Descripción del estándar LTE Advanced

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(1)Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas Facultad de Ingeniería Eléctrica Departamento de Electrónica y Comunicaciones. TRABAJO DE DIPLOMA Descripción del estándar LTE-Advanced Autor: Osmeiki Cabrera Ramos. Tutor: Ing. Mario González Cartas. Santa Clara Curso 2012-2013 "Año 55 de la Revolución".

(2) Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas Facultad de Ingeniería Eléctrica Departamento de Electrónica y Comunicaciones. TRABAJO DE DIPLOMA Descripción del Estándar LTE-Advanced Autor: Osmeiki Cabrera Ramos Email: [email protected]. Tutor: Ing. Mario González Cartas Email: [email protected]. Santa Clara 2012-2013 “Año 55 de la Revolución ".

(3) 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 Telecomunicaciones y Electrónica, 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 Autor. Firma del Jefe de Departamento donde se defiende el trabajo. Firma del Responsable de Información Científico-Técnica.

(4) i. PENSAMIENTO. Si quieres hacer algo en la vida, no creas en la palabra imposible. Nada hay imposible para una voluntad enérgica. Pío Baroja..

(5) ii. DEDICATORIA. Dedico este trabajo a todos los que de una forma u otra creyeron en mí y me ayudaron a lo largo de mi carrera de estudios, a mi familia y amigos, a mis Padres y Hermanos que me apoyaron en todo momento, y en especial a mi niña Jessica que me a echo ver las cosas de un modo diferente y es la principal razón de todos mis esfuerzos..

(6) iii. AGRADECIMIENTOS. Agradezco infinitamente a todas aquellas personas que de una forma u otra me han ayudado a llegar hasta este momento de mi vida.  A mi Madre por estar siempre presente cuando más la necesito.  A mi Padre por ayudarme incondicionalmente en todo momento.  A mis hermanos por sus consejos en interés de hacerme mejor persona.  A mi pareja por apoyarme y ayudarme a lo largo de mi carrera.  A mi familia quienes brindaron su mano para ayudarme con mis estudios.  A mi tutor que me ha dado su apoyo incondicional en la realización de esta tesis.  A todos mis profesores por su ayuda durante mi carrera a ser profesional.  A todos mis compañeros de grupo que sin ellos no hubiera podido llegar hasta aquí..

(7) iv. TAREAS TÉCNICAS.  Efectuar una revisión de la bibliografía técnico-especializada para la construcción de un marco teórico de referencia general sobre la investigación.  Caracterizar la capa física del estándar LTE-Advanced.  Caracterizar la capa MAC del estándar LTE-Advanced.  Organizar y estructurar la información disponible sobre LTE-Advanced.. Firma del Autor. Firma del Tutor.

(8) v. RESUMEN La evolución de los sistemas de telefonía móvil ha sido un proceso que ha visto en pocos años la introducción de múltiples avances tecnológicos que han permitido que sean cada vez más las personas que hacen uso del teléfono celular como dispositivo indispensable en sus vidas cotidianas. Así pues, imaginar hoy en día un mundo sin las telecomunicaciones sería pensar en otro planeta completamente diferente al que vivimos actualmente. Nuevas técnicas de codificación, multiplexación, cifrado, acceso, etc., han permitido que la telefonía móvil haya pasado de ser un servicio de voz, como lo era en un principio, a uno que ofrece una amplia gama de aplicaciones multimedia que permiten las comunicaciones en tiempo real, a altas velocidades de transmisión e incluso con altas posibilidades de movimiento. En el presente trabajo se realiza un estudio sobre la evolución y desarrollo de estas redes móviles; haciendo énfasis en las características y tecnologías de los estándares asociados a las mismas. Además se realiza una descripción de las principales tecnologías asociadas a la capa física y la capa MAC del estándar LTE-Advanced. Toda esta información se integra en un material didáctico actualizado que puede servir de guía para el estudio de esta temática y ser utilizado en cursos de nivel superior..

(9) vi. TABLA DE CONTENIDOS. PENSAMIENTO ........................................................................................................ i DEDICATORIA ..................................................................................................... ii AGRADECIMIENTOS ............................................................................................. iii TAREAS TÉCNICAS ............................................................................................... iv RESUMEN............................................................................................................ v INTRODUCCIÓN .................................................................................................... 1 Capítulo 1 “Evolución de las comunicaciones móviles” ........................................... 5 1.1 Sistemas móviles pre-celulares......................................................................... 5 1.2 Sistemas móviles celulares ............................................................................... 6 1.2.1 Sistemas móviles de primera generación (1G) ........................................... 7 1.2.2 Sistemas móviles de segunda generación (2G) ......................................... 9 1.2.3 Sistemas móviles 2.5G ............................................................................. 12 1.2.4 Sistemas móviles de tercera generación (3G) .......................................... 15 1.2.5 Sistemas móviles de cuarta generación (4G) ............................................. 3 1.3 LTE-Advanced .................................................................................................. 5 1.3.1 LTE-Advanced características cruciales ..................................................... 7 1.3.2 Arquitectura del sistema LTE ...................................................................... 9.

(10) vii Capítulo 2 “Descripción de la Capa Física del estándar LTE-Advanced” ....... 15 2.1 Resumen General de la capa física. ............................................................ 16 2.2 Modulación y Canales físicos ...................................................................... 16 2.2.1 Estructura de la trama ........................................................................... 18 2.2.2 Elementos de recurso y bloques de recurso ......................................... 21 2.2.3 La Agregación De La Portadora ............................................................ 22 2.2.4 Modulación ............................................................................................ 29 2.2.5 Técnicas de la multiantena: .................................................................. 31 2.3 Codificación de canales y Multiplexación .................................................... 35 2.3.1 Codificación de canales ........................................................................ 37 2.4 Procedimientos de la capa física ................................................................. 38 2.5 Medidas de la capa física ............................................................................ 39 2.5.1 Medidas de la capa física del equipo de usuario. ................................. 39 2.5.2 Medidas de la capa física eNB .............................................................. 41 Capitulo 3 “Descripción de la Capa MAC del Estándar LTE-Advanced” ............... 42 3.1 Funcionalidades del RRC ........................................................................ 43 3.2 Funcionalidades de la capa PDCP .......................................................... 44 3.3 Funcionalidades de la capa RLC ............................................................. 45 3.4 Funcionalidades de la capa MAC ............................................................ 46 3.5 Calidad de Servicio o QoS ....................................................................... 47 3.5.1 Parámetros de QoS .............................................................................. 49 3.6 Scheduling .............................................................................................. 50 3.7 Manejo de Potencia ................................................................................. 52.

(11) viii 3.8 Handover ................................................................................................. 53 3.9 Seguridad................................................................................................. 55 CONCLUSIONES ................................................................................................. 58 RECOMENDACIONES ..................................................................................... 59 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS .................................................................. 60.

(12) INTRODUCCION. INTRODUCCIÓN Actualmente son innumerables las diversas aplicaciones y varios los servicios que se brinda por internet y a nivel de las redes de las comunicaciones. Los proveedores de los distintos servicios ofrecen y publicitan los más variados servicios sin importarles el estado de la red ó sea, qué servicio puede soportar cada conexión en específico en la. red en general. Los usuarios finales al. enterarse de nuevas aplicaciones ó servicio lo solicitan y esperan disfrutarlo tal cual como se publicita, lo que conlleva muchas veces al colapso de red. Las infraestructuras actuales existentes fueron diseñadas con propósitos específicos de su momento. Desde el principio del año 2000 se está trabajando incesantemente en surgir nuevas aplicaciones, claro los requisitos son otros desde luego hace que se obsoleten las técnicas predecesoras. Para dar respuesta a estas demandas se va evolucionando las técnicas de acceso bien como forma de transmisión de información. Surge entonces el llamado LTE como una tecnología para dar solución a estos problemas a la vez unificar las antiguas técnicas y equipos con las más recientes y modernas. A consecuencia de esa demanda la responsabilidad recae sobre las empresas de telecomunicaciones que sirven de vínculo entre las aplicaciones y el usuario final. Con necesidad de conectividad que le permita disfrutar de las aplicaciones disponibles en las redes ya sea interna o externa. Aplicaciones como transmisión de televisión digital de alta definición, video onstreaming, video llamada y conferencia son algunos ejemplos de tantas aplicaciones que fácilmente pueden colapsar una red que no esté diseñada para dichas aplicaciones (Salas, 2012). Para tratar de subsanar estas debilidades detectadas en las redes se ha presentado y discutido un conjunto de estándares y sus diversas resoluciones con vista proporcionar excelentes conexiones de forma a mantener a los usuarios finales con un grado servicio calificado. En el sector de las telecomunicaciones la ITU-R (International Telecommunications Union - Radiocommunications sector), 3GPP (Third Generation Paterntship Project), IEEE (Institute of Electrical and 1.

