Tutorial 3G LTE 3GPP Long Term
Evolutionhttp://www.radio-electronics.com/info/cellulartelecomms/index.php
Tutorial acerca de los fundamentos de 3G LTE (Long Term Evolution)
de la 3GPP. Planes de LTE para la prxima generacin de servicios
celulares de telecomunicaciones. Este Tutorial incluye: Introduccin
tutorial OFDM y OFDMA/SC-FDMA MIMO Esquemas Dplex TDD y FDD
Estructura de trama y subtrama Canales fsicos, lgicos y de
transporte Bandas y espectro de frecuencia Definicin de categoras
de UE Evolucin de la arquitectura del sistema SAE Voz sobre LTE,
VoLTE Seguridad
3G LTE ahora se est implementando y es la forma de seguir
adelante con los servicios celulares de alta velocidad. Ha habido
un rpido aumento en el uso de datos transportados por lo servicios
celulares, y este aumento slo ser mayor en lo que se ha denominado
como la explosin de datos. Para atender esto y el aumento de la
demanda por mayores velocidades en la transmisin de datos y una
menor latencia, ha sido necesario un mayor desarrollo de la
tecnologa celular. La actualizacin de tecnologa celular UMTS ha
sido denominada LTE - Long Term Evolution. La idea es que 3G LTE
permitir lograr velocidades mucho mayores, junto con mucho menor
latencia en los paquetes (una creciente exigencia para muchos
servicios en estos das), y que 3GPP LTE permitir a los servicios de
comunicaciones celulares avanzar para satisfacer las necesidades de
tecnologa celular para el ao 2017 y ms all. Muchos operadores an no
han actualizado sus redes 3G bsicas y 3GPP LTE es visto como el
siguiente paso lgico para muchos operadores, que saltarn
directamente desde 3G bsica directamente a LTE, ya que esto evitar
pasar por varias etapas de actualizacin. El uso de LTE tambin
proporcionar las capacidades de datos que sern necesarias durante
muchos aos y hasta el lanzamiento completo de las normas de 4G
completas, conocidas como LTE Advanced. Evolucin de 3G LTE Aunque
ha habido cambios importantes entre LTE y sus predecesores de 3G,
estos cambios sin embargo son considerados como una evolucin de los
estndares UMTS de 3G de 3GPP. Aunque utiliza una forma diferente de
la interfaz de radio, usando OFDMA/SC-FDMA en lugar de CDMA,
existen muchas similitudes con las formas anteriores de la
arquitectura 3G y de hecho se reutiliza gran parte del sistema
bsico. Puede considerarse que LTE proporciona una mayor evolucin de
la funcionalidad, mayor velocidad y mejora el rendimiento en
general.
WCDMA HSPA (UMTS) HSDPA / HSUPA Max velocidad en el enlace
descendente (bps) Max velocidad en el enlace ascendente (bps) 384 k
128 k 14 M 5.7 M 100 ms Rel 5 / 6 2005 / 6 HSDPA 2007 / 8 HSUPA
CDMA
HSPA+ 28 M 11 M 100M 50 M
LTE
Latencia aproximada en el 150 ms tiempo de viaje de ida y vuelta
3GPP releases Rel 99/4
50ms (max) ~10 ms Rel 7 2008 / 9 CDMA Rel 8 2009 / 10 OFDMA /
SC-FDMA
Approx years of initial roll out 2003 / 4 Access methodology
CDMA
Adems de esto, LTE es una red totalmente basada en IP, soporta
IPv4 e IPv6. El sistema no ofrece una provisin bsica para el
transporte de voz, aunque esta se puede llevar a travs de VoIP.
Tecnologas de 3GPP LTE Cuando se compara LTE con los sistemas
celulares anteriores, puede verse que este ha introducido una serie
de nuevas tecnologas que le permiten operar ms eficientemente con
respecto al uso del espectro y ofrecer velocidades de datos mucho
mayores de las que eran requeridas. Las siguientes son algunas de
estas tecnologas: OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplex):
esta tecnologa se ha incorporado dentro de LTE porque permite la
transmisin eficiente de altos anchos de banda de datos, mientras
ofrece un alto grado de resistencia a las reflexiones y a la
interferencia. Los regmenes de acceso difieren entre el uplink (UL)
y downlink (DL). En el enlace descendente se utiliza OFDMA
(Orthogonal Frequency Division Multiple Access); mientras que en la
subida se utiliza SC-FDMA (Single Carrier-Frequency Division
Multiple Access). SC-FDMA es usado en vista del hecho de que su
pico de tasa de potencia media es pequeo y el hecho de tener una
potencia ms constante permite tener una alta eficiencia en el
amplificador de RF de los telfonos mviles - un factor importante
para el equipo de alimentacin de batera. MIMO (Multiple Input
Multiple Output) (mltiple entrada mltiple salida): uno de los
principales problemas que han enfrentado los anteriores sistemas de
telecomunicaciones es el de las mltiples seales resultantes de las
muchas reflexiones que se encuentran. Mediante el uso de la
tecnologa MIMO, estos caminos de seal adicionales pueden utilizarse
con ventaja para aumentar el rendimiento del sistema. Cuando se
utiliza MIMO, es necesario utilizar mltiples antenas para poder
distinguir las diferentes trayectorias de la seal. En consecuencia,
pueden utilizarse esquemas mediante matrices de antenas 2 x 2, 4 x
2 o 4 x 4. Pero mientras es relativamente fcil
aadir nuevas antenas en una estacin base, lo mismo no es posible
en los telfonos mviles, donde las dimensiones de equipo de usuario
limitan el nmero de antenas, las cuales deben estar separadas al
menos una longitud de onda. Evolucin de la arquitectura del sistema
(SAE: System Architecture Evolution): para cumplir con los
requerimientos de tener en 3G LTE una muy alta velocidad de datos y
una baja latencia, es necesario que la arquitectura del sistema
evolucione, para permitir que se logre una mejora en el
rendimiento. Uno de los cambios consiste en que varias de las
funciones anteriormente manejadas por el ncleo de la red han sido
transferidas hacia la periferia. Esencialmente, esto proporciona
una arquitectura de red mucho ms plana, de tal manera que los
tiempos de latencia puedan reducirse y se pueden enrutar los datos
ms directamente hacia su destino.
Estas tecnologas se tratan con mayor detalle en las siguientes
pginas de este tutorial. Visin general de la especificacin de LTE
3G Vale la pena resumir los parmetros claves de la especificacin 3G
LTE. En vista del hecho de que hay una serie de diferencias entre
la operacin de los enlaces ascendente y descendente, estos
naturalmente difieren en el rendimiento que pueden ofrecer.Parmetro
Pico de la velocidad del DL 64QAM (Mbps) Pico de la velocidad del
UL (Mbps) Tipo de dato Anchos de banda del canal (MHz) Esquemas
Duplex Movilidad Latencia Eficiencia espectral Esquemas de Acceso
Tipos de Modulacin soportados Detalles 100 (SISO), 172 (2x2 MIMO),
326 (4x4 MIMO) 50 (QPSK), 57 (16QAM), 86 (64QAM) Todo con
conmutacin de paquetes (voz y datos). Sin conmutacin de circuitos.
1.4, 3, 5, 10, 15, 20 FDD y TDD 0 - 15 km/h (optimizado), 15 - 120
km/h (Alto desempeo) De libre a activo menos de 100ms Paquetes
pequeos ~10 ms Downlink: 3 - 4 veces. Rel 6 HSDPA Uplink: 2 - 3 x
Rel 6 HSUPA OFDMA (Downlink) SC-FDMA (Uplink) QPSK, 16QAM, 64QAM
(Uplink y downlink)
Este resumen de especificaciones puede dar una visin general del
rendimiento que ofrece LTE. Este cumple con los requisitos
impuestos por la industria para velocidades de descarga de datos,
as como de latencia reducida - un factor importante para muchas
aplicaciones desde VoIP hasta el uso de juegos y uso interactivo de
datos. Tambin proporciona importantes mejoras en el uso del
espectro disponible. OFDM, OFDMA y SC-FDMA en LTE Visin general
sobre los fundamentos de OFDM, OFDMA y SC-FDMA en LTE incluyendo
prefijo cclico (CP: cyclic prefix).
