Saez Lopez, Luis D.T0006 .pdf

Instituto Superior Politcnico Jos Antonio Echeverra

Facultad de Ingeniera Elctrica

Departamento de Telecomunicaciones y Telemtica

Tesis en opcin al Ttulo de Ingeniero en Telecomunicaciones y Electrnica

Ttulo:

Diseo de una red Mvil LTE en el Litoral Norte de La

Habana.

Autor:

Luis Daniel Sez Lpez

Tutores:

Ing. Camilo Nez Morfa

Ing. Manuel Mosqueda Junco

La Habana, Cuba

Junio, 2013

i

Agradecimientos

A mis padres que me han apoyado durante toda mi carrera y mi vida, mi

padre que ha sido la persona que ms me ha ayudado en mi tesis y en mi

vida como estudiante y a mi madre que no tengo palabras para agradecerle

por todo su cario.

A mi abuela que es mi apoyo en las buenas y en las malas.

A mi novia por apoyarme siempre en todos los aspectos de la vida.

A mi suegra por ayudarme en todo lo que est en sus manos.

A todos mis amigos de carrera que sin ellos no s si hubiese sido posible llegar

a donde estoy en este momento.

A mis tutores por su apoyo y paciencia, adems de siempre guiarme por el

camino correcto.

ii

Dedicatoria

A mis padres y a toda mi familia por ayudarme a ser la persona que soy

hoy y darme siempre la confianza y el apoyo que necesitaba en cada

momento.

iii

DECLARACIN DE AUTORA

Por este medio se declara que Luis Daniel Sez Lpez es el nico autor de este trabajo de

diploma y que autoriza al departamento de Telecomunicaciones y Telemtica de la Facultad

de Elctrica y a ETECSA a utilizar el presente trabajo de diploma con fines acadmicos y

cientficos.

Para que as conste firma la presente declaracin a los ______ das del mes de

______________ del ao __________.

Firma del Autor:

____________________

Luis Daniel Sez Lpez

Firma de los Tutores:

____________________ ____________________

Ing. Camilo Nez Morfa Ing. Manuel Mosqueda Junco

iv

Resumen

Al surgir el sistema LTE de cuarta generacin de telefona mvil y adems hacerse

disponible en el mercado herramientas que permiten modelar estas redes, surgi la

necesidad de extender los conocimientos tericos al mbito prctico para observar el

comportamiento de estas redes bajo diferentes condiciones y establecer comparaciones con

los resultados esperados. En este sentido, el presente Proyecto de Fin de Carrera tiene

como objetivo la planificacin de una red LTE con la herramienta 9955 para simular

situaciones que permitan analizar el rendimiento de la red y sacar conclusiones que nos

acerquen a los resultados reales de cmo se comportan estas redes. Este mtodo prctico

facilitar un uso adecuado de recursos en la implementacin de la red.

Se utiliz una metodologa que se basa en una primera fase de investigacin terica acerca

de las especificaciones del sistema LTE y caractersticas propias del mismo. Seguidamente

se realiz una investigacin acerca de la red troncal y ms detalladamente de la red de

acceso del sistema adems de su compatibilidad con plataformas como IMS.

Posteriormente se comenz la fase de planificacin de la red LTE escogiendo la zona del

litoral norte de La Habana como zona para el despliegue. Luego se procedi a la

optimizacin de la red y finalmente se realizaron distintas simulaciones como predicciones

de cobertura y estudios de transmisores que ayudan a ver de forma real como sera la red

propuesta.

Como resultado general del proyecto se logr alcanzar un alto dominio de la herramienta

9955 en la planificacin de redes LTE, as como obtener el criterio para evaluar y establecer

parmetros del programa segn valores reales que permitan obtener resultados acorde a

los documentos tericos.

v

Abstract

With the rise of LTE fourth generation mobile communication system as well as the

availability of radio planning tools on the market to model these networks, a need arose to

merge a theoretical knowledge of LTE systems with the practical field in order to observe the

behavior of these networks under different conditions and to establish comparisons with the

expected results. In this respect, this Final Career Project aims to plan an LTE network in the

9955 software and draw conclusions that will let us come close to the actual results about

the behavior of this network. This practical method will let a proper use of the resources.

