3GPP LTE: Hacia la 4G móvil

Por Narcís Cardona Marcet, Juan José Olmos Bonafé, Mario Lozano García y José F. Monserrat

Las Comunicaciones Móviles, que fueron un privilegio para unos pocos en la década de los 80, han alcanzado ya su nivel de saturación en cotas de penetración en el Mercado. La voz y los mensajes cortos siguen representando un elevado porcentaje del uso de los terminales móviles, pero desde hace unos pocos años están creciendo exponencialmente las cifras de tráfico en servicios de datos, especialmente empujados por la navegación web y el correo electrónico. La introducción primero de la adaptación a GPRS de los sistemas de 2ª generación y el posterior despliegue de UMTS, con su ampliación específica para datos de alta velocidad HSPA, han permitido soportar ese incremento durante la primera década de este siglo. Sin embargo, las previsiones de crecimiento actuales hacen necesario el despliegue en muy poco tiempo de nuevas soluciones, por lo que el foro de estandarización europeo 3GPP (3rd Generation Partnership Project) ha continuado evolucionando sus propuestas cerrando a finales de 2008 la primera versión de una nueva generación de redes de acceso radio celular: Long Term Evolution (LTE) y en 2010 la versión avanzada (LTE-A) que la Unión Internacional de Telecomunicaciones ha reconocido ya como estándar de 4ª generación. LTE arranca su andadura en el mercado con la intención de ofrecer servicios de datos de gran ancho de banda, multiplicando por más de 10 las tasas binarias ofrecidas en 3G y con infraestructuras de redes más eficientes basadas en una arquitectura de red de acceso simplificada. Además, la flexibilidad en el uso del espectro que se contempla en el estándar LTE facilita la regulación del uso de distintas bandas de frecuencia y la sustitución progresiva de los anteriores estándares de 2ª y 3ª generación. Este texto cubre todos los aspectos técnicos relevantes del estándar LTE, desde la descripción de los mecanismos de acceso radio y canales físicos, hasta las consideraciones sobre despliegue y gestión de recursos en redes LTE operativas. En todos y cada uno de los capítulos se ha utilizado una redacción orientada a la comprensión del texto, con las miras puestas en su potencial uso como libro de texto, pero sin dejar de lado ningún detalle significativo del estándar de 3GPP, por lo que el libro puede también considerarse como de referencia para profesionales del sector. Los autores son investigadores españoles de reconocido prestigio en su ámbito que han participado en los últimos años en las propuestas Europeas de estandarización de LTE de forma directa o a través de proyectos de investigación y foros científicos y tecnológicos.

• Idioma: Español
• Editorial: Marcombo
• Fecha de lanzamiento: 1 jul 2012
• ISBN: 9788426718754

Vista previa del libro

Capítulo 1

Introducción

Narcís Cardona, Mario García Lozano, Jose F. Monserrat

1.1. Tendencias de mercado y tecnología

A menos de una década de haber puesto en marcha las primeras redes Universal Mobile Telecommunications System (UMTS), y aún con las redes de Segunda Generación Móvil (2G) plenamente operativas, cabría preguntarse cuál puede ser el interés de la industria en realizar nuevas inversiones en infraestructura de red de acceso y de conmutación, o para qué necesita el sector de las comunicaciones un nuevo estándar de acceso celular.

La respuesta hay que buscarla en las características particulares de este mercado, con tendencias muy cambiantes pero siempre con expectativas crecientes por parte de los usuarios y con previsiones ciertas de saturación en la capacidad global de servicios de datos en muy pocos años. Por comparación con lo que sucede en redes fijas, la experiencia de usuario, es decir, la calidad subjetiva que percibe en el servicio de banda ancha, es muy alta gracias a los varios megabits por segundo que puede conseguir en una conexión Digital Subscriber Line (DSL) y a precios cada vez más competitivos. A diferencia de lo que sucedía años atrás, en mercados maduros, como Europa Occidental o Estados Unidos, el crecimiento del negocio de telefonía móvil no se corresponde tanto con el incremento de abonados, sino con el aumento del tráfico, en cuanto a la cantidad de minutos de voz y sobre todo de megabytes de datos transferidos, así como en la renovación de equipos y contratos para migrar a tecnologías de banda ancha móvil. La aparición de terminales tipo smartphone junto con la proliferación de dispositivos portátiles con conectividad de datos Tercera Generación Móvil (3G) continúa disparando la demanda de capacidad de transmisión de datos en movilidad. Según estudios recientes, la progresión que se puede prever del consumo demandado por los usuarios no podrá ser cubierta completamente o con suficiente calidad por las redes actuales ni por las evoluciones de 3G, como High Speed Packet Access Evolution (HSPA+).

Esta oferta de servicios la están proporcionando desde mediados de 2010 la práctica totalidad de operadores 3G, unos 365, los cuales comercializan servicios High Speed Packet Access (HSPA), y se espera a que a finales de 2010 la mitad de dichas redes hayan también adoptado HSPA+, ofreciendo entonces servicios de datos de hasta 14 Mbps. No obstante, se ha previsto un aumento de más del 50% en la penetración de la banda ancha para los próximos cinco años, por lo que la amenaza de sobrecarga en las redes es más que real para muchos de los citados operadores.