Uno de los elementos claves de LTE es el uso de OFDM (Orthogonal
frequency Division Multiplex) como el portador de la seal y sus
esquemas de acceso asociados, OFDMA (Orthogonal frequency Division
Multiplex Access) y SC-FDMA (Single Carrier - Frequency Division
Multiple Access). OFDM es usado en otros sistemas desde WLAN, WiMAX
hasta tecnologas de difusin que incluyen DVB y DAB. OFDM tiene
muchas ventajas, incluyendo su robustez ante el desvanecimiento
(fading) por multitrayectoria e interferencia. Adems, aunque puede
parecer una forma particularmente complicada de modulacin, ha
adoptado tcnicas de procesamiento digital de seales. En vista de
sus ventajas, el uso de ODFM y de las tecnologas de acceso
asociadas, OFDMA y SC-FDMA es una alternativa natural en el nuevo
estndar celular LTE. Conceptos bsicos OFDM Aunque se utilizan los
conceptos bsicos de OFDM, este sistema ha sido naturalmente
adaptado para satisfacer los requerimientos exactos de LTE. Sin
embargo el principio de emplear muchas portadoras, cada una
llevando una velocidad de datos baja, sigue siendo la misma. Nota
sobre OFDM: OFDM es una forma de transmisin que utiliza un gran
nmero de portadoras poco espaciadas que son moduladas con datos de
baja velocidad. Normalmente se esperara que estas seales se
interfirieran entre s, pero haciendo que estas seales sean
ortogonales entre s, no existe interferencia mutua. Esto se logra
al tener el espaciado de las portadoras igual al inverso del perodo
de los smbolos. Esto significa que cuando las seales se desmodulan
tendrn un nmero entero de ciclos en el perodo del smbolo y su
contribucin dar una suma de cero - en otras palabras no hay ninguna
contribucin a la seal por interferencia. Los datos que van a se
transmitidos se dividen entre todas las frecuencias portadoras y
esto significa que mediante el uso de tcnicas de correccin de
error, si algunas de las portadoras se pierden debido a los efectos
de mltiples trayectorias de la seal, entonces los datos pueden ser
reconstruidos. Adems transmitir los datos a una velocidad baja a
travs de todas las portadoras significa que se pueden superar los
efectos de las reflexiones y de la interferencia intersimblica.
Esto tambin significa que se pueden implementar redes de frecuencia
nica, donde todos los transmisores pueden transmitir sobre el mismo
canal.
La aplicacin efectiva de la tecnologa ser diferente entre el
enlace descendente (es decir, desde la estacin base hasta los
mviles) y el enlace ascendente (es decir, mvil a la estacin base),
como consecuencia de los diferentes requisitos entre las dos
direcciones y los equipos en los extremos. Sin embargo OFDM fue
elegido como el formato portador de seal porque es muy resistente a
las interferencias. Tambin en los ltimos aos se ha ganado un
considerable
nivel de experiencia en su uso a travs de las diversas formas de
difusin que lo utilizan junto con Wi-Fi y WiMAX. OFDM es tambin un
formato de modulacin que es muy adecuado para el transporte de de
datos a alta velocidad - uno de los requisitos claves de LTE. Adems
de esto, OFDM puede utilizarse en los formatos FDD y TDD. Esto se
convierte en una ventaja adicional. Caractersticas y anchos de
banda de canal LTE Uno de los parmetros claves asociados con el uso
de OFDM dentro de LTE es la eleccin del ancho de banda. El ancho de
banda disponible influye en una variedad de decisiones, incluyendo
el nmero de portadoras que se pueden alojar en la seal OFDM y a su
vez esto influye sobre elementos como la longitud del smbolo y
otros. LTE define una serie de anchos de banda de canal.
Obviamente, cuanto mayor sea el ancho de banda, mayor ser la
capacidad del canal. Los anchos de banda de canal que han sido
elegidos para LTE son: 1. 2. 3. 4. 5. 6. 1,4 MHz 3 MHz 5 MHz 10 MHz
15 MHz 20 MHz
Adems de esto las subportadoras se espacian 15 kHz entre s. Para
mantener la ortogonalidad, esto da una tasa de smbolo de 1/15 kHz =
66,7 s. Cada subportadora es capaz de transportar datos a una
velocidad mxima de 15 ksps (kilosymbols por segundo). Esto le
proporciona a un sistema con ancho de banda de 20 MHz una tasa de
smbolos bsica de 18 Msps. A su vez es capaz de proporcionar una
velocidad de datos bsica de 108 Mbps, ya que cada smbolo es capaz
de representar 6 bits, mediante el uso de 64QAM. Puede parecer que
estas velocidades no concuerdan con las cifras que se incluyen en
las especificaciones de LTE al inicio del documento. La razn de
esto es que la velocidad mxima real de datos se obtiene restando
antes las sobrecargas de codificacin y control. Luego existen
ganancias derivadas de elementos tales como el multiplexado
espacial, etc.. Prefijo cclico (CP) OFDM en LTE, Una de las
principales razones para usar OFDM como un formato de modulacin
dentro de LTE (y en otros sistemas inalmbricos) es su resistencia a
retrasos y dispersiones multitrayecto. No obstante sigue siendo
necesario implementar mtodos para agregar resistencia al sistema,
para ayudar a superar la interferencia inter-simblica (ISI).
En las zonas donde se prev que exista ISI, esta puede evitarse
insertando un perodo de guarda al principio de cada smbolo de
datos. De esta manera es posible copiar una seccin del final del
smbolo, al principio. Esto se conoce como el prefijo cclico, CP. El
receptor puede entonces muestrear la forma de onda en el momento
ptimo y evitar cualquier interferencia
inter-simblica causada por reflexiones que se retrasan en
duraciones de hasta la longitud del prefijo cclico, CP. La longitud
del prefijo cclico, CP es importante. Si no es suficientemente
larga, entonces no contrarrestar la dispersin por el retraso de la
reflexin multitrayecto. Si es demasiado larga, entonces reducir la
capacidad de rendimiento de datos. Para LTE, la longitud estndar
del prefijo cclico ha sido elegida como 4,69 s. Esto permite que el
sistema se adapte a variaciones de trayectoria de hasta 1,4 km.
Esto con la longitud del smbolo en LTE puesto en 66,7 s. La duracin
del perodo de guardia Tg debe ser ms larga que el peor de los casos
de demora de propagacin del medio ambiente de Multi-path de
destino. La Figura ilustra la idea. En el receptor se elige una
cierta posicin dentro el prefijo cclico, como punto de partida para
el muestreo, de tal manera que se cumpla el siguiente criterio: max
< Tx < Tg donde max es la dispersin Multi-trayecto en el peor
caso. Como se ilustra en la figura, si la condicin anterior se
satisface, no existir ninguna ISI ya que el smbolo anterior slo
tendr efecto sobre muestras dentro del perodo [0, max]. Tambin es
evidente de la figura que el perodo de muestreo que inicia a partir
de Tx, abarcar la contribucin de todos los componentes de Multi-
trayecto para que todas las muestras experimentan el mismo canal y
no habr ninguna ICI (Interferencia Inter-Canal).
La longitud del smbolo est definida por el hecho de que para
sistemas OFDM la longitud del smbolo es igual a la recproca del
espaciado entre portadoras, por lo que se logra la ortogonalidad.
Con un espaciado entre portadoras de 15 kHz, se obtiene una
longitud del smbolo de 66,7 s. OFDMA LTE en el enlace descendente
La seal OFDM utilizada en LTE comprende un mximo de 2048 diferentes
sub-carriers espaciadas 15 kHz. Aunque es obligatorio para los
mviles que tengan la capacidad de poder recibir todas las 2048
sub-portadoras, no todas necesitan ser transmitidas por la estacin
base. Esta slo debe ser capaz de soportar la transmisin de 72
sub-portadoras. De esta manera todos mviles podrn comunicarse con
cualquier estacin base. Dentro de la seal OFDM es posible elegir
entre tres tipos de modulacin: 1. QPSK (= 4QAM) 2. 16QAM 3. 64QAM 2
bits por smbolo 4 bits por smbolo 6 bits por smbolo
El formato exacto es elegido en funcin de las condiciones
imperantes. Las formas inferiores de modulacin (QPSK) no requieren
de una seal con gran relacin seal-ruido, pero no son capaces de
enviar los datos tan rpido. Slo cuando exista una suficiente
relacin seal a ruido, podrn usarse los formatos de modulacin de
orden superior.
Portadoras en el enlace descendente y bloques de recursos En el
enlace descendente, las subportadoras son separadas en bloques de
recursos. Esto permite que el sistema pueda separar los datos entre
un nmero estndar de subportadoras. Los bloques de recursos
comprenden 12 subportadoras, independientemente del ancho de banda
de la seal general LTE. Estas adems cubren una ranura en la trama
temporal. Esto significa que distintos anchos de banda de la seal
LTE tendrn diferente nmero de bloques de recursos.Ancho de banda
del canal (MHz) Numero de bloques de recursos 1.4 6 3 15 5 25 10 50
15 75 20 100
LTE SC-FDMA en el enlace ascendente Para el enlace de subida en
LTE, como tcnica de acceso se utiliza un concepto diferente. Aunque
se sigue utilizando una forma de tecnologa OFDMA, la implementacin
se llama Acceso Mltiple por Divisin de Frecuencia con Portadora
nica (SC-FDMA: Single Carrier Frequency Division Multiple Access).