(13) INTRODUCCION. Electronics Engineers), IETF (Internet Engineering Task Force) entre otras, son algunas de las. instituciones que se responsabilizan de estudiar analizar y. estandarizar las normas para que las empresas de las telecomunicaciones brinden con rigor y eficiencia sus servicios. Para dar respuesta a estas demandas estas instituciones vienen publicando sucesivas resoluciones y estándares, para estos sistemas de comunicaciones. La primera especificación ha sido publicada en los finales del año 99 como Release 99, seguida de 4 y actualmente la 10 que viene siendo considerada como la 4G cuya últimas aseveraciones están en estudio. Al principio identificado por siglas GSM, después por UMTS y luego 3G, son variadas nomenclaturas que se ha introducido en el sector de las telecomunicaciones. Lo cierto es que dada a la creciente e incesante demanda le dio lugar a la reciente nomenclatura, la 4G cuyas exigencias están muy por encima de las anteriores. Como una tecnología nueva y sucediendo a LTE (long term evolution) surge LTEAdvanced con la idea de mejorar el servicio de telefonía móvil y el acceso a internet. Como un nuevo recto para las telecomunicaciones el LTE-Advanced tiene un conjunto de características que lo hacen muy atractivo pero a la vez un fuerte desafío para las empresas de las telecomunicaciones (Laboratory, 2009). En el presente trabajo se aborda el tema de la evolución de la telefonía celular, refiriéndose al estándar LTE-Advanced, con el interés de lograr una mejor comprensión de las características y técnicas usadas en la capa física y la capa MAC del mismo. En la bibliografía que aborda este tema en su mayoría se nota una falta de enfoque didáctico además de estar la información separada imposibilitando así que el lector que se interesa en este tema se pueda llevar una idea clara y de forma concisa de cómo fue que evoluciono la telefonía celular hasta llegar a LTE-Advanced y como están vinculadas las tecnologías usadas y las particularidades que ofrece el estándar. Es debido a lo anterior que se plantea el siguiente problema científico:. 2.

(14) INTRODUCCION. ¿Cómo contribuir a una. mejor comprensión de. las características. y. funcionamiento del estándar LTE-Advanced mediante la descripción del grupo de tecnologías usadas en el mismo? Para dar respuesta al problema científico planteado, se propone como objetivo general:  Elaborar un material de estudio que mediante la descripción de las tecnologías empleadas en el estándar LTE-Advanced permita una mejor comprensión del mismo. Y los siguientes objetivos específicos:  Describir la evolución de las comunicaciones móviles.  Describir las principales características tecnológicas de la capa física por del estándar LTE-Advanced.  Describir las principales modificaciones introducidas en la Capa MAC por LTE-Advanced. El contenido de este trabajo se ha estructurado en tres capítulos: Capítulo 1: Evolución de las comunicaciones móviles. En él se hace. una. descripción. global. de. la. evolución. de. las. comunicaciones móviles desde los sistemas pre-celulares hasta la cuarta generación de telefonía móvil. Posteriormente se describe la arquitectura del sistema LTE-Advanced así como sus características más relevantes.. Capítulo 2: Descripción de la Capa Física del estándar LTE-Advanced. Se tratan las principales características de la capa física del estándar LTEAdvanced, las técnicas empleadas en el mismo además de la relación y funcionamiento de sus diferentes partes.. 3.

(15) INTRODUCCION. Capítulo 3: Descripción de la capa MAC del estándar LTE-Advanced. Se describe las características principales referidas en la capa MAC del estándar LTE-Advanced, haciendo énfasis en las nuevas modificaciones asociada a una mejor utilización del espectro radioeléctrico y a la movilidad.. 4.

(16) “Evolución de las comunicaciones móviles”. Capítulo 1 “Evolución de las comunicaciones móviles” La telefonía móvil es hoy en día la tecnología más utilizada en el planeta por encima del Internet, ordenadores personales, telefonía fija y otras tecnologías; estimándose que alrededor del 87% de la población mundial es usuario de telefonía móvil. El rápido avance tecnológico ha permitido crear dispositivos móviles cada vez más sofisticados y capaces de proporcionar una amplia gama de aplicaciones, con lo cual la aceptación y penetración de la telefonía móvil a nivel mundial es más que evidente, convirtiéndose el teléfono celular en un dispositivo indispensable en la vida cotidiana del mundo actual(Salas, 2012). 1.1 Sistemas móviles pre-celulares La historia de las comunicaciones móviles con fines comerciales comienza en los años 40 una vez finalizada la Segunda Guerra Mundial después de que otras tecnologías de comunicación inalámbrica, tales como el radar y las radios FM, comúnmente llamadas walkie-talkie, habrían sido un éxito. El 28 de julio de 1945 el comisario J.K. Jett de la FCC (Federal Communications Commission) de Estados Unidos publicó en el Saturday Evening Postun atículo titulado Phone me by Airen el ue hacía referencia, por primera vez en la historia, de un sistema radio celular para establecer comunicaciones bidireccionales vía radio en la banda de 460 MHz. Si bien el artículo no explicaba el método en el que se podría lograr la comunicación entre el móvil y la red telefónica fija, sí hacía referencia al reuso frecuencial en áreas pequeñas, mencionando la posibilidad de que millones de usuarios en todo el país pudieran utilizar los mismos canales simultáneamente y sin interferirse. A pesar de que la FCC en su momento no concedió el espectro para llevar a cabo el servicio, se continuó el estudio de los sistemas celulares llegando a ser implementados posteriormente, con el mecanismo de reuso frecuencial como elemento primordial(Salas, 2012). El 17 de junio de 1946 en St. Louis, Missouri, USA, se instaló el primer teléfono móvil en un vehículo, usando el primer sistema de telefonía móvil denominado MTS (Mobile Telephone Service) y operado por AT&T. MTS utilizaba seis canales en la banda de 150 MHz que posteriormente fueron reducidos a solo tres por problemas de interferencias 5.

(17) “Evolución de las comunicaciones móviles”. entre canales, lo que significaba que solo podían establecerse tres llamadas simultáneas en cada una de las ciudades donde estaba implementado el sistema, generando rápidamente largas listas de espera. Entre los años 1950 y 1960 se fueron sumando nuevos sistemas de telefonía móvil tanto en Estados Unidos, creando competencia a AT&T, como en Europa. Algunos de los sistemas europeos fueron el MTA (Mobiltelefonisystem) operado en Suecia, el sistema alemán A-Netz y el sistema OLT operado en Noruega. A mediados de los años 60, los primeros sistemas fueron siendo reemplazados por nuevas versiones mejoradas, como el caso de IMTS (Improved Mobile Telephone Service), de manera que se optimizaban ciertos aspectos para hacer más amigable el uso del teléfono móvil, permitiendo por ejemplo el reemplazo del botón de llamada, que en un principio debía mantenerse presionado para hablar, la sustitución de las operaciones de conmutación manuales por el marcado automático y la posibilidad de establecer comunicaciones de móvil a móvil, entre otras. Pero a pesar de las importantes mejoras y de la disposición de nuevos canales de radio, la capacidad de estos sistemas de telefonía móvil seguía siendo un factor muy limitante. En general se puede decir que los primeros sistemas de telefonía móvil se caracterizaban por tener pocas estaciones base que cubrían áreas extensas transmitiendo a elevada potencia, presentaban una capacidad limitada de usuarios, costos elevados y equipos terminales muy pesados, voluminosos y de gran consumo de potencia que generalmente se utilizaban en vehículos. El término de comunicaciones móviles no era el que mejor describía a estos sistemas, ya que los usuarios debían estar en sus vehículos para poder ser localizados, sin embargo fue un comienzo importante para llegar a las comunicaciones móviles tal y como se conocen hoy en día (Salas, 2012). 1.2 Sistemas móviles celulares Para entender las comunicaciones móviles celulares del mundo actual es importante estudiar la evolución que éstas han tenido desde la llamada primera generación (1G), donde solo unos pocos usuarios tenían el privilegio de formar parte, hasta llegar a la cuarta 6.