The methodology used was based on a first phase on the theoretical research about of the

specifications of the system and it is own features. Then it was made an investigation about

trunk network and more in detail about the access network of the system together with

platforms such as IMS. Next it is the planning phase of the LTE network in North Havana.

Finally several simulations were carried on.

As a result of the project, a high level of proficiency in 9955 use was achieved regarding the

planning of LTE networks as well as an understanding of the criterion for evaluating and

setting program parameters in order to obtain realistic values according to theoretical

documents.

vi

INDICE

Introduccin ................................................................................................................... ix

Captulo 1: LTE y los componentes asociados a su despliegue. .............................................

1.1 Introduccin .................................................................................................................................. 1

1.2 Antecedentes de LTE: Sistemas mviles celulares ........................................................................ 1

1.2.1 Sistemas mviles de primera generacin (1G) ...................................................................... 1

1.2.2 Sistemas mviles de segunda generacin (2G) ...................................................................... 2

1.2.3 Sistemas mviles 2.5G ........................................................................................................... 3

1.2.4 Sistemas mviles de tercera generacin (3G)........................................................................ 4

1.2.5 Sistemas mviles de cuarta generacin (4G) ......................................................................... 5

1.3 Componentes asociadas al despliegue de red en el marco de LTE. ............................................. 6

1.3.1 Estructuras multicapa. ........................................................................................................... 6

1.3.2 SDR en el despliegue de red ................................................................................................... 8

1.3.3 SON (Self-Organizing Networks) ............................................................................................ 9

1.3.4 Redes heterogneas............................................................................................................. 10

1.4 Componentes asociados al espectro radioelctrico en el marco de LTE. ................................... 12

1.4.1 Canalizacin flexible ............................................................................................................. 13

1.4.2 Dividendo digital .................................................................................................................. 14

1.4.3 Cognitive radio ..................................................................................................................... 14

1.4.4 Espectro radioelctrico. ....................................................................................................... 15

1.5 Elementos esenciales de la interfaz radio de LTE ....................................................................... 16

1.5.1 Transmisin por paquetes y packet scheduling. .................................................................. 16

1.5.2 Tcnica MIMO ...................................................................................................................... 17

1.5.3 Modulacin y codificacin adaptativa (AMC). ..................................................................... 18

1.5.4 Transmisin y acceso mltiple multiportadora ................................................................... 19

1.6 Servicios y Aplicaciones............................................................................................................... 23

Captulo 2: Arquitectura de la red LTE e infraestructura de IMS ..............................................

2.1 Introduccin ................................................................................................................................ 26

2.2 Arquitectura del sistema LTE ...................................................................................................... 26

2.3 Arquitectura de E-UTRAN, entidades de red, interfaces y protocolos. ...................................... 28

2.3.1 Evolved NodeB (eNB) ........................................................................................................... 28

2.3.2 Interfaz LTE- Uu. ................................................................................................................... 29

vii

2.3.3 Protocolos de la interfaz radio E-UTRAN o plano de usuario. ............................................. 29

2.3.4 Protocolos de la interfaz radio de control ........................................................................... 31

2.3.5 Interfaz S1 ............................................................................................................................ 34

2.3.6 Protocolos de la interfaz S1 ................................................................................................. 35

2.3.7 Interfaz X2 ............................................................................................................................ 37

2.4 Arquitectura de EPC .................................................................................................................... 37

2.4.1 Entidad de red MME ............................................................................................................ 38

2.4.2 SAE Gateway. ....................................................................................................................... 39

2.4.3 HSS (Home Subscriber Server). ............................................................................................ 40

2.4.4 PCRF (Policy and Charging Rules Function) .......................................................................... 40

2.5 Subsistema Multimedia IP (IP Multimedia Subsystem IMS) ....................................................... 41

2.5.1 Arquitectura general de IMS ................................................................................................ 42