Uno de los parmetros claves que afecta a todos los mviles es el de
la batera. A pesar de que el rendimiento de las bateras mejora cada
da, sigue siendo necesario garantizar que los mviles utilicen tan
poca potencia de batera como sea posible. Siendo el amplificador de
potencia de RF que transmite la seal de radio frecuencia a travs de
la antena hacia la estacin base, el elemento de mayor consumo de
potencia dentro del mvil, es necesario que este opere de modo
eficiente. Esto puede verse afectado significativamente por la
forma de modulacin de la frecuencia de radio y por el formato de la
seal. Las seales que tienen una alta relacin de pico a promedio y
requieren amplificacin lineal no se adaptan a la utilizacin de
amplificadores de potencia de RF eficientes. Como resultado de ello
es necesario emplear un modo de transmisin que tenga en lo posible
un nivel de potencia constante cuando se opera. Lamentablemente
OFDM tiene una alta relacin de pico a promedio. Aunque esto no es
un problema para la estacin base donde la potencia no es un
problema particular, es inaceptable para el mvil. Como resultado,
LTE utiliza el esquema de modulacin SC-FDMA, que es un formato
hbrido, el cual combina la propiedad de tener una baja relacin de
pico a promedio ofrecida por los sistemas de portadora nica con la
resistencia a la interferencia por multi-trayectoria y la asignacin
flexible de frecuencia de subportadora que provee OFDM.
MIMO LTE MIMO (Mltiple entrada-Mltiple salid es otra de las
innovaciones de tecnologa utilizadas por LTE para mejorar el
rendimiento del sistema. Esta tecnologa brinda la posibilidad de
mejorar el rendimiento y la eficiencia espectral por encima de la
obtenida con el uso de OFDM LTE. Aunque MIMO agrega complejidad al
sistema en trminos de procesamiento y del nmero de antenas
requeridas, permite lograr velocidades de datos muy altas junto con
una mayor eficiencia espectral. Conceptos bsicos de MIMO LTE El
concepto bsico de MIMO utiliza la propagacin de de seal por
mltiples rutas, la cual est presente en todas las comunicaciones
terrestres, pero en lugar de proporcionar interferencia, estas
mltiples rutas pueden utilizarse como unas ventaja. Dos de las
principales limitaciones de los canales de comunicaciones son la
interferencia por multitratectoria y las limitaciones en la
transferencia de datos como resultado de la ley Shannon. MIMO
proporciona una manera de utilizar las mltiples rutas de seal que
existen
entre un transmisor y un receptor para mejorar
significativamente la cantidad de datos disponibles en un canal
determinado que tiene un ancho de banda definido. Mediante el uso
de mltiples antenas en el transmisor y el receptor, junto con un
complejo procesamiento digital de seales, la tecnologa MIMO permite
al sistema reunir mltiples flujos de datos en el mismo canal, lo
que aumenta su capacidad de transmisin de datos. Los esquemas
empleados en LTE en este caso tambin varan ligeramente para los
enlaces ascendente y descendente. La razn de esto es mantener el
costo del terminal bajo, puesto que hay mucho ms terminales que
estaciones base y como resultado terminal funciona a precio de
coste es mucho ms sensible. Para el enlace descendente, se usa
bsicamente una configuracin de dos antenas transmisoras en la
estacin base y dos antenas receptoras en el terminal mvil, aunque
tambin se estn estudiando configuraciones con cuatro antenas. Para
el enlace ascendente desde el terminal mvil a la estacin base, se
emplea un esquema llamado MU-MIMO (MIMO multiusuario). En este
caso, aunque la estacin base requiere mltiples antenas, los mviles
slo usan una antena transmisora, lo que reduce considerablemente el
costo del mvil. En operacin, varios terminales mviles pueden
transmitir simultneamente sobre el mismo canal o canales, pero no
causan interferencias entre s debido a que utilizan patrones de
pilotos ortogonales entre s. Esta tcnica es tambin conocida como
Acceso Mltiple en el dominio del espacio (SDMA).
Esquemas de duplexacin LTE FDD, TDD y TD-LTE LTE ha sido
definido para acomodar tanto duplexacin por divisin de frecuencia
FDD como duplexacin por Divisin de Tiempo TDD. Se prev que ambas
tecnologas (LTE TDD y LTE FDD) sern ampliamente desplegadas puesto
que cada una tiene sus propias ventajas y desventajas y la decisin
sobre qu formato adoptar depende de la aplicacin en particular. LTE
FDD que utiliza el espectro apareado se prev que ser la ruta de
migracin para que los servicios de 3G actuales sean usados en todo
el mundo, la mayora de los cuales utiliza FDD con espectro
emparejado. Sin embargo, ha habido un nfasis adicional en incluir
LTE TDD que utiliza espectro sin emparejar. LTE TDD, tambin
conocido como TD-LTE, es visto como el camino de evolucin o
actualizacin para TD-SCDMA. En vista del aumento del nivel de
importancia de LTE TDD o TD-LTE, est previsto que muchos equipos de
usuario sern diseados para acomodar ambos modos FDD y TDD. Esquemas
de Duplexacin Es esencial que cualquier sistema de comunicaciones
celulares sea capaz de transmitir en ambas direcciones
simultneamente. Esto permite que las conversaciones se puedan
realizar pues cualquiera de los extremo poder hablar y escuchar
cuando lo desee. Adems cuando se intercambian datos, es necesario
poder realizar las comunicaciones completamente simultneas o
virtualmente simultneas en ambas direcciones. Es necesario poder
especificar la direccin de la transmisin de tal manera que sea
posible identificar fcilmente en que direccin se est realizando la
transmisin. Hay una variedad de diferencias entre los dos enlaces,
las cuales van desde la cantidad de datos transmitidos hasta el
formato de transmisin y los canales implementados. Se definen los
dos enlaces as: Uplink: Enlace ascendente; es la transmisin desde
la UE o equipo de usuario a la estacin base o eNodeB. Downlink:
Enlace descendente; la transmisin desde la estacin base o eNodeB
hacia el equipo de usuario o UE.
Uplink and downlink transmission directionsA fin de poderse
transmitir en ambas direcciones, tanto la estacin de base como el
equipamiento de usuario deben tener un esquema dplex. Hay dos
formas de realizar la duplexacin que se utilizan comnmente que son:
FDD, TDD. FDD utiliza dos canales (frecuencias), una para
transmitir y otra para recibir. TDD utiliza una solo frecuencia,
pero asigna intervalos de tiempo diferentes para la transmisin y la
recepcin. Existe un nmero de ventajas y desventajas en cada uno de
los dos sistemas de duplexacin TDD y FDD, que son de particular
inters para los operadores de telecomunicaciones mviles o
celulares. Naturalmente, estas diferencias se reflejan en
LTE.Parametro Espectro apareado LTE-TDD No requiere espectro
apareado puesto que la Tx y la Rx se realizan en el mismo canal
LTE-FDD Requiere espectro apareado con suficiente separacin en
frecuencia para permitir la recepcin y la transmisin simultneas
Costo del Hardware
Menor costo pues no es necesario Duplexor para aislar el
transmisor del receptor. El costo de las UEs Se require Duplexor y
su costo es es de gran importancia debido a la ms alto. gran
cantidad que se produce. Es un aspecto clave. La propagacin de
canal es la misma en ambas direcciones, lo cual permite transmitir
y recibir utilizando el mismo conjunto de parmetros Caractersticas
del canal diferentes en ambas direcciones como consecuencia de la
utilizacin de diferentes frecuencias La capacidad UL/DL es
determinada por la asignacin de frecuencias establecida por las
autoridades reguladoras. Por lo tanto, no es posible hacer cambios
dinmicos en la capacidad de los enlaces. Normalmente se necesitaran
cambios reglamentarios y la capacidad se asigna normalmente de tal
manera que es la misma en cualquier direccin. Se requiere una banda
de guarda para brindar suficiente aislamiento entre enlace
ascendente y descendente. La banda de guardia no tiene impacto en
la capacidad.
Reciprocidad de canal
asimetra UL / DL
Es posible cambiar dinmicamente la proporcin de capacidad de UL
y DL para satisfacer la demanda
Periodo de guarda / banda de guarda
Se requiere un periodo de guarda para asegurar que la transmisin
por el UL y el DL no choquen. Periodos de guarda grandes limitarn
la capacidad. Normalmente se requiere de perodos de guarda mayores
si las distancias son incrementadas para acomodar tiempos de
Parametro
LTE-TDD propagacin mayores. Se requiere transmisin discontinua
para permitir la transmisin en el UL y el DL. Esto puede degradar
el rendimiento del amplificador de potencia de RF en el
transmisor.
