LTE: Long Term Evolution Tema: Desarrollo, Evolución y Aspectos Generales EUIT de Telecomunicación Campus Sur, UPM Índice Evolución y Desarrollo Tecnológico de las Comunicaciones Móviles 1G – Sistemas Analógicos 2G – GSM 2.5G – GPRS 2.9G – EDGE 2.9G+ – GERAN Evolution 3G – UMTS (Release 99) 3.5G – HSDPA (Release 5) 3.6G – HSPA (Release 6) 3.7G – HSPA+ (Releases 7 y 8) 3.9G – LTE (Release 8 y 9) 4G – LTE-A (Release 10) Evolución de la Arquitectura Organizaciones de estandarización LTE: Long Term Evolution Desarrollo, Evolución y Aspectos Generales 1 1ª Generación – Sistemas Analógicos: Tecnología Primer sistema de telefonía móvil no celular: 1946, MTS, en EEUU (AT&T) Canal 120 KHz, FM, half duplex, 50 Km radio. 1973: primera llamada móvil celular (Martin Cooper, con un Motorola DynaTAC 8000X) En 1976 la CTNE lanza en España el TMA-450 para vehículos, basado en el estándar nórdico NMT. Banda 450 MHz Cobertura muy buena (450 MHz) Terminales muy grandes y pesados En 1990 lanza el TMA-900, derivado del sistema TACS, marca MoviLine (hasta 2003) FM, 25 KHz de ancho de canal, como NMT Cobertura menor (900 MHz) …pero mayor capacidad. Densificación de red: 1991: 100.000 usuarios LTE: Long Term Evolution Desarrollo, Evolución y Aspectos Generales 2 1ª Generación – Sistemas Analógicos: Terminales LTE: Long Term Evolution Desarrollo, Evolución y Aspectos Generales 3 1ª Generación – Sistemas Analógicos: Pros & Cons UL DL tiempo tiempo Código Reducción del ancho de banda necesario (de 120 KHz a 25 KHz por canal) Full duplex requiere 2 canales simultáneos, Downlink (Forward) y Uplink (Reverse), solucionado con FDD Sistema celular (anunciado como “Total Area Coverage”) DL – UL – DL … Código Progresos sobre los sistemas primitivos (MTS) frecuencia Modo TDD frecuencia Modo FDD Inconvenientes: Baja calidad (analógico, modulación FM) Fácil interceptación (no cifrado) Baja eficiencia (1 usuario por frecuencia, necesita 2x25 KHz) Planificación celular de frecuencias! LTE: Long Term Evolution Desarrollo, Evolución y Aspectos Generales 4 2ª Generación – Sistema Digital GSM: Tecnología 1991: Primera llamada GSM (Finlandia, Nokia) Digital: mejor calidad de señal Cifrado (algoritmo A5/1, se sigue usando, aunque está roto) Audio comprimido (códec FR) Canal 200 KHz, FDD Da servicio a 8 usuarios (con 2x200 KHz = 50 KHz por usuario (la mitad con Half Rate, HR) Frecuencia 900 MHz Tarjeta SIM, separa la “línea” del “terminal” Roaming internacional. ¡Estandarización! 1995: lanzamiento en España de MoviStar, y nuevo competidor: Airtel (ahora Vodafone) 1998: Introducción de la banda de 1800 MHz (DCS) y llega Amena (ahora Orange). Celdas aún más pequeñas. LTE: Long Term Evolution Desarrollo, Evolución y Aspectos Generales 5 2ª Generación – Sistema Digital GSM: Terminales 1992: primer terminal comercial GSM (Nokia 1011, lanzado el 10-11-1992). Más grande y feo que el StarTAC analógico de Motorola, pero con mayor economía de escala. Todavía en 2013 siguen vendiéndose terminales GSM (sin GPRS) Primer 3G LTE: Long Term Evolution Desarrollo, Evolución y Aspectos Generales 6 2ª Generación – Sistema Digital GSM: Pros & Cons Progresos sobre los sistemas analógicos Calidad, eficiencia, cifrado, SIM, roaming. Nuevo servicio: SMS (inicialmente pasó desapercibido, pero era gratuito) Nuevos servicios: Servicios Suplementarios: desvíos, barrings, Call Hold, Waiting Incluye servicios sobre circuitos (CS, Circuit Switched) de datos y fax (que tiene aún en 2013 usuarios fieles entre las PYMEs). Inconvenientes: No aprovecha zonas de mejor SNR: rendimiento uniforme en toda la celda. No se puede navegar por la incipiente Internet Se crea el WAP, que codifica páginas sencillas en WML y podía utilizar como portador los SMS. i-mode (Japón) Conexión de datos muy lenta sobre CS, como módems de línea fija: 9.600 kbps. se estandariza el HSCSD, también datos sobre CS, pero permite: Reducir la tasa de FEC (Forward Error Correction) si buena SNR 14.400 bps (menor protección) Utilizar más de 1 time slot para el usuario: hasta 8 slots 8x14.4 = 115 kbps (no se llegó a desplegar) La conexión de datos no es nativa IP, para la red móvil no existe el mundo IP. El terminal móvil no es consciente de tener una dirección IP ni tiene la pila IP, sino que la pila IP está implementada en el PC. El móvil solo establece una conexión de datos contra