2.5.2 Caractersticas de IMS .......................................................................................................... 45

2.5.3 Principios bsicos de IMS. .................................................................................................... 46

2.5.4 IMS al borde de la red LTE. .................................................................................................. 46

2.5.5 La necesidad de IMS ............................................................................................................. 47

2.5.6 Fundamentos de los servicios IP multimedia ....................................................................... 48

2.6 LTE y servicios de IPTV utilizando la plataforma IMS .................................................................. 49

2.6.1 IPTV y sus caractersticas ..................................................................................................... 49

2.6.2 IPTV sobre IMS ..................................................................................................................... 50

Captulo 3: Diseo y Simulacin de una Red LTE. ..................................................................

3.1 Introduccin ................................................................................................................................ 52

3.2 Planificacin de la red ................................................................................................................. 52

3.2.1 Planificacin inicial ............................................................................................................... 52

3.2.2 Etapa de planificacin detallada: ......................................................................................... 55

3.2.3 Etapa de optimizacin .......................................................................................................... 60

3.3 Herramienta 9955 V7.1.0 ............................................................................................................ 61

3.4 Diseo de una red LTE en 9955 Alcatel-Lucent Radio. ............................................................... 61

3.5 Simulaciones en 9955 ................................................................................................................. 62

3.6 Despliegue de la red en 9955. ..................................................................................................... 64

3.7 Resultados ................................................................................................................................... 66

3.7.1 Estudios de cobertura por nivel de seal ............................................................................. 66

3.7.2 Asignacin de vecindad ........................................................................................................ 69

3.7.3 Planificacin de frecuencias ................................................................................................. 69

viii

3.7.4 Cobertura por transmisor .................................................................................................... 70

3.7.5 Cobertura por Throughput en el DL ..................................................................................... 71

3.7.6 Estudio con canales de 10 MHz y 15 MHz ........................................................................... 73

3.7.7 Algunas optimizaciones al diseo ........................................................................................ 74

Valoracin econmica de la propuesta de diseo. ........................................................................... 76

Conclusiones ..................................................................................................................................... 78

Recomendaciones ............................................................................................................................. 79

Referencias Bibliogrficas ................................................................................................................. 80

Bibliografa General. ......................................................................................................................... 82

Glosario de Trminos ........................................................................................................................ 84

Anexos ...................................................................................................................................................

Anexo 1 Caractersticas de las antenas propuestas en el diseo ....................................................

Anexo 2 Mapa poblacional de La Habana .........................................................................................

Anexo 3 eNodeBs y su configuracin ...............................................................................................

INTRODUCCIN

ix

Introduccin

La evolucin de las comunicaciones hacia las redes convergentes o Redes de Nueva

Generacin (NGN) est ligada a la evolucin de la informacin, en la medida en que estas

redes constituyen la principal infraestructura para el transporte de la informacin y para la

conectividad de las personas.

Este progreso implica para los operadores la innovacin continua de su oferta de servicios y

redes con el fin de satisfacer las necesidades de la sociedad. La convergencia de servicios,

aplicaciones y dispositivos impulsa esta tendencia, para beneficio del cliente pues obtiene

cada vez, ms y mejores servicios a un costo competitivo. Las Redes de Nueva Generacin

son una realidad que permiten avanzar hacia la consecucin de estos objetivos.

Situacin problemtica:

Actualmente nuestro pas cuenta con una red mvil de 3G, en la cual la transmisin de

datos se limita solamente a algunos usuarios y zonas del pas. El rea especfica del litoral

norte de La Habana exige por sus caractersticas la existencia de una red mvil que ofrezca

servicios de mayor valor agregado y con velocidades de transmisin del orden de los 40

Mbps. Por esta razn se hace necesaria la evolucin hacia una nueva generacin y la

consecuente planificacin adecuada de la red debido al costo de los equipos y a los

cambios que afrontarn tanto la red de acceso como la troncal.