LTE-FDD
Transmisin discontinua
Se requiere transmisin continua.
Cross slot interference
Las estaciones base necesitan ser sincronizadas con respecto a
los tiempos de transmisin del UL y el DL. Si estaciones base
vecinas utilizan diferentes asignaciones en No aplicable el UL y el
DL y comparten el mismo canal, entonces pueden producirse
interferencias entre las clulas.
LTE TDD/TD-LTE y TD-SCDMA Aparte de las razones tcnicas y
ventajas de usar LTE TDD TD-LTE, tambin existen impulsores del
mercado. Con TD-SCDMA ahora bien establecida en China, se requiere
que existan tecnologas 3,9G y ms tarde un sucesor 4 G. Con el
espectro no apareado ya asignado para TD-SCDMA as como para UMTS
TDD, es natural que muchos operadores quieran una ruta de
actualizacin para sus tecnologas para beneficiarse de las
velocidades considerablemente mayores y mejores servicios de LTE.
En consecuencia, existe un considerable inters en el desarrollo de
LTE TDD, el cual en China tambin es conocido como TD-LTE. Aunque se
piensa que tanto LTE TDD (TD-LTE) como LTE FDD sern utilizadas
ampliamente, se prev que la ms extendida ser LTE FDD, aunque LTE
TDD tiene unas ventajas significativas, especialmente en trminos de
una mayor eficiencia de espectro, que pueden hacer que este sistema
sea utilizado por muchos operadores. Se prev tambin que los
telfonos sern capaces de operar tanto con el modo LTE FDD como con
LTE-TDD (TD-LTE). Es decir que los equipos de usuario UEs LTE sern
telfonos con estndar dual y capaces de operar en cualquier pas
independientemente del tipo de LTE utilizado - el principal
problema ser entonces las bandas de frecuencia que el telfono pueda
cubrir. Estructura de trama y subtrama en LTE A fin de que el
sistema 3G LTE pueda mantener la sincronizacin y el sistema sea
capaz de gestionar los distintos tipos de informacin que necesitan
ser transmitidos entre la estacin base o eNodeB y los equipos de
usuario UE, el sistema 3G LTE tiene una estructura definida de
trama y subtrama para el sistema E-UTRA (Evolved UMTS Terrestrial
Radio Access), es decir, la interfaz de aire para 3G LTE. Las
estructuras de trama para LTE difieren si se trata del modo FDD o
de TDD debido que cada uno de estos sistemas tiene diferentes
requisitos para segregar los datos transmitidos. Por lo tanto
existen dos tipos de estructura de trama LTE: 1. Tipo 1: se utiliza
para los sistemas de modo LTE FDD. 2. Tipo 2: se utiliza para los
sistemas LTE TDD.
Estructura de trama LTE Tipo 1 La trama LTE de tipo 1 bsica
tiene una longitud total de la 10 ms y est dividida en un total de
20 ranuras individuales. Las subtramas LTE entonces constan de dos
ranuras, es decir que hay 10 subtramas LTE dentro de una trama.
Type 1 LTE Frame StructureEstructura de trama LTE Tipo 2 La
estructura de trama tipo 2 usada en LTE TDD es algo diferente. La
trama de 10 ms comprende dos medias tramas de 5 ms de duracin cada
una. Las medias tramas adems se dividen en cinco subtramas, cada
una con una duracin de 1 ms.
Type 2 LTE Frame Structure (shown for 5ms switch point
periodicity).Las subtramas pueden dividirse en subtramas estndar de
subtramas especiales. Estas constan de tres campos. DwPTS Intervalo
de tiempo piloto del enlace descendente. GP - Perodo de guardia.
UpPTS - Intervalo de tiempo piloto del enlace ascendente.
Estos tres campos se utilizan tambin en TD-SCDMA y han sido
transferidos a LTE TDD (TD-LTE) y de esta manera contribuye en la
ruta de actualizacin. Los campos son configurables individualmente
en trminos de longitud, aunque la longitud total de los tres juntos
debe ser siempre de 1 ms. Asignaciones de subtramas en LTE
TDD/TD-LTE Una de las ventajas de usar LTE TDD es que es posible
cambiar dinmicamente el balance y las caractersticas de los enlaces
UL y DL para satisfacer las condiciones de carga. A fin de que esto
pueda lograrse de manera ordenada, se han establecido una serie de
configuraciones estndar dentro de las normas LTE. Se han
establecido un total de siete configuraciones UL/DL y estas
utilizan periodicidades de conmutador ya sea de 5 o de 10 ms. En el
caso de periodicidad de punto de conmutador de 5 ms, existe una
subtrama especial en ambas medias tramas. En el caso de la
periodicidad de 10
ms, existe la subtrama especial slo en la primera media trama.
En la tabla que se encuentra a continuacin puede verse que las
subtramas 0 y 5 as como el DwPTS siempre estn reservados para el
enlace descendente. Tambin puede verse que el UpPTS y la subtrama
que sigue inmediatamente despus de la subtrama especial, estn
siempre reservados para la transmisin en el enlace ascendente.
Configuraciones de la subtrama del enlace ascendente/descendente
para LTE TDD (TD-LTE)Periodicidad de Configuracion conmutacin de
Uplink-downlink Downlink a uplink 0 1 2 3 4 5 6 5 ms 5 ms 5 ms 10
ms 10 ms 10 ms 5 ms 0 D D D D D D D 1 S S S S S S S
Numero de Subtrama 2 3 4 5 U U U D U U D D U D D D 6 S S S 7 8 9
U U U U U D U D D
U U U D D D D D U U D D D D D D U D D D D D D D U U U D S U U
D
Donde: D: es una subtrama para la transmisin en el enlace
descendente S: es una subtrama especial utilizada como tiempo de
guardia U: es una subtrama para la transmisin en el enlace
ascendente
Canales LTE fsico, lgico y de transporteA fin de que los datos
puedan ser transportados a travs de la interfaz de radio LTE, se
utilizan varios canales. Estos se utilizan para separar los
diferentes tipos de datos y para permitir que estos puedan ser
transportados a travs de la red de acceso de radio de manera
ordenada. Efectivamente los diferentes canales proporcionan
interfaces para las capas superiores dentro de la estructura de
protocolos de LTE y permiten una segregacin ordenada y definida de
los datos. Tipos de canales 3G LTE Existen tres categoras en las
que pueden agruparse los diversos canales de datos: Canales fsicos:
son canales de transmisin que transportan los mensajes de datos y
de control del usuario. Canales de transporte: los canales de
transporte de capa fsica ofrecen transferencia de informacin a la
subcapa Media Access Control (MAC) y a las capas superiores.
Canales lgicos: Provee servicios para la capa Media Access Control
(MAC) dentro de la estructura de protocolos LTE.
Canales fsicos de 3G LTE Los canales fsicos de LTE varan
dependiendo de si se trata del enlace ascendente o del descendente,
ya que cada uno de ellos tiene diferentes necesidades y funciona de
manera diferente.
Enlace descendente: Canal fsico de difusin (PBCH: Physical
Broadcast Channel): este canal fsico lleva informacin del sistema
para las UEs que solicitan acceso a la red. Slo transporta mensajes
de lo que se denomina Bloque Maestro de Informacin (MIB: Master
Information Block). El esquema de modulacin siempre es QPSK y los
bits de informacin son codificados e igualados en velocidad - los
bits son luego aleatorizados mediante una secuencia especfica de la
clula, para evitar la confusin con datos de otras clulas. El
mensaje MIB del PBCH se mapea dentro de las 72 subportadoras
centrales o dentro de los seis bloques de recursos centrales,
independientemente del ancho de banda general del sistema. El
mensaje PBCH se repite cada 40 ms, es decir, una TTI del PBCH
incluye cuatro tramas de radio. Las transmisiones del PBCH tienen
14 bits de informacin, 10 de reserva y 16 de CRC. Canal fsico
Indicador de Formato de Control (PCFICH: Physical Control Format
Indicator Channel): como su nombre lo indica, PCFICH informa a la
UE sobre el formato de la seal que se recibe. Indica el nmero de
smbolos OFDM utilizados para los PDCCHs, sean estos 1, 2 o 3. La
informacin dentro del PCFICH es esencial porque la UE no dispone de
informacin previa sobre el tamao de la regin de control. El PCFICH
se transmite en el primer smbolo de cada subtrama y lleva un campo
indicador de formato de Control, CFI (Control Format Indicator). El
CFI contiene una palabra cdigo de 32 bits que representa 1, 2 o 3.