(18) “Evolución de las comunicaciones móviles”. generación (4G) de la que se habla hoy en día, pasando por la segunda y tercera generación (2G y 3G) donde más de ¾ de la población mundial se encuentra involucrada.. Figura 1.1: Generaciones de sistemas de comunicaciones móviles (Salas, 2012). Es importante resaltar que las comunicaciones móviles celulares no fueron las primeras comunicaciones móviles en aparecer ya que, como se ha visto anteriormente, a partir de 1946 surgieron varios sistemas de comunicaciones móviles tanto en Estados Unidos como en Europa, pero cabe destacar que la diferencia entre esos sistemas y los que se explicarán a continuación, es que los primeros no eran sistemas celulares con lo cual la capacidad y la movilidad eran aspectos muy limitantes. El concepto celular nace en 1947 en los laboratorios Bell gracias a D.H. Ring con la ayuda de W.R. Young. El sistema celular que diseñaron define la división de un territorio extenso en pequeñas áreas con geometría hexagonal denominadas celdas, en cada una de las cuales se encuentra un transmisor de baja potencia. También tomaron en cuenta el concepto de reuso frecuencial entre distintas celdas alejadas suficientemente entre sí y el mecanismo de handover automático que permitiera la continuidad de la comunicación al trasladarse de celda en celda. Para ese entonces no existía la tecnología que permitiera implementar el sistema celular y el espectro necesario aún no estaba disponible, por lo que pasaron treinta años antes de poderse implementar las ideas propuestas (Salas, 2012). 1.2.1 Sistemas móviles de primera generación (1G) Los sistemas móviles de primera generación fueron los primeros en poner en práctica el concepto celular, se caracterizaban por ser analógicos y ofrecían únicamente servicios de voz. Estos sistemas no ponían en práctica el mecanismo de control de potencia, lo que significa que todos los terminales transmitían a la misma potencia sin importar su 7.

(19) “Evolución de las comunicaciones móviles”. ubicación o condiciones del entorno y por ello el consumo de batería y las interferencias ocasionadas eran elevados. Limitados por la tecnología presente en el momento, los equipos seguían siendo voluminosos y pesados, por lo que en su mayoría seguían siendo implementados en los vehículos. El primer sistema celular comercial de primera generación fue introducido por la NTT (Nippon Telegraph and Telephone) en 1979 en Japón. Posteriormente, en 1981 nace el primer sistema de primera generación multinacional, el NMT (Nordic Mobile Telephony), que fue introducido en Dinamarca, Noruega, Suecia y Finlandia utilizando la banda de 450 MHz. Por otro lado en Estados Unidos, después de haber presentado retrasos regulatorios, finalmente fue introducido en 1983 el sistema AMPS (Advanced Mobile Phone Service) tras haber realizado pruebas exitosas en la ciudad de Chicago desde el año 1978. En 1985 fue implementado el sistema TACS (Total Access Communications System) en el Reino Unido con grandes similitudes al sistema AMPS norteamericano. Posteriormente nacieron los sistemas C-Netz en Alemania occidental, Radiocom 2000 en Francia y RTMI/RTMS en Italia. Los sistemas de primera generación rápidamente tuvieron éxito en sus países de origen y fueron siendo adoptados por otros países. En este sentido, el sistema NMT fue introducido en varios países del oriente de Europa pero bajo una nueva versión, NMT-900, que utilizaba la banda de 900 MHz en vez de la de 450 MHz que ya era insuficiente. Asimismo, el sistema TACS fue adoptado por algunos países del medio oriente y del sur de Europa y el sistema norteamericano AMPS fue adoptado en ciertos países de América del Sur y del lejano oriente incluyendo Australia y Nueva Zelanda. El sistema NMT fue el primero en introducir el concepto de roaming internacional para utilizar el servicio en los distintos países donde operaba. Varios aspectos eran comunes para los sistemas de primera generación. Todos utilizaban la técnica de FDD (duplexado de frecuencia) definiendo bandas distintas para el enlace ascendente y el descendente, que generalmente se situaban en torno a los 900 MHz.. 8.

(20) “Evolución de las comunicaciones móviles”. Empleaban la modulación analógica FM para la voz, dividían el espectro disponible en canales que repartían a las estaciones base, de manera que para evitar interferencias se asignaban canales distintos a las estaciones bases vecinas, y por cada llamada se asignaba un canal dedicado para cada enlace por todo el tiempo de duración de la misma. Sin embargo, a pesar de que los sistemas de primera generación se basaban en los mismos principios de funcionamiento, ninguno de ellos era compatible entre sí, por lo que un teléfono móvil de aquella época no podía ser utilizado en otros países que no operaran su mismo sistema (Salas, 2012). 1.2.2 Sistemas móviles de segunda generación (2G) En Europa, debido a las predicciones de saturación de la capacidad de los sistemas de primera generación y al problema de la incompatibilidad entre todos los sistemas existentes, se empezaron las investigaciones para desarrollar un único sistema global que permitiera la movilidad entre países aprovechando los grandes avances tecnológicos que tuvieron lugar en los años 80, tales como los avances en las tecnologías de semiconductores y circuitos integrados, para dar lugar a una nueva generación de telefonía móvil. En este sentido, la CEPT (Conference of European Postal and Telecommunications) creó en 1982 el grupo GSM, cuyas siglas en un comienzo significaban Groupe Speciale Mobile y posteriormente fueron rebautizadas a Global System for Mobile Communications, con el fin de crear un sistema paneuropeo completamente nuevo y con tecnología digital que pudiera ofrecer un servicio de buena calidad y eficiencia espectral y que al mismo tiempo cumpliera con los requisitos de capacidad y compatibilidad entre países. En 1989 la recién formada ETSI (European Telecommunication Standards Institute) prosiguió con los avances en el proyecto de GSM logrando el lanzamiento comercial del sistema en 1992. La característica más relevante de los sistemas de segunda generación con respecto a los de primera es que pasaron de ser analógicos a digitales, lo que implica una serie de ventajas como lo es una mayor calidad frente a interferencias y mejor utilización del espectro. Además, gracias a los avances en las tecnologías digitales se logró la 9.

(21) “Evolución de las comunicaciones móviles”. miniaturización de los equipos terminales, así como la reducción del costo y del consumo de potencia de los mismos, permitiendo que las comunicaciones móviles pasaran de ser utilizadas por un grupo selectivo de personas con vehículos a extenderse a toda la población interesada en comunicarse en cualquier momento y desde cualquier lugar. Por otro lado, las técnicas de procesado digital de la información como la modulación digital, codificación de canal, codificación de fuente, sistemas entrelazados, cifrado de las comunicaciones, entre otras, permitieron mejoras en cuanto a calidad, velocidad de transmisión, capacidad del sistema y la posibilidad de agregación de nuevos servicios como el buzón de voz, identificador de llamadas y mensajes de texto. El sistema GSM utiliza la técnica de duplexado FDD en la banda de 900 MHz, operando inicialmente a frecuencias de 890-915 MHz en el enlace ascendente y 935-960 MHz en el enlace descendente. Como técnica de acceso emplea una combinación de frecuencia y tiempo, es decir, utiliza FDMA (Frequency Division Multiple Access) para dividir el espectro total de 25 MHz en 124 portadoras de 200 kHz y a su vez cada canal de 200 kHz lo divide en 8 ranuras de tiempo empleando TDMA (Time Division Multiple Access). A pesar de que el sistema GSM fue creado para operar en la banda de 900 MHz, posteriormente surgieron variaciones del sistema, de las cuales las más importantes son DCS-1800 y PCS-1900, también conocidas como GSM-1800 y GSM-1900 respectivamente, que fueron adoptadas por algunos países dentro y fuera de Europa.. Figura 1.2: Arquitectura de la red GSM (Salas, 2012). 10.