Problema a resolver:

La existencia de una red mvil de 3G en el litoral norte de La Habana limita los servicios que

deben ofrecerse en esta zona de vital importancia para el turismo. Esto trae como

consecuencia mayor complejidad y demora en las operaciones que all se realicen.

Objeto de estudio:

Estudio del rea del litoral norte de La Habana.

Redes Mviles Inalmbricas.

Servicios y aplicaciones de las redes inalmbricas de 4ta Generacin.

Acceso radio y red troncal.

Estudio del software 9955.

Estudios de cobertura y capacidad de las redes inalmbricas.

Campo de accin:

Sistemas de 2da, 3ra y 4ta generacin, redes heterogneas y convergencia de LTE.

INTRODUCCIN

x

Objetivo principal:

Estudio de una red basada en LTE para el despliegue en el litoral norte de La Habana de

los servicios de 4G.

Objetivos Especficos:

Describir las principales caractersticas del estndar LTE.

Explicar las componentes asociadas al despliegue de LTE.

Interconexin con redes de acceso heterogneas.

Explicar el comportamiento de las diferentes capas del estndar LTE.

Describir y explicar los componentes destacados de la interfaz radio LTE.

Describir y explicar las componentes asociadas al espectro radioelctrico.

Describir las interfaces y componentes de la red troncal y de acceso.

Describir los componentes de la plataforma IMS.

Analizar resultados de cobertura y capacidad.

Simulacin en el software 9955 de una red de 4G.

Asignacin de cell ID.

Tareas:

Estudiar material bibliogrfico con respecto al estndar LTE y otras redes de 4ta

generacin:

Comportamiento de las diferentes capas (fsica, enlace, red, transporte y

aplicacin).

Tcnicas MIMO y modulaciones utilizadas.

Mltiples portadoras.

Descripcin de calidad de servicio.

Interconexin con redes de acceso heterogneas.

Demostrar por qu se impone LTE.

Posibles mtodos de trabajo

Mtodos tericos, mtodos analticos y mtodos de consenso.

Captulo 1: LTE y los componentes asociados a su

despliegue.

Captulo 1: LTE y los componentes asociados a su despliegue.

1

Trabajo de Diploma de Ingeniera en

Telecomunicaciones y Electrnica Luis Daniel Sez Lpez

2013

1.1 Introduccin

Hoy da, el mundo de las telecomunicaciones cobra cada vez mayor importancia en la vida

de todos los habitantes del planeta. El rea de mayor cambio y progreso es la reservada a

las comunicaciones mviles, que est siempre en constante evolucin. En este captulo se

explicar todo el marco terico que ser la base para el diseo de la red LTE.

1.2 Antecedentes de LTE: Sistemas mviles celulares

Para entender las comunicaciones mviles celulares del mundo actual es importante

estudiar la evolucin que estas han tenido desde la llamada primera generacin (1G), donde

solo unos pocos usuarios tenan el privilegio de formar parte, hasta llegar a la cuarta

generacin (4G) de la que se habla actualmente, pasando por la segunda y tercera

generacin (2G y 3G) donde ms del 75% de la poblacin mundial se encuentra

involucrada.

Figura 1.1: Evolucin de los sistemas mviles

El concepto celular nace en 1947 en los laboratorios Bell gracias a D.H. Ring con la ayuda

de W.R. Young. El sistema celular que disearon define la divisin de un territorio extenso

en pequeas reas con geometra hexagonal denominadas celdas, en cada una de las

cuales se encuentra un transmisor de baja potencia. Tambin tomaron en cuenta el

concepto de reso frecuencial entre distintas celdas alejadas suficientemente entre s y el

mecanismo de handover automtico que permitiera la continuidad de la comunicacin al

trasladarse de celda en celda.[1]

1.2.1 Sistemas mviles de primera generacin (1G)

Los sistemas mviles de primera generacin fueron los primeros en poner en prctica el

concepto celular, se caracterizaban por ser analgicos y ofrecan nicamente servicios de

voz. Estos sistemas no ponan en prctica el mecanismo de control de potencia, lo que

significa que todos los terminales transmitan a la misma potencia sin importar su ubicacin

o condiciones del entorno y por ello el consumo de batera y las interferencias ocasionadas

eran elevados. El sistema NMT (Telefona Mvil Nrdica) fue el primero en introducir el


2



2013

concepto de roaming internacional para utilizar el servicio en los distintos pases donde

operaba.[2]

Varios aspectos eran comunes para los sistemas de primera generacin. Todos utilizaban la

tcnica de duplexado de frecuencia (FDD) definiendo bandas distintas para el enlace

ascendente y el descendente, adems usando generalmente la banda de 900 MHz.