El CFI 4 est reservado para un posible uso futuro. El PCFICH
utiliza una codificacin de bloque (32,2) que genera una velocidad
de codificacin de 1/16, y siempre utiliza modulacin QPSK para
garantizar una recepcin robusta. Canal fsico de Control del
Downlink (PDCCH: Physical Downlink Control Channel): el objetivo
principal de este canal fsico es transportar principalmente
informacin de programacin de horarios de distintos tipos:
Programacin de recursos del enlace descendente Instrucciones de
control de potencia del enlace ascendente Concesin de recursos de
enlace ascendente Indicacin de aviso o de informacin del
sistema
El PDCCH contiene un mensaje conocido como la Informacin de
Control de enlace descendente, (DCI: Downlink Control Information)
que lleva la informacin de control para una UE particular o para un
grupo de UEs. El formato de la DCI tiene varios tipos que se
definen de acuerdo con sus diferentes tamaos. Los diferentes tipos
de formato incluyen: tipo 0, 1, 1A, 1B, 1C, 1D, 2, 2A, 2B, . 2C, 3,
3A y 4. Canal fsico indicador de ARQ hbrido (PHICH: Physical Hybrid
ARQ Indicator Channel): este canal se utiliza para informar el
estado del ARQ hbrido. Lleva la seal de HARQ ACK/NACK que indica si
un bloque de transporte ha sido recibido correctamente. El
indicador HARQ es de 1 bit de longitud; 0 indica ACK y 1 indica
NACK. El PHICH es transmitido dentro de la regin de control de la
subtrama y normalmente se transmite slo dentro del primer smbolo.
Si el enlace de radio es pobre, entonces el PHICH se extiende a un
cierto nmero de smbolos para mayor robustez.
Enlace ascendente: Canal fsico de Control de enlace ascendente
(PUCCH: Physical Uplink Control Channel): este canal proporciona
los diversos requerimientos de control de la sealizacin. Hay una
serie de diferentes formatos PUCCH definidos para activar el canal
para transportar la informacin requerida en el formato ms eficiente
para el escenario particular que se encuentre. Incluye la capacidad
de llevar solicitudes de programacin SRs (Scheduling Requests). Los
formatos bsicos de PUCCH se resumen a continuacin:Formato de PUCCH
Informacin de Control del Uplink SR 1 bit HARQ ACK/NACK con o sin
SR 2 bits HARQ ACK/NACK con o sin SR CQI/PMI o RI CQI/PMI o RI y 1
bit HARQ ACK/NACK CQI/PMI o RI y 2 bits HARQ ACK/NACK Esquema de
Modulacin N/A BPSK QPSK QPSK QPSK + BPSK QPSK + BPSK Bits por
Sub-trama N/A 1 2 20 21 22 Provee soporte para agregacin de
portadora. Notas
Formato 1 Formato 1a Formato 1b Formato 2 Formato 2a Formato 2b
Formato 3
Canal fsico de Uplink compartido (PUSCH: Physical Uplink Shared
Channel): este canal fsico se encuentra en el enlace de subida LTE
y es la contraparte en el enlace ascendente de PDSCH. Canal fsico
de acceso aleatorio (PRACH): este canal fsico se utiliza para
funciones de acceso aleatorio. Esta es la {nica transmisin no
sincronizada que la UE puede hacer dentro de LTE. Los retrasos de
propagacin de los enlaces descendente y ascendentes son
desconocidos cuando se utiliza PRACH y por lo tanto este no puede
ser sincronizado. Una instancia de PRACH se compone de dos
secuencias: un prefijo cclico y un perodo de guarda. La secuencia
de prembulo puede repetirse para activar el eNodeB para
descodificar el prembulo cuando las condiciones de enlace son
pobres.
Canales de transporte 3G LTE Los canales de transporte LTE varan
dependiendo de si se trata del enlace ascendente o del descendente
puesto que cada uno tiene diferentes necesidades y funciona de
manera diferente. Los canales de transporte de capa fsica ofrecen
la transferencia de informacin a la subcapa de control de acceso al
medio (MAC) y a las capas superiores. Enlace descendente: Canal de
difusin (BCH: Broadcast Channel): el canal de transporte de LTE se
mapea al canal de Difusin de Control (BCCH)
Canal compartido del Downlink (DL-SCH: Downlink Shared Channel):
es el principal canal para transferencia de datos en el enlace
descendente. Es utilizado por muchos canales lgicos. Canal de aviso
(PCH): Para transmitir el PCCH Canal de multidifusin (MCH:
Multicast Channel): se utiliza para transmitir informacin de MCCH
para configurar transmisiones de multidifusin.
Enlace ascendente: Canal compartido del Uplink (UL-SCH: Uplink
shared Channel): es el principal canal para transferencia de datos
a travs del enlace ascendente. Es utilizado por muchos canales
lgicos. Canal de acceso aleatorio (RACH: Random Access Channel): se
utiliza para los requerimientos de acceso aleatorio.
Canales lgicos de LTE Los canales lgicos comprenden los datos
transportados a travs de la interfaz de radio. El punto de acceso
de servicio, SAP entre la subcapa MAC y la subcapa RLC proporciona
el canal lgico. Canales de control: estos llevan la informacin del
plano de control: Canal de Control de difusin (BCCH: Broadcast
Control Channel): este canal de control proporciona informacin del
sistema para todos los terminales mviles conectados al eNodeB.
Canal de Control de aviso (PCCH: Paging Control Channel): este
canal de control se utiliza para informacin de aviso cuando se hace
la bsqueda de una unidad mvil en una red. Canal de Control comn
(CCCH: Common Control Channel): este canal se utiliza para enviar
informacin de acceso aleatorio, por ejemplo, para acciones que
incluyen el establecimiento de una conexin. Canal de Control
multidifusin (MCCH: Multicast Control Channel): este canal de
control se utiliza para llevar informacin necesaria para la
recepcin de multidifusin. Canal de Control dedicado (DCCH:
Dedicated Control Channel): este canal de control se utiliza para
transportar informacin de control de un usuario especfico, por
ejemplo, para controlar las acciones que incluyen control de
potencia, transpaso, etc.
Canales de trfico: estos canales llevan datos del plano de
usuario: Canal de trfico dedicado (DTCH: Dedicated Traffic
Channel): se utiliza este canal de trfico para la transmisin de
datos de usuario. Canal de trfico de multidifusin (MTCH: Multicast
Traffic Channel): utilizado para la transmisin de datos de
multidifusin.
Como se ve, muchos de los canales LTE tienen similitudes con los
canales pertenecientes a generaciones anteriores de
telecomunicaciones mviles.
Asignaciones de espectro y de bandas de frecuencia LTEExiste un
creciente nmero de bandas de frecuencia LTE que estn siendo
designadas como de uso posible con LTE. Muchas de las bandas de
frecuencia LTE ya estn en uso por parte de
otros sistemas celulares, mientras que otras bandas LTE son
nuevas y estn siendo introducidas a medida que otros usuarios son
reacomodados en otras bandas. Bandas de frecuencia para LTE (FDD y
TDD) El espectro para FDD requiere bandas pareadas, una para el UL
y otra para el DL. El espectro para TDD requiere una sola banda
para UL y DL (se encuentran en la misma frecuencia pero transmiten
en tiempo separados). Como resultado, se debe hacer diferentes
asignaciones de banda para LTE TDD y FDD. En algunos casos pueden
superponerse estas bandas y por lo tanto, es posible, aunque
improbable, que puedan estar presentes transmisiones LTE TDD y FDD
en una determinada banda de frecuencias. La mayor probabilidad es
que un UE o mvil necesitar detectar si una transmisin TDD o FDD
debe ser hecha sobre una determinada banda. Los UEs que hacen
roaming pueden encontrarse ambos tipos de transmisin en la misma
banda. Por lo tanto, estos UEs necesitarn detectar qu tipo de
transmisin se est realizando en esa banda LTE particular en su
ubicacin actual. A las diferentes asignaciones de frecuencia LTE o
bandas de frecuencia LTE se les asignan nmeros. Actualmente las
bandas LTE entre 1 y 22 son para espectro pareado, es decir, para
FDD, y bandas LTE entre 33 y 41 para espectro sin parear, es decir,
para TDD.
Definiciones de banda de frecuencia LTEAsignaciones de banda de
frecuencia para LTE FDD Existe un gran nmero de asignaciones o
espectro de radio que se ha reservado para el uso de LTE-FDD. Las
bandas de frecuencia LTE-FDD estn emparejadas para permitir la
transmisin simultnea en dos frecuencias. Las bandas adems tienen
una separacin suficiente para permitir que las seales transmitidas
no perjudiquen indebidamente el rendimiento del receptor. Si las
seales estn demasiado prximas, entonces el receptor puede
bloquearse y afectar la sensibilidad. La separacin debe ser
suficiente para permitir el roll-off del filtrado de la antena para
dar suficiente atenuacin de la seal transmitida dentro de la banda
recibida.
