Descripción y análisis de la tecnología LTE

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(1)Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas Facultad de Ingeniería Eléctrica Departamento de Telecomunicaciones y Electrónica. TRABAJO DE DIPLOMA “Descripción y análisis de la tecnología LTE”. Autor: Daschel Domínguez Alvarez. Tutor: Dr. Samuel Montejo Sánchez. Santa Clara 2014 "Año del 55 Aniversario del Triunfo de la Revolución".

(2) Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas Facultad de Ingeniería Eléctrica Departamento de Telecomunicaciones y Electrónica. TRABAJO DE DIPLOMA “Descripción y análisis de la tecnología LTE”. Autor: Daschel Domínguez Alvarez Email: dominguez@uclv.edu.cu. Tutor: Dr. Samuel Montejo Sánchez Profesor, Dpto. de Telecomunicaciones y Electrónica Email: montejo@uclv.edu.cu. Santa Clara 2014 "Año del 55 Aniversario del Triunfo 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 Tutor. Firma del Jefe de Departamento donde se defiende el trabajo. Firma del Responsable de Información Científico-Técnica.

(4) i. PENSAMIENTO. Muchos de los fracasos en la vida lo experimentan personas que no se dan cuenta cuan cerca estuvieron del éxito cuando decidieron darse por vencidos. Thomas Edison..

(5) ii. DEDICATORIA. A mis padres por darme la vida, apoyarme en todo momento y creer en mí. A mi hermano, que siempre está al tanto de mí. A mi novia, por estar siempre a mi lado cuando más la necesito. A mi familia, por darme su apoyo incondicional. A mi abuelo Georgino, que siempre lo voy a tener en mi corazón. A Alberto, que siempre va a ser mi mejor profesor. A mis maestras Isthar y Mireya y todas aquellas personas que me formaron en la persona que soy..

(6) iii. AGRADECIMIENTOS. A mis padres, por todo lo que han hecho y sacrificado por mí. A mi tutor Samuel, por ayudarme a realizar este trabajo. A mi novia, que me ha apoyado en todo momento. A mi hermano y familia por toda la ayuda y apoyo que siempre me han dado. A mis amigos Alejandro, Norlen, Carlos Andris, Alexis, el Wao y los demás compañeros de mi aula por toda la ayuda que me han dado en estos cinco años de mi carrera. A todos los profesores de mi facultad por brindarme sus conocimientos para mi formación profesional. A los trabajadores del Taller de Reparaciones de Etecsa de Sancti Spíritus por su colaboración en la confección de este trabajo. A todos aquellos amigos y personas que de una forma y otra participaron en la realización de este trabajo..

(7) iv. RESUMEN. Como parte de la evolución de los sistemas móviles de la 3ra Generación (3G) surge el estándar LTE creado por la asociación 3GPP para incrementar las tasas de transmisión de datos utilizando el protocolo IP. En el presente trabajo de investigación se lleva a cabo un estudio y análisis de esta tecnología para la formación de los ingenieros y especialistas en telecomunicaciones. Además, se enuncian los objetivos y características fundamentales del estándar LTE, se analizan las tecnologías utilizadas en su diseño y se describe la arquitectura del modelo. Adicionalmente se evalúa esta tecnología, en función del criterio de especialistas e investigadores, acorde a parámetros de desempeño tales como la tasa de transferencia media y la tasa de transferencia en el borde de celda por usuario, comprobándose así su alta calidad de servicio y mejoras en el desempeño con respecto a estándares predecesores..

(8) v. TABLA DE CONTENIDOS. PENSAMIENTO .....................................................................................................................i DEDICATORIA .................................................................................................................... ii AGRADECIMIENTOS ........................................................................................................ iii RESUMEN ............................................................................................................................iv INTRODUCCIÓN .................................................................................................................. 1 CAPÍTULO 1. Objetivos y tecnologías para el diseño de LTE .............................................. 4 1.1 Antecedentes de la tecnología LTE .............................................................................. 4 1.2 Objetivos y requerimientos para LTE ........................................................................... 6 1.3 Tecnologías para LTE ................................................................................................... 8 1.3.1 Transmisión OFDM ............................................................................................... 8 1.3.2 Transmisión SC-FDMA ....................................................................................... 12 1.3.3 Técnicas de antenas múltiples ............................................................................. 16 1.4 Capacidades del equipo de usuario ............................................................................. 26 1.5 Conclusiones del capítulo ........................................................................................... 27 CAPÍTULO 2. Arquitectura y diseño de LTE ...................................................................... 28 2.1 Arquitectura de la interfaz de radio de LTE ............................................................... 28 2.1.1 RLC: Control del Enlace de Radio ...................................................................... 30 2.1.2 MAC: Control de Acceso al Medio ...................................................................... 31 2.1.3 PHY: la capa física .............................................................................................. 36 2.1.4 El flujo de datos ................................................................................................... 38 2.2 Capa física de LTE ..................................................................................................... 39 2.2.1 Estructura completa del dominio del tiempo ....................................................... 39 2.2.2 Esquema de transmisión del enlace descendente ................................................ 41 2.2.3 Esquema de transmisión del enlace ascendente .................................................. 48 2.3 Evolución de la arquitectura del sistema .................................................................... 53 2.4 Conclusiones del capítulo ........................................................................................... 57 CAPÍTULO 3. Evaluación del desempeño de LTE .............................................................. 58 3.1 Evaluación del sistema LTE según Dahlman ............................................................. 58 3.1.1 Parámetros utilizados en la evaluación del desempeño de LTE ......................... 58.

(9) vi 3.1.2 El desempeño de LTE con portadoras de 5 MHz ................................................ 61 3.1.3 El desempeño de LTE con portadoras de 20 MHz .............................................. 64 3.2 Evaluación del sistema LTE según Mehlführer .......................................................... 65 3.2.1 Parámetros utilizados en la evaluación del desempeño de LTE ......................... 65 3.2.2 El desempeño del enlace descendente de LTE..................................................... 68 3.3 Evaluación del sistema LTE según Blumenstein ........................................................ 69 3.3.1 Parámetros utilizados en la evaluación del desempeño de LTE ......................... 69 3.3.2 El desempeño del enlace ascendente de LTE ...................................................... 70 3.4 Evaluación del sistema LTE según Chen ................................................................... 71 3.4.1 Parámetros utilizados en la evaluación del desempeño de LTE ......................... 71 3.4.2 El desempeño del enlace ascendente de LTE ...................................................... 72 3.5 Otros resultados del desempeño de LTE .................................................................... 73 3.6 Conclusiones del capítulo ........................................................................................... 75 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ................................................................... 76 GLOSARIO .......................................................................................................................... 78 REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS ................................................................................. 80 ANEXOS .............................................................................................................................. 82.

(10) INTRODUCCIÓN. 1. INTRODUCCIÓN. Las tecnologías celulares especificadas por el Proyecto Asociación de Tercera Generación (3GPP: 3rd Generation Partnership Project) son desplegadas extensamente en el mundo. Uno de los estándares desarrollados en 3GPP es la Evolución a Largo Plazo (LTE: Long Term Evolution). Este estándar fue precedido por otros que contribuyeron a su desarrollo como el Sistema Global para las Comunicaciones móviles (GSM: Global System for Mobile communications) y el Sistema Universal de Telecomunicaciones Móviles (UMTS: Universal Mobile Telecommunications System) basado en el Acceso Múltiple por División de Código de Banda ancha (WCDMA: Wideband Code Division Multiple Access). (Dahlman et al., 2007). Este estándar posee varias características mejores que las de estándares anteriores como GSM y UMTS que lo hacían único en su tiempo tales como: . Velocidades superiores a 100 Mbps y 50 Mbps para el enlace descendente y ascendente respectivamente.. . Ancho de banda adaptativo desde 1.4 MHz hasta 20 MHz. (Sesia et al., 2009). . Compatibilidad con otras tecnologías de 3GPP como GSM y UMTS (WCDMA).. . Celdas para la transmisión de datos óptima con radios de hasta 5 km.. . Baja latencia con valores de 10 ms para el nivel de usuario. (3GPP, 2005). . Interfaz y arquitectura de radio completamente nueva basada en un nuevo nodo: el Nodo B evolucionado (eNodeB: evolved Node B), donde se le integra el nodo de control del sistema UMTS: el Controlador de la red de radio (RNC: Radio Network Controller) reduciendo el costo y la complejidad de los equipos. (3GPP, 2007b).