Empleaban la modulacin analgica FM para la voz y dividan el espectro disponible en

canales que repartan a las estaciones base. Para evitar interferencias se asignaban

canales distintos a las estaciones bases vecinas y por cada llamada se asignaba un canal

dedicado para cada enlace por todo el tiempo de duracin de la misma. Sin embargo, a

pesar de que los sistemas de primera generacin se basaban en los mismos principios de

funcionamiento, ninguno de ellos era compatible entre s, por lo que un telfono mvil de

aquella poca no poda ser utilizado en otros pases que no operaran su mismo sistema.

1.2.2 Sistemas mviles de segunda generacin (2G)

Debido a las predicciones de saturacin de la capacidad de los sistemas de primera

generacin y al problema de la incompatibilidad entre todos los sistemas existentes, se

empezaron las investigaciones para desarrollar un nico sistema global que permitiera la

movilidad entre pases aprovechando los grandes avances tecnolgicos que tuvieron lugar

en los aos 80.

La caracterstica ms relevante de los sistemas de segunda generacin con respecto a los

de primera es que pasaron de ser analgicos a digitales, lo que implica una serie de

ventajas como lo es una mayor calidad frente a interferencias y mejor utilizacin del

espectro. Adems, gracias a los avances en las tecnologas digitales se logr la

miniaturizacin de los equipos terminales, as como la reduccin del costo y del consumo de

potencia de los mismos, permitiendo que las comunicaciones mviles pasaran de ser

utilizadas por un grupo selectivo de personas con vehculos a extenderse a toda la

poblacin interesada en comunicarse en cualquier momento y desde cualquier lugar. Por

otro lado, las tcnicas de procesado digital de la informacin como la modulacin digital,

codificacin de canal, codificacin de fuente, sistemas entrelazados, cifrado de las

comunicaciones, entre otras, permitieron mejoras en cuanto a calidad, velocidad de

transmisin, capacidad del sistema y la posibilidad de agregar nuevos servicios como el

buzn de voz, identificador de llamadas y mensajes de texto.[3]

El sistema GSM utiliza la tcnica de duplexado FDD (Frequency Division Duplex) en la

banda de 900 MHz, operando inicialmente a frecuencias de 890-915 MHz en el enlace

ascendente y 935-960 MHz en el enlace descendente. Como tcnica de acceso emplea una


3



2013

combinacin de frecuencia y tiempo, es decir, utiliza FDMA (Frequency Division Multiple

Access) para dividir el espectro total de 25 MHz en 124 portadoras de 200 kHz y a su vez

cada canal de 200 kHz lo divide en 8 ranuras de tiempo empleando TDMA (Time Division

Multiple Access). A pesar de que el sistema GSM fue creado para operar en la banda de

900 MHz, posteriormente surgieron variaciones del sistema, de las cuales las ms

importantes son DCS-1800 y PCS-1900, tambin conocidas como GSM-1800 y GSM-1900

respectivamente, que fueron adoptadas por algunos pases dentro y fuera de Europa.[4]

El xito del sistema GSM rpidamente se extendi por pases de todo el mundo, y con la

aparicin de los telfonos celulares tribanda, que operan en las frecuencias 900, 1800 y

1900 MHz, se haca cada vez ms fcil el empleo del roaming internacional permitiendo

establecer comunicaciones en cualquiera de los cinco continentes.