Nmero de Banda LTE 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 25
Uplink (MHz) 1920 - 1980 1850 - 1910 1710 - 1785 1710 - 1755 824
- 849 830 - 840 2500 - 2570 880 - 915 1710 - 1770 698 - 716 777 -
787 788 - 798 1900 - 1920 2010 - 2025 704 - 716 815 - 830 830 - 845
832 - 862 3410 - 3500 2000 - 2020 1850 - 1915
Downlink (MHz) 2110 - 2170 1930 - 1990 1805 -1880 2110 - 2155
869 - 894 875 - 885 2620 - 2690 925 - 960 2110 - 2170 728 - 746 746
- 756 758 - 768 2600 - 2620 2585 - 2600 734 - 746 860 - 875 875 -
890 791 - 821 3510 - 3600 2180 - 2200 1930 - 1995
Ancho Separacin Espaciado de entre Duplex Banda bandas (MHz)
(MHz) (MHz) 60 60 75 45 25 10 70 35 35 60 20 18 10 10 20 15 12 15
15 30 15 90 20 34 65 190 80 95 400 45 35 120 45 95 400 48 30 -31
-30 700 575 30 45 45 -41 48 100 180 -101.5 80 130 20 20 355 20 25
50 10 60 340 28 12 41 40 680 560 18 30 30 71 33 10 160 135.5 15
1749.9 - 1784.9 1844.9 - 1879.9 1427.9 - 1452.9 1475.9 -
1500.9
1447.9 - 1462.9 1495.5 - 1510.9
1625.5 - 1660.5 1525 - 1559
Asignaciones de bandas de frecuencia e LTE-TDD Existen varias
asignaciones de frecuencia sin parear que se estn preparando para
ser usadas en LTE TDD. En este caso el uplink y el downlink
comparten la misma frecuencia, siendo multiplexados en el
tiempo.Nmero de Banda LTE 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43
Asignacin (MHz) 1900 - 1920 2010 - 2025 1850 - 1910 1930 - 1990
1910 - 1930 2570 - 2620 1880 - 1920 2300 - 2400 2496 - 2690 3400 -
3600 3600 - 3800 Ancho de Banda (MHz) 20 15 60 60 20 50 40 100 194
200 200
Regularmente se hacen adiciones a las bandas de frecuencia LTE
/asignaciones de espectro LTE como resultado de las negociaciones
en las reuniones reglamentarias de UIT. Estas asignaciones son
derivadas en parte del dividendo digital y tambin de la presin
causada por la creciente necesidad de las comunicaciones mviles.
Muchas de las nuevas asignaciones de espectro LTE son relativamente
pequeas, a menudo de 10 a 20 MHz de ancho de banda y esto es motivo
de preocupacin. Para LTE Advanced que requiere anchos de banda de
100 MHz, se requiere realizar agregacin de canales sobre un amplio
conjunto de frecuencias, y esto ya ha sido reconocido como un
problema tecnolgico significativo.
Definiciones de categora y clase de las UE LTEDe la misma manera
que muchos otros sistemas han adoptado diferentes categoras para
los telfonos mviles o equipos de usuario, tambin existen varias
categoras de UEs 3G LTE. Estas categoras LTE definen las normas con
las que operar un telfono, dongle u otros equipos en particular.
Justificacin de la categora de los UEs LTE Las categoras UE LTE o
clases UE son necesarias para asegurar que la estacin base, o
eNodeB, eNB puedan comunicarse correctamente con los equipos de
usuario. Mediante la retransmisin de la informacin de la categora
del UE LTE a la estacin base, es posible determinar el rendimiento
del UE y comunicarse con l en concordancia. Como la categora LTE
define el rendimiento y las capacidades del UE, es posible para el
eNB comunicarse usando las capacidades que se sabe que el UE posee.
Definiciones de las categoras de UE LTE Hay cinco categoras
diferentes de UE LTE definidas. Como puede verse en la tabla
siguiente, las diferentes categoras de UE LTE tienen una amplia
gama en cuanto a los parmetros y al rendimiento soportados. La
categora LTE 1, por ejemplo, no soporta MIMO, pero la categora
cinco, s soporta MIMO 4 x 4. Tambin, cabe sealar que la clase 1 de
UE no ofrece el rendimiento ofrecido por la categora ms alta de
HSPA. Adems, todas las categoras de UE LTE son capaces de recibir
transmisiones de hasta cuatro puertos de antena. En las tablas a
continuacin figura un resumen de los diferentes parmetros de las
categoras de UE LTE proporcionados por el estndar 3GPP Rel 8.
Tasas de datos de las categoras UE LTECategora Downlink Uplink
10 5 1 50 25 2 100 50 3 150 50 4 300 75 5
Formatos de modulacin soportados por las categoras UE
LTECategora Downlink Uplink 1 2 3 4 QPSK, 16QAM, 64QAM QPSK, 16QAM,
64QAM 5
QPSK, 16QAM
Configuraciones de antenas MIMO par alas categoras de UE LTE1 2
3 4 5 Asumido en los requerimientos de desempeo a travs de todas
las Diversidad 2 Rx categoras UE LTE MIMO 2 x 2 MIMO 4 x 4 No
suportado No suportado Mandatorio Mandatorio Categora
Nota: El ancho de banda para todas las categoras es de 20 MHz.
Resumen de categoras de UE LTE De la misma manera que la informacin
de categora es usada prcticamente en todos los sistemas celulares
de GPRS en adelante, la informacin de la categora de UE LTE es de
gran importancia. Mientras que los usuarios no pueden ser
particularmente conscientes de la categora de la UE, coincidir el
rendimiento un permitir eNB para comunicarse efectivamente con
todas la UEs que estn conectadas a l.
Evolucin de la arquitectura del sistema SAE-LTEJunto con 3G LTE
- Long Term Evolution que se aplica ms a la tecnologa de acceso de
radio del sistema de telecomunicaciones celulares, existe tambin
una evolucin del ncleo de la red. Conocida como Evolucin de la
Arquitectura del Sistema (SAE: System Architecture Evolution), esta
nueva arquitectura ha sido desarrollada para proporcionar un nivel
considerablemente mayor de rendimiento, acorde con los requisitos
de LTE. Como resultado se prev que los operadores comenzarn a
introducir hardware conforme a las nuevas normas de SAE, de tal
manera que las tasas de datos previstas puedan manejarse cuando sea
introducido el 3G LTE. La nueva SAE, tambin ha sido desarrollada de
tal manera que sea totalmente compatible con LTE Advanced, la nueva
tecnologa 4G. Por lo tanto, cuando se introduzca LTE avanzada, la
red ser capaz de manejar los incrementos en las tasas de datos con
muy poco cambio. Razn para el desarrollo de SAE (Evolucin de la
Arquitectura del Sistema) SAE ofrece muchas ventajas con respecto a
los sistemas y topologas utilizados previamente en el ncleo de las
redes celulares. Como resultado se prev que ser ampliamente
adoptado por los operadores celulares. SAE ofrecer una serie de
ventajas claves: 1. Mejoramiento en la capacidad de datos: Dado que
3G LTE ofrece una tasa de datos en el enlace de bajada de 100 Mbps
y que el enfoque del sistema es sobre banda ancha mvil, ser
necesario que la red sea capaz de manejar niveles mucho mayores de
datos. Para lograr este objetivo es necesario adoptar una
arquitectura de sistema que sea capaz de prestar niveles mucho
mayores de transferencia de datos. 2. Arquitectura totalmente IP:
cuando fue desarrollado 3G, la voz an se transportaba a travs de
circuitos conmutados de datos. Desde entonces ha habido un
movimiento incesante hacia la transferencia de datos IP. En
consecuencia los nuevos esquemas SAE han adoptado una configuracin
de red totalmente IP. 3. Reduccin de latencia: como se requieren
nuevos niveles de interaccin y respuestas mucho ms rpidas, los
nuevos conceptos SAE han sido evolucionados para garantizar
que los niveles de latencia se reduzcan hasta alrededor de 10
ms. Esto asegurar que las aplicaciones que utilizan 3G LTE sean lo
suficientemente sensibles. 4. OPEX y CAPEX reducido: un asunto
clave para cualquier operador es la reduccin de costos. Por lo
tanto, es esencial que cualquier nuevo diseo reduzca tanto los
gastos de capital (CAPEX) como los gastos operacionales (OPEX). La
nueva arquitectura plana usada para SAE (System Architecture
Evolution) significa que se utilizarn slo dos tipos de nodos. Adems
de esto se introduce un alto nivel de configuracin automtica, lo
que reduce los tiempos de instalacin y de puesta en marcha.