Esta suposición se basa en datos reales. En efecto, al observar la evolución reciente de los abonados de banda ancha móvil se puede ver cómo a partir de 2007 se ha producido un incremento muy significativo en su número y en la demanda de tráfico de servicios de banda ancha. En muchos países de los mercados más desarrollados el consumo de datos en movilidad se ha multiplicado entre 2008 y 2010 y sigue creciendo exponencialmente. Basta con comprobar cómo a principios de 2008 el número global de abonados a High Speed Downlink Packet Access (HSDPA) era de unos 20 millones, a mediados de 2009 alcanzó los 150 millones y sólo un año más tarde la cifra se ha multiplicado hasta alcanzar los 500 millones, a pesar de lo cual aún corresponde a poco más del 10% del total de usuarios de Global System for Mobile Communication (GSM) y UMTS, por lo que cabe esperar que en 2012 se alcancen los 1.000 millones de abonados de banda ancha móvil, repartidos entre tecnologías 3G y Long Term Evolution (LTE).

Estas tendencias de crecimiento se están manteniendo debido a factores como:

Incremento en la penetración de 3G, estimándose que la práctica totalidad de los usuarios de 2G terminen de migrar a 3G antes de 2014.

Penetración de módems y smartphones, con previsiones de que en 2014 la cuarta parte de los terminales de bolsillo sean de este tipo.

Proliferación de los contratos de tarifa plana y la reducción de precios de datos.

Figura 1.1. Previsión de crecimiento del número global de abonados HSPA. Fuente: Global Mobile Suppliers Association, 2010.

Cambio en los servicios que los usuarios esperan del terminal, con un giro hacia servicios que requieren alta tasa de transmisión (audio de alta calidad, vídeo, etc.).

Mejora de la calidad ofrecida en las redes 3G con la generalización de HSPA+.

Sustitución progresiva de los teléfonos fijos de los hogares por móviles.

Ahora bien, todo este incremento en el número de usuarios, con el consiguiente incremento en la demanda de capacidad en la red de acceso radio, no podrá ser cubierta por las redes actuales. La estimación de carga por usuario de servicios de banda ancha nos indica que en la actualidad el usuario típico de banda ancha móvil consume entre 500 Mbytes y 1 Gbyte al mes y la calidad de servicio que esperan recibir de la red implica garantizar un throughput de 200 kbps, con picos por encima de los 2 Mbps. Estas condiciones se pueden ofrecer en las redes actuales para un número limitado de usuarios en 3G, en celdas con poco tráfico o de pequeñas dimensiones, o bien limitando estas condiciones de servicio a los usuarios que están más cerca de la estación base. En este sentido, el crecimiento del número de usuarios HSPA, sin otros cambios en la infraestructura de la red de acceso, lleva asociado un detrimento en la calidad que el operador puede garantizar a sus abonados. Se han planteado soluciones para soportar estos incrementos de demanda en las redes actuales, que pasan por el despliegue de un mayor número de picoceldas y femtoceldas, complementar el servicio móvil con puntos de acceso de tecnología inalámbrica, o añadir sectorización en el plano vertical en las macroceldas actuales, pero aun con todas ellas el binomio calidad/capacidad no puede mantenerse por mucho tiempo.

Figura 1.2. Crecimiento exponencial del volumen de tráfico de datos en movilidad; previsiones hasta 2014. Fuente: UMTS forum, 2010.

Por todo ello, el despliegue de tecnología LTE, en nuevas bandas de frecuencia o en parte de las actuales bandas ocupadas por 2G, parece la solución más viable, eficiente y rentable a medio y largo plazo.

Cabe destacar que un acusado incremento del tráfico como el que se ha previsto no trae consigo un crecimiento proporcional de los ingresos. Esto es debido a que la proliferación y generalización del consumo de datos en movilidad incrementa la competencia entre operadores y la exigencia de los usuarios de seguir recibiendo cada vez más ancho de banda con menores tarifas. Para mantener la rentabilidad, los operadores y, en general, los proveedores de servicios de comunicaciones necesitan responder a estas tendencias optimizando al máximo las capacidades de las tecnologías de acceso radio actuales y en desarrollo.

En este sentido, LTE aparece en la escena actual como una oportunidad de cubrir esa creciente demanda de tráfico de datos, con inversiones que se pueden rentabilizar a partir de poblaciones de usuarios con menor Average Revenue Per User (ARPU) respecto al que requerían las redes 3G, o con menor coste por Mbps que aquéllas. En efecto, al comparar el coste de despliegue y la capacidad de las tecnologías Third Generation Partnership Project (3GPP) que actualmente ofrecen banda ancha móvil, se ve que LTE puede ofrecer capacidades muy superiores a 3G y con un coste por Mbyte sensiblemente inferior, por lo que la amortización de las inversiones que deberán realizar los operadores se podrá conseguir con precios competitivos, en menos tiempo que las tecnologías anteriores o con objetivos de ARPU no tan altos como cabría esperar.