(11) INTRODUCCIÓN. 2. El estudio del tema es motivado debido a que en Cuba todavía no se han implementado tecnologías de los sistemas móviles de la 3ra Generación (3G: 3rd Generation) que aporten nuevos servicios como la navegación web, voz sobre IP (VoIP: Voice over IP), televisión móvil, juegos en línea y videos en tiempo real, así como tasas de transmisión de datos más altas como los que aportan la tecnología LTE basada principalmente en la tecnología Multiplexación por División de Frecuencias Ortogonales (OFDM: Orthogonal Frequency Division Multiplexing). Este trabajo pretende ser una introducción y guía para los especialistas e ingenieros de telecomunicaciones de nuestro país de la implementación de este nuevo estándar. Además, no existe un documento o material de estudio en la Facultad de Eléctrica de la Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas sobre LTE para poder comprender las características de esta tecnología y evaluar su desempeño con respecto a estándares anteriores. Lo que trae consigo el siguiente problema científico: ¿Cómo contribuir a la comprensión de las características de la tecnología LTE para la formación de los ingenieros y especialistas en telecomunicaciones? Por lo tanto, el objetivo general de esta investigación es: . Crear un informe de estudio para la comprensión y análisis de la tecnología LTE.. Partiendo del objetivo general surgen los objetivos específicos siguientes: 1. Analizar las tecnologías para el diseño de LTE. 2. Describir la arquitectura del modelo del estándar LTE. 3. Evaluar la tecnología LTE en función del criterio de especialistas e investigadores y de parámetros de desempeño tales como la tasa de transferencia media, la tasa de transferencia en el borde de celda por usuario y la eficiencia espectral. El trabajo queda estructurado en introducción, capitulario, conclusiones, recomendaciones, glosario, referencias bibliográficas y anexos. En el Capítulo 1: “Objetivos y tecnologías para el diseño de LTE” se describen los objetivos trazados para el estándar LTE y las principales características de las tecnologías sobre las que está fundamentada LTE. En el Capítulo 2: “Arquitectura y diseño de LTE” se describen las principales funciones de las diferentes capas de la arquitectura de la interfaz de radio del estándar LTE. Además se.

(12) INTRODUCCIÓN. 3. abordan los esquemas de transmisión para los enlaces descendente y ascendente de la capa física; así como la arquitectura del sistema LTE más conocida como Evolución de Arquitectura del Sistema (SAE: System Architecture Evolution). En el Capítulo 3: “La evaluación del desempeño de LTE” se discuten evaluaciones de la tecnología LTE, en función del criterio de especialistas e investigadores, de parámetros de desempeño tales como la tasa de transferencia media, la tasa de transferencia en el borde de celda por usuario y la eficiencia espectral; así como evaluaciones de la tecnología LTE con diferentes esquemas de multiplexación espacial [Múltiples Entradas Múltiples Salidas (MIMO: Multiple-Input Multiple-Output)] y con diferente número de retransmisiones de Solicitud de Repetición Automática Híbrida (HARQ: Hybrid Automatic Repeat reQuest), para así evaluar su desempeño..

(13) CAPÍTULO 1. OBJETIVOS Y TECNOLOGIAS PARA EL DISEÑO DE LTE. 4. CAPÍTULO 1. Objetivos y tecnologías para el diseño de LTE Para una mejor comprensión del estándar LTE es necesario conocer los antecedentes de este estándar, los cuales se discutirán en la Sección 1.1. La actividad de 3GPP sobre la evolución de 3G ajustó los objetivos y requisitos para LTE en el 2005. Estos objetivos o requerimientos fueron documentados en (3GPP, 2005) y son discutidos en la Sección 1.2. Para cumplir estos objetivos el estándar LTE se basa en varias tecnologías innovadoras como OFDM, Acceso Múltiple por División de Frecuencia de Portadora Única (SC-FDMA: Single CarrierFrequency Division Multiple Access) y MIMO las cuales se discutirán en la Sección 1.3. Las capacidades de las distintas categorías de los equipos de los usuarios son presentados en la Sección 1.4.. 1.1 Antecedentes de la tecnología LTE Los primeros estándares para la telefonía móvil surgieron a partir del año 1946 cuando la Comisión Federal de Comunicaciones (FCC: Federal Communications Commission) de Estados Unidos aprobó el primer servicio comercial de telefonía móvil, operado por los Laboratorios Telefónicos Bell de la Corporación Americana de Teléfono y Telégrafo (AT&T: American Telephone and Telegraph) y realizado bajo el Sistema de Telefonía Móvil (MTS: Mobile Telephone System) (Dahlman et al., 2007). El primer sistema de comunicación móvil internacional era el sistema analógico de Telefonía Móvil Nórdica (NMT: Nordic Mobile Telephony), lanzado en 1981 junto con el Sistema Telefónico Móvil Avanzado (AMPS: Advanced Mobile Phone System). Los equipos eran enormes y pesados y la calidad de voz era a menudo incoherente de esta 1ra Generación (1G: 1st Generation). En Europa, la Conferencia Europea de Administraciones de Correos y Telecomunicaciones (CEPT: European Conference of Postal and Telecommunications Administrations) iniciaron el proyecto de GSM para desarrollar un sistema móvil digital basado en Acceso Múltiple por División de Tiempo (TDMA: Time Division Multiple Access) en la década de los 80. Como parte de la 2da Generación (2G: 2da Generation) el desarrollo de un estándar celular digital en Estados Unidos fue desarrollado por la Asociación de la Industria de Telecomunicaciones.

(14) CAPÍTULO 1. OBJETIVOS Y TECNOLOGIAS PARA EL DISEÑO DE LTE. 5. (TIA: Telecommunications Industry Association) resultando en el Estándar Interino 54 (IS54: Interim Standard-54) basado en TDMA. Las tasas de transmisión de datos máximas en la 2G eran inicialmente 9.6 kbps. El trabajo sobre la comunicación móvil de la 3G empezó en la Unión Internacional de Telecomunicaciones (ITU: International Telecommunications Union) en la década de 1980. El 3GPP fue constituido en 1998 por organizaciones de desarrollo de estándares de diferentes áreas del mundo para manejar el desarrollo de acceso de radio de 3G. Más tarde el sector de radiocomunicaciones de la ITU (ITU-R: International Telecommunications Union Radiocommunications sector) desarrolló un rango de recomendaciones para el estándar global de Telecomunicaciones Móviles Internacionales 2000 (IMT – 2000: International Mobile Telecommunications 2000) para la 3G. (ITU-R, 2005) Las diversas especificaciones del proyecto 3GPP corren a cargo de diferentes Grupos de Especificación Técnica (TSG: Technical Specification Group). Los documentos de 3GPP son divididos en versiones realizadas en las reuniones de los TSG. La primera versión: la versión 99, contiene todas las características necesarias del UMTS basado en WCDMA para cubrir los requisitos de IMT - 2000 definidos por la ITU. La tecnología Acceso Múltiple por División de Código Síncrono de División de Tiempo (TD-SCDMA: Time DivisionSynchronous Code Division Multiple Access) fue anexada en la versión 4 de las especificaciones de 3GPP. La primera adición muy importante de las características de WCDMA es el Acceso Descendente de Paquetes a Alta Velocidad (HSDPA: High-Speed Downlink Packet Access) anexado en la versión 5 y luego el Acceso Ascendente de Paquetes a Alta Velocidad (HSUPA: High-Speed Uplink Packet Access) que aparece en la versión 6. Estas dos tecnologías son referidas juntas como Acceso de Paquetes a Alta Velocidad (HSPA: High-Speed Packet Access) y más adelante es mejorado en la versión 7 ya que en la misma aparece HSPA Evolucionado (HSPA+: Evolved HSPA). El proceso de estandarización de LTE, desarrollado por 3GPP, fue inaugurado en Canadá, en el 2004, para la evolución futura de las especificaciones de los sistemas móviles, desarrollar la tecnología de acceso de radio de 3GPP y asegurar competitividad sobre un límite de tiempo de 10 años (de ahí el nombre de Evolución a Largo Plazo de LTE) (Sesia et al., 2009). Bajo los auspicios de 3GPP los requisitos para LTE fueron documentados en (3GPP, 2005). Más.