Conceptos bsicos de la evolucin de la arquitectura del SAE. La
nueva red SAE se basa en el ncleo de red de GSM/WCDMA para permitir
operaciones simplificadas y fcil implementacin. A pesar de ello, la
red SAE trae algunos cambios importantes y permite una
transferencia de datos mucho ms eficiente y efectiva. Existen
varios principios comunes utilizados en el desarrollo de la red SAE
LTE: un nodo gateway comn y un punto de anclaje para todas las
tecnologas. una arquitectura optimizada para el plano de usuario
con slo dos tipos de nodo. un sistema basado totalmente en IP con
protocolos basados en IP utilizados en todas las interfaces. una
separacin, control/plano de usuario, entre la Entidad de Gestin de
Movilidad MME (mobility management entity) y el gateway. una
separacin funcional, red de acceso radio/ncleo de red, similar a la
utilizada en WCDMA/HSPA. integracin de las tecnologas de acceso no
3GPP (por ejemplo, cdma2000, WiMAX, etc.) usando tanto cliente como
red, basados en IP mvil.
El elemento principal de la red SAE LTE es lo que se denomina
Ncleo de Paquete Evolucionado (EPC: Evolved Packet Core). Este se
conecta a los eNodeBs, como se muestra en el diagrama
siguiente.
LTE SAE Evolved Packet CoreComo se ve en el diagrama, el EPC de
SAE LTE consta de cuatro elementos principales enumerados a
continuacin: Entidad de gestin de la movilidad, (MME: Mobility
Management Entity): el MME es el nodo principal de control de la
red de acceso SAE LTE, el cual maneja una serie de caractersticas:
Seguimiento del modo inactivo del UE Desactivacin/activacin de
portadora
Eleccin de SGW para un UE Traspaso intra-LTE con ubicacin de
nodo por parte del ncleo de red. Interaccin con HSS para autenticar
el usuario que realiza un attachment y para implementar
restricciones de itinerancia. Acta como una terminacin para el
estrato de no-acceso (NAS: NonAccess Stratum) Proporciona
identidades temporales a los UEs El MME SAE acta sobre el punto de
terminacin para cifrado de proteccin para la sealizacin NAS. Como
parte de esto, tambin maneja la administracin de claves de
seguridad. En consecuencia el MME es el punto en que puede hacerse
la intercepcin legal de la sealizacin. Procedimiento de bsqueda
(paging) La interfaz S3 termina en el MME proporcionando la funcin
de plano de control para la movilidad entre LTE y las redes de
acceso 2G/3G. El MME SAE tambin termina la interfaz S6a para el HSS
base para itinerancia de los UEs.
Por lo tanto, puede verse que el SAE MME proporciona un
considerable nivel de funcionalidad de control global. Gateway de
servicio (SGW: Serving Gateway): es un elemento del plano de datos
dentro de la SAE LTE. Su principal objetivo es gestionar la
movilidad del plano de usuario y tambin acta como la principal
frontera entre la red de acceso de Radio, RAN (Radio Access
Network) y el ncleo de la red. El SGW tambin mantiene los caminos
de datos entre el eNodeBs y las gateways PDN. De esta manera la SGW
forma una interfaz para la red de paquetes de datos en el E-UTRAN.
Tambin cuando los UEs se mueven a travs de reas servidas por
diferentes eNodeBs, el SGW sirve como un ancla de movilidad que
garantiza que la ruta de datos se mantenga. Gateway del PDN, (PGW:
PDN Gateway): este proporciona conectividad de los UE con redes
externos de paquetes datos, cumpliendo la funcin de punto de
entrada y salida de datos del UE. El UE puede tener conectividad
con ms de un PGW para acceder a mltiples PDNs. Funcin de Polticas y
Reglas de tarificacin (PCRF: Policy and Charging Rules Function):
este es el nombre genrico de la entidad dentro de la EPC de SAE LTE
que detecta el flujo de servicio y aplica la poltica de
tarificacin. Para aplicaciones que requieren una poltica dinmica o
un control de carga, se utiliza un elemento de red denominado
Funcin de Aplicaciones, o AF.
LTE SAE PCRF InterfacesInteligencia distribuida de SAE de LTE A
fin de que de puedan satisfacer los requerimientos de mayor
capacidad de datos y menor latencia, junto con el traslado a una
red totalmente IP, es necesario adoptar un nuevo enfoque para la
estructura de la red. Para UMTS/WCDMA 3G la UTRAN (UMTS Terrestrial
Radio Access Network, que comprende los nodos B o estaciones base y
los controladores de la red Radio) emple bajos niveles de autonoma.
Los nodos de B estaban conectados en formacin de estrella a los
controladores de red Radio (RNCs) que llevaban a cabo la mayora de
la gestin de los recursos de radio. A su vez las RNCs se conectaban
al ncleo de red. Para proporcionar la funcionalidad necesaria
dentro de SAE LTE, la arquitectura bsica del sistema considera la
eliminacin de una capa de administracin. Entonces se elimina la CNR
y la administracin de los recursos de radio es transferida a las
estaciones de base. Este nuevo estilo de estaciones base se
denomina eNodeBs o eNBs. Las eNBs estn conectadas directamente al
gateway del ncleo de red a travs de una interfaz S1 recin definida.
Adems de esto, los nuevos eNBs tambin se conectan a eNBs adyacentes
en una malla a travs de una interfaz X2. Esto proporciona un mayor
nivel de interconectividad directa. Tambin permite que muchas
llamadas sean enrutadas muy directamente, ya que un gran nmero de
llamadas y conexiones son hacia otros mviles en la misma celda o en
celdas adyacentes. La nueva estructura permite que muchas llamadas
sean distribuidas mucho ms directamente y con slo una mnima
interaccin con el ncleo de la red. Adems de la nueva funcionalidad
de capa 1 y capa 2, la eNBs manejar varias otras funciones que
incluyen el control de recursos de radio como el control de
admisin, el balanceo de carga y el control de la movilidad
incluyendo decisiones de traspaso para los equipos mviles o de
usuario (UE). Los niveles adicionales de flexibilidad y
funcionalidad dados a la nueva eNBs significan que estas sern ms
complejas que las de UMTS y que las estaciones base de generaciones
anteriores. Sin embargo, la nueva estructura de red de SAE 3G LTE
permite niveles mucho ms altos de rendimiento. Adems de esto su
flexibilidad les permite actualizarse para manejar nuevas
actualizaciones del sistema incluyendo la transicin de G LTE a 4G
LTE Advanced. Resumen El nuevo SAE para LTE proporciona un nuevo
enfoque para el ncleo de red, permitiendo el transporte de los
niveles de datos ms elevados posibles de lograr con LTE.
Adems de esto, permite reducciones en CAPEX y OPEX cuando se
compara con los sistemas existentes, logrndose as mayores niveles
de eficiencia.
Voz sobre LTE (VoLTE)El esquema de voz sobre LTE, (VoLTE) fue
ideado como resultado de la bsqueda por parte de los operadores, de
un sistema estandarizado para transferir trfico de voz sobre LTE.
Originalmente LTE era visto como un sistema celular completamente
IP, diseado slo para transportar datos y los operadores deban ser
capaces de transportar la voz volviendo a los sistemas 2G/3G o
mediante el uso de VoIP. Sin embargo, los operadores se dieron
cuenta de que el hecho de no haberse definido un formato de voz,
era una gran omisin del sistema. Se vio que la falta de
estandarizacin puede proporcionar problemas con escenarios
incluyendo la itinerancia. Adicional a esto, SMS es un requisito
clave. A menudo no se percibe que SMS es utilizado para configurar
muchas conexiones de banda ancha mviles y la falta de SMS es vista
por muchos como un retroceso. Dado que los operadores de telefona
mvil reciben ms de un 80% de sus ingresos a travs del trfico de voz
y SMS, es necesario tener un plan viable y estandarizado para
proporcionar estos servicios y proteger estos ingresos. Opciones de
voz sobre LTE En la bsqueda de opciones para transportar voz sobre
LTE, fueron investigadas una serie de posibles soluciones. Se
crearon una serie de alianzas para promover distintas formas de
proveer este servicio. Algunos sistemas fueron definidos como se
indica a continuacin: Volver a la conmutacin de circuitos (CSFB:
Circuit Switched Fall Back): esta opcin para proporcionar voz sobre
LTE ha sido normalizada bajo la especificacin 3GPP 23.272. CSFB LTE
esencialmente utiliza una variedad de procesos y elementos de red
para permitir que el circuito retorne a una conexin 2G o 3G (GSM,
UMTS, CDMA2000 1X) antes de iniciarse una llamada de conmutacin de
circuitos. La especificacin tambin permite el transporte de SMS
pues esto es esencial para muchos procedimientos de configuracin
para las telecomunicaciones celulares. Para lograr este objetivo el
auricular utiliza una interfaz conocida como SGs que permite envan
mensajes a travs de un canal LTE. Adems de este CSFB, se requiere
modificacin de elementos dentro de la red, en particular los MSCs
as como soporte, obviamente en nuevos dispositivos. Tambin son
necesarias algunas modificaciones de MSC para soportar el servicio
de SMS sobre instalaciones SGs. Voz simultnea LTE, SV-LTE
(Simultaneous Voice LTE): SV-LTE permite ejecutar servicios LTE de
conmutacin de paquetes simultneamente con el servicio de voz
mediante conmutacin de circuitos. SV-LTE proporciona facilidades
CSFB al mismo tiempo que proporciona el servicio de conmutacin de
paquetes de datos. Se trata de una opcin por la cual optan muchos
operadores. Sin embargo tiene la desventaja de que requiere que en
el telfono funcionen a la vez dos radios. Esto tiene un impacto
grave en la batera. VoLGA, o voz sobre LTE va GAN: el estndar VoLGA
se bas en el estndar Red de Acceso Genrico (GAN: Generic Access
Network) de 3GPP ya existente y el objetivo era permitir a los
usuarios LTE recibir un conjunto coherente de servicios de voz, SMS
(y otros circuitos conmutados) a medida que se hace la transicin
entre GSM, UMTS y las redes de acceso LTE.