Tabla 1.1. Comparativa de capacidad y coste estimado por megabyte en redes 3G, HSPA y LTE modelados para un despliegue de 10.000 estaciones base.

A partir del lanzamiento comercial de LTE, los resultados de estudios de mercado indican que la acogida de este estándar puede ser mucho más rápida que la de los anteriores estándares móviles. Algunas previsiones apuntan a que el número de usuarios de LTE crecerá más rápidamente a partir de 2014, momento en el que superará ya los 130 millones, aunque esta cifra represente en ese momento apenas un 5% del total de abonados a banda ancha móvil. En una primera fase, los abonados vendrán de mercados desarrollados, como Japón, Estados Unidos y Europa Occidental, mientras que el crecimiento en los mercados emergentes estaría dirigido por China con unos 36 millones de suscripciones en 2014. Además, se espera que nuevos operadores en los mercados emergentes pasen directamente a desplegar LTE, obviando el despliegue 3G.

1.2. Roadmap del 3GPP

Como consecuencia del elevado ritmo de crecimiento en el sector de la telefonía móvil, los sistemas móviles han ido alcanzando de manera continua sus límites en términos de capacidad. Por otro lado, el conjunto de tipos de servicio ofrecido por los sistemas ha ido evolucionando conforme a las necesidades del mercado y las mejoras ofrecidas por los sistemas cableados análogos.

Atendiendo a estas necesidades, diversos organismos de estandarización, coordinados por la Unión Internacional de las Telecomunicaciones (UIT), están trabajando desde finales de la década de los 80 en la especificación de un conjunto de sistemas que permitan satisfacer dichas necesidades. El resultado definitivo de este trabajo constituyó la tercera generación de sistemas de comunicaciones móviles y conformará la venidera cuarta generación móvil.

Inicialmente la intención de la UIT era definir un sistema global que reuniera un conjunto ambicioso de características técnicas. Sin embargo, debido a la imposibilidad de llegar a un consenso en la definición de la tecnología que sustentase tal sistema, el objetivo inicial tuvo que ser sustituido por la meta de lograr una familia de sistemas distintos con características comunes conocido con el nombre de International Mobile Telecommunications 2000 (IMT-2000). Por motivos de marketing, a las tecnologías incluidas en esta familia se las denominó tecnologías de tercera generación.

La versión europea de los sistemas de telefonía móvil de tercera generación se denominó UMTS. La especificación del sistema UMTS es responsabilidad de un foro conocido como 3GPP. El foro 3GPP está constituido por organismos normativos de diferentes países, que conforman lo que se conoce como socios constituyentes. Uno de estos socios es la European Telecommunications Standards Institute (ETSI), una organización establecida con el fin de elaborar normas europeas de telecomunicaciones, que, en este caso, se encarga de traducir los documentos elaborados por el 3GPP a normas europeas.

Con el objetivo de no quedarse sin capacidad para cubrir las necesidades del mercado, el 3GPP evolucionó el sistema UMTS desde su primera versión, la Release 99, incluyendo importantes mejoras que llevaron a nuevas variantes del estándar, como HSDPA, High Speed Uplink Packet Access (HSUPA), HSPA y HSPA+, todas caracterizadas por el incremento sustancial de la capacidad de transmisión y la mejor adecuación a la conmutación de paquetes, como se aprecia en la figura 1.3. Además, el 3GPP inició en 2004 los estudios relacionados con la evolución de la red 3G hacia la Cuarta Generación Móvil (4G). El enlace entre ambas generaciones dentro del camino tecnológico definido por el 3GPP lo marca así la tecnología Long Term Evolution, que puede considerarse como una tecnología precursora de las redes 4G o el sistema más potente dentro de las tecnologías de 3G. De manera informal, la comunidad científica clasifica a LTE como una tecnología 3.9G, dado que supera en mucho las prestaciones iniciales que definieron las tecnologías de tercera generación móvil.

Para la tecnología LTE el 3GPP marcó unos exigentes requisitos de transmisión. En concreto, se fijaron 100 Mbps en el enlace descendente y 50 Mbps en el enlace ascendente, en un ancho de banda de 20 MHz. Las especificaciones de la interfaz radio de LTE fueron aprobadas en septiembre y en diciembre de 2007. El trabajo de la capa física se cerró en marzo de 2008 y se puede considerar que LTE es una tecnología plenamente operativa desde diciembre de 2009.

Figura 1.3. Evolución de las tecnologías 3GPP.