un ISP, haciendo una llamada de datos al número de teléfono del ISP. LTE: Long Term Evolution Desarrollo, Evolución y Aspectos Generales 7 2.5G – GPRS: Tecnología (I) 2001: lanzamiento del GPRS. Red IP nativa como parte de la red móvil. En realidad son dos redes paralelas, la red CS (Circuit Switched) y la red PS (Packet Switched). La parte radio es común, sólo es necesario una core network nueva para PS. Requieren dos registros distintos (“Register” en CS y “Attach” en PS). El “Attach” no otorga una dirección IP, para eso es necesario un paso más, la activación del contexto PDP. También existen dos pagings distintos, de CS y de PS. La red puede llamar a un número de teléfono (CS) y a una dirección IP (PS). GPRS puede llevar SMS’s (poco usado) LTE: Long Term Evolution Desarrollo, Evolución y Aspectos Generales 8 2.5G – GPRS: Tecnología (II) GPRS incluye desde el principio las innovaciones del HSCSD: Posibilidad de utilizar varios timeslots de bajada y de subida (“3+2”, “4+2”…) 4 niveles de “Coding Scheme” (CS) para aprovechar la buena SNR, reduciendo FEC. Tasa binaria en función del Coding Scheme y número de slots: Se sombrean en amarillo las combinaciones más habituales. Esquemas de codificación (Coding Schemes, CS), con 1 slot: ESQUEMA CS-1 CS-2 CS-3 CS-4 TASA_CODIF BITS_INFO BITS_BCS 1/2 181 aprox.2/3 268 aprox.3/4 312 1 428 BITS_USF 40 16 16 16 BITS_COLA 3 6 6 12 4 4 4 0 BITS_CODIF BITS_PUNCT TASA_(kbps) 456 0 9,050 588 132 13,400 676 220 15,600 456 0 21,400 Tabla según el número de slots empleados, en kbps: ESQUEMA CS-1 CS-2 CS-3 CS-4 1 9,050 13,400 15,600 21,400 2 18,100 26,800 31,200 42,800 TASA_BINARIA_(kbps) según el número de slots 3 4 5 6 27,150 36,200 45,250 54,300 40,200 53,600 67,000 80,400 46,800 62,400 78,000 93,600 64,200 85,600 107,000 128,400 LTE: Long Term Evolution 7 63,350 93,800 109,200 149,800 8 72,400 107,200 124,800 171,200 Desarrollo, Evolución y Aspectos Generales 9 2.5G – GPRS: Terminales GPRS hizo posible la aparición de un mundo nuevo de terminales con acceso IP (aunque ya había terminales con datos por CSD): Módems para dar conectividad a PC’s en formatos varios (puerto serie, PCMCIA…) Primeros teléfonos con GPRS (Ericsson R520m, Nokia 8310, Siemens S45) de 2001. Smartphones como las primeras Blackberrys (5810), navegadores en color y las primeras pantallas táctiles (P800) LTE: Long Term Evolution Desarrollo, Evolución y Aspectos Generales 10 2.5G – GPRS: Pros & Cons Progresos sobre los sistemas GSM. GPRS hace posible nuevos servicios: Navegadores en los teléfonos (no solo en el PC) WAP y Web WAP Push (URL en SMS) El MMS, la mensajería multimedia, que a su vez invita a integrar cámaras en los móviles Apps. IP nativas: email, noticias, RSS… Inconvenientes: Baja eficiencia espectral. No aprovecha mucho las zonas de mejor SNR: aunque GPRS añade los Coding Schemes, la modulación es GMSK, la misma que GSM, con 1 bit por símbolo. La velocidad binaria, incluso utilizando todos los slots (en teoría 8, pero en la práctica suele ser 4) es ≈ 50 kbps, similar a un módem de 56K de la RTB. Suficiente para descargar pequeños volúmenes de datos, pero impráctico para trabajar con un PC con una aplicación conectada. Solo BlackBerry, con su inteligente optimización del tráfico, consiguió hacer práctico el “email en el móvil” (descarga de emails “KB por KB” bajo demanda, infraestructura de proxy de RIM, compresión de datos…) Con GPRS, los clientes empiezan a percibir (y sufrir) la congestión de la red: con la red congestionada, se le asignan menos slots. Esto irá a peor… Surge la necesidad de discriminar favorablemente a ciertos usuarios: el concepto de “Calidad de Servicio” (QoS) se incluirá en la estandarización del 3G. LTE: Long Term Evolution Desarrollo, Evolución y Aspectos Generales 11 2.9G – EDGE: Tecnología y Terminales 2003: lanzamiento del EDGE (Cingular, ahora AT&T, con el Nokia 6200) En lugar de usar la modulación de GSM (GMSK, 1 bit por símbolo), usa 8-PSK, con 3 bits por símbolo. Esto permite triplicar la tasa binaria (máx teórico de 473.6 Kbps con 8 slots) Solo es utilizable en parte de la célula (como los Coding Schemes de GPRS) Lanzamientos de EDGE: Algunos operadores lanzan EDGE en paralelo con el lanzamiento de 3G, como Telecom Italia (con considerables complicaciones debido a la inestabilidad de ambas tecnologías nuevas). Otros