1.3 Acceso de radio terrestre universal evolucionado E

10
Capítulo 1
Tabla 1-6. Especificaciones de cobertura en LTE-Avanzado
Cobertura
Por encima
5 Km
Por encima
de 30 Km
Por encima
de 100Km
Características
Debe satisfacer al 100 % cada uno de los requerimientos de diseño de LTE
Puede haber degradación en los anteriores requerimientos de diseño excepto en
los de movilidad.
No está tomado en cuenta en la especificación.
• Mejoras adicionales en Multimedia Broadcast and Multicast Service MBMS11: fue
introducido en el lanzamiento 6, esta característica provee una forma para transmitir
simultáneamente contenido idéntico desde una solo fuente a muchos equipos de usuario en
uno o más sectores (7). los requerimientos extras son:
• Flexibilidad del espectro: LTE-avanzado debe estar en capacidad de operar en diferentes
bandas de frecuencia y con diferentes tamaños, hasta 100 MHz, debe soportar FDD y TDD en
bandas pareadas y no pareadas.
• Escenarios de coexistencia: LTE-avanzado está diseñado para mantener la coexistencia con
diferentes tecnologías 3GPP:
- Coexistencia y co-localización en la misma área geográfica con canales adyacentes
GERAN/UTRA/E-UTRA.
- Coexistencia y co-localización en la misma área geográfica entre operadores con canales
adyacentes.
- Coexistencia y/o solapamiento de espectro adyacente en las fronteras de los países.
- Operación de la E-UTRA Rel-8 y la E-UTRA avanzada en el mismo espectro.
• Escenarios de interoperabilidad:
anteriores
LTE avanzado debe manejar handover con
RAT12
• Otras características
- Reducir el CAPEX13 y OPEX14 en la red de retorno (Backhaul)
- Reducir el consumo de potencia, la complejidad y el costo del sistema y de los dispositivos
móviles debe ser razonable
- Convergencia. Eficiencia en el desempeño de varios tipos de servicios
1.3 Acceso de radio terrestre universal evolucionado E-UTRA
y red de acceso terrestre universal evolucionado EUTRAN
Disminuir la latencia ha sido uno de los factores en los que más se ha trabajado en el diseño de
redes móviles celulares y por supuesto LTE no ha sido la excepción, latencias menores a 5ms se
11
MBMS es un servicio ofrecido a través de redes móviles GSM y UMTS, su principal aplicación es la TV
móvil fundamentalmente lo que busca es lograr la interactividad en redes que normalmente son en un solo
sentido por ejemplo la TV tradicional.
12 RAT: Tecnología de acceso de radio.
13 CAPEX: Costos de adquisición: son las inversiones realizadas, tanto iniciales como de mantenimiento y
mejora, por parte de una compañía.
14 OPEX: Costo de ejecución: normalmente se refiere a los costo de operación de los equipos,
mantenimiento electricidad.
Capitulo 1
11
han logrado en gran medida a la disminución de equipos para la gestión de los recursos de radio en
la E-UTRAN, Figura 1-6. La E-UTRAN está compuesta por los eNB15, por los elementos
provistos por el plano de usuario de la E-UTRA PDCP/RLC/MAC/PHY16 y por las
terminaciones de los protocolos del plano de control RRC hacia el equipo de usuario. Los eNB se
interconectan entre sí a través de un interfaz llamada X2 y a su vez cada eNB está conectado al
EPC a través de una interfaz S1 específicamente a la entidad de gestión de movilidad MME17 esta
interfaz soporta relaciones muchos a muchos entre la MME y el eNB (8).
Figura 1-6. Arquitectura LTE con E-UTRAN (8)
A continuación se describen las funciones del eNB las funciones de los demás equipos MME/SGW se describen en el numeral 1.4.
•
•
•
•
•
•
Gestión de los recursos de radio.
Cifrado y compresión del encabezado IP.
Selección de un MME adjunto a un UE cuando la ruta a un MME no puede ser
determinada con la información suministrada por el UE.
Enrutamiento de los datos del plano de usuario hacia el S-GW
Programación y transmisión de los mensajes paginados y de los datos de difusión
(Broadcast)
Medir los datos necesarios de configuración para la programación y la movilidad
Para aclarar aun más la diferenciación entre la E-UTRAN y el EPC en la Figura 1-7. División
funcional entre la E-UTRAN y el EPC. se observa la división funcional entre estos dos
componentes.