Sin embargo, la presión del mercado llevó a la comunidad internacional a aumentar aún más los requisitos de las futuras tecnologías de cuarta generación. Los sistemas de comunicaciones móviles 4G deben estar completamente basados en IP siendo capaces de soportar velocidades de 100 Mbps en movimiento y 1 Gbps en reposo, manteniendo una alta calidad de servicio extremo a extremo para permitir ofrecer servicios de cualquier clase en cualquier momento, en cualquier lugar y con el mínimo coste posible. Éstos y otros requisitos fueron marcados por el sector de radiocomunicaciones de la UIT (UIT-R) para poder ser considerados como sistemas de 4G o de la nueva familia IMT-Advanced (IMT-A). En abril de 2008, se formó en el 3GPP un primer grupo de estudio de LTE-Advanced (LTE-A) para marcar los requerimientos de la evolución de las especificaciones ya existentes. En octubre de 2009, se envió por parte del 3GPP la tecnología LTE-A como candidata a formar parte de la familia IMT-A. El estudio preliminar de esta tecnología, realizado por el propio 3GPP y por otros grupos de evaluación externos, demostró que la tecnología cumplía con todos los requisitos marcados por la UIT, con lo que se aceptó definitivamente en octubre de 2010.

Como se verá más adelante, formar parte de las familias International Mobile Telecommunication (IMT) supone, más allá del prestigio tecnológico y la aceptación a nivel mundial, la posibilidad de ocupar ciertas bandas del espectro reservadas a aquellas tecnologías más potentes. De ahí la importancia que LTE tiene para el futuro de las tecnologías móviles.

1.3. Requisitos del sistema LTE

LTE se ha especificado en base a una serie de requisitos ambiciosos en cuanto a la velocidad de datos, la capacidad, la eficiencia espectral y la latencia. Con el fin de cumplir con estos requisitos, LTE se basa en un nuevo esquema de acceso múltiple en la interfaz aire: Orthogonal Frequency Division Multiple Access (OFDMA) en enlace descendente o Downlink (DL) y Single Carrier-Frequency Division Multiple Access (SC-FDMA) en enlace ascendente o Uplink (UL). Además, la incorporación de esquemas Multiple-Input Multiple-Output (MIMO) es una parte esencial de las mejoras que LTE aporta a los estándares del 3GPP. En cuanto a la arquitectura, LTE incorpora algunos cambios importantes a los conceptos de protocolos existentes en UMTS, con el fin de simplificar la arquitectura general de la red de acceso radio y el núcleo de red. LTE incluye tanto un modo de operación duplexado por división en frecuencia o Frequency Division Duplexing (FDD) como un modo duplexado por división en tiempo o Time Division Duplexing (TDD).

Como se ha visto antes, el estándar LTE se empezó a especificar en el 3GPP en 2004. Al inicio del proceso de normalización de LTE se identificaron los requisitos principales para el diseño de un sistema de estas características, y éstos han sido recogidos en la especificación [1]. Estos requisitos pueden resumirse como sigue:

Velocidad de datos: Objetivo de 100 Mbps en tasas de transmisión de pico en enlace descendente y de 50 Mbps en enlace ascendente, en 20 MHz de ancho de banda, asumiendo terminales con 2 antenas en recepción y 1 en transmisión. Estas tasas de transmisión son casi 7 veces las tasas de transmisión de HSDPA Release 6 en el sentido descendente y casi 8 veces a HSUPA en el sentido ascendente.

Eficiencia espectral: En las mismas condiciones del punto anterior, 20 MHz de ancho de banda, la eficiencia espectral requerida es de 5 bits/s/Hz y 2,5 bits/s/Hz en UL, cifras que están entre 3 y 4 veces por encima de las de Release 6 en DL (HSDPA) y de 2 a 3 veces mejor que en Release 6 en el UL (HSUPA).

Rendimiento: El rendimiento (throughput) medio por usuario y MHz en enlace descendente debe ser entre 3 y 4 veces superior al de Release 6 y de 2 a 3 veces mejor que en Release 6 en el enlace ascendente.

Latencia: La latencia en el plano de usuario se refiere al tiempo de tránsito unidireccional de un paquete desde que está disponible en la capa IP en el terminal y la disponibilidad de este paquete en la capa IP de un nodo en la red de acceso radio, o viceversa, será inferior a 5 ms. También se reducirá el tiempo de latencia en plano de control para permitir tiempos de transición de menos de 100 ms en un terminal desde el estado camped al estado active.

Ancho de banda: Deben soportarse anchos de banda escalables de 5, 10, 15 y 20 MHz. También se soportarán anchos de banda menores que 5 MHz para mayor flexibilidad, en particular, 1,4 MHz y 3 MHz.

Asignación de espectro: Posibilidad de uso de banda pareada (modo FDD) y banda no-pareada (TDD).

Interconexión: Debe garantizarse la interconexión con los sistemas existentes del 3GPP y otros sistemas no-3GPP. Los terminales multimodo deben soportar traspasos (handover) hacia y desde las redes previas, así como medidas inter-sistema. El tiempo de interrupción en el traspaso entre distintas tecnologías deberá ser inferior a 300 ms para los servicios de tiempo real y menos de 500 ms para los servicios de tiempo no-real.

Servicios Multimedia Broadcast y Multicast (MBMS): Se especificará una mejora de MBMS para dar lugar a Enhanced MBMS (E-MBMS).