países, (ES, UK…) lanzan 3G y el EDGE parece ya innecesario. El detonante para el despliegue en muchos países es el lanzamiento del iPhone 2G (que soporta EDGE), y que con “solo GPRS” aporta una experiencia de usuario muy frustrante (por la lentitud de la conexión). EDGE se puede aplicar a GPRS y HSCSD: GPRS con 8-PSK se denomina EGPRS HSCSD con 8-PSK se denomina ECSD (no utilizado) LTE: Long Term Evolution Desarrollo, Evolución y Aspectos Generales 12 2.9G – EDGE: Tecnología (II) Modulation and Coding Schemes (MCS) de EDGE: MCS Bit Rate (kbit/s/slot) Modulación MCS-1 8.80 GMSK MCS-2 11.2 GMSK MCS-3 14.8 GMSK MCS-4 17.6 GMSK MCS-5 22.4 8-PSK MCS-6 29.6 8-PSK MCS-7 44.8 8-PSK MCS-8 54.4 8-PSK MCS-9 59.2 8-PSK 8 x 59.8 = 473.6 Kbps. En realidad ≈ 150 kbps EDGE fue admitido como miembro de la familia IMT-2000 de la ITU, por lo que oficialmente puede ser considerado un sistema “3G”. LTE: Long Term Evolution Desarrollo, Evolución y Aspectos Generales 13 2.9G – EDGE: Tecnología (III) EDGE añade una nueva optimización al GPRS: la redundancia incremental (Incremental Redundancy, IR): Cuando un bloque de datos se transmite y llega erróneo (CRC error), se pide la retransmisión (ARQ) pero no se descarta la copia recibida, sino que se combina con las sucesivas retransmisiones recibidas. Esto aumenta la probabilidad de descodificar correctamente el bloque retransmitiendo el número mínimo de bits. Sin embargo, requiere más: procesado (CPU) buffer de memoria LTE: Long Term Evolution Desarrollo, Evolución y Aspectos Generales 14 2.9G – EDGE: Pros & Cons Progresos sobre los sistemas GPRS: EDGE hace el GPRS realmente utilizable para trabajar. Lento, pero utilizable. Ventajas: el despliegue es fácil: solo cambia la modulación y el software. En algunas BTS’s, la modulación se implementa por software y era solo un upgrade SW. En España y UK, donde se desplegó de forma tardía (2007) y ya estaba muy estable, no dio casi ningún problema y se hizo prácticamente de un día para otro (en las BTS donde solo era cambio SW). Inconvenientes: EDGE es solo una mejora para la tasa de datos, pero no para la voz. La eficiencia espectral de la voz sigue igual que en GSM Con EDGE, los clientes empiezan a captar una realidad que irá agravándose con las siguientes tecnologías: la “desigualdad” dentro de la celda. No todos los sitios son iguales, en unos sitio con mejor cobertura se consiguen tasas binarias mejores que en otros (en función del MCS): 6,7 veces mayor (MCS-9/MCS-1). Con GPRS, este “ratio de desigualdad” era de 21.400/9.050 = 2,36 veces. Con datos CS, este ratio era de 14.400/9.600 = 1,5 veces. La latencia es elevada para ciertas aplicaciones de datos interactivas (juegos…). El Transmission Time Interval (TTI) de EDGE, como en GSM/GPRS, es 20 ms. LTE: Long Term Evolution Desarrollo, Evolución y Aspectos Generales 15 2.9G+ – GERAN Evolution: Tecnología 2013: El grupo GERAN del 3GPP sigue desarrollando mejoras a las tecnologías 2G, en general importando a 2G tecnologías presentes en 3G: Evolved EDGE: Reducción de la latencia, reduciendo el TTI (Transmission Time Interval) de 20 a 10 ms. Introducción de modulaciones de orden mayor (HOM, Higher Order Modulations): 16 QAM, 32 QAM Downlink Dual Carrier: combinación de dos portadoras en el enlace descendente: duplica la tasa binaria VAMOS (Voice services over Adaptive Multi-user Orthogonal Sub channels): Permite duplicar la capacidad de voz de la red 2G, transmitiendo y recibiendo la señal de 2 usuarios simultáneamente (en el mismo timeslot y misma frecuencia), diferenciándolos por la fase (ejes I y Q). Requiere receptores avanzados en los terminales, pero por suerte más del 50% de los terminales GSM actuales (sin VAMOS) tienen receptores SAIC/DARP, suficientemente avanzados como para funcionar con VAMOS. Debido a la congestión de las redes 2G, sobre todo en algunos países con poco espectro, y la presión creciente de los datos, VAMOS resulta atractivo para varios operadores y es probable que se acabe desplegando. VAMOS se aplica a slots FR y HR: VAMOS+HR = 4 usuarios/slot LTE: Long Term Evolution Desarrollo, Evolución y Aspectos Generales 16 3G – UMTS: Historia (I) La iniciativa IMT-2000 (International Mobile Telecommunications System – 2000) de la ITU definió qué condiciones debían cumplir las tecnologías candidatas a ser la tecnología global de tercera