Para operadores de telefona mvil, el objetivo del VoLGA fue
proporcionar un enfoque de bajo costo y bajo riesgo para traer los
servicios que son fuente primaria de sus ingresos (voz y SMS)
dentro de las nuevas implementaciones de red LTE. Una voz/ms tarde
llamado voz sobre LTE, VoLTE: el esquema de voz sobre LTE para
proporcionar voz sobre un sistema LTE utiliza IMS que le permite
formar parte de una solucin rica en medios.
Cuestiones para servicios de voz sobre LTE A diferencia de los
anteriores estndares de telecomunicaciones celulares, incluyendo
GSM, LTE no tienen canales dedicados para telefona de conmutacin de
circuitos. En su lugar LTE es un sistema totalmente IP que
proporciona una conexin IP extremo a extremo desde el equipo mvil
al ncleo de red y salir nuevamente. A fin de proporcionar algn tipo
de conexin de voz sobre un portador LTE estndar, debe utilizarse
alguna forma de Voz sobre IP (VoIP). El objetivo de cualquier
servicio de voz es utilizar las caractersticas de baja latencia y
QoS disponibles dentro de LTE para garantizar que cualquier
servicio de voz ofrezca una mejora sobre los estndares disponibles
en las redes 2G y 3G. Sin embargo, lograr una plena oferta de VoIP
sobre LTE representa algunos problemas importantes que tomar tiempo
resolverlos. Dado que las primeras implementaciones han tenido
lugar en 2010, es necesario que una solucin de voz est disponible a
corto plazo. Conceptos bsicos de Voz sobre LTE (VoLTE) El perfil
Una Voz (One Voice) para voz sobre LTE fue desarrollado por una
colaboracin entre ms de 40 operadores incluidos: ATT, Verizon
Wireless, Nokia y Alcatel-Lucent. En el 2010 el Congreso Mundial
Mvil GSMA (GSMA Mobile World Congress), anunci que estaban apoyando
la solucin de One Voice para proporcionar voz sobre LTE. VoLTE es
una especificacin basada en IMS. Adoptar este enfoque, permite que
el sistema se integre con la suite de aplicaciones que estar
disponible para LTE. Nota sobre IMS: El Subsistema Multimedia IP
(IMS: IP Multimedia Subsystem) o IP Multimedia Core Network
Subsystem subsistema de ncleo de red Multimedia, es un estructura
arquitectnica para proporcionar servicios multimedia IP a travs del
protocolo de Internet. Este permite que una variedad de servicios
sean ejecutados uniformemente en lugar de tener varias aplicaciones
dispares operando concurrentemente. Para proporcionar el servicio
de VoLTE, han sido definidas tres interfaces: Interfaz usuario red,
UNI: esta interfaz se encuentra entre los equipos de los usuarios y
la red de los operadores. Interfaz de itinerancia Red a Red,
(R-NNI: Roaming Network Network Interface), es una interfaz situada
entre la red domstica y la red visitada. Se utiliza para un usuario
que no est conectado a su red domstica, es decir, est en roaming.
Interfaz de interconexin Red a Red (I-NNI: Interconnect Network
Network Interface) es la interfaz situada entre las redes de las
dos partes que realizan una llamada.
Actualmente se est trabajando en la definicin de VoLTE. Este
incluir una variedad de elementos, incluyendo algunos de los
siguientes:
Ser necesario garantizar la continuidad de las llamadas de voz
cuando los usuarios se mueve de un rea de cobertura LTE a otra,
cuando se requiere el respaldo de otra tecnologa. Esta forma de
traspaso se lograr mediante la Continuidad de Llamada de Voz de
Radio nica o (SR-VCC: Single Radio Voice Call Continuity). Ser
importante mejorar el enrutamiento ptimo de portadores para
llamadas de voz cuando los clientes estn en itinerancia. Otra rea
de importancia ser establecer marcos comerciales para itinerancia e
interconexin para servicios implementados utilizando las
definiciones VoLTE. Esto permitir establecer acuerdos de
itinerancia. Provisin de funciones asociadas con el modelo de
concentracin mvil. Para cualquiera de los servicios, incluyendo
LTE, es necesario realizar una completa auditora sobre amenazas de
seguridad y fraude para prevenir la piratera y la entrada no
autorizada en todas las reas de la red.
En muchos sentidos la implementacin de VoLTE a alto nivel es
sencilla. El handset o telfono debe tener software cargado para
proporcionar la funcionalidad de VoLTE. Esto puede ser en forma de
una aplicacin. La red por lo tanto requiere ser compatible con IMS.
Si bien esto puede parecer sencillo, hay muchas cuestiones para que
esto se vuelva operacional, especialmente a travs de los caprichos
de la red de acceso de radio donde los retardos de tiempo y
anomalas de propagacin agregan considerable complejidad.
Seguridad LTEEn LTE la seguridad es un tema que es de suma
importancia. Es necesario garantizar que las medidas de seguridad
LTE proporcionen el nivel de seguridad requerido sin afectar al
usuario, lo cual podra ahuyentar a los usuarios. Sin embargo como
el nivel de sofisticacin de los ataques de seguridad crece, es
necesario garantizar que la seguridad de LTE permita a los usuarios
operar libremente y sin temor a los ataques de los hackers. Adems
la red tambin debe organizarse de tal manera que sea segura contra
una variedad de ataques. Conceptos bsicos de seguridad LTE Al
desarrollar los elementos de seguridad de LTE hubo varios
requisitos principales que fueron tenidos en cuenta: La seguridad
de LTE tena que proporcionar al menos el mismo nivel de seguridad
proporcionado por los servicios de 3G. Las medidas de seguridad de
LTE no deberan afectar la comodidad del usuario. Las medidas de
seguridad de LTE adoptadas deben proporcionar defensa contra
ataques desde Internet. Las funciones de seguridad proporcionadas
por LTE no deben afectar la transicin de los servicios de 3G
existentes a LTE. El USIM utilizado actualmente para servicios 3G
todava debe utilizarse.
Para asegurar que se cumplan estos requisitos de seguridad LTE,
ha sido necesario aadir otras medidas en todas las reas del sistema
desde la UE hasta el ncleo de la red. Los principales cambios que
han sido necesarios para implementar el nivel necesario de
seguridad LTE se resumen a continuacin:
Un nuevo sistema de clave jerrquico ha sido introducido en el
que las claves pueden cambiarse para diferentes propsitos. Se han
separado las funciones de seguridad LTE para el estrato de
no-acceso, NAS (Non-Access Stratum) y el estrato de acceso, AS
(Stratum Access). Las funciones NAS son aquellas funciones para las
que el procesamiento se lleva a cabo entre el ncleo de la red y el
terminal mvil o UE. Las funciones de AS abarcan las comunicaciones
entre el permetro de la red, es decir, el nodo B evolucionado,
(eNB: Evolved Node B) y la UE. Se ha introducido el concepto de
seguridad hacia adelante o seguridad en el destino. Se han
introducido funciones de seguridad LTE entre la red 3G existente y
la red LTE.
LTE USIM Uno de los elementos claves en la seguridad de GSM,
UMTS y ahora LTE fue el concepto de mdulo de identidad de
suscriptor, (SIM: subscriber identity module). Esta tarjeta lleva
la identidad del suscriptor de manera encriptada y esto podra
permitir al suscriptor mantener su identidad mientras transfiere o
actualiza su telfono. Con la transicin de 2G - GSM a 3G - UMTS, la
idea de la tarjeta SIM se actualiz y se comenz a utilizar una USIM
(Mdulo de Identidad de Suscriptor UMTS). Esto dio ms funcionalidad,
tena una memoria ms grande, etc.. Para LTE, slo se podr utilizar
las USIM; las tarjetas SIM ms antiguas no son compatibles y no
pueden utilizarse.