Coste: Reducción de CAPEX y OPEX incluyendo la red de transporte. Debe lograrse un coste reducido de migración de la arquitectura y el acceso radio partiendo de una red de Release 6. Debe asegurarse un coste, complejidad y consumo de energía razonables tanto para el terminal como para el sistema. Todas las interfaces especificadas deberán ser abiertas para facilitar la interoperabilidad entre equipos de múltiples proveedores.

Movilidad: El sistema debe ser óptimo para baja velocidad del terminal móvil (0-15 km/h), pero se deben soportar velocidades mayores incluyendo el caso particular de trenes de alta velocidad. En particular, debe tener altas prestaciones para velocidades de hasta los 120 km/h y para velocidades mayores y hasta 350 km/h la conexión se debe mantener.

Cobertura: En cuanto a la cobertura del sistema, en LTE se debe cumplir que las prestaciones máximas del sistema lleguen hasta los 5 km. Sólo es admisible una leve degradación de la cobertura entre 5 km y 30 km y debería incluirse en el estándar la posibilidad de alcanzar rangos de hasta 100 km.

Coexistencia: Debe garantizarse la coexistencia en la misma zona geográfica, así como la compartición de emplazamientos con redes existentes. También es un requisito importante la coexistencia entre operadores en bandas adyacentes, así como la coexistencia de redes en zonas fronterizas.

Calidad de servicio: Se garantizará la calidad de servicio extremo a extremo (end-to-end calidad de servicio o Quality of Service (QoS)). El servicio de voz sobre IP o Voice over IP (VoIP) debe soportarse al menos con la misma calidad, eficiencia y latencia en la red de acceso radio y de transporte que la que se ofrece para tráfico de voz sobre conmutación de circuitos en UMTS.

Sincronización de red: No es obligatoria la sincronización temporal entre diferentes emplazamientos de la red.

Otros requisitos: LTE debe soportar al menos 200 terminales en estado activo cuando se opera sobre un ancho de banda de 5 MHz.

1.4. Espectro radioeléctrico

Una de las características más importantes en las prestaciones de LTE es su flexibilidad espectral. La interfaz radio deberá poder operar en asignaciones de espectro de diferentes tamaños: 1,4 MHz, 3 MHz, 5 MHz, 10 MHz, 15 MHz y 20 MHz, tanto en UL como en DL. Esta flexibilidad permite el despliegue de LTE en diferentes espectros y con diferentes características:

Flexibilidad en gestión dúplex. Una de las características principales de las especificaciones es que LTE debe funcionar en FDD y en TDD. FDD consiste en que la transmisión entre una estación base y un terminal móvil se realiza en un tiempo dado a la vez, pero con distintas frecuencias, y TDD utiliza la misma frecuencia pero en instantes de tiempo diferentes.

Flexibilidad de la banda de operación en frecuencia. LTE debe poder operar desde 450 MHz hasta 3,5 GHz, ya sea en lugares del espectro disponibles actualmente o por migración de antiguos sistemas, lo que se conoce como refarming.

Flexibilidad espectral. El ancho de banda asignado para la transmisión con LTE puede ser mayor o menor. Esta flexibilidad espectral puede hacer que haya una migración de otras tecnologías de acceso radio a LTE. Teóricamente el ancho de banda de transmisión varía de 1 MHz a 20 MHz en pasos de 180 kHz, aunque en las especificaciones se reconocen sólo los anchos comentados anteriormente.

Respecto a la banda de frecuencia utilizada, LTE es miembro de la familia IMT y, por tanto, puede desplegarse en cualquiera de las bandas reconocidas a tal familia. En las World Radiocommunication Conferences (WRC) relacionadas con esta asignación de frecuencia (WRC de 1992, 2000 y 2007), se identificaron las siguientes bandas de trabajo para IMT:

450-470 MHz

698-960 MHz

1.710-2.025 MHz

2.110-2.200 MHz

2.300-2.400 MHz

2.500-2.690 MHz

3.400-3.600 MHz

Ésta es una lista simplificada de las asignaciones reales, ya que la variación es muy significativa entre las distintas regiones. En realidad, la mayor porción de espectro asignada a tecnologías IMT es de 200 MHz y se encuentra en la banda de 3,4-3,6 GHz, disponible en la mayor parte de los países de las Regiones 1 y 3. Un análisis más detallado del uso del espectro se encuentra en el capítulo 10, dedicado a LTE-A.

1.5. Arquitectura global del sistema

Para poder conocer la red en su conjunto es importante conocer la arquitectura del sistema (ver figura 1.4). Se llama arquitectura del sistema al conjunto de nodos e interfaces que hacen posible la comunicación entre una estación base y un terminal móvil. Su arquitectura se divide en dos partes: la red de acceso radio o Radio Access Network (RAN) y el núcleo de red o Core Network (CN). A la red de acceso radio de LTE se la conoce como Evolved UMTS Terrestrial Radio Access Network (E-UTRAN), y al núcleo de red como Evolved Packet Core (EPC).

La filosofía de diseño de la arquitectura del sistema es minimizar el número de nodos y encontrar una solución donde la RAN esté formada por un solo nodo. Por su parte, la filosofía del CN es que sea lo más independiente posible de la RAN.

