones de la estación base. Su estructura en los dominios tiempo-frecuencia coincide con la de la SRS periódica. Cuando el terminal recibe una petición de transmisión de SRS, la señal es transmitida en el siguiente instante disponible [1]..

(41) CAPÍTULO 2. CARACTERÍSTICAS FUNDAMENTALES DE LOS SISTEMAS DE CUARTA GENERACIÓN. 29. Figura 2.3 Variantes para realizar el sondeo de referencia. Tomado de 4G LTE/LTE-Advanced for Mobile Broadband. Otra de las señales de referencia que permite obtener información de estado del canal se denomina CSI-RS. Esta se transmite en sentido descendente y ocupa elementos de recurso específicos dentro de la rejilla. A partir de este tipo de señal los terminales elaboran los reportes de estado que complementan un funcionamiento más preciso del planificador. Una célula puede ser configurada con 1, 2, 4 u 8 señales de referencia CSI por cada subtrama. La estructura exacta, incluyendo el número de elementos usados para CSI en un bloque depende del número de señales configurado dentro de la célula. Dentro de cada par de bloques existen 40 posiciones posibles para estas señales..

(42) CAPÍTULO 2. CARACTERÍSTICAS FUNDAMENTALES DE LOS SISTEMAS DE CUARTA GENERACIÓN. 30. Figura 2.4 Ejemplos de posiciones de señales de referencia para diferentes números de CSI-RS. Tomado de 4G. LTE/LTE-Advanced for Mobile. Broadband. 2.13 Señalización de control L1/L2. Para el soporte de transmisiones de los canales se necesita señalización de control. Esta se conoce como señalización de control L1/L2, indicando que la información correspondiente tiene su origen en las capas física y de enlace. Dicha información consiste en asignaciones que permitan al terminal realizar las operaciones de demodulación y decodificación del canal DLSCH, obtener permisos de transmisión y reconocimientos HARQ asociados a las transmisiones del UL-SCH. El control de potencia también se puede gestionar mediante esta señalización. La señalización de control es transmitida al inicio de cada subtrama. La subtrama está dividida por la región de control, seguida de la región de datos. La región de control siempre ocupa un número entero de símbolos OFDM, que pueden ser hasta tres, y en caso de células con 10 bloques de recursos o menos, pueden llegar a ser cuatro [1][5]. El tamaño de la región de control se puede ajustar dinámicamente para cada subtrama, adaptándose a las condiciones instantáneas del tráfico. Para planificar una cantidad pequeña de usuarios, la cantidad de señalización de.

(43) CAPÍTULO 2. CARACTERÍSTICAS FUNDAMENTALES DE LOS SISTEMAS DE CUARTA GENERACIÓN. 31. control es pequeña, permitiendo que gran parte de la subtrama quede disponible para el transporte de datos. La razón por la cual se transmite la información de control al inicio de la subtrama consiste en permitir que los terminales decodifiquen las asignaciones planificadas lo antes posible. Como consecuencia se obtiene una disminución en la demora total de transmisión, ya que los procesos de demodulación y decodificación comienzan antes de que la trama se haya recibido totalmente. Además, los terminales que no han sido planificados pueden apagar el circuito receptor durante el tiempo de duración de la región de datos de la subtrama, reduciendo el consumo de potencia [1]..

(44) CAPÍTULO 3. MODELOS DE UTILIDAD PARA LA SIMULACIÓN. 32. CAPÍTULO 3. Modelos de utilidad para la simulación.. La modelación del canal es una tarea fundamental para el estudio de los sistemas de comunicaciones móviles. Varios modelos de canal han sido propuestos para ser usados en simulaciones de tales sistemas. Con la llegada de LTE ha surgido la necesidad de modificar los modelos de canal existentes, fundamentalmente a causa de nuevas bandas de frecuencia asignadas a esta tecnología y nuevas técnicas de transmisión. En [6] se analizan varios modelos de canal para LTE. Los modelos para pérdidas de propagación, desvanecimientos lentos y desvanecimientos rápidos son investigados por separado en ese documento. Las pérdidas de propagación dependientes de la frecuencia, la correlación entre la distancia y los desvanecimientos lentos, y la selectividad en los dominios del tiempo y la frecuencia de los desvanecimientos rápidos son de especial interés para la modelación del canal. Las ventajas y desventajas de cada modelo son discutidas y los más apropiados son seleccionados. 3.1. Modelos de pérdidas de propagación en espacio libre.. El modelo considera una transmisión con línea de vista entre transmisor y receptor. La transmisión ocurre asumiendo que no existen objetos que absorban o reflejen la señal. El espacio libre representa el vacío y dicho modelo puede ser eficientemente utilizado para describir escenarios con antenas elevadas y distancias que permitan mantener la línea de vista. Se suponen antenas isotrópicas. Tales antenas irradian uniformemente en.