(22) “Evolución de las comunicaciones móviles”. El éxito del sistema GSM rápidamente se extendió por países de todo el mundo, y con la aparición de los teléfonos celulares tribanda, que operan en las frecuencias 900, 1800 y 1900 MHz, se hacía cada vez más fácil el empleo del roaming internacional permitiendo establecer comunicaciones en cualquiera de los cinco continentes. Cabe destacar que a pesar de que GSM es sin duda el sistema de segunda generación con mayor extensión en el mundo, existen también otros sistemas tales como IS-54, que posteriormente evolucionó a IS-136, e IS-95 desarrollados en Estados Unidos o el sistema PDC (Personal Digital Cellular), originalmente conocido como JDC (Japan Digital Cellular), desarrollado en Japón. En Estados Unidos las motivaciones hacia la segunda generación de telefonía móvil eran distintas que en Europa. Al solo existir el sistema AMPS de primera generación, los usuarios eran libres de utilizar sus teléfonos celulares desde cualquier ciudad del país sin enfrontar los problemas de incompatibilidad existentes en Europa. Por este motivo, la FCC ordenó que los nuevos sistemas de segunda generación debieran trabajar en un modo dual permitiendo la compatibilidad con el sistema de primera generación para mantener los teléfonos actuales en uso aumentando la capacidad y reduciendo los costos. Al no poder acordar una única tecnología, surgieron dos sistemas de segunda generación, el IS54 desarrollado por TIA (Telecommunication Industry Association),. basado en. FDMA/TDMA, y el IS-95 desarrollado por Qualcomm, basado en FDMA/CDMA. El sistema IS-54, también llamado D-AMPS (Digital AMPS), empezó a operar en Estados Unidos en 1990 en conjunto con el sistema actual AMPS triplicando la capacidad de éste y utilizando la banda de 850 MHz. El sistema IS-54 usaba canales de control analógicos y canales de voz digitales. Posteriormente este sistema evolucionó a uno completamente digital denominado IS-136 que fue introducido en 1994 y que además de la banda de 850 MHz podía operar también en la banda de 1900 MHz. Por otro lado, el sistema IS-95, también conocido como CDMAOne, fue introducido en 1993 en Estados Unidos y es utilizado también en varios países asiáticos, es el único sistema de segunda generación basado en CDMA (Code Division Multiple Access), tecnología de acceso que proviene de. 11.

(23) “Evolución de las comunicaciones móviles”. usos militares y que posteriormente es utilizada por los sistemas de tercera generación tales como UMTS (Salas, 2012).. 1.2.3 Sistemas móviles 2.5G Los sistemas de segunda generación permitieron mejoras notables respecto a los de primera generación gracias a la digitalización, pero desde el punto de vista funcional seguían siendo utilizados principalmente para tráfico de voz. Las versiones originales de estos sistemas están orientadas a modo circuito, lo que permite soportar transmisiones de voz de manera muy eficiente pero solo algunos servicios de transmisión de datos a baja velocidad (9.6 – 14.4kbps). Para alcanzar mayores velocidades en la transmisión de datos surgieron una serie de tecnologías conocidas como generación 2.5 por suponer la transición entre los sistemas de segunda y de tercera generación. Algunas de las tecnologías 2.5G que surgieron como evolución del sistema GSM fueron HSCSD (High-Speed Circuit-Switched Data), GPRS (General Packet Radio Services) y EDGE (Enhanced Data Rates for Global Evolution). El sistema IS-136 se convierte de igual manera en 2.5G con la introducción de GPRS y EDGE, y el sistema IS-95 es llamado 2.5G cuando implementa IS-95B o CDMA2000 1xRTT. El sistema HSCSD fue propuesto por la ETSI a comienzos de 1997 con la idea de emplear más de un time slot por usuario de forma paralela para la transmisión de datos, de esta manera la velocidad total de transmisión sería la de un slot en GSM multiplicada por el número de slots utilizados, que podía llegar a ser de hasta cuatro. Este sistema funcionaba muy bien para aplicaciones en tiempo real pero seguía empleando conmutación por circuito, lo que representaba una disminución drástica de los recursos disponibles para los usuarios de voz pues los canales debían ser reservados para un usuario por el tiempo total de la conexión sin importar si se estuviera transmitiendo información o no. Posteriormente la ETSI propone el sistema GPRS como una extensión del sistema GSM para la transmisión de la información empleando la técnica de conmutación de paquetes. 12.

(24) “Evolución de las comunicaciones móviles”. Esta técnica permite una mayor eficiencia espectral ya que los recursos no son asignados de manera exclusiva para una única comunicación sino compartidos entre varios usuarios, y además se toma en cuenta la asimetría de los servicios de paquetes de datos pues la asignación de los recursos en los enlaces ascendente y descendente se realiza de manera separada. Asimismo surge la posibilidad de realizar una tarificación del servicio más atractiva al usuario, basada en la cantidad de paquetes transmitidos y no en la duración de la conexión. Por otro lado, el coste de implementación del sistema GPRS es bajo ya que al ser una extensión de GSM se utiliza todo el hardware existente añadiendo solo dos nuevos nodos SGSN (Serving GPRS Support Node) y GGSN (Gateway GPRS Support Node) para el tráfico de paquetes e incorporando una unidad PCU (Packet Control Unit) en las BSC (Base Station Controller), con la capacidad de que los canales sean asignados dinámicamente a GSM o GPRS dependiendo de los niveles de tráfico dando siempre prioridad a los servicios de voz. GPRS utiliza distintos esquemas de codificación dependiendo de la calidad del radio enlace, el tipo de terminal y el tráfico de datos de la celda (CS1: 9.05 kbps, CS2: 13.4 kbps, CS3: 15.6 kbps y CS4: 21.4 kbps) y permite utilizar varios time slots por conexión, con lo cual se lograría una velocidad máxima Figura 2.3: Estructura de trama LTE-Advanced tipo 2, con 5 ms en la periodicidad del tiempo de conmutación.. Figura 1.3: Arquitectura de la red GSM/GPRS (Salas, 2012). 13.

(25) “Evolución de las comunicaciones móviles”. El sistema 2.5G que surge como mejora del sistema GSM/GPRS es EDGE. Así como la tecnología GPRS complementó a GSM con la adición de una codificación adaptativa, EDGE complementa a GPRS con la introducción de la modulación adaptativa. En este sentido, además de la modulación GMSK empleada en GSM y GPRS, EDGE introduce la modulación 8PSK que permite triplicar la tasa de transmisión de datos de GPRS a cambio de una menor área de cobertura. La máxima velocidad de transmisión en EDGE es de 384 kbps utilizando 8 time slots y el más eficiente de los esquemas de modulación/codificación (MCS9). Los cambios principales de este sistema se encuentran a nivel de capa física y MAC/RLC, con lo cual la arquitectura de la red GPRS no necesita ser modificada excepto en las BTS donde debe agregarse una nueva unidad transceptora. Adicionalmente se deben actualizar los software en las BSC para permitir la conmutación de GSM/GPRS a EDGE cuando sea necesario, y por último se requiere de nuevos terminales móviles con un software que permita codificar y decodificar los nuevos esquemas de modulación utilizados en EDGE. En cuanto al sistema IS-95, que ofrecía velocidades de transmisión de datos de hasta 14.4 kbps, la tecnología 2.5G que lo complementa es el IS-95B empleando conmutación de paquetes que permite velocidades de 64 kbps utilizando múltiples canales de códigos ortogonales para un mismo usuario. Incluso las primeras versiones del sistema CDMA2000 propuesto por la (Third Generation Paterntship Project 2) 3GPP2 son consideradas 2.5G, siendo éstas CDMA2000 1xRTT release 0, que permite velocidades pico de 144 kbps, y CDMA2000 1xRTT release A, que ofrece velocidades de 384 kbps. Cabe destacar que la evolución desde el estándar IS-95 a los sistemas CDMA2000 de tercera generación es mucho más simple que la equivalente de GSM/GPRS/EDGE a UMTS pues permite la reutilización de la mayor parte de la infraestructura de la red y prácticamente las mejoras son basadas en actualizaciones de software (Salas, 2012).. 14.