La filosofía de reducir el número de nodos en la E-UTRAN condujo hacia la implantación de un único nodo mucho más complicado que el NodeB de UMTS, llamado evolved Node B (eNodeB). Su principal función es la gestión de recursos radio y la conexión de los terminales móviles de una celda a otra. Si se observa la figura 1.4, existen dos tipos de interfaces en la red de acceso radio: la S1 que conecta la E-UTRAN con el EPC y la interfaz X2 que conecta un eNodeB con otro. La interfaz X2 es utilizada principalmente para la movilidad y para las funciones de gestión de recursos radio multicelular.

Las funciones principales de la RAN son:

Figura 1.4. Arquitectura del sistema LTE.

Codificación, entrelazado, modulación, etc.

Función ARQ, compresión de cabecera, etc.

Funciones de seguridad (cifrado, protección de integridad, etc).

Gestión de recursos radio, cambio de celda o handover, etc.

Por su parte, el núcleo de red de LTE está basado, al igual que el de UMTS, en el núcleo de red del sistema de GSM/GPRS. El CN es una evolución del núcleo de red de GSM/GPRS y de ahí su nombre Evolved Packet Core (EPC). Siguiendo con la filosofía de minimizar el número de nodos, el núcleo de red también posee un único nodo que engloba dos entidades funcionales, la entidad de control de la movilidad o Mobility Management Entity (MME) y el Serving Gateway (S-GW), más un nodo de enrutamiento a redes externas conocido como Packet Data Network Gateway (PDN-GW). De manera resumida, la entidad MME es responsable del plano de control, mientras que el S-GW se encarga del plano de usuario o del encaminamiento de los datos. Las funciones del CN son:

Gestión del coste mensual de cada usuario.

Gestión de suscriptores.

Gestión de movilidad.

Gestión de portadora y de la calidad de servicio.

Control de datos de usuario e interconexión a redes externas.

La arquitectura del sistema LTE se analiza con más detalle en los capítulos 3 y 4 dedicados al EPC y a la E-UTRAN, respectivamente.

1.6. Comparativa UMTS vs. LTE

Como su propio nombre indica, la tecnología LTE ha sido desarrollada como una evolución del sistema UMTS/HSPA. La filosofía del sistema es similar a la de redes celulares previas, y su diseño se halla perfectamente integrado en el ecosistema del 3GPP. A pesar de todo ello, LTE es un nuevo sistema en sí mismo y tanto su red de acceso como su núcleo de red son novedosos. Sin ánimo de entrar en detalles, que serán explicados en los capítulos sucesivos, a continuación se recogen algunas de las diferencias más significativas de LTE frente a UMTS/HSPA:

LTE es concebida como una red todo-IP en la que desaparece el dominio conmutación de circuitos o Circuit Switched (CS). De este modo, servicios como la voz, basados tradicionalmente en CS, deberán ofrecerse haciendo uso del dominio conmutación de paquetes o Packet Switched (PS). Una solución natural es utilizar el subsistema IP multimedia o IP Multimedia Subsystem (IMS), que además del servicio de voz permite otras comunicaciones multimedia. Pero existen otras posibilidades: así, por ejemplo, en [2] se describe el mecanismo CS fallback que básicamente es un handover vertical hacia GSM o UMTS. Tras una señalización inicial en LTE, el equipo de usuario o User Equipment (UE) sería traspasado al dominio CS de estas redes. Por otro lado, la iniciativa Voice over LTE Generic Access (VoLGA) propone la introducción del dominio CS en LTE. Como en el nuevo sistema no existen equipos controladores de la red de acceso similares a la Radio Network Controller (RNC) de UMTS, la solución VoLGA requiere la introducción de un nuevo elemento en LTE, es decir, un controlador de red de acceso encargado de encaminar el tráfico hacia el dominio correspondiente.

El sistema LTE presenta una arquitectura menos jerarquizada, no sólo por la desaparición de la RNC, sino porque además toda la gestión de los recursos radio es trasladada a los eNodeB. Ello implica una mayor rapidez en la ejecución de los procedimientos, con una latencia final menor. La necesidad de coordinación entre eNodeB redunda en la aparición de una interfaz común (X2), inexistente en UMTS/HSPA. Finalmente, la ausencia de jerarquía implica un menor impacto de los fallos en nodos.

La técnica de acceso radio en LTE es OFDMA/SC-FDMA, frente a la estrategia Code Division Multiple Access (CDMA) de UMTS/HSPA. Además, únicamente se utilizan canales compartidos y por tanto se reduce la señalización por reconfiguraciones. Por la propia naturaleza del método de acceso, la asignación de recursos o scheduling se realiza en frecuencia y tiempo, mientras que en HSPA es en código y tiempo. La reducción del Transmission Time Interval (TTI) de 2 a 1 ms permite una adaptación más fina a las condiciones del canal con la consecuente mejora de eficiencia en el scheduling.

LTE es escalable de manera natural en términos de ancho de banda, mientras que UMTS/HSPA utiliza una canalización fija de 5 MHz y, en consecuencia, opciones para ampliar el ancho de banda como dual-cell HSPA requieren la modulación de dos portadoras.