15
eNB viene de la terminología 3G nodo B pero mejorado para LTE es decir para la E-UTRAN
Elementos descritos más adelante en el numeral
17 El MME a su vez tiene asociado otro dispositivo servidor de puerta de enlace S-GW.
16
12
Capítulo 1
Figura 1-7. División funcional entre la E-UTRAN y el EPC. (8)
1.3.1 Gestión de los recursos de radio RRM
Los requerimientos para la RRM se encuentran definidos en detalle en (9), y están divididos en 2
grandes partes:
1. Requerimientos de rendimiento individual para la funciones de núcleo que soportan la
RRM.
2. Descripciones de casos de prueba normativos que son usados como referencia para las
pruebas de conformidad de la RRM. Estos casos de prueba combinan muchos de los
requerimientos de núcleo dentro de escenarios de operación típica
•
•
Estado de movilidad E-UTRAN RRC_IDLE 36.133 apartado 4: Describe los procedimientos
ejecutados cuando el equipo de usuario está en estado disponible, los cuales son selección
de celda el cual ocurre después que el equipo de usuario es conmutado y reelección de
celda y ocurre cuando el equipo de usuario se mueve de una celda a otra.
Estado de movilidad E-UTRAN RRC_CONNECTED 36.133 apartado 5: estos
requerimientos para la movilidad mientras está establecida una conexión son más
conocidos como handover. Los requerimientos de handover que han sido definidos son los
siguientes:
Handover E-UTRAN
- E-UTRAN FDD a FDD
- E-UTRAN FDD a TDD
- E-UTRAN TDD a FDD
- E-UTRAN TDD a TDD
Handover a otra RAT
- E-UTRAN a UTRAN FDD
- E-UTRAN a UTRAN TDD
- E-UTRAN a GSM
- E-UTRAN a HRPD
- E-UTRAN a cdma2000 1xRTT
Para cualquier escenario se manejan dos parámetros de rendimiento.
- Retardo del handover: es el tiempo que tarda en ejecutarse el proceso de handover
Capitulo 1
13
-
Tiempo de interrupción: periodo de tiempo más corto durante el cual la comunicación es
interrumpida.
•
Control de movilidad de la conexión RRC 36.133 apartado 6: los requerimientos para el control
de la movilidad de la conexión RRC, se utilizan para el restablecimiento de la conexión
RRC después de una falla y para el proceso de acceso aleatorio, la causa más común de
una pérdida de conexión RRC es por un proceso de handover de baja calidad. El retardo
en el restablecimiento de la conexión RRM está en función de 4 parámetros.
- El número de frecuencias que están siendo monitoreadas
- El tiempo de búsqueda de cada frecuencia
- El tiempo de lectura de la información del sistema desde cada celda
- Retardo en el procedimiento PRACH
Estos tiempos sumados pueden resultar en un retardo de 160ms
•
Procedimientos de señalización y temporización 36.133 apartado 7:
-
Temporización de la transmisión del equipo de usuario: un requerimiento de
rendimiento crítico en cualquier sistema inalámbrico es la habilidad del equipo de
usuario de mantener el tiempo de sincronización con la estación base (1). La
unidad para esta medida de tiempo es TS siendo TS=1/(1500+2048) medido en
segundos. El punto de referencia de temporización para el equipo de usuario es la
primera ruta detectada desde el eNB. El tiempo de transmisión nominal es
especificado en adelanto de este tiempo de referencia como NTA*TS, siendo NTA
el parámetro de adelanto del tiempo.
-
La exactitud del temporizador del equipo de usuario: muchos de los
procedimientos de la RRM dependen del comienzo y finalización de los
temporizadores. Para los temporizadores menores a cuatro segundos la exactitud
es de 0.1 segundos y para los mayores a cuatro segundos es de 2.5%.
-
Adelanto de la sincronización: cuando el UE recibe un comando de adelanto de la
sincronización en la trama n es porque se requiere implementar una nueva
temporización en la trama n+6 con una exactitud ±4*TS.
-
Precisión de la sincronización de fase en una celda TDD: controla el tiempo de
inicio de la trama para dos celdas que comparten la misma frecuencia y se
superponen sus áreas de cobertura. Se requiere controlar la temporización entre
tales celdas para permitir recepción y transmisión simultánea en ambas celdas
-
Requerimientos de sincronización para handover E-UTRAN a cdma2000
1xRTT/HSPD: para permitir este handover se requiere que el equipo de usuario
conozca el tiempo de referencia del sistema CDMA, la eNB provee la
temporización a través de un mensaje de información del sistema, luego que el
equipo de usuario conoce la temporización del sistema, este puede reportar la
temporización a las señales piloto del sistema al cual se realizar el handover.