(26) “Evolución de las comunicaciones móviles”. 1.2.4 Sistemas móviles de tercera generación (3G) Los sistemas de segunda generación marcaron un éxito en la historia de las comunicaciones móviles pero las crecientes demandas de tráfico de datos y las expectativas de nuevos servicios multimedia se hacían insuficientes para los sistemas 2G y 2.5G, con lo cual la ITU (International Telecommunication Union) empezó el desarrollo de un sistema de tercera generación universal con el nombre de IMT-2000 (International Mobile Telecommunications), que posteriormente pasó a ser más bien una familia de sistemas 3G en vista de no poder englobar los intereses de todos los países en un único sistema. En este sentido, la familia IMT-2000 abarca el sistema europeo UMTS y el norteamericano CDMA2000 entre otros de menor importancia. Los sistemas 3G se plantearon tasas objetivo de 144 kbps para entornos vehiculares de gran velocidad, 384 kbps para espacios abiertos y velocidades de hasta 2 Mbps para entornos interiores de baja movilidad. Con estas velocidades los usuarios pueden utilizar sus terminales móviles en una variedad de servicios desde llamadas telefónicas, acceso a redes LAN corporativas, acceso a Internet, envío de correo electrónico, transferencia de archivos e imágenes de calidad e incluso servicios de video conferencias y transmisión de audio y video en tiempo real. La primera publicación del sistema UMTS estuvo disponible en 1999 conocida como Release 99. En ella se especifican dos modos de operación en cuanto al acceso radio: el modo FDD empleando la técnica de acceso W-CDMA (Wideband CDMA), donde el canal físico lo define un código y una frecuencia, y el modo TDD (Time Division Duplex) empleando la técnica de acceso TD-CDMA (Time Division-CDMA), donde el canal físico lo define un código, una frecuencia y un time slot. El uso de la tecnología CDMA implica un cambio en la arquitectura de red de acceso radio GSM/GPRS/EDGE permitiendo la posibilidad de emplear un reuso frecuencial de factor 1, siempre que se tengan controladas las interferencias intercelulares, para lograr de esta manera una gran eficiencia espectral.. 15.

(27) “Evolución de las comunicaciones móviles”. Figura 1.4: Arquitectura de la red GSM/GPRS + UMTS de la Release 99 (Salas, 2012). Las mejoras más importantes de las características del acceso radio UMTS se describen en la Release 5 con la adición de HSDPA (High Speed Downlink Packet Access) y en la Release 6 con HSUPA (High Speed Uplink Packet Access) que juntas se conocen como HSPA (High Speed Packet Access). HSPA mejora los servicios de paquetes de datos introduciendo mayores velocidades y menores retardos, manteniendo al mismo tiempo una buena cobertura y una gran capacidad en el sistema. Para lograr esto, HSPA introduce nuevos esquemas de modulación de mayor nivel, control de potencia rápido, fast scheduling y mecanismos de retransmisión híbrida HARQ con redundancia incremental. De esta manera se logran velocidades de hasta 14.4 Mbps en HSDPA y 5.7 Mbps en HSUPA.. 16.

(28) “Evolución de las comunicaciones móviles”. Figura 1.5: Características principales de las Release de UMTS (Salas, 2012). El sistema de tercera generación CDMA2000 fue desarrollado por la 3GPP2 como evolución del sistema IS-95 siendo compatible con el mismo. En CDMA2000 se incorporaron básicamente las mismas tecnologías que en WCDMA/HSPA para lograr mejores tasas en la transmisión de datos y mejorar el rendimiento de la red. La evolución de CDMA2000 ocurrió en distintas fases, primero surgió CDMA2000 1xRTT y luego dos ramas paralelas se iniciaron EV-DO (Evolution-Data Only) y EV-DV (Evolution for integrated Data and Voice) otorgando velocidades de transmisión superiores a 2 Mbps (Salas, 2012). 1.2.5 Sistemas móviles de cuarta generación (4G) El continuo crecimiento en la demanda de servicios de paquetes de datos y la posibilidad de elaborar terminales cada vez más avanzados aptos para ofrecer nuevas aplicaciones con mayores capacidades para imágenes, audio, video, email y otras aplicaciones multimedia llevó a la necesidad de crear una nueva generación de comunicaciones móviles. En este sentido, la ITU-R estableció los requisitos para las redes de cuarta generación bajo el nombre de IMT-Advanced. Algunos de los requisitos consisten en una red basada completamente en conmutación por paquete con una arquitectura plana basada en el protocolo IP (Internet Protocol), velocidades de transferencia de datos mayores a 100 Mbps para altas movilidades y de 1Gbps. 3.

(29) “Evolución de las comunicaciones móviles”. para entornos relativamente fijos, interoperabilidad con estándares existentes, canalizaciones flexibles, menores tiempos de latencia, entre otros. Tal y como se observa en la Figura 1.6, existen tres organizaciones que se han encargado de desarrollar estándares de comunicaciones móviles con el fin de cumplir los requisitos del IMT-Advanced. La 3GPP empezó a finales de 2004 la primera especificación del sistema LTE (Long Term Evolution) que fue concluida a finales de 2008 y ha evolucionado posteriormente a LTE-Advanced. Por otro lado, la IEEE ha creado la familia 802.16 conocida como WiMAX donde la versión 802.16m, también conocida como WirelessMAN-Advanced, ha sido aprobada por la ITU-R como una tecnología IMT-Advanced. Por último, la 3GPP2 comenzó el desarrollo del sistema UMB (Ultra Mobile Broadband) como evolución del sistema CDMA2000 con las intenciones de convertirse en un sistema de 4G pero el proyecto fue dejado inconcluso para pasar a apoyar a LTE.. Figura 1.6: Estándares de comunicaciones móviles (Salas, 2012). 4.

(30) “Evolución de las comunicaciones móviles”. Cabe mencionar una aclaración acerca de las tecnologías consideradas IMTAdvanced: Tras. una. detallada. evaluación. acerca. de. estrictos criterios. técnicos. y. operativos, la ITU ha determinado que “LTE-Advanced” y “WirelessMANAdvanced” deben recibir la designación oficial de IMT-Advanced. Siendo las tecnologías más avanzadas actualmente en comunicaciones de banda ancha móvil, IMT-Advanced es considerada como “4G”, aunque se reconoce que este término, mientras no estuvo definido, también puede ser. aplicado a los. precursores de estas tecnologías, LTE y WiMAX, y a otras tecnologías que evolucionaron de sistemas 3G proporcionando un importante nivel de mejora en el rendimiento y en las capacidades con respecto a los sistemas iniciales de 3G desplegados. Las especificaciones detalladas de las tecnologías IMTAdvanced serán proporcionadas en una nueva Recomendación ITU-R. Habiendo hecho ya referencia a las principales características de cada una de las generaciones de comunicaciones móviles, seguidamente trataremos con mayor detalle el sistema. LTE-Advanced, sistema sobre el cual se basa el presente. trabajo de fin de carrera (Salas, 2012). 1.3 LTE-Advanced Con tecnología de 3G establecida, fue obvio que la tasa de auge de tecnología celular no debiese desacelerar. Ideas iníciales del resultado para el desarrollo de un sistema nuevo de 4G comenzaron a ser investigadas. En una anterior investigación que tuvo lugar en 25 diciembre 2006 con información publicada para los medios noticiosos en 9 febrero del 2007, NTT DoCoMo detalló información acerca de las pruebas en las cuales pudieron enviar los datos en las aceleraciones a aproximadamente 5 Gbit /s en el enlace descendente dentro de un ancho de banda de 100MHz para una estación móvil moviéndose en 10km / h. El esquema usó varias tecnologías para lograr esta variable incluso esparciendo colcha de factor múltiplex por división de frecuencia ortogonal, MIMO (multiple input multiple 5.

(31) “Evolución de las comunicaciones móviles”. output), y detección máxima de probabilidad. Los detalles de estas pruebas nuevas de 4G fueron pasados a 3GPP pues su consideración In 2008 3GPP sujetó dos talleres en IMT Advanced, donde los requisitos para fomentar avances para E-UT RA fueron congregados. El Reporte Técnico resultante 36.913 fue luego publicado en junio del 2008 y sometido a ITU-R definiendo el sistema LTEAdvanced como su propuesta para IMT-Advanced. El desarrollo de LTE-Advanced / IMT Advanced. sigue y la evolución de los servicios del 3G que fueron. desarrollados, usando a UMT S/W - la tecnología CDMA.. Tabla 1.1: Comparación entre los principales protocolos de red móvil (radioelectronics-com, 2013a). LTE-Advanced no es la única tecnología candidata. WiMAX está también ofreciendo datos muy altos evaluados y los niveles altos de movilidad. Cómo pareció alguna vez ahora es menos probable que WiMAX sea adoptado como la tecnología de 4G ya que LTE-Advanced parecer estar mejor situado. LTE-Advanced es un estándar de comunicación móvil preliminar, formalmente inscrito como un candidato al sistema 4G a la ITU-T a finales del 2009. Es estandarizado por la 3GPP como una mejora al estándar LTE. La industria de comunicación móvil y las organizaciones de estandarización han iniciado el trabajo para las tecnologías 4G como LTE-Advanced. Un primer grupo 6.