generación, “3G”: Integración de todas las redes existentes Comunicaciones personalizadas Cualquier servicio, a cualquier persona, en cualquier lugar y en todo momento Para conseguirlo sería necesario contar con un acceso radio avanzado Amplia gama de: Servicios Velocidades binarias Alta calidad Se presentaron 5 tecnologías candidatas y finalmente la ITU no se decantó por ninguna de ellas (hubiera sido conflictivo), sino que redefinió IMT-2000 como una “familia de estándares”. LTE: Long Term Evolution Desarrollo, Evolución y Aspectos Generales 17 3G – UMTS: Historia (II) La “familia de estándares IMT-2000”: * De estos 5 estándares, 2 estaban propuestos por el “3rd Generation Partnership Project” que aglutinaba organismos de estandarización, empresas y operadores de USA (T1P1), EU (ETSI), Japón (ARIB y TTC), Corea (TTA) y China (CWTS). Nombre ITU IMT-DS IMT-MC IMT-TC IMT-SC IMT-FT Conocido por: (UE/Japón) UTRA FDD (UMTS/WCDMA) cdma2000 Estándar de: UTRA TDD (UMTS/TD-SCDMA) UWC-136 EDGE DECT (teléfonos inalámbricos) 3GPP (*) 3GPP (*) 3GPP2 (USA) UWCC (USA) Proy. DECT de ETSI (EU) LTE: Long Term Evolution Desarrollo, Evolución y Aspectos Generales 18 3G – UMTS: Tecnología (I) El 03-03-03, el operador “3” lanzó en UK la primera red 3G (sin terminales, por cumplir la fecha). Telefónica lanza en octubre de 2003 un piloto para grandes empresas y servicio comercial en 2004, inicialmente solo con tarjetas de datos, la PCMCIA Novatel Merlin U530 (chipset de Qualcomm). Ancho de banda de 5 MHz (25 veces más que 2G) para alcanzar altas velocidades binarias. UMTS Release 99, llegaba teóricamente a 2 Mbps DL y 384 Kbps UL, pero los terminales R99 nunca pasaron de 384/384. Los primeros modelos soportaban 384 DL y 64/128 UL. Banda de 2100 MHz (banda 1), modo FDD Cobertura peor que el GSM 1800, pero penetración en edificios mucho peor. Mala cobertura en interiores hasta la llegada del UMTS 900 en 2010. Tecnología WCDMA, de “espectro ensanchado”, turbo códigos, enorme flexibilidad de la capa física… Impresión generalizada de “tecnología muy compleja”, un salto enorme respecto a 2G. LTE: Long Term Evolution Desarrollo, Evolución y Aspectos Generales 19 3G – UMTS: Tecnología (II) “Radio revolucionaria, núcleo de red evolucionario”. Radio: Modulación QPSK: 2 bits por símbolo en lugar de 1 como GSM/GPRS. TTI variable, de 10, 20, 40 u 80 ms. (en GSM era de 20). Reducción de latencia. CDMA: Code Division Multiple Access. Los usuarios comparten tiempo y frecuencia, y se diferencian por su código. El código es una señal SF veces más rápida que la de datos que ensancha el espectro SF veces (Spreading Factor). CDMA se había utilizado ya en la 2G americana, el IS-95. Liderado por Qualcomm (empresa fundada por ………………..., el inventor de ………………………). En 3G, se ensancha en 2 fases: canalización y scrambling. Árbol de códigos de canaliz: LTE: Long Term Evolution Desarrollo, Evolución y Aspectos Generales 20 3G – UMTS: Tecnología (III) Radio (continuación): Codificación Turbo (nuevo tipo de codificación FEC) Descubierta pocos años antes de la estandarización, algunos no se llegaban a creer que funcionara porque se acercaba demasiado al límite de Shannon. Descodificadores iterativos muy complejos, requerían muchísima CPU y no se usaban para voz. Soft handover: se despliega la red son una sola frecuencia. Desaparece el problema de la planificación celular y el reutilización de frecuencias: es 1:1. “Wideband”: 5 MHz se consideraba “wide” para ofrecer altas tasas binarias. A cada operador le correspondieron 15 MHz, por lo que desplegar la red inicial con una portadora supone ya emplear un tercio de la capacidad total. (esquema: freqs. de TEF) LTE: Long Term Evolution Desarrollo, Evolución y Aspectos Generales 21 3G – UMTS: Tecnología (III) y Servicios Núcleo de red “evolucionario”: Para la red CS (Circuitos: voz, SMS y videollamadas) utiliza los mismos nodos que GSM: MSC’s y GMSC’s Para la red PS (Paquetes: datos) utiliza la misma red GPRS: SGSN’s y GGSN’s. Servicios nuevos: La videollamada, nuevo servicio CS. “La gran esperanza” de los operadores. Servicio de videotelefonía sobre un canal de circuitos de 64 Kbps simétrico, síncrono, y transparente. Video comprimido en H.263 por requisitos de CPU (no daban para H.264) Diferenciador 3G. Anuncio campaña de Navidad con LG U8150, “Llega la videollamada” Los datos a gran velocidad. 