(15) CAPÍTULO 1. OBJETIVOS Y TECNOLOGIAS PARA EL DISEÑO DE LTE. 6. tarde en la versión 8 de 3GPP del año 2008 aparece definida la primera versión de la red LTE, así como mejoras de HSPA+ y la aparición de la red SAE. El primer servicio comercial de LTE fue lanzado en Escandinavia en el 2009 y en el 2010 se puso en marcha la primera red LTE comercial en Polonia. En la versión 9 de 3GPP aparecen mejoras de la red SAE y en la versión 10 aparece LTE Avanzado (LTE-A: LTE Advanced) cumpliendo los requisitos del IMT Avanzado de 4ta Generación (4G: 4th Generation). Esta nueva especificación es compatible con el LTE desarrollado en la versión 8 e implementado ya en algunos países.. 1.2 Objetivos y requerimientos para LTE Las métricas de desempeño principales usadas en la definición de los requerimientos de LTE se reflejan en esta sección. El Anexo 1 resume los objetivos y requisitos de desempeño principales mediante los cuales la primera versión de LTE fue diseñada. Muchas de las cifras son dadas en comparación con el desempeño de la versión 6 de 3GPP: HSPA, conocida también como WCDMA básico. Las tasas de transmisión preestablecidas a ser alcanzadas en el enlace descendente y ascendente fueron de 100 Mbps y 50 Mbps respectivamente dentro de un ancho de banda de 20 MHz (cuatro veces el ancho de banda de una portadora de WCDMA), correspondiente a las eficiencias espectrales máximas respectivas de 5 y 2.5 bps / Hz respectivamente. Los requerimientos de movilidad se concentran en la velocidad de los terminales móviles. El desempeño máximo es alcanzado a velocidades bajas del terminal (0 - 15 km/h). Para las velocidades hasta 120 km/h, LTE debe proporcionar un buen desempeño y para las velocidades superiores de 120 km/h, el sistema debe poder mantener la conexión a través de la red celular. El sistema LTE es requerido para soportar comunicación con terminales moviéndose a velocidades de hasta 350 km/h como máximo. (3GPP, 2005) Para los escenarios de LTE es requerido cubrir los requisitos de tasa de transferencia por usuario, eficiencia de espectro y de movilidad para celdas típicas con un rango de hasta 5 km. Los requerimientos de latencia están divididos en los requisitos a nivel de control y los requisitos a nivel de usuario. La latencia a nivel de control es medida como el tiempo requerido para llevar a cabo las transiciones entre los estados inactivo y activo de LTE, con restricciones de 100 ms..

(16) CAPÍTULO 1. OBJETIVOS Y TECNOLOGIAS PARA EL DISEÑO DE LTE. 7. También el sistema LTE es requerido para respaldar al menos 200 usuarios de estado activo por celda para asignaciones de espectro de hasta 5 MHz y al menos 400 usuarios por celda para asignaciones de espectro de hasta 20 MHz. (3GPP, 2005) La latencia a nivel de usuario es expresado como el tiempo que toma el sistema LTE para transmitir un paquete de datos del terminal móvil hasta un nodo ubicado en el borde de la Red de Acceso de Radio (RAN: Radio Access Network) o viceversa, medido sobre la capa IP. El sistema LTE es requerido para funcionar con una latencia de paquetes de datos, en la dirección ascendente de la capa IP a través de la RAN, tan baja como 5 ms en condiciones óptimas (carga baja del sistema y condiciones de propagación de radio muy buenas). El sistema LTE puede ser implementado como un sistema independiente o como un sistema implementado junto con HSPA y/o GSM. La base para los requisitos sobre la flexibilidad de espectro es el requisito para LTE de ser implementado en bandas de frecuencia de IMT 2000 existentes, que implica la coexistencia con los sistemas que ya son implementados en esas bandas, incluyendo WCDMA/HSPA y GSM. LTE soporta tanto la operación Duplexación por División de Frecuencia (FDD: Frequency Division Duplex) como la operación Duplexación por División de Tiempo (TDD: Time Division Duplex). Los sistemas FDD son implementados en asignaciones de bandas de frecuencias comunes para distintas áreas geográficas, teniendo un rango de frecuencia dirigido a la transmisión del enlace descendente y otro para la transmisión del enlace ascendente. Los sistemas TDD son implementados en asignaciones de bandas de frecuencias no comunes, o sea en bandas de frecuencia típicas asignadas a distintos continentes o áreas geográficas. Un ejemplo del espectro de IMT - 2000 en 2 GHz, asignado a Europa y Asia y usado para LTE, es mostrado en la Figura 1.1. A través de la regulación local y regional el uso del espectro de IMT - 2000 podría ser diferente de lo que se muestra en la Figura 1.1. LTE puede usar asignaciones de ancho de banda en el rango desde 1.4 a 20 MHz con una sola portadora.. Figura 1.1 Bandas de frecuencias de IMT - 2000 en 2GHz asignadas a Europa y Asia..

(17) CAPÍTULO 1. OBJETIVOS Y TECNOLOGIAS PARA EL DISEÑO DE LTE. 8. También la tecnología LTE es requerida para integrar un modo de difusión (broadcast) o de multidifusión (multicast) eficiente para servicios multimedia por difusión/multidifusión (MBMS: Multimedia Broadcast/Multicast Service) de tasas de transmisión altas como la televisión móvil, basado en un modo de operación de Red de Frecuencia Única (SFN: SingleFrequency Network) (Zirwas, 2000). Un requisito para LTE de eficiencia espectral de difusión fue puesto a 1 bps / Hz, que corresponde a alrededor de 16 canales de televisión móviles, de 300 kbps cada uno, en una asignación de espectro de 5 MHz. En general, LTE debe proveer servicios MBMS mejores que lo que es posible con la versión 6 de 3GPP.. 1.3 Tecnologías para LTE Para el diseño de LTE se utilizan tecnologías avanzadas como OFDM, SC-FDMA, técnicas de antenas múltiples como MIMO y tecnologías nuevas para la interfaz de radio conmutada de paquetes como HARQ con Redundancia Incremental (IR: Incremental Redundancy).. 1.3.1 Transmisión OFDM La tecnología OFDM ha sido adoptada como el esquema de transmisión del enlace descendente para el estándar LTE de 3GPP.. Principios básicos de OFDM Una manera de incrementar el ancho de banda de transmisión es el uso de la denominada transmisión multiportadora. La transmisión multiportadora implica que, en lugar de transmitir una simple señal de banda ancha, múltiples señales de banda estrecha, a menudo referidas como subportadoras, son multiplexadas en frecuencia y transmitidas conjuntamente sobre el mismo enlace de radio al mismo receptor; es decir una tecnología existente de acceso de radio de banda estrecha es extendida a un ancho de banda de transmisión total más amplio por la transmisión paralela de subportadoras de banda estrecha. La transmisión paralela de subportadoras múltiples conducirá a variaciones más grandes en la potencia de transmisión instantánea, por lo tanto tendrá un impacto negativo sobre la eficiencia del amplificador de potencia del transmisor, implicando un consumo de potencia del transmisor y costo del amplificador de potencia mayor. Por esta razón, la transmisión multiportadora es más apropiada para el enlace descendente comparado con el enlace.