(32) “Evolución de las comunicaciones móviles”. de requerimientos de la 3GPP sobre LTE-Advanced fue aprobado en Junio del 2008. Además del pico de la taza de datos de 1 Gbit/s que soporta completamente los requerimientos de 4G definidos por la ITU-R, también apunta a un cambio entre estados de energía más rápidos y una mejora en el rendimiento en el lado de la celda. Propuestas detalladas están siendo estudiadas dentro de los grupos. Uno de los pasos cruciales fue en octubre del 2010 cuando la ITU-R decide la estructura y características cruciales para el estándar de IMT-Advanced.. El. objetivo de 3GPP LTE-Advanced es alcanzar y sobrepasar los requerimientos de la ITU. LTE-Advanced que debe ser compatible con los primeros equipos LTE lanzados, y debe compartir frecuencia de bandas con el primer lanzamiento de LTE. Uno de los importantes beneficios de LTE-Advanced es la capacidad de tomar ventaja de la topología avanzada de las redes; redes optimizadas heterogéneas con una mezcla de macros con nodos de bajo consumo como picoceldas, femtoceldas y nuevos nodos de retransmisión. El próximo salto significativo rendimiento en las redes inalámbricas llegará de hacer lo mejor de la topología, y brindar una red cercana al usuario añadiendo muchos de estos nodos de bajo consumo. LTE-Advanced incrementa considerablemente la capacidad y el cubrimiento y asegura equidad a los usuarios. LTE-Advanced también permite a los proveedores poder usar anchos de banda ultra anchos, hasta 100Mhz de espectro soportando tasas de datos realmente altas (radio-electronics-com, 2013a). 1.3.1 LTE-Advanced características cruciales Con el trabajo iniciando en LTE-Advanced, un número de requisitos y características cruciales salen a relucir. Aunque no fijos pero en las especificaciones, hay metas de muy alto nivel para el nuevo LTE-Advanced. Estos necesitarán verificarse y mucho trabajo queda ser emprendido en las especificaciones antes de que estas sean todas fijas 7.

(33) “Evolución de las comunicaciones móviles”. 1. Máxima tasa de datos: o En enlace descendente - 1Gbps; o El enlace ascendente - 500megabits por segundo. 2. La eficiencia del espectro: 3 veces mayores que LTE. 3. Máxima eficiencia del espectro: o En enlace descendente 30 bps/Hz; o El enlace ascendente 15 bps/Hz; 4. En el uso del espectro: La habilidad para dar soporte al uso dimensionable de ancho de banda. 5. La latencia: Desde Idle para Connected menos de 50ms y menor que 5ms en la transmisión individual del paquete. 6. El rendimiento específico del usuario del borde de la célula es dos veces más que en LTE. 7. El rendimiento específico común del usuario va a ser 3 veces el de LT E. 8. La movilidad: Tal como es en LTE 9. La compatibilidad: LTE-Advanced será capaz de intertrabajar con sistemas anteriores de LTE y 3GPP. Estas son muchas de las metas de auge para LTE-Advanced. La implementación de ellas necesitará ser resuelta durante la etapa de especificación del sistema. En LTE-Advanced el enfoque está en la capacidad superior:  Máxima tasa de datos, (downlink) DL 3Gbps, (uplink) UL 1.5Gbps  La eficiencia espectral superior, de un máximum de 16bps/Hz en R8 por 30 bps/ Hz en R10  Incrementa el número de suscriptores simultáneamente activos  El desempeño mejorado en celda avanza ligeramente, por ejemplo para DL 2x2 MIMO en menos 2.40 bps / Hz / celda. Las principales funcionabilidades nuevas introducidas en LTE-Advanced son CA (Carrier Aggregation), uso enriquecido de técnicas de la multiantena y soporte para RN (Relay Nodes) (radio-electronics-com, 2013a).. 8.

(34) “Evolución de las comunicaciones móviles”. 1.3.2 Arquitectura del sistema LTE Atendiendo a la arquitectura general de los sistemas 3GPP, en la Figura 1.7 se ilustra de forma simplificada la arquitectura completa del sistema LTE-Advanced, denominado formalmente en las especificaciones como. EPS (Evolved Packet. System). Los componentes fundamentales del sistema LTE-Advanced son, por un lado, la nueva red de acceso E-UTRAN y el nuevo dominio de paquetes EPC de la red troncal (denominado en adelante simplemente como red troncal EPC), y por otro, la evolución del subsistema IMS concebido inicialmente en el contexto de los sistemas UMTS. Los diferentes componentes han sido diseñados para soportar todo tipo de servicios de telecomunicación mediante mecanismos de conmutación de paquetes, por lo que no resulta necesario disponer de un componente adicional para la provisión de servicios en modo circuito (en el sistema LTE los servicios con restricciones de tiempo real se soportan también mediante conmutación de paquetes). En este sentido, EPC constituye una versión evolucionada del sistema GPRS. La red de acceso E-UTRAN y la red troncal EPC proporcionan de forma conjunta servicios de transferencia de paquetes IP entre los equipos de usuario y redes de paquetes. externas. tales. como. plataformas. IMS. y/u. otras. redes. de. telecomunicaciones como Internet. Las prestaciones de calidad de servicio (e.g., tasa de datos en bits/s, comportamientos en términos de retardos y pérdidas) de un servicio de transferencia de paquetes IP puede configurarse en base a las necesidades de los servicios. finales que lo utilicen, cuyo establecimiento. (señalización) se lleva a cabo a través de plataformas de servicios externas (e.g., IMS) y de forma transparente a la red troncal EPC. Formalmente, el servicio de transferencia de paquetes IP ofrecido por la red LTE entre el equipo de usuario y una red externa se denomina servicio portador. Asimismo, la parte del servicio de transferencia de paquetes que proporciona la red de acceso E-UTRAN se denomina E-UTRAN E-RAB (Radio Access Bearer).. 9.

(35) “Evolución de las comunicaciones móviles”. En la Figura 1.7 se muestran las principales interfaces de E-UTRAN y EPC. La interfaz entre E-UTRAN y EPC se denomina S1 y proporciona a la EPC los mecanismos necesarios para gestionar el acceso de los terminales móviles a través de E-UTRAN. La interfaz radio entre los equipos de usuario y E-UTRAN se denomina E-UTRAN Uu . Por otro lado, las plataformas de servicios como IMS y la conexión a redes de paquetes externas IP se llevan a cabo mediante la interfaz SGi de la EPC. La interfaz SGi es análoga a la interfaz Gi definida en las redes GPRS/UMTS y constituye el punto de entrada/salida al servicio de conectividad IP proporcionado por la red LTE (los terminales conectados a la red LTE son “visibles” a las redes externas a través de esta interfaz mediante su dirección IP). Los mecanismos de control de los servicios de transporte ofrecidos por EPC se sustentan en información proporcionada por otros elementos de la red troncal que no son exclusivos del sistema LTE sino que pueden dar soporte también a otros dominios de los sistemas 3GPP. En la Figura 1.7 se mencionan algunos de estos elementos comunes entre los que, a modo de ejemplo, se encuentra la base de datos del sistema con la información de subscripción de sus usuarios (HSS). Otra característica fundamental del sistema LTE es que contempla también el acceso a sus servicios a través de UTRAN y GERAN así como mediante la utilización de otras redes de acceso que no pertenecen a la familia 3GPP (e.g., CDMA2000, Mobile WiMAX, redes 802.11, etc.). La interconexión de las redes de acceso alternativas, tanto 3GPP como no, se soporta a través de un conjunto de interfaces de la EPC.. 10.