1.2.3 Sistemas mviles 2.5G

Los sistemas de segunda generacin desde el punto de vista funcional seguan siendo

utilizados principalmente para trfico de voz. Las versiones originales de estos sistemas

estn orientadas a modo circuito, lo que permite soportar transmisiones de voz de manera

muy eficiente pero solo algunos servicios de transmisin de datos a baja velocidad (9.6

14.4 kbps). Para alcanzar mayores velocidades en la transmisin de datos surgieron una

serie de tecnologas conocidas como generacin 2.5 por suponer la transicin entre los

sistemas de segunda y de tercera generacin.[5]

Algunas de las tecnologas 2.5G que surgieron como evolucin del sistema GSM fueron

HSCSD (High-Speed Circuit-Switched Data), GPRS (General Packet Radio Services) y

EDGE (Enhanced Data Rates for Global Evolution).

El sistema HSCSD tena como idea emplear ms de un time slot por usuario de forma

paralela para la transmisin de datos. Este sistema funcionaba muy bien para aplicaciones

en tiempo real pero segua empleando conmutacin por circuito. Esto representaba una

disminucin drstica de los recursos disponibles para los usuarios de voz pues los canales

deban ser reservados para un usuario por el tiempo total de la conexin sin importar si se

estuviera transmitiendo informacin o no.

Posteriormente se propone el sistema GPRS como una extensin del sistema GSM para la

transmisin de la informacin empleando la tcnica de conmutacin de paquetes. Esta

tcnica permite una mayor eficiencia espectral ya que los recursos no son asignados de

manera exclusiva para una nica comunicacin sino compartidos entre varios usuarios.

Adems se toma en cuenta la asimetra de los servicios de paquetes de datos pues la


4



2013

asignacin de los recursos en los enlaces ascendente y descendente se realiza de manera

separada. Asimismo surge la posibilidad de realizar una tarificacin del servicio ms

atractiva al usuario, basada en la cantidad de paquetes transmitidos y no en la duracin de

la conexin.

Por otro lado, el costo de implementacin del sistema GPRS es bajo ya que al ser una

extensin de GSM se utiliza todo el hardware existente aadiendo solo dos nuevos nodos

SGSN (Serving GPRS Support Node) y GGSN (Gateway GPRS Support Node) para el

trfico de paquetes. Se incorpora una unidad PCU (Packet Control Unit) en las BSC (Base

Station Controller), que permite que los canales sean asignados dinmicamente a GSM o

GPRS dependiendo de los niveles de trfico dando siempre prioridad a los servicios de voz.

GPRS utiliza distintos esquemas de codificacin dependiendo de la calidad del radio enlace,

el tipo de terminal y el trfico de datos de la celda (CS1: 9.05 kbps, CS2: 13.4 kbps, CS3:

15.6 kbps y CS4: 21.4 kbps). Permite utilizar varios time slots por conexin, con lo cual se

lograra una velocidad mxima terica de 171.2 kbps utilizando 8 time slots y el esquema

CS4.[6]

La mxima velocidad de transmisin en EDGE es de 384 kbps utilizando 8 time slots y el

ms eficiente de los esquemas de modulacin/codificacin: 8PSK.

Los cambios principales de este sistema se encuentran a nivel de capa fsica y MAC/RLC,

con lo cual la arquitectura de la red GPRS no necesita ser modificada excepto en las BTS

donde debe agregarse una nueva unidad transceptora. Adicionalmente se deben actualizar

los software en las estaciones bases para permitir la conmutacin de GSM/GPRS a EDGE

cuando sea necesario. Por ltimo se requiere de nuevos terminales mviles con un software

que codifique y decodifique los nuevos esquemas de modulacin utilizados en EDGE.

1.2.4 Sistemas mviles de tercera generacin (3G)

Las crecientes demandas de trfico de datos y las expectativas de nuevos servicios

multimedia se hacan insuficientes para los sistemas 2G y 2.5G, con lo cual la ITU

(International Telecommunication Union) empez el desarrollo de un sistema de tercera

generacin. Los sistemas 3G se plantearon tasas objetivo de 144 kbps para entornos

vehiculares de gran velocidad, 384 kbps para espacios abiertos y velocidades de hasta 2

Mbps para entornos interiores de baja movilidad.