(18) CAPÍTULO 1. OBJETIVOS Y TECNOLOGIAS PARA EL DISEÑO DE LTE. 9. ascendente, dada la relevancia de la eficiencia del amplificador de potencia para la autonomía del terminal móvil. Las características básicas de la transmisión OFDM, que lo distinguen de una extensión multiportadora sencilla de un esquema de transmisión de banda estrecha son: • El uso de un relativo número grande de subportadoras de banda estrecha (desde más de 72 hasta 1200). En contraste, una extensión multiportadora sencilla constaría típicamente de solamente algunas subportadoras (de 1 a 4), cada una con un relativo ancho de banda amplio. Como un ejemplo, una evolución multiportadora de WCDMA para un ancho de banda de transmisión de 20 MHz podía estar constituido por cuatro subportadoras, cada una con un ancho de banda en el orden de 5 MHz; mientras que el número de subportadoras para la transmisión OFDM es de 1200 para una asignación de espectro de 20 MHz. • La formación de pulso rectangular simple como se ilustra en la Figura 1.2 a). Esto corresponde a un espectro por subportadora formado por una función sinc cuadrada, como se ilustra en la Figura 1.2 b). • El empaquetado estrecho del dominio de la frecuencia de las subportadoras con un espaciamiento de subportadora Δf = 1/𝑇u , donde 𝑇u es el tiempo de símbolo de modulación por subportadora (ver la Figura 1.2 c). El espaciamiento de subportadoras es por lo tanto, igual a la razón de modulación por subportadora 1/𝑇u . Para LTE el espaciamiento de subportadoras básico es igual a 15 kHz. (Dahlman et al., 2007). Figura 1.2 (a) Forma del pulso de una subportadora para la transmisión OFDM. (b) Espectro de una subportadora de OFDM. (c) Espaciamiento de subportadoras de OFDM.. La fuente de información física en caso de la transmisión OFDM es ilustrada como una cuadrícula de frecuencia-tiempo como se muestra en la Figura 1.3 donde cada columna.

(19) CAPÍTULO 1. OBJETIVOS Y TECNOLOGIAS PARA EL DISEÑO DE LTE. 10. equivale a la duración de un símbolo OFDM y cada fila equivale al ancho de banda de una subportadora OFDM. (Dahlman et al., 2005). Figura 1.3 Cuadrícula de frecuencia-tiempo de OFDM.. La transmisión OFDM es por lo tanto basada en bloque, implicando que, durante cada intervalo de símbolo OFDM, los símbolos del bloque de modulación 𝑎0 , 𝑎1 , … , 𝑎𝑁𝑐−1 sean transmitidos en paralelo. Los símbolos de modulación pueden ser de cualquier orden de modulación, tales como Modulación por Desplazamiento de Fase Cuaternaria (QPSK: Quadrature Phase-Shift Keying), Modulación de Amplitud en Cuadratura de 16 estados (16QAM: 16-Quadrature Amplitude Modulation) o Modulación de Amplitud en Cuadratura de 64 estados (64QAM: 64-Quadrature Amplitude Modulation) (Dahlman et al., 2005). Debido a esta estructura específica, la modulación y demodulación OFDM se puede implementar por medio del procesamiento de la Transformada de Fourier Discreta Inversa (IDFT: Inverse Discrete Fourier Transform) y de la Transformada de Fourier Discreta (DFT: Discrete Fourier Transform) respectivamente. Una representación del esquema de modulación OFDM se muestra en el Anexo 2 y de la demodulación OFDM en el Anexo 3.. La inserción del prefijo cíclico Una señal OFDM no deformada puede ser demodulada sin ninguna interferencia entre subportadoras. Sin embargo, en caso de un canal dispersivo de tiempo, la ortogonalidad entre las subportadoras, al menos en parte, será perdida, ya que el intervalo de correlación del demodulador para una trayectoria coincidirá en parte con los límites de símbolo de una trayectoria diferente provocando no solo interferencia entre símbolos dentro de un subportadora sino también interferencia entre subportadoras..

(20) CAPÍTULO 1. OBJETIVOS Y TECNOLOGIAS PARA EL DISEÑO DE LTE. 11. Para arreglar este problema y hacer una señal OFDM realmente insensible a la dispersión de tiempo sobre el canal de radio, la inserción del prefijo cíclico (CP: Cyclic Prefix) es usada en la transmisión OFDM. Como se ilustra en la Figura 1.4 la inserción del CP implica que la última parte del símbolo OFDM es copiada e insertada al principio del símbolo OFDM. La inserción del CP por lo tanto incrementa la longitud del símbolo OFDM de 𝑇𝑢 a 𝑇𝑢 + 𝑇𝐶𝑃 , donde 𝑇𝐶𝑃 es la longitud del CP. La ortogonalidad entre las subportadoras estará entonces conservada en caso de un canal dispersivo de tiempo, con tal de que el intervalo de la dispersión de tiempo sea más corto que la longitud del CP. En LTE el CP dura de 4.7 μs (CP corto) a 16.7 μs (CP largo).. Figura 1.4 Inserción del CP.. OFDM como un esquema de acceso múltiple y multiplexación de usuarios OFDM, además de ser utilizada para la transmisión en el enlace descendente para un único terminal móvil, también puede ser usada como un esquema de multiplexación de usuarios o de acceso múltiple, permitiendo las transmisiones separadas de frecuencias simultáneas para o desde terminales móviles múltiples. En la dirección del enlace descendente o ascendente, OFDM como un esquema de multiplexación de usuarios o de acceso múltiple implica que, en cada intervalo de símbolo OFDM, los subconjuntos diferentes del conjunto completo de subportadoras disponibles son usados para la transmisión de datos a terminales móviles diferentes (en caso del enlace descendente, Figura 1.5 a) o de terminales móviles diferentes (en caso del enlace ascendente, Figura 1.5 b). En este caso, el término de Acceso Múltiple por División de Frecuencias.

(21) CAPÍTULO 1. OBJETIVOS Y TECNOLOGIAS PARA EL DISEÑO DE LTE. 12. Ortogonales (OFDMA: Orthogonal Frequency-Division Multiple Access) también es usado a menudo.. Figura 1.5 OFDM como un esquema de acceso múltiple / multiplexación de usuarios: (a) enlace descendente y (b) enlace ascendente.. La Figura 1.5 supone que subportadoras consecutivas son usadas para la transmisión de datos. Sin embargo, distribuir las subportadoras para un terminal móvil o de un terminal móvil en el dominio de la frecuencia es también posible como se ilustra en la Figura 1.6 a) para el enlace descendente y en la Figura 1.6 b) para el enlace ascendente. El beneficio de tal multiplexación de usuarios distribuida o acceso múltiple distribuido es una posibilidad de tener diversidad de frecuencia adicional cuando cada transmisión es difundida sobre un ancho de banda muy amplio.. Figura 1.6 Multiplexación de usuarios distribuida: (a) enlace descendente y (b) enlace ascendente.. 1.3.2 Transmisión SC-FDMA Mientras muchos de los requisitos para el diseño de la capa física del enlace ascendente y el esquema de acceso múltiple son similares a los del enlace descendente, el enlace ascendente.

(22) CAPÍTULO 1. OBJETIVOS Y TECNOLOGIAS PARA EL DISEÑO DE LTE. 13. también plantea algunos desafíos únicos. Algunos de los atributos deseables para el enlace ascendente de LTE incluyen: •Transmisión del enlace ascendente ortogonal por terminales móviles diferentes, para minimizar la interferencia de intracelda y maximizar la capacidad. •Relación de potencia pico a potencia promedio (PAPR: Peak-to-Average Power Ratio) suficientemente baja de la forma de onda transmitida, para evitar el excesivo costo, tamaño y consumo de potencia del amplificador de potencia del terminal móvil. •Soporte para la planificación selectiva de frecuencia y las técnicas de antenas múltiples avanzadas, para explotar la diversidad espacial y aumentar la capacidad del enlace ascendente. El esquema de acceso múltiple seleccionado para el enlace ascendente de LTE para cumplir estas características es SC-FDMA.. Principios básicos de SC-FDMA SC - FDMA combina las características deseables de OFDM con bajo PAPR de los esquemas de transmisión de simple portadora. De la misma manera que OFDM, SC - FDMA divide el ancho de banda de transmisión en subportadoras paralelas múltiples, con ortogonalidad entre las subportadoras siendo mantenida en canales selectivos de frecuencia por el uso de un intervalo de guarda que evita la interferencia entre símbolos SC-FDMA. Sin embargo, a diferencia de OFDM, donde los símbolos de datos directamente modulan cada subportadora por separado, en SC - FDMA la señal modulada en una subportadora determinada es una combinación lineal de todos los símbolos de datos transmitidos en el mismo instante de tiempo (Motorola, 2005). Por lo tanto, en cada período de símbolo, todas las subportadoras transmitidas de una señal SC - FDMA traen un componente de cada símbolo de datos modulado. Esto le permite a SC - FDMA su propiedad crucial de simple portadora y provoca que la PAPR sea significativamente inferior en SC - FDMA que en los esquemas de transmisión de multiportadora como OFDM. Un esquema de transmisión del enlace ascendente ortogonal debe permitir Acceso Múltiple por División de Frecuencia (FDMA: Frequency Division Multiple Access) con asignación de.