384 Kbps DL / 128 Kbps UL permitían trabajar bien. La “oficina móvil” se hace realidad, para PC’s con tarjetas PCMCIA. Tráfico de PC’s era el 98% del tráfico de datos total. Sin embargo, para teléfonos, durante años se busca la “killer application” que atraiga a los clientes al 3G (para descongestionar la red 2G y rentabilizar 3G, pero los terminales son más caros y la batería les dura mucho menos por la complejidad del procesado 3G) El Email es la killer application para los teléfonos durante años, ya que la navegación por Internet en las pantallas pequeñas era muy difícil, los navegadores no soportaban todo. El WAP sirvió como sustituto en algunos casos. Las “Apps” ofrecen una forma de acceder a información concreta sin tener que navegar, son, por fin, la “killer application”. LTE: Long Term Evolution Desarrollo, Evolución y Aspectos Generales 22 3G – UMTS: Terminales Primeras tarjetas PCMCIA en España: Novatel U530, U630, Option Globetrotter Primeros terminales: Motorola A835, Nokia 6650, Samsung Z100, Sony Ericsson Z1010, LG U8150. Primer experimento iPhone: Nokia 7600. LTE: Long Term Evolution Desarrollo, Evolución y Aspectos Generales 23 3G – UMTS Release 99: Pros & Cons Progresos sobre los sistemas EDGE: El ancho de banda 25 veces mayor abría la puerta a tasas binarias muy altas, eliminando la limitación de la banda estrecha de 2G. Inmensa flexibilidad, nuevos servicios por inventar (streaming…) Terminales con capacidades que se acercan a los ordenadores Inconvenientes: Complejidad CPU mucho más potente. Precio, calentamiento, batería. 2100 MHz: Mala penetración en interiores. HO 3G 2G indispensable. 384 Kbps DL decepcionante para tener 25 veces más ancho de banda! Cabría esperar 25 x 473,6 Kbps (EDGE) = 11,84 Mbps La “desigualdad” dentro de la celda similar a EDGE: 384/64 Kbps= 6 veces Fracaso de la videollamada (factores técnicos –calidad– y de usabilidad) No hay un modo de paquetes en la interfaz aire: las conexiones PS en el aire van por canales dedicados CS. ¡Muy ineficiente! No incorpora alguna mejora de EDGE, como la Redundancia Incremental y la modulación con 3 bits/símbolo. LTE: Long Term Evolution Desarrollo, Evolución y Aspectos Generales 24 3.5G – HSDPA (Release 5): Tecnología (I) 2006: se lanza HSDPA (High Speed Downlink Packet Access) en muchos países. El primero, el Samsung SCHW200 en Corea. Se crea un canal de transporte que puede llevar 15/16 del tráfico de la celda!! (el HS-DSCH). Además, utiliza toda la potencia no utilizada por otros canales, hasta alcanzar la máxima potencia utilizable por la estación base. Ese canal se reparte entre distintos usuarios en el dominio del tiempo, por slots temporales. i1 Modulación 16QAM: 4 bits/símbolo (supera a EDGE) HARQ (ARQ Híbrido) (IR como EDGE, muy flexible) AMC: Adaptive Modulation and Coding: similar a los MCS de EDGE, pero de granularidad más fina. 1001 1010 1000 0.3162 q2 HSDPA ya no es puro CDMA, introduce TDMA i2 1011 0.9487 i2 0001 0011 0000 0010 0.3162 0.9487 1110 1100 0100 0110 1111 1101 0101 0111 q1 q2 En EDGE había 9 MCS’s, en HSDPA hay 30 CQI’s. Tan adaptado que no hay control de potencia TTI se reduce a 2 ms: 10 veces menos que 2G. Importante reducción de latencia. Round Trip Time disminuye de 200 ms con UMTS a 100 ms con HSDPA. LTE: Long Term Evolution Desarrollo, Evolución y Aspectos Generales 25 3.5G – HSDPA (Release 5): Tecnología (II) Un canal HS-DSCH a “repartir” en slots entre todos los UEs de la celda: No tiene soft handover. Solo hay 1 “serving cell”. Los canales R99 sí tienen SHO. Scheduling: cada TTI se asigna al UE con mejor calidad (CQI), o por igualdad de tiempo … LTE: Long Term Evolution Desarrollo, Evolución y Aspectos Generales 26 3.5G – HSDPA (Release 5): Tecnología (III) Modulación y Codificación Adaptativa (AMC) en función del CQI 30 niveles, además ponderados por la categoría del terminal. Enorme diferencia de tasa binaria Entre CQI = 0 y CQI = 30. Las variaciones de CQI (línea marrón) son paralelas a los desvanecimientos del canal (línea verde): LTE: Long Term Evolution Desarrollo, Evolución y Aspectos Generales 27 3.5G – HSDPA (Release 5): Tecnología (IV) Categorías de terminales: 12 categorías, según diferentes capacidades de procesamiento y memoria: Número máximo de códigos SF=16 soportados simultáneamente Memoria del buffer HARQ Modulaciones soportadas (QPSK y 16 QAM) LTE: Long Term Evolution Desarrollo, Evolución y Aspectos Generales 28 3.5G – HSDPA (Release 5): Pros & Cons Progresos sobre los sistemas UMTS R99: Tasa binaria de hasta 14 Mbps (con terminal categoría 10) Los primeros comercializados eran de 1.8 Mbps. Cat. 10 llegó ≈ 2009. En la práctica, los usuarios alcanzan entre 1 y 3 Mbps: muy satisfactorio. La disminución del RTT (Round Trip Time) reduce la latencia. Inconvenientes: Muchos usuarios y en general el mercado están engañados: creen que la red da 14 Mbps por usuario (como el ADSL da 10 Mbps por usuario), cuando en realidad es “a compartir” entre todos los usuarios de la celda. A medida que aumenta el número de usuarios de HSDPA, se reduce la tasa binaria que disfruta cada uno. Pero no se puede hacer más: la celda está ya transmitiendo a máxima potencia y dándole a solo un usuario toda la capacidad disponible! El bitrate del UL no mejora nada con HSDPA. Sigue usando canales dedicados R99 de 64, 128 y 384 Kbps. LTE: Long Term Evolution Desarrollo, Evolución y Aspectos Generales 29 3.6G – HSPA (Release 6): Tecnología (I) y terminales 2007: se presenta en el MWC de Barcelona el primer terminal HSUPA (el módem USB de Huawei, E270) 2008: llega a Corea el primer teléfono HSUPA (Samsung SCH-M470) Al HSDPA se suma el HSUPA para el Uplink HSPA = HSDPA + HSUPA (HSUPA = Enhanced UL, EUL) Alcanza hasta 5.7 Mbps en el UL No utiliza un canal único, como HSDPA, sino canales dedicados (como R99) pero de alta potencia y tasa binaria (“E-DCH”), coordinados por el Nodo B. Es un TDMA porque el Nodo B va dando acceso (access grants) a unos terminales y luego a otros, pero no a todos a la vez (no está especificado a cuántos!). El scheduler del Nodo B es propietario, no estandarizado. Solo se estandarizan los grants y los formatos E-TFC. Utiliza H-ARQ, como HSDPA, y TTI de 10 ó 2 ms. No utiliza 16 QAM, sino sigue con QPSK (no linealidad de los amplificadores del móvil) LTE: Long Term Evolution Desarrollo, Evolución y Aspectos Generales 30 3.6G – HSPA (Release 6): Tecnología (II) Existen 6 categorías de UE: Diferentes capacidades de procesamiento y memoria Número máximo de canales E-DPDCH soportados simultáneamente Ganancia de procesado mínima (2, 4) Soporte de 2 ms de TTI Tamaño máximo de bloque LTE: Long Term Evolution Desarrollo, Evolución y Aspectos Generales 31 3.6G – HSPA (Release 6): Tecnología (III) La selección de formato (E-TFC) está condicionada por los access grants: Mecanismo de adaptación del bitrate a los recursos disponibles Los access grants del Nodo B indican el UE el formato a emplear Análogo a la selección del TFC (Transport Format Combination) de R99, pero más flexible: número de formatos posibles muy superior LTE: Long Term Evolution Desarrollo, Evolución y Aspectos Generales 32 3.6G – HSPA (Release 6): Pros & Cons Progresos sobre los sistemas HSDPA: Tasa binaria en UL de hasta 5,76 Mbps (con terminal categoría 6) Los primeros comercializados eran de 2 Mbps. Cat. 6 llegó en 2008. En la práctica, los usuarios alcanzan cerca de 1 Mbps: muy satisfactorio. Con HSUPA se completa el modo de paquetes (UL y DL) de 3G. Inconvenientes: Muchos usuarios y en general el mercado están engañados: creen que la red da 5,76 Mbps por usuario (simultáneo con otros a la misma velocidad), cuando en realidad hay que estar solo en la celda para conseguir esa tasa. A medida que aumenta el número de usuarios de HSPA en la celda, se reduce la tasa binaria que disfruta cada uno, tanto en UL como en DL. A partir de ahora, la tecnología entra en una carrera buscando que la tasa binaria de pico crezca, perseguida por el aumento del número de usuarios y su demanda de datos. La explosión de los smartphones crea nuevos problemas: La multitud de Apps en los smartphones y las numerosas conexiones hacen que la batería dure cada vez menos. Es urgente inventar estrategias que ahorren batt. Con el elevado número de usuarios conectados simultáneamente a la celda, los canales dedicados de control de HSPA consumen un número de códigos. Las frecuentes conexiones y cambios de estado para recibir unos pocos bytes generan mucha más señalización que los datos en sí. “Tormentas de señalización” LTE: Long Term Evolution Desarrollo, Evolución y Aspectos Generales 33 3.7G – HSPA+ (Releases 7 y 8): Tecnología (I) 2009: se lanza en España HSPA+ a 21 Mbps DL. Introduce la modulación 64 QAM, con 6 bits por símbolo. Mejora del 50% respecto a 16 QAM, de 4 bits por símbolo, que alcanzaba 14 Mbps: 14 + 7 = 21. La modulación 64 QAM solo puede utilizarse en zonas con SNR excelente (puntos muy cercanos en la constelación): área muy reducida de la celda. 