(36) “Evolución de las comunicaciones móviles”. Figura 1.7 Arquitectura del sistema LTE-Advanced (Ramón Agusti and Ramon Ferrús, 2010). Finalmente, aunque no quede reflejado en la Figura 1.7, es importante destacar que la interconexión de los diferentes equipos físicos donde se ubicarían las funciones tanto de la red troncal EPC como de la red de acceso E-UTRAN, se realiza mediante tecnologías de red basadas en IP. De esta forma, la red física que se utiliza para interconectar los diferentes equipos de una red LTE, y que se denomina comúnmente como red de transporte, es una red IP convencional. Por tanto, la infraestructura de una red LTE-Advanced, además de los equipos propios que implementan las funciones del estándar 3GPP, también integra otros elementos de red propios de las redes IP tales como routers, servidores DHCP (Dynamic Host Configuration Protocol) para la con figuración automática de las direcciones IP de los equipos de la red LTE y servidores DNS (Domain Name Server) para asociar los nombres de los equipos con sus direcciones IP. La arquitectura de la red de acceso se compone de una única entidad de red denominada eNB (evolved NodeB) que constituye la estación base de E-UTRAN. 11.

(37) “Evolución de las comunicaciones móviles”. Así pues, la estación base E-UTRAN integra toda la funcionalidad de la red de acceso, a diferencia de las redes de acceso de GSM y UMTS compuestas por estaciones base (BTS, NodoB) y equipos controladores (BSC y RNC). Tal y como se ilustra en la Figura 1.8, una red de acceso E-UTRAN está formada por eNBs que proporcionan la conectividad entre los equipos de usuario (UE) y la red troncal EPC. Un eNB se comunica con el resto de elementos del sistema mediante tres interfaces: E-UTRAN Uu, S1 y X2.. Figura 1.8 Red de acceso E-UTRAN (Ramón Agusti and Ramon Ferrús, 2010). La interfaz E-UTRAN Uu, también denominada LTE Uu o simplemente interfaz radio LTE, permite la transferencia de información por el canal radio entre el eNB y los equipos de usuario. Todas las funciones y protocolos necesarios para realizar el envío de datos y controlar la operativa de la interfaz E-UTRAN Uu se implementan en el eNB. El eNB se conecta a la red troncal EPC a través de la interfaz S1. Dicha interfaz está desdoblada en realidad en dos interfaces diferentes: S1-MME para sustentar 12.

(38) “Evolución de las comunicaciones móviles”. el plano de control y S1-U como soporte del plano de usuario. La separación entre plano de control y plano de usuario es una característica importante en la organización de las torres de protocolos asociadas a las interfaces de la red LTEAdvanced. Así pues, el plano de usuario de una interfaz se refiere a la torre de protocolos empleada para el envío de tráfico de usuario a través de dicha interfaz (e.g., paquetes IP del usuario que se envían entre E-UTRAN y EPC a través de S1-U). Por otro lado, el plano de control se refiere a la torre de protocolos necesaria para sustentar las funciones y procedimientos necesarios para gestionar la operación de dicha interfaz o de la entidad correspondiente (e.g., configuración de la operativa del eNB desde la red EPC a través de S1-MME). Esta separación entre plano de control y plano de usuario en la interfaz S1 permite realizar la conexión del eNB con dos nodos diferentes de la red troncal. Así, mediante la interfaz S1-MME, el eNB se comunica con una entidad de red de la EPC encargada únicamente de sustentar las funciones relacionadas con el plano de control (dicha entidad de red de la red troncal EPC se denomina Mobility Management Entity, MME). Por otro lado, mediante la interfaz S1-U, el eNB se comunica con otra entidad de red encargada de procesar el plano de usuario (dicha entidad de red de la EPC se denomina Serving Gateway, S-GW). Esta separación entre entidades de red dedicadas a sustentar el plano de control o bien el plano de usuario es una característica importante de la red LTE-Advanced que 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. Opcionalmente, los eNBs pueden conectarse entre sí mediante la interfaz X2. A través de esta interfaz, los eNB se intercambian tanto mensajes de señalización destinados a permitir una gestión más eficiente del uso de los recursos radio (e.g., información para reducir interferencias entre eNBs) así como tráfico de los usuarios del sistema cuando estos se desplazan de un eNB a otro durante un proceso de handover (Ramón Agusti and Ramon Ferrús, 2010). 13.

(39) “Evolución de las comunicaciones móviles”. En la Tabla 1.2 se resumen las entidades de red e interfaces de E-UTRAN y se indican las principales especificaciones del 3GPP relacionadas con cada una de ellas. Denominación Entidades de red. Evolved (eNB). NodeB. Denominación. Interfaces. E-UTRAN Uu (también denominada LTE Uu o interfaz radio) X2. S1-MME S1-U. Descripción Estación base de la red de acceso EUTRAN Entidades de red asociadas. eNB UE. eNB eNB eNB Red troncal EPC (MME) eNB Red troncal EPC (S-GW). Referencias 3GPP TS 36.300 [4] TS 36.401 [5]. TS 36.300 [4] Documentos TS 36.2xx Y TS 36.3xx Documentos TS 36.42x TS 29.281 [26] Documentos TS 36.41x TS 29.281 [26]. Tabla 1.2: Entidades de red e interfaces de E-UTRAN (Ramón Agusti and Ramon Ferrús, 2010).. 14.

(40) Capítulo 2 “Descripción de la Capa Física del estándar LTE-Advanced”. Capítulo 2 “Descripción de la Capa Física del estándar LTEAdvanced” La capa física es la capa de protocolo más baja del modelo de referencia OSI,. es donde ocurre el procesamiento de la señal transmitida o recibida. mediante un medio físico. En los sistemas de comunicaciones inalámbricos se encarga de procesar los datos empleando codificación de canal, entrelazado, modulación y una o múltiples antenas, donde la elección apropiada de estas técnicas, es crítica para lograr la fiabilidad deseada y el rendimiento del sistema. de. comunicaciones inalámbricas. Específicamente en los. sistemas. móviles inalámbricos, los canales de radio tienden a ser dispersivos y variante en el tiempo y muestran graves efectos Doppler, variación de retardo multitrayecto, interferencia intra-celular e inter-celular y desvanecimiento de la señal. Por lo que un diseño bueno y robusto de la capa física asegura que el sistema puede funcionar normalmente y superar los efectos mencionados anteriormente, proporcionando el rendimiento máximo y la latencia más baja en diferentes condiciones de funcionamiento (Ahmadi, 2011). Este capítulo hace referencia a una descripción teórica de las técnicas empleadas en la capa física por el protocolo LTE-Advanced. Sin bien la base de la capa física en LTE-Advanced está dada por la capa física LTE, hay varias mejoras e incorporaciones que permiten aumentar significativamente las prestaciones en LTE-Advanced en comparación con el estándar precedente para así cumplir con los requisitos de IMT- Advanced y posibilitar futuras mejoras de la interfaz aérea de radio. En el estándar propuesto para LTE-Advanced se busca mejorar las deficiencias de su antecesor (LTE), y hacer nuevas incorporaciones para buscar satisfacer las necesidades actuales que presentan las redes móviles. Para abordar las propiedades de la capa física en LTE-Advanced se tomaron en cuenta las siguientes partes de la misma y su relación que serán tratadas en este orden:. 15.

(41) Capítulo 2 “Descripción de la Capa Física del estándar LTE-Advanced”     . Resumen General de la capa física. Modulación y Canales físicos Codificación del canal y Multiplexación. Procedimientos de la capa física Medición de la capa física.. 2.1 Resumen General de la capa física. Para lograr comprender el funcionamiento de la capa física es indispensable saber cómo están relacionadas sus principales especificaciones. La figura 2.1 muestra dicha relación.. Figura 2.1: Relación entre las especificaciones de la capa física de LT (Piedrahita., 2011). 2.2 Modulación y Canales físicos La interfaz aérea de LTE está compuesta por canales físicos y señales físicas. Las señales físicas se usan para la sincronización del sistema, identificación de celda, estimación del canal de radio. Y los canales físicos se encargan de transportar los datos provenientes de las capas superiores. La Tabla 2.1 muestra un resumen de las señales físicas.. 16.