-
Monitoreo del radio enlace. El equipo de usuario debe monitorear la calidad del
enlace descendente para determinar si la calidad de este es suficiente para
continuar con la transmisión. Esto se realiza a través de los parámetros QIN y
QOUT, calidad de entrada y de salida respectivamente. El umbral para QOUT es el
punto en el cual el radio enlace descendente dejar de ser fiable para continuar con
la transmisión. El umbral para QIN es un 2% de la relación de error de bloque de
la transmisión del PDCCH hipotética para un conjunto definido de
configuraciones de red y condiciones de radio. Los requerimientos del UE para
monitorear el radio enlace se especifican en términos de cuanto le toma al UE
14
Capítulo 1
conmutar a un estado de no transmisión cuando la calidad del enlace cae por
debajo de QOUT y cuando le toma conmutar a un estado de transmisión cuando la
calidad se incrementa por encima de QIN.
•
Procedimientos de medida del equipo de usuario en estado RRC_CONNECTED 36.133 apartado 8:
En un sistema celular no es posible establecer donde y cuando ocurrirá el handover, para
tomar una buena decisión de handover se debe conocer muy bien el medio, para medir y
reportar el estado del medio del canal de radio el UE provee al sistema con datos que
procesados en el sistema se convierten en información que permite tomar las decisiones
correctas de handover. Muchos parámetros pueden ser medidos y las reglas de cómo y
cuándo reunir y reportar estos parámetros son complejas. Los requerimientos, divididos
de acuerdo a la RAT, son los siguientes:
- Intra-frecuencia E-UTRA
- Inter-frecuencia E-UTRA
- Inter-RAT UTRA FDD, UTRA TDD y GSM
1.3.2 La capa Física en LTE18:
La Figura 1-8 muestra la relación entre la capa física y las capas superiores, fundamental lo que la
primera hace es brindar servicios de transporte a la segunda, para lograr esto la capa de física tiene
las siguientes funciones.
Figura 1-8. Arquitectura de protocolos de la interfaz de radio alrededor de la capa física (10).
Detección de errores en los canales de transporte
Corrección de errores hacia delante (FEC Forward error correction)
Combinación de solicitud de respuesta automática hibrida (HARQ)
Relación de concordancia y de mapeo de los canales de ttransporte
ransporte de código hacia los
canales de transporte.
Capacidad de ponderación de los canales físicos
Modulación y demodulación de los canales físicos
Sincronización del tiempo y la frecuencia
Medición de las características del canal de radio y su respecti
respectivo
vo informe a las capas
superiores
Procesamiento de antenas MIMO
Transmisión por diversidad
Procesamiento de radio-frecuencia
Para obtener un mayor detalle de los procedimientos de la capa física en el anexo A se pueden
encontrar.
18
Gran parte de esta numeral está basado en (1)
Capitulo 1
1.3.3
15
Protocolos de la E-UTRAN
Los protocolos de radio de la E-UTRAN están diseñados de tal forma que manejen un relación
par a par (peer to peer) entre el UE y el eNB tanto en el plano de usuario como en el plano de
control, ver Figura 1-9. La arquitectura E-UTRAN incluye un protocolo RRC19 en el plano de
control. En el plano de usuario incluye un protocolo de convergencia de datos de paquetes el cual
maneja los buffers de paquetes de internet y finaliza en el eNB.
Figura 1-9 . Relación par a par en los protocolos de la E-UTRAN. (11)
La eficiencia de la E-UTRAN se logra principalmente por dos factores: la arquitectura de
protocolos y el flujo de canales lógicos de capa 2 esto se puede resumir en el procesamiento
avanzado de la capa física. La estructura de procesamiento de la capa 2 en el equipo de usuario se
muestra en la Figura 1-9. La capa física provee algoritmos de pprocesamiento
rocesamiento de señales para los
transmisores y receptores. Los protocolos de capa 2 permiten la presencia de información de
estado del canal en todas las decisiones críticas de segmentación, de programación y selección de
formato de transporte.
Figura 1-10. Estructura de procesamiento de capa 2 en el equipo de usuario (11)
19
RRC: Radio Resource Control, control de recursos de radio.
16
Capítulo 1
La función de seguridad está a cargo de la capa PDCP porque esta garantiza números de secuencia
larga para los paquetes los cuales pueden ser preservados incluso durante el handover. Esto garantiza
la seguridad y permite que cada paquete sea procesado individualmente. El protocolo RLC se
encarga de la segmentación y el establecimiento de la ventana de tr
transmisión
ansmisión de paquetes. La
parametrización adecuada del protocolo RLC puede reducir la probabilidad de las retransmisiones
TCP, las cuales pueden bajar considerablemente el desempeño del sistema. La capa MAC y la
física están basadas fundamentalmente en OF
OFDMA
DMA para el enlace descendente y SC-FDMA para
el ascendente y se describen en detalle en 1.3.4.1 y 1.3.4.2 respectivamente.