El uso de tecnologías multiportadora en LTE también se traduce en receptores más sencillos que la opción Rake de UMTS. La ecualización es en frecuencia y la incorporación de un intervalo de guarda en los símbolos combate la interferencia entre símbolos o Inter Symbol Interference (ISI) generada por la propagación multicamino. El mismo intervalo de guarda permite una operación natural en modo red de frecuencia única o Single Frequency Network (SFrN) en redes de difusión E-MBMS.

En relación con la gestión de la movilidad, los terminales en modo idle están localizados en grupos de áreas de seguimiento o tracking, que representan un concepto más genérico que las áreas de localización/enrutado de los sistemas previos; además, no existe un procedimiento equivalente a la actualización de celda para un terminal idle. Los terminales activos se siguen localizando a nivel de celda servidora, pero el handover deja de ser de tipo soft. Tal y como ocurre en el enlace descendente de HSPA, es un traspaso hard. Además, se definen dos procedimientos diferentes en función de si se quiere garantizar la ausencia de pérdidas o un tiempo de traspaso mínimo. LTE también contempla la preparación de múltiples celdas destino en paralelo para reducir el tiempo de recuperación en caso de caída del enlace durante el handover.

En UMTS, debido a la naturaleza CDMA del sistema y la ortogonalidad no perfecta de los códigos en recepción, el control de potencia es uno de los procedimientos de gestión de recursos radio o Radio Resource Management (RRM) más importantes. También es uno de los procesos con mayor carga computacional, con un envío de 1.500 comandos/s. En LTE, la ortogonalidad intrínseca de los usuarios intra-celda relaja este requisito y la transmisión se adapta al canal mediante variaciones de tasa y no de potencia. Eventualmente sí se pueden utilizar variaciones de potencia, pero para conseguir una reducción de la interferencia inter-celda. Por otro lado, reaparecen las correcciones por timing advance, que en UMTS se habían abandonado por innecesarias.

Finalmente, otra diferencia importante de LTE frente a UMTS es la destacada simplificación del protocolo Radio Resource Control (RRC). Por ejemplo, su máquina de estados se reduce de cinco a dos estados y con un tiempo de transición inferior a 100 ms. También, los múltiples tipos de canales de transporte en UMTS implican una gestión del nivel control de acceso al medio o Medium Access Control (MAC) complejo, con hasta cuatro entidades MAC distintas (MAC-d, -c/sh, -hs y -e) frente a una única posibilidad en LTE.

Cabe indicar que los puntos anteriores únicamente recogen las grandes diferencias de LTE frente a UMTS/HSPA; sin embargo, estos cambios se traducen en múltiples novedades, desgranadas y descritas en detalle en los próximos capítulos.

Referencias

[1] 3GPP, Requirements for Evolved UTRA (E-UTRA) and Evolved UTRAN (E-UTRAN), 3GPP, Technical Report TR 25.913 v7.3.0, 2006.

[2] 3GPP, Circuit Switched (CS) Fallback in Evolved Packet System (EPS); Stage 2, 3GPP, TS 23.272 v9.4.0, 2010.

Capítulo 2

Tecnologías habilitantes de LTE

Narcís Cardona, Joan J. Olmos

2.1. Introducción

Este capítulo describe las tecnologías que hacen posible cumplir con los objetivos de velocidad de transmisión, eficiencia espectral y flexibilidad de ancho de banda que proporciona el estándar Long Term Evolution (LTE). LTE especifica una interfaz radio en modo paquete extremadamente flexible y eficiente, con un Transmission Time Interval (TTI) de tan sólo 1 ms y baja latencia. Las modulaciones multiportadora, Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) en el enlace descendente o Downlink (DL) y Single Carrier-Frequency Division Multiple Access (SC-FDMA) en el enlace ascendente o Uplink (UL) juegan un papel importante, al aportar ortogonalidad tanto en DL como en UL, soporte de técnicas Multiple-Input Multiple-Output (MIMO), robustez frente a la propagación multicamino y una asignación de recursos (scheduling) optimizada en función del estado del canal de cada usuario. Las técnicas MIMO permiten aumentar las tasas de pico y/o combatir los desvanecimientos, mientras que el Hybrid ARQ (HARQ) permite usar los recursos mínimos cuando el canal es bueno y retransmitir rápidamente cuando el canal presenta errores, evitando así que se active la retransmisión en capas superiores.