(42) Capítulo 2 “Descripción de la Capa Física del estándar LTE-Advanced” Señales físicas en el enlace descendente. Propósito. Señal de sincronización primaria. Usada para que el UE identifique y busque la celda. Llevan parte del ID de celda (una de tres secuencias ortogonales ). Señal de secundaria. Usada para que el UE identifique y busque la celda. Lleva el resto del ID de la celda (una de 168 secuencias binarias posibles). sincronización. Señal de referencia. Señales físicas ascendente. Usada para la estimación del canal descendente. La secuencia exacta se desprende del ID de la Celda (Una de 3 x 168 = 504 secuencias seudoaleatorias) en. canal. Señales de referencia (demodulación y sonido). Propósito Usada para la sincronización del UE y para la estimación del canal ascendente. Tabla 2.1: Señales físicas de LTE (Piedrahita., 2011). Respecto a los canales físicos no existen canales dedicados lo cual es una característica. muy importante. en. un. sistema. orientado. a. paquetes,. comunicaciones completamente IP. Esta estructura de canales compartidos de LTE es similar a la de HSPA y no a la modulación original W-CDMA, a continuación en la Tabla 2.2 se muestra un resumen de los canales físicos. Canales en el enlace descendente. Nombre completo. Propósito. PBCH. Canal de difusión físico. Lleva la información específica de celda. PMCH. Canal Multicast físico. Lleva el canal de transporte MCH. PDCCH. Canal del enlace descendente físico. Programación ACK/NACK. PDSCH. Canal compartido para el enlace descendente. Payload 17.

(43) Capítulo 2 “Descripción de la Capa Física del estándar LTE-Advanced” físico PCFICH. Canal indicador de formato de control físico. Define el número de símbolos OFDMA -PDCCH por subtrama. PHICH. Canal indicador HARQ físico. Lleva HARQ ACK/NACK. Canales en el enlace ascendente. Nombre completo. Propósito. PRACH. Canal de acceso aleatorio físico. Configura la llamada. PUCCH. Canal de control del enlace ascendente físico. Programación ACK/NACK. PUSCH. Canal físico compartido del enlace ascendente. Payload. Tabla 2.2: Canales físicos LTE (Piedrahita., 2011). 2.2.1 Estructura de la trama La capa física soporta OFMA para el canal descendente y SC-FDMA para el canal ascendente. Soportando FDD y TDD para entornos donde se tienen frecuencias exclusivas para los canales ascendente. y. descendente. o. frecuencias compartidas, es decir frecuencias pareadas o no pareadas (pair and unpaired). A pesar que se usan diferentes esquemas de acceso comparte la misma estructura de la trama. LTE-Advanced define 2 estructuras de trama mostradas en la Figura 2.2 y Figura 2.3.. Figura 2.2: Estructura de trama LTE-Advanced tipo 1(Piedrahita., 2011). 18.

(44) Capítulo 2 “Descripción de la Capa Física del estándar LTE-Advanced”. Figura 2.3: Estructura de trama LTE-Advanced tipo 2, con 5 ms en la periodicidad del tiempo de conmutación (Piedrahita., 2011). Para FDD se tiene la estructura tipo 1, cada trama tiene una duración de 10ms y está dividida en 10 subtramas y a su vez cada subtrama tiene 2 ranuras o slots. Para FDD esta estructura es igual para los canales ascendentes y descendentes pero en diferentes localizaciones de espectro. La trama 2 es la utilizada en el esquema TDD. La Figura A-3 muestra el ejemplo para un tiempo de conmutación de 5ms. Las subtramas se pueden utilizar para transmisiones de los canales ascendentes y descendentes o para subtramas especiales que contienen ranuras de tiempo (timeslots) pilotos para los canales ascendentes y descendentes (DwPTS UpPTS) todas la subtramas tienen una separación conocida como periodo de guarda GP. La localización de las subtramas para el canal descendente, para el canal ascendente o para subtramas especiales está determinada por una de. 7. configuraciones. posibles.. Las. subtramas 0 y 5 siempre son para transmisiones del canal descendente, la subtrama 1 siempre es para una subtrama especial y la subtrama 2 siempre es para transmisiones del canal ascendente. La configuración de las subtramas restantes varía dependiendo de la trama completa. Símbolos OFDM y prefijos cíclicos Una de las principales características de los sistemas OFDM es la habilidad de protegerse contra los retardos por multiruta. Los símbolos OFDM largos permiten la introducción de periodos de guarda entre cada símbolo para eliminar la 19.

(45) Capítulo 2 “Descripción de la Capa Física del estándar LTE-Advanced” interferencia entre símbolos. La Figura 2.4 ilustra siete símbolos en una ranura (slot) para el caso del prefijo cíclico normal. Figura 2.4: Estructura de los símbolos OFDM para un prefijo cíclico normal (Piedrahita., 2011).. La Tabla 2.3 muestra el tamaño del prefijo cíclico tanto para el canal descendente como para el ascendente. Para el descendente. representa los 15 o 7.5. KHz de espacio entre las subportadoras. El prefijo cíclico normal de 144 x TS protege contra retardos por multiruta hasta una distancia de 1.4Km. Un prefijo cíclico más largo puede dar protección hasta de 10Km (Piedrahita., 2011). Tabla 2.3. Longitud de los prefijos cíclicos para OFDMA (canal descendente) y para SC-FDMA (canal Ascendente) (Piedrahita., 2011). Configuración OFDM en el enlace descendente. Longitud del prefijo cíclico. Prefijo cíclico. 160 para l=0 144 para l=1,2,…,6 512 para l=0,1,…,5. Prefijo cíclico extendido. 1024 para l=0,1,2 Configuración SC-FDMA en el enlace ascendente Prefijo cíclico normal Prefijo cíclico extendido. Longitud del prefijo cíclico 160 para l=0 144 para l=1,2,…,6 512 para l=0,1,…,5. 20.

(46) Capítulo 2 “Descripción de la Capa Física del estándar LTE-Advanced” 2.2.2 Elementos de recurso y bloques de recurso Un elemento de recurso es la unidad más pequeña de la capa física y ocupa un símbolo OFDM o SC-FDMA en el dominio del tiempo y una subportadora en el dominio de la frecuencia. Un bloque de recurso RB, es la unidad más pequeña que puede ser programada para transmisión. Un RB físicamente ocupa 0.5ms (1 slot o ranura) en el dominio del tiempo y 180KHz en el dominio de la frecuencia. El número de subportadoras por bloque de recurso y el número de símbolos por RB varía de acuerdo con el tamaño del prefijo cíclico la Figura 2.5 y la Tabla 2.4 muestra los parámetros del bloque de recursos físicos.. Figura 2.5: Malla de recurso para el canal descendente (a) y para el canal ascendente (b) (Piedrahita., 2011).. 21.

(47) Capítulo 2 “Descripción de la Capa Física del estándar LTE-Advanced” Configuración del enlace descendente Prefijo cíclico normal 12. 7. 12 24. 6 3. 12 12. 7 6. Prefijo cíclico extendido. Configuración enlace ascendente Prefijo cíclico normal Prefijo cíclico extendido. Tabla 2.4: Parámetros del bloque de recursos físicos (Piedrahita., 2011). 2.2.3 La Agregación De La Portadora 4G LTE Advanced CA, la agregación de la portadora o del canal habilita portadoras múltiples LTE para ser usada conjuntamente para proveer las altas tasas de datos que se requieren para 4G Usando LTE-Advanced agregación de la portadora, se logra utilizar más de una portadora y de este modo aumentar el ancho de banda de transmisión global. Estos canales o estas portadoras pueden estar en elementos contiguos del espectro, o pueden estar en elementos diferentes. La disponibilidad del espectro es un asunto principal para 4G LTE. En muchas áreas sólo las bandas pequeñas están disponibles, a menudo como en trozos pequeños como 10 MHz. Aun con las mejoras en la eficiencia espectral no se logra proveer las tasas de rendimiento específico de datos requeridas dentro del máximo 20MHz de canal. La única forma para lograr las tasas superiores de datos es aumentar el ancho de banda global usado. IMT-Advanced coloca el límite superior en 100 MHz, pero con una expectación de 40MHz comienza el usó para la actuación mínima. Para el futuro es posible que el límite máximo de 100 MHz pueda aumentarse. Es bien entendido que ese espectro es un activo valioso, y lleva su tiempo para 22.