(23) CAPÍTULO 1. OBJETIVOS Y TECNOLOGIAS PARA EL DISEÑO DE LTE. 14. ancho de banda flexible para poder suministrar alta tasa de transmisión de paquetes de datos como se ilustra en la Figura 1.7.. Figura 1.7 FDMA con asignación de ancho de banda flexible.. La asignación de ancho de banda flexible es sencilla de lograr, con un esquema de transmisión de enlace ascendente basado en OFDM por la asignación dinámica de un número diferente de subportadoras a los terminales móviles diferentes dependiendo de sus condiciones de canal instantáneas, más específicamente por medio de la OFDM Extendida por la DFT (DFT-S-OFDM: DFT-Spread OFDM).. OFDM Extendida por la DFT Debido a que DFT-S-OFDM combina la posibilidad de FDMA con asignación de ancho de banda flexible y variaciones pequeñas en la potencia instantánea de la señal transmitida (propiedad de simple portadora), ha sido seleccionado para el esquema de transmisión del enlace ascendente de LTE (SC-FDMA). El principio básico de la transmisión DFT-S-OFDM es ilustrado en la Figura 1.8 (Dinis et al., 2004). Similar a la modulación OFDM, DFT-S-OFDM depende de la generación de señal basada en bloque. El primer paso de la generación de la señal SC - FDMA (DFT-S-OFDM) es llevar a cabo una operación DFT de razón o tamaño M sobre cada bloque de M símbolos de datos. La salida de la DFT es entonces aplicada a las entradas consecutivas de una DFT Inversa (un modulador OFDM) de tamaño N donde N > M y las entradas no usadas de la IDFT son puestas a cero, o sea son insertados ceros entre las salidas de la DFT. Las posiciones de los ceros determinan a qué subportadoras es correlacionado el dato precodificado por la DFT y la posición de la señal transmitida dentro del espectro de frecuencias del enlace ascendente disponible total. También similar a OFDM, un CP es preferiblemente insertado para cada bloque transmitido..

(24) CAPÍTULO 1. OBJETIVOS Y TECNOLOGIAS PARA EL DISEÑO DE LTE. 15. Figura 1.8 Generación de la señal DFT-S-OFDM.. DFT-S-OFDM es capaz de generar tanto transmisiones localizadas como distribuidas: •Transmisión localizada. La correlación de subportadoras asigna un grupo de M adyacentes subportadoras a un usuario. La señal transmitida es por lo tanto, similar a una simple portadora de banda estrecha con un CP; o sea una señal con variaciones bajas de potencia y con un ancho de banda que depende de M, permitiendo la asignación de ancho de banda flexible. •Transmisión distribuida. La correlación de subportadoras asigna M subportadoras equitativamente espaciadas con un espaciamiento o factor de repetición igual a L subportadoras (En la Figura 1.8 L=3). L-1 ceros son insertados entre las M salidas de la DFT y ceros adicionales son añadidos en cada lado de la salida de la DFT antes de la IDFT (ML < N). Para el caso localizado L=1. (Dinis et al., 2004).

(25) CAPÍTULO 1. OBJETIVOS Y TECNOLOGIAS PARA EL DISEÑO DE LTE. 16. La ortogonalidad entre diferentes usuarios con requerimientos diferentes de tasa de transmisión de datos puede ser conseguida asignando a cada usuario un único conjunto de subportadoras. El beneficio principal de DFT-S-OFDM, comparado con un esquema de transmisión multiportadora como OFDM, es la reducción de las variaciones en la potencia de transmisión instantánea, implicando la posibilidad de un incremento en la eficiencia del amplificador de potencia, o sea una reducción de la PAPR. La PAPR es definida como la potencia máxima dentro de un bloque IDFT (un símbolo OFDM) normalizado por la potencia de señal promedio. Las operaciones de la demodulación de una señal DFT-S-OFDM son básicamente lo contrario de la generación de la señal DFT-S-OFDM de la Figura 1.8. El principio básico de la demodulación de una señal DFT-S-OFDM es ilustrado en el Anexo 4.. 1.3.3 Técnicas de antenas múltiples Las técnicas de antenas múltiples en el receptor y/o el transmisor, en combinación con el procesamiento avanzado de la señal, pueden ser usadas para elevar el desempeño del sistema, en términos de capacidad y cobertura del sistema, así como la tasa de transmisión media por usuario.. Configuraciones de antenas múltiples Las antenas en una configuración de antena múltiple pueden ser ubicadas relativamente lejos o cerca de sí, implicando una correlación mutua del desvanecimiento del canal de radio, experimentado por las señales en las antenas diferentes, relativamente baja o alta respectivamente, dependiendo de lo que se quiere conseguir con la configuración de antena múltiple: diversidad, configuración del haz (beamforming), o multiplexación espacial. La disponibilidad de antenas múltiples en el transmisor y/o receptor puede ser utilizada en maneras diferentes para conseguir los siguientes objetivos: • Las antenas múltiples en el transmisor y/o el receptor pueden ser usadas para suministrar diversidad adicional en contra del desvanecimiento sobre el canal de radio. En este caso, los canales experimentados por las antenas diferentes deben tener correlación mutua baja, implicando la necesidad de una distancia suficientemente grande entre antenas (diversidad espacial)..

(26) CAPÍTULO 1. OBJETIVOS Y TECNOLOGIAS PARA EL DISEÑO DE LTE. 17. • Las antenas múltiples en el transmisor y/o el receptor pueden ser usadas para "dar forma" al haz de la antena completa (transmitir el haz y recibir el haz, respectivamente) en cierta manera, por ejemplo, para maximizar la ganancia de antena total en dirección al receptor / transmisor objetivo y así suprimir las específicas señales de interferencia dominantes. Tal beamforming consiste en la formación de una onda de señal reforzada mediante el desfase en distintas antenas. (Dahlman et al., 2005) • La disponibilidad simultánea de antenas múltiples en el transmisor y el receptor puede ser usada para crear canales de comunicación paralelos múltiples sobre la interfaz de radio. Esto proporciona la posibilidad para tasas de transmisión de datos muy altas dentro de un ancho de banda limitado sin una reducción de la cobertura. Esto es referido como multiplexación espacial, o sea la multiplexación de una señal de ancho de banda grande en señales de menor ancho de banda transmitidas y recibidas desde distintas antenas.. Antenas múltiples receptoras Quizás la más sencilla e históricamente la más comúnmente usada configuración de antena múltiple es el uso de antenas múltiples en el equipo receptor. Esto es a menudo referido como diversidad recibida o diversidad de recepción incluso si el objetivo de las antenas múltiples receptoras no es siempre conseguir diversidad adicional contra el desvanecimiento del canal de radio.. Figura 1.9 Combinación lineal de antenas receptoras.. La Figura 1.9 ilustra el principio básico de la combinación lineal de señales 𝑟1,...,𝑟𝑁𝑅 recibidas en 𝑁𝑅 antenas diferentes, con las señales recibidas siendo multiplicadas por factores de carga (o de peso) complejos 𝑤1 *,...,𝑤𝑁𝑅 * antes de ser añadidas juntas. En la notación vectorial esta combinación de antenas receptoras lineal puede ser expresado como.

