LTELong Term Evolution

Dr. Diógenes Marcanoatel.asesores@cantv.net

Caracas, mayo 2010

AGENDA

El 3GPP, GSM, HSPA y LTE LTE y otras Tecnologías Arquitectura de LTE Capa Física de LTE

Downlink: OFDMA Uplink: SC-FDMA

QoS y Seguridad Otras técnicas avanzadas

HARQ MIMO

Conclusiones

¿Qué es LTE?• Es una red All-IP

– Basada en conmutación de paquetes– Aplicaciones de voz, video, datos, navegación web– Ofrece QoS– Movilidad hasta 500 Kph– Estandarizada por el 3GPP

• Acceso– Interface de aire en varias bandas de frecuencia– Diferentes anchos de bandas– Modulación y codificación adaptativa– FDD Y TDD

La BS asigna los recursos en base a ciertas políticas

Las MS solicitan recursos a la BS

Evolución de las Tecnologías Inalámbricas

Otras Tecnologías

GSM

3GPP

CDMA 3GPP2

1X RTT EV-DORev. 0

EV-DORev. A

UMB

EDGE HSDPA HSPA+LTE

Advanced

WiMAX(802.16e)Nuevos Entrantes

4G3G2G 3.5 G

WiMAX2 (802.16m)

LTE

IEEE 802.16 m 03 de octubre de 2009

LTE Release 10 & beyond (LTE‑Advanced) 07-10-09

Diferentes Estándares del 3GPP

HSPA y LTE

Diciembre 2008

HSDPA/HSUPA

junio 2007

Aspectos Básicos de WCDMA, diciembre

1999

TDD (TD-SCDMA)

marzo 2001

HSDPA

Marzo 2002

HSUPA

Diciembre 2004

LTE, en desarrollo

Según el Release 8Es necesaria una evolución de la tecnología de acceso del 3GPP con el fin de garantizar su competitividad a largo plazo. De igual manera la habilidad del sistema del 3GPP para ir a la par del rápido desarrollo en el tráfico IP, necesita introducir mejoras en la tecnología de conmutación de paquetes que se ha venido utilizando. Las mejoras introducidas deben reflejarse tanto en el desempeño de la red como en los costos asociados. Entre otros podemos mencionar:

Reducción de la latencia

Altas tasas de transmisión a nivel de usuarios

Mejoras en la capacidad y cobertura

Reducción general de costos

Adaptación flexible y despliegue de tecnologías de acceso nuevas y existentes con movilidad a través de una red IP común

Hechos más relevantes en el desarrollo de LTE

Motivadores de LTE

Objetivos Técnicos de LTE

Throughput pico por usuario (para un canal de 20 MHz) 100 Mbps en el Downlink 50 Mbps en el Uplink

Ancho de banda flexible: desde 1.4 a 20 MHz, aproximadamente, en diversas bandas

Uso optimo de la potencia en el móvil Movilidad

Optimizado para velocidades entre 0 y 15 Kph Alto desempeño entre 15 y 120 Kph Soporta hasta 350 Kph, e incluso hasta 500 Kph

Duplexing: FDD y TDD Latencia

<5ms en el plano del usuario con la red descargada

ARQUITECTURA COMPLETA DE LOS PROTOCOS DE LTE CAPA 1 Y CAPA2

Capa de Enlace

Cap

a F

ísic

a

Arquitectura General de LTE

The MME (Mobility Management Entity).The Serving Gateway (Serving GW)The PDN Gateway (Packet Data Network).The PCRF (Policy and Charging Rules Function)

Evolved Packet System EPS,

compuesto por el EPC y el E-UTRAN

Interface de aire. OFDMA en el Downlink y SC-FDMA en el Uplink

Radio Base

BANDAS DE OPERACIÓN DE LTE FDD Y TDDBANDAS DE OPERACIÓN DE LTE FDD Y TDD

OFDMA y SC-FDMA• En OFDM se transmiten “M” símbolos en paralelo, repartiendo el ancho de

banda entre ellos; cada símbolo tiene una duración igual al tiempo de símbolo.• En SC-FDMA se transmiten “M” símbolos secuencialmente cada uno ocupando

todo el ancho de banda disponible y con una duración igual a una parte del tiempo de símbolo.

Fre

cuen

cia

Tiempo

12 subportadoras x15 KHz=180 KHz

6 o 7 Símbolos

Matriz de Recursos en el ULMatriz de Recursos en el UL

15 KHz

Receptor de SC-FDMA en la BSQ Terminales Transmitiendo

Ejemplos de Señales de Referencia CP Normal (7 símbolos/slot) Cell-specific reference signals

Una

sol

a an

tena

Dos

ant

enas

Resource Element (k,l)

Antena 1 Antena 2

No usar para transmitir por esta antena

Símbolos de Referencia para esta antena

Tiempo, Símbolos OFDM

Fre

cuen

cia,

S

ubpo

rtad

oras

12 s

ubpo

rtad

oras

, 18

0 K

Hz

Cada Resource Block tiene 84 Resource Elements (RE) por slot, Se envían 4 R0, 4R1, 2R2 y 2R3. Total 12 RBs si se tienen 4 antenas. Por cada antena se envía una señal de referencia, así se puede estimar cada uno de los trayectos entre Tx y Rx.