2010: lanzamiento del HSPA+ a 42 Mbps DL (Dual Carrier) (Release 8) Introduce la coordinación de dos frecuencias adyacentes, cada una de 5 MHz de ancho de banda: utilizando un total de 10 MHz, duplica los 21 Mbps. Esta mejora beneficia a toda la superficie de la celda, ya que duplica la tasa binaria. Incluso en el borde de celda, p.ej, de 100 Kbps a 200 Kbps. Realmente no duplica la capacidad porque la otra frecuencia ya estaba cargada, pero consigue una cierta mejora por la multiplexación estadística. LTE: Long Term Evolution UL 5MHz DL PSC DL SSC 10MHz PSC – Primary Serving Cell SSC – Secondary Serving Cell Desarrollo, Evolución y Aspectos Generales 34 3.7G – HSPA+ (Releases 7 y 8): Tecnología (II) Hacia 2009, Apple inventa el “Fast Dormancy” para ahorrar batería. Todos los fabricantes siguen estrategias similares, generando grandes tormentas de señalización en las redes (solo por cambios de estado). Se estandariza el “Fast Dormancy Release 8”, actualmente desplegado en muchas redes. En los terminales con 64 QAM, casi todos los fabricantes incluyen receptores avanzados, “Type 3i”: Type 3i: con ecualizador, diversidad de recepción (2 antenas) y cancelación de interferencia celda vecina Otras mejoras de R7, R8 y posteriores no lanzadas aún: E-FDPCH: para utilizar 1 solo código para servir de canal de control a 10 usuarios HSPA (ahorro de códigos). CPC: para reducción de batería durante la conexión activa. MIMO 2x2: no se lanza en 3G por las necesidades de modificar el hardware y antenas de las estaciones base. HS-FACH, HS-RACH: uso de HSDPA y HSUPA en estado Cell_FACH UL 16 QAM: alcanza 11 Mbps, duplica la tasa con respecto a QPSK DC-HSUPA: duplica también la tasa, a 11 Mbps, empleando dos frecuencias LTE: Long Term Evolution Desarrollo, Evolución y Aspectos Generales 35 3.7G – HSPA+ (Releases 7 y 8): Pros & Cons (I) Progresos sobre los sistemas HSPA: Tecnología cada vez más optimizada, exprimiendo al máximo las posibilidades del 3G. Inconvenientes: Todas las optimizaciones (excepto los Dual Cell) se aprovechan en una parte pequeña de la celda o en casos que representan una parte pequeña del tiempo. Peak Rates Layer 1 TCP/IP 42Mbps CQI vs. Throughput HSPA+ Peak Data Rates <0.5% cell area 35Mbps Dual Carrier (10Mhz) Single User Throughput MIMO 28Mbps 23.5Mbps 64QAM 10-15 codes 16 QAM 5-10 codes 21Mbps 17.6Mbps 16 QAM 5 codes QPSK 1 to 5 codes 14Mbps 11.7Mbps 7.2Mbps 6Mbps 3.6Mbps 3Mbps 1.8Mbps 1.5Mbps 0.00% LTE: Long Term Evolution 9.8% Desarrollo, Evolución y Aspectos Generales 36 80% 21% % Cell Area 100.00% 3.7G – HSPA+ (Releases 7 y 8): Pros & Cons (I) Inconvenientes (cont.): El impacto de las optimizaciones (tales como 64 QAM) sobre la tasa media servida por la celda es pequeño, ya que hay muchos usuarios que no pueden beneficiarse de la tasa alta. Ejemplo: de 10 usuarios en la celda, cada uno ocupa 1/10 del tiempo del HS-DSCH. Uno de ellos tiene muy buena SNR y descarga a 21 Mbps, dos de ellos a 6 Mbps, y los otros siete a 1 Mbps. La celda en conjunto no está entregando datos a 21 Mbps: la media es mucho menor: 4 Mbps. Mbps Peak rate achieved over two carriers in downlink 45.0 45.0 40.0 40.0 35.0 35.0 Theoretical PeakData DataRate RateininDownlink Downlink ( Theoretical Peak (Mbit/s) Mbit/s ) Average Cell CellThroughput Throughput Downlink ( Mbit/s (Mbit/s*) )* Average in in Downlink in 5MHz bandwidth 30.0 30.0 25.0 25.0 20.0 20.0 15.0 15.0 10.0 10.0 5.0 5.0 0.0 0.0 QPSK QPSK 5 5 codes QPSK 16QAM 16QAM 5 5 codes codes codes 16QAM 16QAM 16QAM 16QAM 10 codes 16QAM 16QAM 16QAM 15 codes LTE: Long Term Evolution 10 codes 15 codes HSPA 64QAM 64 QAM 64QAM MIMO MIMO 2x2 Dual-Cell+ 64QAM Desarrollo, Evolución y Aspectos Generales 37 HSPA+ MIMO2x2 3.9G – LTE (Release 8 y 9): Tecnología (I) Diciembre de 2009: TeliaSonera lanza en Estocolmo la primera red LTE (modem USB Samsung GT-B3710, solo LTE). Los principales requisitos de LTE son: Tasa binaria de pico (con 20 MHz de ancho de banda): 100 Mbit/s DL 50 Mbit/s UL. Hasta 200 usuarios activos en una célula (5 MHz) Menos de 5 ms de