(27) CAPÍTULO 1. OBJETIVOS Y TECNOLOGIAS PARA EL DISEÑO DE LTE. 18. (1.1) Lo que es dado en (1.1) y la Figura 1.9 es la combinación lineal de antenas receptoras en general. Los diferentes métodos específicos de combinación de antenas entonces difieren en la elección exacta del vector de carga (o de peso) . Suponiendo que la señal transmitida es solamente sujeto al desvanecimiento no selectivo de frecuencia y ruido blanco, o sea, no hay dispersión de tiempo de canal de radio, las señales recibidas en las antenas diferentes en la Figura 1.9 puede ser expresada como. (1.2) Donde s es la señal transmitida, el vector el vector. consta de las 𝑁𝑅 ganancias del canal complejo y. consta del ruido que afecta las señales recibidas en las antenas diferentes.. Para maximizar la relación señal a ruido después de la combinación lineal, el vector de carga debe ser seleccionado como (1.3) Esto es también conocido como Combinación de Relación Máxima (MRC: Maximum Ratio Combining) (Proakis, 2001). Las cargas de MRC cumplen dos propósitos: • Rota la fase de las señales recibidas en las diferentes antenas para compensar las fases de canal correspondientes y asegurar que las señales sean alineadas en fase cuando se añaden juntas. • Carga las señales en proporción a sus ganancias de canal correspondientes, es decir aplica cargas más altas para señales recibidas más fuertes.. Antenas múltiples transmisoras Antenas múltiples transmisoras pueden, además de la diversidad, también proporcionar beamforming, esto es dar forma al haz (lóbulo) de la antena completa en dirección al receptor objetivo. En general, tal beamforming, puede incrementar la fuerza de señal en el receptor hasta 𝑁𝑇 veces, o sea en proporción al número de antenas transmisoras..

(28) CAPÍTULO 1. OBJETIVOS Y TECNOLOGIAS PARA EL DISEÑO DE LTE. 19. La correlación de antena mutua alta típicamente implica una configuración de antena con una distancia entre antenas pequeña (una fracción de la longitud de onda). En este caso, los canales entre las antenas diferentes y un receptor específico son esencialmente el mismo, incluyendo el mismo desvanecimiento de canal de radio, excepto por una diferencia de fase dependiente de la dirección. El haz de transmisión total puede entonces ser dirigido en direcciones diferentes aplicando cambios de fase diferentes a las señales para ser transmitidas en las antenas diferentes, como se ilustra en la Figura 1.10.. Figura 1.10 Beamforming clásico con alta correlación mutua de antenas.. Este método de beamforming, con cambios de fase diferentes aplicadas a antenas muy correlacionadas, es a veces referido como beamforming “clásico”. Debido a la distancia entre antenas pequeña, el haz de transmisión completo será relativamente amplio y cualquier ajuste de la dirección del haz, en la práctica de los cambios de fase de la antena, será llevado sobre una base relativamente lenta. Además, debido a la suposición de la correlación alta entre las antenas transmisoras diferentes, el beamforming clásico no puede proporcionar ninguna diversidad contra el desvanecimiento del canal de radio sino solamente un aumento de la fuerza de señal recibida o de la relación señal a ruido (SNR: Signal-to-Noise Ratio).. Multiplexación espacial En caso de múltiples antenas en tanto el transmisor como el receptor existe la posibilidad de la denominada multiplexación espacial, permitiendo tasas de transmisión de datos significativamente más altas sobre la interfaz de radio. El término de procesamiento de antena de MIMO también es a menudo muy usado, aunque el término se refiere a todos los casos de múltiples antenas transmisoras y receptoras. Antenas múltiples en el receptor y el transmisor pueden ser usadas para mejorar la SNR recibida en proporción al número de antenas por la aplicación de beamforming en el receptor.

(29) CAPÍTULO 1. OBJETIVOS Y TECNOLOGIAS PARA EL DISEÑO DE LTE. 20. y el transmisor. En el caso general de 𝑁𝑇 antenas transmisoras y 𝑁𝑅 antenas receptoras, la relación SNR recibida puede ser incrementada en proporción al producto de 𝑁𝑇 × 𝑁𝑅 . Tal aumento en la relación SNR del receptor permite un aumento correspondiente en las tasas de transmisión de datos alcanzables. (Dahlman et al., 2007) Para comprender los principios básicos de cómo los canales paralelos múltiples pueden ser creados en caso de múltiples antenas en el transmisor y el receptor, se considera una configuración de antena de MIMO 2×2, es decir dos antenas transmisoras y dos antenas receptoras, como la dada en la Figura 1.11. Además, se asume que las señales transmitidas son solamente sujetas al desvanecimiento no selectivo de frecuencia y al ruido blanco, o sea no hay dispersión de tiempo del canal de radio.. Figura 1.11 Configuración de antena MIMO 2×2.. Basado en la Figura 1.11, las señales recibidas pueden ser expresadas como. (1.4) donde H es la matriz de canal de 2×2. Asumiendo ningún ruido y que la matriz de canal H es invertible, el vector. y por lo tanto. ambas señales 𝑠1 y 𝑠2 , pueden ser recuperadas perfectamente en el receptor, sin interferencia residual entre las señales, multiplicando el vector recibido. con una matriz W=𝐻 −1 (ver. Figura 1.12).. (1.5) Aunque el vector. puede ser recuperado perfectamente en caso de ningún ruido, mientras la. matriz de canal H sea invertible, (1.5) también indica que las propiedades de H determinarán a qué magnitud la demodulación conjunta de las dos señales incrementará el nivel de ruido..

(30) CAPÍTULO 1. OBJETIVOS Y TECNOLOGIAS PARA EL DISEÑO DE LTE. 21. Figura 1.12 Recepción/demodulación lineal de señales multiplexadas espacialmente.. Una manera de interpretar la matriz W es darse cuenta de que las señales transmitidas de dos antenas transmisoras son dos señales causando interferencia una a otra. Las dos antenas receptoras pueden ser usadas para llevar la Combinación de Rechazo de Interferencia (IRC: Interference Rejection Combining) con el objetivo de suprimir la interferencia de la señal transmitida en la segunda antena cuando se detecta la señal transmitida en la primera antena y viceversa. Las filas de la matriz receptora W simplemente implementan tal IRC. El número de señales paralelas que pueden ser multiplexadas espacialmente es, al menos en la práctica, superiormente limitado por 𝑁𝐿 = min {𝑁𝑇 , 𝑁𝑅 } ya que obviamente nada más que 𝑁𝑇 señales diferentes pueden ser transmitidas de 𝑁𝑇 antenas transmisoras, implicando un máximo de 𝑁𝑇 señales multiplexadas espacialmente y además, con 𝑁𝑅 antenas receptoras, un máximo de 𝑁𝑅 - 1 señales interferentes puede ser suprimidas, implicando un máximo de 𝑁𝑅 señales multiplexadas espacialmente. Sin embargo, en muchos casos, el número de señales multiplexadas espacialmente será menos que 𝑁𝐿 , por ejemplo en casos de condiciones de canal muy malas (SNR baja) donde no hay ganancia de multiplexación espacial. En tal caso, múltiples antenas receptoras y transmisoras deben ser usadas para beamforming y mejorar la SNR.. 1.3.4 Interfaz de radio conmutada por paquetes LTE ha sido diseñado como un sistema de múltiples servicios totalmente orientado por paquetes sin la dependencia habitual de protocolos orientados a la conexión y conmutados por circuitos de sus predecesores. La ruta hacia la planificación de paquetes rápidos sobre la interfaz de radio ya era abierta por HSDPA, requiriendo de acoplamiento ajustado entre las dos capas inferiores del conjunto de.

(31) CAPÍTULO 1. OBJETIVOS Y TECNOLOGIAS PARA EL DISEÑO DE LTE. 22. protocolos: la capa de Control de Acceso al Medio (MAC: Medium Access Control)) y la capa física. (Sesia et al., 2009) El intervalo de transmisión corto de LTE, junto con las nuevas dimensiones de la frecuencia y el espacio, ha extendido más el campo de las técnicas de capas cruzadas entre la capa MAC y la capa física para incluir las siguientes técnicas en LTE: •Adaptación del enlace de la modulación y de la tasa de transmisión de datos; •Planificación adaptable en tanto la frecuencia como en el tiempo; •HARQ con Redundancia Incremental.. La adaptación de la tasa de transmisión de datos Cuando una tasa de transmisión de datos constante sobre un enlace de radio no es requerida se utiliza la adaptación del enlace por medio del control dinámico de la tasa de transmisión. El control de la tasa de transmisión tiene por objetivo ajustar la tasa de transmisión de datos dinámicamente para compensar las condiciones de canal diferentes. En situaciones con condiciones de canal ventajosas, la tasa de transmisión de datos es incrementada y viceversa. Esto es ilustrado en la Figura 1.13.. Figura 1.13 Control de la tasa de transmisión de datos.. El control de la tasa de transmisión en principio implica que el amplificador de potencia esté transmitiendo siempre en la potencia máxima y por lo tanto sea eficientemente utilizado (la potencia de transmisión igual a la potencia máxima). En la práctica, la tasa de transmisión de datos del enlace de radio es controlada ajustando el esquema de modulación y/o la razón de codificación del canal. En caso de las condiciones ventajosas del enlace de radio, la relación energía por bit / densidad espectral de potencia de.