PARA ESTIMACIÓN DE CANAL

6 subportadoras

Sistema MIMO de M entradas Tx y N salidas Rx

NM1N

M22221

M11211

h..h

....

h.hh

h.hh

H

XHY

X1

x2

i

xM

YN

Y1

Y2

…

M Tx

…

N Rx

hij se refiere al canal entre la antena i de Tx y la antena j de Rx

Estimador de CanalSTC MATRIX

Canal de feedback, puedo o no existir

Beneficios de usar MIMO

3 dB

6 dB

Sistema SIMO

1x2 Gain 3 dB

1x4 Gain 6 dB

Correlacionadas: siguen el mismo camino

No-Correlacionadas: siguen caminos distintos

SISO 1x1

SIMO 1x2

SIMO 1x4

Canal Físico Modulación

Canales de Control

PCFICH QPSK

PDCCH QPSK

PHICH BPSK

Canales de Datos

PDSCH QPSK, 16QAM, 64QAM

PBCH QPSK

PMCH QPSK, 16QAM, 64QAM

CANALES FÍSICOS DEL DL

Hybrid Automatic HARQHARQ se refiere a cualquier combinación de FEC+ARQ, en cuyo caso las tramas erradas que no puedan ser corregidas por FEC no se descartan, sino que se guardan para ser combinadas con sucesivas tramas erradas y producir una trama correcta. HARQ es muy efectivo en ambientes ruidosos donde la cantidad de errores supera lo que el FEC puede corregir. Aquellos paquetes que después del FEC sigan con errores, deben solicitarse su retransmisión y las nuevas versiones son combinadas con las anteriores para tener mayor probabilidad de obtener un paquete sin errores.

La idea general del HARQ es que en dos paquetes sucesivos que transporten la misma información, la probabilidad de tener los mismos bits errados es baja, entonces al tener dos o más copias del mismo paquete errado hay una alta probabilidad de poder reconstruir un paquete sin errores a partir de varios errados.

b1 b2 b3 b4 b5 b6 b7 b8 b9 b10

b1 b2 b3 b4 b5 b6 b7 b8 b9 b10

Primer paquete errado

Segundo paquete errado

b1 b2 b3 b4 b5 b6 b7 b8 b9 b10

Paquete libre de errores

HARQ: Chase CombiningEn las retransmisiones se envían los mismos bits codificados que en la transmisión original, usando la misma tasa de codificación, por lo tanto no hay ganancia por codificación, pero se incrementa el Eb/No al aumentar la energía de bit.

HARQ: Incremental Redundancy (IR)Las retransmisiones no son idénticas a la transmisión original. Ya que cada una usa una tasa de codificación distinta, pero los bits de información que entran al codificador son los mismos. Igualmente la modulación puede cambiar de una retransmisión a otra. IR tiene una ganancia adicional por codificación y también hay un incremento en el Eb/No. Chase Combining puede verse como un caso especial de IR

Packet Error Rate vs. SNR Gráfica del PER en función del SNR para diversos métodos de HARQ. Modulación QPS tasa de codificación ½.

16 QAM 3/4QPSK 1/2

Type I-Simple ARQ: paquete con error es descartado

Type I- with CC: Chase Combining, paquetes con error son almacenados y combinados con los retransmitidos

Type II-Full IR: Gradualmente se reduce la tasa de codificación incrementando la redundancia

Type III-Partial IR: Es una combinación del Type I with CC y del Type II – Full IR

Filosofía de QoS en LTEEn LTE la QoS se maneja de forma similar a como se realiza en otras redes de datos basadas en conmutación de paquetes. El procedimiento general consiste en definir diferentes clases de QoS (QoS Class) y asignar a cada paquete un identificador de QoS que hace referencia a los parámetros de cada clase de QoS.

Identificador de QoS

Encabezado o Header

Carga o Payload

Lista de Parámetros de QoS del paquete

Paquete IP

Características de los QCI Estandarizados(3GPP TS 23.203 version 8.6.0 Release , Pág. 29)

Seguridad en LTELa seguridad es un aspecto importante en todas las tecnologías del 3GPP.

En el caso de LTE se ejecutan dos funciones principales para mantener la seguridad.

1.- Cifrado o Ciphering tanto del plano de control como del usuario: El cifrado evita que la información sea obtenida por un tercero.

2.- Protección de la integridad usada sólo en el plano de control: Permite al receptor saber si la información fue alterada, bien sea porque se modificó la información original o porque se agregaron paquetes adicionales.

La seguridad se llevan a cabo por medio de un proceso de autenticación mutua llamado AKA (Authentication and Key Agreement ) entre el UE y el EPC

LTE usa USIM (Universal Subscriber Identity Module) con una clave maestra para algoritmos de criptografía de 128 bit, con posibilidad de expandirse a 256 bits a futuro. LTE no acepta el uso de SIM.

Mobile Termination (MT): Es el componente del ME que se encarga de la gestión del acceso a la PLMN (3GPP o non-3GPP)

Terminal Equipment (TE): Es el equipo del ME que se encarga de todo lo relacionado con la operación de los protocolos de acceso por parte del usuario

Estructura del UE

Mobile Equipment

USIM

AKA Jerarquía de Claves en EPSEl proceso está basado en una clave secreta K común conocida sólo por el Centro de Autenticación (AuC, ubicado en el HSS) y en el USIM en el UE. A partir de K se obtienen CK e IK (Ciphering Key y Integrity Key) tanto en el USIM como en el AuC.

Luego se genera la clave KASME (Access Security Mangement Entity), a partir de CK e IK , en el AuC y en el USIM. En el centro de Autenticación se generan una serie de claves y checksums a partir de la KASME y de un número aleatorio.

Las claves, los checksums y el número aleatorio se envían al MME. El MME transfiere uno de los checksum y el número aleatorio al UE, donde el USIM calcula el mismo conjunto de claves usando el número aleatorio y su clave secreta. La autenticación mutua se realiza verificando los checksums calculados en el UE y en la red, usando protocolos NAS apara el transporte.

En nombre de

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