1.3.4
Tecnologías que caracterizan LTE
Las características de diseño que se han mencionado anteriormente permiten que las siguientes
tecnologías sean utilizadas en el funcionamiento de una red móvil LTE.
1.3.4.1
Acceso múltiple por división de frecuencia ortogonal OFDMA
Antes de analizar OFDMA comencemos viendo los principios de OFDM. OFDM es un esquema
de modulación digital multiportadora ampliam
ampliamente
ente utilizado en los sistemas inalámbricos pero
relativamente nuevo en los sistemas celulares. Utiliza cientos o miles de subportadoras que se
transmiten paralelamente, cada subportadora se modula con métodos convencionales como
QPSK, 16QAM o 64QAM.
La Figura 1-11 se compara una señal OFDM en el dominio de la frecuencia y del tiempo. En la
frecuencia, múltiples tonos adyacentes se modulan independientemente con los datos. En el
dominio del tiempo, los intervalos de guarda se insertan entre cada uno de los símbolos para
prevenir interferencias como retardos por multirutas en el canal de radio.
OFDM no había sido utilizada en los sistemas celulares porque necesita una gran capacidad de
procesamiento computacional aall trabajar con la FFT la IFFT, pero actualmente con los avances
tecnológicos esta capacidad de procesamiento digital se logra fácilmente y por esto este método ha
sido seleccionado para el estándar LTE.
Figura 1-11. Representación de la señal OFDM en el dominio del tiempo y en la frecuencia (12)
Ventajas de OFDM comparados con CDMA:
OFDM puede ser fácilmente escalada para los canales amplios que tiene alta resistencia al
desvanecimiento.
Un ecualizador OFDM es más fácil de implementar que uno CDMA.
OFDM puede ser completamente inmune a los retardos por propagación multiruta. Esto
se logra porque la longitud de los símbolos usados puede ser separada por un intervalo de
Capitulo 1
17
guarda conocido como prefijo cíclico CP. El CP es la copia del final de un símbolo
insertado en el comienzo.
OFDM tiene un mejor desempeño al trabajar con configuraciones MIMO. La
representación en el dominio de la frecuencia de las señales permite una fácil
precodificación para coincidir con la señal en frecuencia y con la característica de fase de
un canal de radio multiruta.
Pero como toda tecnología también tiene sus desventajas
•
•
•
•
Como las subportadoras están cercanas, OFDM se vuelve muy sensible a los errores en
frecuencia y ruidos de fase.
OFDM también genera señales con pico promedio alto.
En los bordes de las celdas OFDM tiene mayores problemas que CDMA. CDMA usa
códigos scrambling para protegerse de la interferencia entre-celdas tal característica OFDM
no la posee.
Con el estándar OFDM, las transmisiones entre equipos de usuario muy cercanos pueden
sufrir desvanecimiento e interferencia es por esto que el 3GPP utiliza OFDMA el cuál
incorpora elementos de de TDMA.
OFDMA permite que los subconjuntos de ssubportadoras
ubportadoras se asignen dinámicamente entre los
diferentes usuarios de un canal tal como se muestra en la Figura 1-12, obteniéndose un sistema
mejorado y robusto. Debido a la eficiencia de la troncalización de los usuarios con velocidades
bajas y a la habilidad para programar usuarios por frecuencia, lo cual brinda resistencia al
desvanecimiento selectivo de frecuencia.
Figura 1-12. Asignación de subportadoras OFDM y OFDMA (1)
1.3.4.2
Acceso múltiple por división de frecuencia ortogonal de portador simple
SC-FDMA
SC-FDMA se utiliza porque el alto PAR de la señal OFDMA la hace inadecuada para su
utilización en equipos móviles porque su gran con
consumo
sumo energético la diferencia entre estas dos
tecnologías de acuerdo con la Figura 1-13 en OFDMA los símbolos se transmiten en paralelo
mientras que en SCFDMA los símbolos se transmiten en series a cuatro veces la velocidad. De
acuerdo con la gráfica la señal OFDMA luce como una señal multiportadora mientras que la SCFDMA luce como de portadora simple de allí el nombre de “portadora simple”; esta característica
hace que la señal SC-FDMA tenga un PAR menor que la señal OFDMA y por lo tanto, sea
adecuada para el canal ascendente.