(32) CAPÍTULO 1. OBJETIVOS Y TECNOLOGIAS PARA EL DISEÑO DE LTE. 23. ruido (Eb/No) en el receptor es alta y la limitación principal de la tasa de transmisión de datos es el ancho de banda del enlace de radio. Por lo tanto, en tales situaciones la modulación de orden muy alto, por ejemplo 16QAM o 64QAM, junto con una razón de códigos alta es apropiada para el enlace. De forma semejante, en caso de pobres condiciones del enlace de radio, QPSK y una razón de codificación baja es usada en el enlace. Por esta razón, la adaptación del enlace por medio del control de la tasa de transmisión es a veces también referida como la Codificación y Modulación Adaptativa (AMC: Adaptive Modulation and Coding).. La planificación dependiente del canal Para el esquema de transmisión de LTE el recurso de tiempo-frecuencia es dinámicamente compartido entre usuarios. El planificador es un elemento clave del sistema LTE que controla, para cada instante de tiempo, a qué usuarios deben ser asignados los recursos compartidos. También decide qué tasa de transmisión de datos es usado para cada enlace, es decir la adaptación de la tasa de transmisión puede ser vista como una parte del planificador.. Figura 1.14 Planificación dependiente del canal del enlace descendente en los dominios del tiempo y de la frecuencia. (Dahlman et al., 2007). Un aumento cuantioso en la capacidad del sistema puede ser conseguido si las condiciones del canal son tenidas en cuenta en la decisión de la denominada planificación dependiente del canal. La planificación en LTE puede tomar en cuenta las variaciones de canal no sólo en.

(33) CAPÍTULO 1. OBJETIVOS Y TECNOLOGIAS PARA EL DISEÑO DE LTE. 24. el dominio del tiempo sino también en el dominio de la frecuencia. Esto es ilustrado en la Figura 1.14. Para LTE, las decisiones de planificación pueden ser tomadas tan a menudo como una vez cada 1 ms y la granularidad en el dominio de frecuencia es de 180 kHz. Esto permite también que las variaciones de canal relativamente rápidas sean monitoreadas por el planificador. En el enlace descendente, cada terminal informa sobre un estimado o indicador de la calidad instantánea del canal (CQI: Channel Quality Indicator) a la estación base. Estos cálculos aproximados son obtenidos y medidos por simple observación de una señal de referencia transmitida por la estación base y usada también para propósitos de la demodulación. Sobre la base del estimado de la calidad del canal, el planificador del enlace descendente puede asignar recursos a usuarios, tomando en cuenta las cualidades del canal. En principio, a un terminal planificado se le puede asignar una combinación arbitraria de bloques de recurso de 180 kHz de ancho en cada intervalo de planificación de 1ms. Existen varios tipos de estrategia de planificación del enlace descendente. Uno de ellas es la planificación del Mejor CQI (Best CQI). Como el nombre indica, esta estrategia de planificación asigna bloques de recurso al usuario con las mejores condiciones del enlace de radio como se ilustra en la Figura 1.15 a). Para llevar a cabo la planificación, los terminales envían un CQI a la estación base. Un valor de CQI más alto representa la mejor condición de canal. La Figura 1.14 ilustra de otra manera también esta estrategia de planificación.. Figura 1.15 Ejemplo de dos diferentes estrategias de planificación: (a) Mejor CQI (b) Round Robin.. Otra estrategia de planificación es la denominada planificación Round Robin. En esta estrategia de planificación a los terminales son asignados los recursos compartidos por turno.

(34) CAPÍTULO 1. OBJETIVOS Y TECNOLOGIAS PARA EL DISEÑO DE LTE. 25. (uno tras otro). Por lo tanto, cada usuario es planificado equitativamente sin tomar en cuenta el CQI como se ilustra en la Figura 1.15 b). La ventaja principal de la planificación Round Robin es la garantía de la equidad para todos los usuarios. Además es fácil de implementar, ésa es la razón por la cual es usado por muchos sistemas generalmente. Debido a que no tiene en cuenta la información de calidad de canal, resultará en una baja tasa de transferencia.. HARQ con Redundancia Incremental Casi todos los sistemas de comunicación modernos emplean una combinación de la codificación de Corrección de Errores Hacia delante (FEC: Forward Error Correction) y la Solicitud de Repetición Automática (ARQ: Automatic Repeat-reQuest), una combinación conocida como HARQ. HARQ usa códigos de corrección de errores hacia delante para corregir un subconjunto de todos los errores y detectar errores incorregibles. Los paquetes recibidos erróneamente son descartados y el receptor pide retransmisiones de los paquetes dañados. La mayoría de los esquemas prácticos de HARQ son basados en un código de Comprobación de Redundancia Cíclica (CRC: Cyclic Redundancy Check) para la detección del error y código convolucional o códigos Turbo para la corrección del error, pero en principio cualquier tipo de detección de error y código de corrección de error puede ser usado. HARQ con una IR permite que el paquete erróneamente recibido sea guardado en una memoria buffer y combinado después con la retransmisión para obtener un solo paquete combinado que es más confiable que sus componentes. La descodificación del código de corrección de error opera en la señal combinada. Si la descodificación falla (típicamente un código CRC es usado para detectar este evento) una retransmisión es pedida. La retransmisión en cualquier esquema HARQ debe, por definición, representar el mismo grupo de bits de información como en la transmisión original. Sin embargo, el grupo de bits codificados transmitido en cada retransmisión puede ser seleccionado de manera diferente representando el mismo grupo de bits de información. Con IR, cada retransmisión no tiene que ser idéntica a la transmisión original y grupos múltiples de bits codificados son generados, cada uno de ellos representando el mismo grupo de bits de información (Pursley and Sandberg, 1991). Siempre que una retransmisión es requerida, la retransmisión típicamente usa un grupo diferente de bits codificados que la transmisión previa. El receptor combina la retransmisión con los intentos de transmisión.

(35) CAPÍTULO 1. OBJETIVOS Y TECNOLOGIAS PARA EL DISEÑO DE LTE. 26. previos del mismo paquete. Como la retransmisión podría contener bits de paridad adicionales, no incluidos en los intentos de transmisión previos, la razón de código resultante es generalmente disminuida por cada retransmisión. Además, cada retransmisión no necesariamente tiene que constar del mismo número de bits codificados como el original y, en general, también el esquema de modulación puede ser diferente para retransmisiones diferentes. Esto es ilustrado en la Figura 1.16.. Figura 1.16 Ejemplo de Redundancia Incremental.. Por lo tanto HARQ rápido con IR es usado en LTE ya que permite que el terminal rápidamente pida retransmisiones de bloques de transporte erróneamente recibidos, minimizando así el impacto sobre el desempeño del usuario final de paquetes erróneamente recibidos.. 1.4 Capacidades del equipo de usuario El sistema LTE está completamente basado en las tecnologías fundamentales anteriormente mencionadas en la Sección 1.3, combinadas con una nueva arquitectura de red. Explotando estas tecnologías al máximo, debe ser posible que el terminal LTE, conocido como equipo de usuario (UE: User Equipment), alcance un desempeño que exceda las tasas de transmisión máximas y eficiencias espectrales. Sin embargo, en la práctica es importante reconocer que el mercado para UEs es grande y diverso y por lo tanto hay una necesidad para LTE de soportar un rango de categorías de UE con capacidades diferentes para satisfacer segmentos del mercado diferentes. En general,.