(45) CAPÍTULO 3. MODELOS DE UTILIDAD PARA LA SIMULACIÓN. 33. todas direcciones, sin embargo no existen en la práctica, pero permiten que este concepto pueda ser usado para lograr determinados propósitos [6]. 3.2. Ecuaciones de Maxwell.. Las ecuaciones de Maxwell pueden ser aplicadas a modelos de canales inalámbricos mediante la investigación de condiciones. limitantes y. propiedades dieléctricas de objetos dispersores, reflectores y deflectores. Las propiedades dieléctricas de tales objetos deben ser determinadas antes de utilizar las ecuaciones, lo cual impone una notable complejidad a la modelación [6]. 3.3. Modelo de rayos.. Es un modelo determinístico. Los frentes de onda son considerados partículas, de forma tal que pueden ser empleadas ecuaciones geométricas simples, en lugar de las complicadas ecuaciones de Maxwell. Un rayo se puede describir como la trayectoria de un proyectil atravesando una línea recta y siendo reflejado por superficies interpuestas en su camino [6]. 3.4. Modelos empíricos.. En complejos entornos de propagación tales como ciudades, los modelos empíricos son una mejor alternativa para la modelación del canal. Las pérdidas de propagación se miden para una distancia dada, en un rango particular. de. frecuencia.. Las. mediciones. incluyen. el. impacto. del. multitrayecto. Estas tienen que ser tomadas en varios entornos con características comparables. Tres de los modelos empíricos más conocidos se discuten a continuación [6]..

(46) CAPÍTULO 3. MODELOS DE UTILIDAD PARA LA SIMULACIÓN. 3.5. 34. Modelo Okumura.. Este es un modelo empírico bastante popular. Es aplicable en rangos desde 1Km hasta 100Km de distancia y 150MHz hasta 1500MHz de frecuencia. Provee mediciones gráficas de las pérdidas de propagación en dependencia del tipo de entorno. El modelo cubre tres categorías de entornos: urbano, suburbano y área despejada. La primera toma en cuenta las características de una ciudad con grandes edificaciones. La segunda caracteriza una zona con casas y árboles, mientras que la tercera define espacios abiertos, libres de edificios y árboles. Se utilizan factores de corrección para los diferentes tipos de entornos. 3.6. Modelo Hata.. El modelo Hata simplifica el uso del modelo Okumura. No requiere factores de corrección para diferentes tipos de entornos. Las expresiones se pueden encontrar en [6]. 3.7. Modelo COST 231 Hata.. Este modelo es una extensión del modelo Hata, desarrollado por EUROCOST. El rango de frecuencias va desde 1500MHz hasta 2000MHz. La expresión para el cálculo de las pérdidas se halla en [6]. 3.8. Modelos simplificados. ETSI ha propuesto varios modelos aplicables en LTE para calcular las pérdidas de propagación en diferentes entornos, los que se describen a continuación.. Entorno interior de oficina.. Este entorno consiste en pequeñas células con antenas de baja potencia. Los transmisores y receptores están en el interior del local, el.

(47) CAPÍTULO 3. MODELOS DE UTILIDAD PARA LA SIMULACIÓN. 35. cual establece los límites de movilidad. Las variaciones en cuanto a pérdidas de propagación se deben a la atenuación causada por paredes, pisos y estructuras metálicas. Para este entorno, 3GPP formula las pérdidas usando el modelo siguiente:. Donde: PLFS es la pérdida en dB en el espacio libre entre transmisor y receptor. LC es la constante de pérdidas en dB. KWI es el número de paredes penetradas de tipo i.. n es el número de pisos penetrados. LWI son las pérdidas por el tipo de pared i. LF son las pérdidas por pisos adyacentes. b es un parámetro medido empíricamente. Generalmente las mediciones se basan en el tipo de construcción que se esté analizando, pero también se pueden usar valores promedios, resultantes de numerosas mediciones realizadas en este tipo de entorno. Para la ecuación se toma L C = 37dB, LF = 18.3 y b = 0.46, lo cual permite una simplificación significativa del modelo. En la ecuación, la distancia se expresa en Km.. Entorno peatonal.. Este entorno consiste en pequeñas células con antenas transmitiendo a baja potencia. La estación base está equipada con antenas de baja altura y colocadas en exteriores. Las pérdidas de propagación proporcionales a d-4 ofrecen una buena aproximación en este entorno, aunque se pueden tomar otras consideraciones para casos en los que.

(48) CAPÍTULO 3. MODELOS DE UTILIDAD PARA LA SIMULACIÓN. 36. existe línea de vista, u otros en los que haya obstrucciones entre transmisor y receptor. La expresión para este entorno es:. Entorno vehicular.. El entorno vehicular consiste en grandes células con antenas transmitiendo. a. elevada. potencia.. Se. consideran. pérdidas. proporcionales a d-4. La expresión implica una altura de la estación base de 15m sobre un techo promedio [6] y frecuencia igual a 2GHz:.