latencia en el plano de usuario Movilidad Optimizado para 0 ~ 15 km/h. Soportado con altas prestaciones entre 15 ~ 120 km/h Soportado hasta 350 km/h ( 500 km/h) Cobertura Prestaciones soportadas en células de hasta 5 km con ligera degradación hasta 30 km No se descartan células de hasta 100 km Servicios de broadcast y multicast mejorados (E-MBMS) Flexibilidad en la asignación de espectro: 1.25 ~ 20 MHz Soporte mejorado a calidad de servicio (QoS) extremo a extremo LTE: Long Term Evolution Desarrollo, Evolución y Aspectos Generales 38 3.9G – LTE (Release 8 y 9): Pros & Cons (I) Progresos sobre los sistemas HSPA+: Salto tecnológico. OFDM es más sencillo que CDMA, muy maduro y más competencia. Salto de ancho de banda: 4 veces más que 3G, de nuevo hay recorrido para alcanzar elevadas tasas binarias. Si con HSPA+ DC teníamos 42 Mbps en 10 MHz, cabría esperar 84 Mbps en 20 MHz, sin usar MIMO. Inconvenientes: 1 5 MHz 5 MHz 5 MHz 5 MHz 5 MHz 10 MHz 20 MHz 20 MHz R6 R6 R6 R7 R7 R8 R8 R8 LTE: Long Term Evolution Peak Rate 5 MHz Cell Capacity Desaparece el dominio de circuitos (CS). Los servicios CS (principalmente la voz) deberán llevarse sobre paquetes (VoIP). Surge un dominio de paquetes para servicios del operador: IMS Mismo problema con las “tasas medias de celda vs. tasas de pico” que en 3G: Complejidad: LTE Difficult to implement in practice Numerosas bandas de frecuencia + LTE 4 X 4 numerosos anchos de banda + 7.1 Mbps LTE 2 X 2 HSPA+ Current capability posibilidades de CA+ 5.8 Mbps Dual Carrier MIMO coexistencia con 2G y 3G+ HSPA 64 QAM Advanced Rx 4.3Mbps 4.3 Mbps nueva Red IMS = 3.8 Mbps 3.7 Mbps HSDPA R6 HSDPA R6 ¡enorme complejidad! 2.5 Mbps 2.5 Mbps ¡Cientos de combinaciones 7.2 Mbps 14 Mbps 14 Mbps 21 Mbps 28 Mbps 42Mbps 340 Mbps 170 Mbps a probar! Desarrollo, Evolución y Aspectos Generales 39 4G – LTE-A (Release 10): Tecnología LTE es “3.9G”, todavía no es 4G. LTE = 3.9G = E-UTRAN (R8, R9) Evolución de 3G = IMT 2000 (ITU) “LTE Advanced” = LTE-A = LTE+ (R10) Candidata a 4G = “IMT Advanced” (ITU) Algunos requisitos de 4G propuestos por la ITU: Alto grado de funcionalidad común soportada universalmente, manteniendo la flexibilidad para soportar un amplio abanico de servicios y aplicaciones de forma eficiente en costes Compatibilidad de servicios entre sistemas IMT y con redes fijas Equipos de usuario válidos para uso universal, roaming global Alta calidad y usabilidad de servicios, aplicaciones y equipos Tasas de pico mejoradas para suportar servicios y aplicaciones avanzados. Objetivos: 100 Mbit/s en alta movilidad 1 Gbit/s en baja movilidad Se están considerando anchos de banda de 100 MHz (NTT docomo alcanzó en pruebas 5 Gbit/s con 100 MHz a 10 km/h, usando MIMO 12x12. Pruebas realizadas el 25 de diciembre de 2006) LTE: Long Term Evolution Desarrollo, Evolución y Aspectos Generales 40 Evolución de la arquitectura (I) GSM LTE: Long Term Evolution Desarrollo, Evolución y Aspectos Generales 41 Evolución de la arquitectura (II) GPRS LTE: Long Term Evolution Desarrollo, Evolución y Aspectos Generales 42 Evolución de la arquitectura (III) UMTS LTE: Long Term Evolution Desarrollo, Evolución y Aspectos Generales 43 Evolución de la arquitectura (IV) UMTS con IMS (situación de RCS en España en 2013) LTE: Long Term Evolution Desarrollo, Evolución y Aspectos Generales 44 Organizaciones de estandarización (I) 3GPP: responsable de GSM, GPRS, EDGE, UMTS, HSPA, LTE, LTE-A Especificaciones de funcionalidad y pruebas LTE: Long Term Evolution Desarrollo, Evolución y Aspectos Generales 45 Organizaciones de estandarización (II) GSMA: GSM Association. Agrupa operadores de todas las tecnologías 3GPP. Fabricantes como miembros invitados No elabora estándares básicos, pero sí “perfiles” (VoLTE, RCS…), “acuerdos” (formatos comunes), gestiona el roaming e interconexión Organización de lobby de la industria móvil Organiza el Mobile World Congress OMA: Open Mobile Alliance. Estandarización de servicios: WAP, Localización, SyncML, MMS… GCF: Global Certification Forum. Certificación de tecnologías 3GPP, OMA, y otras Esquema voluntario de certificación, no es normativa regulatoria. Incluye pruebas de conformidad (conformance), interoperabilidad (IOT), pruebas de campo (field trials) y de rendimiento (performance) LTE: Long Term Evolution Desarrollo, Evolución y Aspectos Generales 46 ¡Muchas gracias!