(36) CAPÍTULO 1. OBJETIVOS Y TECNOLOGIAS PARA EL DISEÑO DE LTE. 27. cada segmento del mercado da prioridades diferentes a aspectos como la tasa de transmisión de datos máxima, el tamaño de UE, el costo y la vida de la batería. El sistema de LTE ha sido diseñado para soportar un grupo compacto de cinco categorías de UE, extendiéndose desde terminales relativamente baratas con capacidades similares a HSPA de UMTS, hasta terminales de muy alta capacidad que explotan la tecnología de LTE a la extensión máxima posible sobrepasando los objetivos de tasas de transmisión de datos máximas. Las capacidades de las cinco categorías son resumidas en el Anexo 5.. 1.5 Conclusiones del capítulo El estándar LTE como sucesor de los estándares UMTS (WCDMA) y HSPA de 3GPP brinda tasas de transmisión y servicios de alta calidad mejores que los que aportan esos estándares predecesores debido al uso de tecnologías avanzadas como OFDM, SC-FDMA, MIMO y HARQ con IR así como la planificación dependiente de canal como parte de la nueva interfaz de radio conmutada por paquetes del sistema LTE. Para satisfacer segmentos del mercado diferentes LTE soporta un rango de categorías de UE con capacidades diferentes..

(37) CAPÍTULO 2. ARQUITECTURA Y DISEÑO DE LTE. 28. CAPÍTULO 2. Arquitectura y diseño de LTE La Figura 2.1 muestra un esquema simplificado de la arquitectura completa de LTE. La arquitectura de la interfaz de radio de LTE aparece detallada en la Sección 2.1. Una de las capas que conforman esta arquitectura es la capa física, la cual se describe con detalles en la Sección 2.2. Las restantes interfaces aparecen descritas en la Sección 2.3 como parte de la arquitectura del sistema LTE más conocida como SAE.. Figura 2.1 Esquema simplificado de la arquitectura completa de LTE.. 2.1 Arquitectura de la interfaz de radio de LTE Similar a WCDMA/HSPA, el procesamiento especificado para LTE está estructurado en capas de protocolos diferentes. Esta sección contiene una descripción de las capas de protocolos que están encima de la capa física, su interacción y la interfaz usada para la capa física. La arquitectura de acceso de radio de LTE está basada en un nuevo nodo: el eNodeB. Una visión general de la arquitectura de protocolos de LTE para el enlace descendente es ilustrada en la Figura 2.2. La arquitectura de protocolos de LTE para el enlace ascendente es similar a la del enlace descendente de la Figura 2.2 con algunas diferencias como por ejemplo en la selección del formato de transporte. Los datos para ser transmitidos en el enlace descendente entran en forma de paquetes IP sobre uno de los portadores SAE. Antes de la transmisión sobre la interfaz de radio los paquetes IP entrantes al eNodeB atraviesan las siguientes capas de protocolos: • Protocolo de Convergencia de Paquetes de Datos (PDCP: Packet-Data Convergence Protocol), lleva a cabo la compresión del encabezamiento IP para reducir el número de bits y transmitir sobre la interfaz de radio. PDCP es también responsable del cifrado y la.

(38) CAPÍTULO 2. ARQUITECTURA Y DISEÑO DE LTE. 29. protección de integridad de los datos transmitidos. En el equipo receptor, el protocolo PDCP lleva a cabo el descifrado correspondiente y las operaciones de descompresión.. Figura 2.2 Arquitectura de protocolos de LTE (enlace descendente). (Sesia et al., 2009). • Control del Enlace de Radio (RLC: Radio Link Control), es responsable de la segmentación /concatenación, el manejo de la retransmisión y la entrega en secuencia a capas más altas. El RLC ofrece servicios al PDCP en forma de portadores de radio. Hay una entidad RLC por cada portador de radio configurado para un terminal. • Control de Acceso al Medio (MAC), maneja retransmisiones HARQ y planificación del enlace ascendente y del enlace descendente. La funcionalidad de planificación está ubicada en el eNodeB, que tiene una entidad MAC por celda, para tanto el enlace ascendente como el enlace descendente. La parte del protocolo HARQ está presente en tanto la transmisión como la recepción final del protocolo MAC. El MAC ofrece servicios al RLC en forma de canales lógicos..

(39) CAPÍTULO 2. ARQUITECTURA Y DISEÑO DE LTE. 30. • Capa Física (PHY: Physical layer), maneja la codificación / descodificación, modulación / demodulación, la correlación de la antena múltiple y las otras típicas funciones de la capa física. La capa física brinda servicios a la capa MAC en forma de canales de transporte. En las siguientes secciones se describen con más detalle estos protocolos y capas. Además datos adicionales se pueden encontrar en la especificación de LTE (3GPP, 2007a).. 2.1.1 RLC: Control del Enlace de Radio El RLC de LTE es responsable de la segmentación de paquetes IP, también conocidos como unidades de datos de protocolo (PDUs: Protocol Data Units) de RLC, en unidades más pequeñas conocidas como unidades de datos de servicio (SDUs: Service Data Units) de RLC para el PDCD. También maneja la retransmisión de PDUs erróneamente recibidos, así como la concatenación de PDUs recibidos. Finalmente, RLC asegura la entrega en secuencia de SDUs de RLC a las capas superiores. Un mecanismo de retransmisión ARQ del RLC es responsable de proporcionar la entrega sin errores de los datos a las capas más altas. Para lograr esto, un protocolo de retransmisión funciona entre las entidades RLC en el receptor y el transmisor. Monitoreando los números de secuencia entrantes, el RLC receptor puede identificar PDUs perdidos. Informes de estado son realimentados al RLC transmisor, pidiendo la retransmisión de los PDUs perdidos. Sobre la base del informe de estado recibido, la entidad RLC en el transmisor puede tomar la acción apropiada y retransmitir los PDUs faltantes si son pedidos. Además del manejo de la retransmisión y la entrega en secuencia, el RLC es también responsable de la segmentación y concatenación como se ilustra en la Figura 2.3. Dependiendo de la decisión del planificador, cierta cantidad de datos son seleccionados para la transmisión de SDUs de RLC y son segmentados/concatenados para crear el PDU de RLC. Por lo tanto, para LTE el tamaño de PDU de RLC varía dinámicamente.. Figura 2.3 Segmentación y concatenación de RLC..

(40) CAPÍTULO 2. ARQUITECTURA Y DISEÑO DE LTE. 31. 2.1.2 MAC: Control de Acceso al Medio La capa de Control de Acceso al Medio (MAC) maneja la multiplexación de canales lógicos, las retransmisiones HARQ y la planificación del enlace ascendente y del enlace descendente. La capa MAC ofrece servicios al RLC en forma de canales lógicos. Un canal lógico es definido por el tipo de información que lleva y son clasificados generalmente en canales de control, usados para la transmisión de la información del control y de la configuración necesaria para operar un sistema LTE, y en canales de tráfico, usados para los datos del usuario. El grupo de tipos de canales lógicos especificados para LTE incluye: • Canal de control de difusión (BCCH: Broadcast Control Channel), usado para la transmisión de la información de control del sistema de la red a todos los terminales móviles en una celda. Antes de acceder al sistema, un terminal móvil tiene que leer la información transmitida sobre el BCCH para descubrir cómo el sistema está configurado y el ancho de banda del sistema. • Canal de control de avisos de llamadas (PCCH: Paging Control Channel), usado para el aviso de llamadas de los terminales móviles cuya ubicación en el nivel de celda no es conocida por la red y el aviso de llamadas por lo tanto tiene que ser transmitido en múltiples celdas. • Canal de control dedicado (DCCH: Dedicated Control Channel), usado para la transmisión de la información de control para un UE o de un UE. Este canal es usado para la configuración individual de terminales móviles tales como mensajes de entrega diferentes. • Canal de control de multidifusión (MCCH: Multicast Control Channel), usado para la transmisión de la información de control requerida para la recepción del MTCH. • Canal de tráfico dedicado (DTCH: Dedicated Traffic Channel), usado para la transmisión de los datos del usuario a un terminal móvil o de un terminal móvil. Este es el tipo de canal lógico usado para la transmisión de todos los datos del usuario del enlace descendente sin MBMS y del enlace ascendente. • Canal de tráfico de multidifusión (MTCH: Multicast Traffic Channel), usado para la transmisión del enlace descendente de servicios MBMS..