El apartado 2.2 introduce los conceptos de ecualización en el dominio de la frecuencia y convolución circular, que permiten combatir los efectos de la propagación multicamino con baja complejidad. El apartado 2.3 describe la modulación OFDM y su generación y demodulación mediante Fast Fourier Transform (FFT). El apartado 2.4 describe la modulación SC-FDMA, que proporciona perfecta ortogonalidad entre usuarios en el UL de LTE. El apartado 2.5 se dedica a las tecnologías MIMO, presentes en el estándar LTE desde su concepción. Se hace énfasis en la ecualización MIMO lineal (Zero Forcing (ZF) y Minimum Mean Square Error (MMSE)), en la combinación de técnicas MIMO y modulación OFDM y en las configuraciones MIMO de diversidad en transmisión, como Alamouti y diversidad por retardo cíclico o Cyclic Delay Diversity (CDD). El apartado 2.6 describe las técnicas HARQ con combinación soft: estrategias Chase Combining y redundancia incremental o Incremental Redundancy (IR). Finalmente, el apartado 2.7 introduce las técnicas de scheduling que permiten optimizar el uso de los recursos temporales y frecuenciales en función del estado del canal de cada usuario y de sus parámetros de calidad de servicio o Quality of Service (QoS), al mismo tiempo que se intenta maximizar el throughput global de la celda y minimizar las interferencias intercelulares.

2.2. Ecualización en el dominio de la frecuencia

Los estándares actuales de comunicaciones móviles y redes de área local inalámbricas o Wireless Local Area Networks (WLAN), a fin de aumentar la capacidad y las prestaciones, contemplan usar anchos de banda de decenas de MHz. En estas condiciones el receptor dispone de una resolución temporal muy alta, lo que hace poco práctica la ecualización en el dominio del tiempo. El número de coeficientes que necesita un ecualizador lineal en el dominio del tiempo es del orden de la duración de la respuesta al impulso del canal (delay spread) dividida por el periodo de muestreo del receptor. Para un delay spread de 5 μs y un ancho de banda de 20 MHz (periodo de muestreo de 50 ns) se necesitarían alrededor de 100 coeficientes. Además, la estimación del canal en banda ancha depende de la relación señal a ruido o Signal to Noise Ratio (SNR) media en toda la banda, mientras que la estimación de canal en múltiples sub-bandas estrechas obtiene estimaciones de gran calidad en las sub-bandas menos afectadas por el desvanecimiento selectivo, que son las que disponen de mayor capacidad de información en cada momento. Al ecualizar en el dominio de la frecuencia, las sub-bandas con mejor calidad se ecualizan por separado y la SNR de posprocesado (después del ecualizador) es independiente de los desvanecimientos en el resto de sub-bandas. Por estos motivos, por su menor complejidad y mayor calidad, se tiende a usar esquemas de modulación que permitan ecualizar en el dominio de la frecuencia, [1, 2].

2.2.1. Convolución circular discreta

Si se consideran dos conjuntos de muestras temporales complejas de tamaño N, r(n) y q(n), se define la convolución circular discreta como:

A diferencia de la convolución discreta convencional, que extiende la secuencia r(n) con ceros para n < 0 y n ≥ N, la convolución circular considera una extensión periódica de la secuencia r(n), de forma que para –N < n < 0 se considera r(n) = r(n + N).

Puede demostrarse que la ecualización muestra a muestra en el dominio de la frecuencia equivale a realizar una convolución circular discreta en el dominio del tiempo. Considerando nuevamente los conjuntos de muestras temporales complejas de tamaño N, r(n) y q(n), sus correspondientes transformadas discretas de Fourier o Discrete Fourier Transforms (DFT) son:

donde r(n) y q(n) representan las muestras en los instantes nT/N y Q(k) y R(k) son las muestras a la frecuencia k/T. Al definir la secuencia producto (en el dominio de la frecuencia), Y(k) = Q(k) · R(k) y calcular su Inverse DFT (IDFT) se obtiene:

Si en la expresión (2.3) se supone que r(n) son las muestras temporales recibidas y Q(k) son las muestras del ecualizador en el dominio de la frecuencia, queda claro que la ecualización discreta en frecuencia equivale a una convolución circular en el tiempo.

Como consecuencia, para que la ecualización discreta en frecuencia sea viable se requiere que la convolución de la señal transmitida con el canal sea también una convolución circular. Para conseguir la convolución circular con el canal, la señal transmitida se divide en bloques temporales que posteriormente se extienden añadiéndoles un prefijo cíclico de longitud no menor que el delay spread del canal. Los bloques de muestras generados mediante IDFT, al ser periódicos y circulares por naturaleza, son adecuados para aplicarles la extensión cíclica manteniendo la continuidad de fase (para no alterar el espectro).

2.3. OFDM/OFDMA

2.3.1. OFDM

La modulación OFDM [3] se aplica actualmente en numerosos estándares de comunicaciones (Asymmetric Digital Subscriber Line (ADSL), Digital Video Broadcasting- Terrestrial (DVB-T), WLAN, Worldwide Interoperability for Microwave Access (WiMAX), LTE) debido a una serie de ventajas tales como: robustez frente a la propagación multicamino, facilidad de generación/demodulación mediante FFT, compatibilidad con técnicas MIMO y flexibilidad para adaptarse a radiocanales de gran ancho de banda gracias a la ecualización en el dominio de la frecuencia. Además, en sistemas de banda ancha (que ocupan un ancho de banda mayor que el ancho de banda de coherencia del canal), la combinación de OFDM y códigos Forward Error Correction (FEC) proporciona diversidad en frecuencia debido a que los bits codificados viajan en subportadoras que