El sistema UMTS estuvo disponible en 1999 conocida como Release 99. En ella se

especifican dos modos de operacin en cuanto al acceso radio: el modo FDD empleando la

tcnica de acceso W-CDMA (Wideband CDMA), donde el canal fsico lo define un cdigo y


5



2013

una frecuencia, y el modo TDD (Time Division Duplex) empleando la tcnica de acceso TD-

CDMA (Time Division-CDMA), donde el canal fsico lo define un cdigo, una frecuencia y un

time slot.

Figura 1.2: Redes troncales y de acceso de 2G y 3G.

Las mejoras ms importantes de las caractersticas del acceso radio UMTS aparecen con la

adicin de HSDPA (High Speed Downlink Packet Access) y con HSUPA (High Speed Uplink

Packet Access) que juntas se conocen como HSPA (High Speed Packet Access). HSPA

mejora los servicios de paquetes de datos introduciendo mayores velocidades y menores

retardos, manteniendo al mismo tiempo una buena cobertura y una gran capacidad en el

sistema. Para lograr esto, HSPA introduce nuevos esquemas de modulacin de mayor nivel,

control de potencia rpido, fast scheduling y mecanismos de retransmisin hbrida HARQ

con redundancia incremental. De esta manera se logran velocidades de hasta 14.4 Mbps en

HSDPA y 5.7 Mbps en HSUPA.[7]

1.2.5 Sistemas mviles de cuarta generacin (4G)

El continuo crecimiento en la demanda de servicios de paquetes de datos y la posibilidad de

elaborar terminales cada vez ms avanzados aptos para ofrecer nuevas aplicaciones con

mayores capacidades para imgenes, audio, video, e-mail y otras aplicaciones multimedia,

llev a la necesidad de crear una nueva generacin de comunicaciones mviles. En este

sentido, la ITU-R estableci los requisitos para las redes de cuarta generacin bajo el

nombre de IMT-Advanced. Algunos de los requisitos consisten en una red basada


6



2013

completamente en conmutacin por paquete con una arquitectura plana basada en el

protocolo IP (Internet Protocol), velocidades de transferencia de datos mayores a 100 Mbps

para altas movilidades y de 1 Gbps para entornos relativamente fijos, interoperabilidad con

estndares existentes, canalizaciones flexibles, menores tiempos de latencia, entre otros.

1.3 Componentes asociadas al despliegue de red en el marco de LTE.

Los diferentes aspectos que sern mencionados tienen, en definitiva, una misma

motivacin: conseguir reducir el costo de despliegue y operacin de la red para compensar

la gran diferencia que se hace cada vez mayor entre el nivel de trfico que se ofrece a la

red, que no cesa de aumentar, y la saturacin de la misma. La Figura 1.3 muestra los

principales elementos que se espera jueguen un papel destacado en el despliegue de LTE.

Figura 1.3: Componentes asociadas al despliegue de red en el marco de LTE.

1.3.1 Estructuras multicapa.

En la prctica, la demanda de trfico no es uniforme ni en la dimensin espacial ni en la

temporal. Si se analiza la dimensin temporal, bsicamente se ha utilizado el concepto de

hora cargada, de manera que U [usuarios/ ], y T [bits/s/usuario] se toman como los

valores esperados de las funciones dependientes del tiempo U(t) y T(t) en el perodo en que

la red se ve sometida a la mayor carga (por ejemplo en horario de trabajo). En cuanto a la

dimensin espacial, la distribucin de usuarios presenta fuertes diferencias (en entornos

urbanos frente a entornos rurales), de esta forma el despliegue de la red conlleva a la

necesidad de clulas ms pequeas en los entornos de alto trfico, amplindose la

superficie cubierta por una clula en entornos rurales.


7



2013

As, el despliegue clsico en un entorno urbano hace uso de las denominadas estructuras

celulares jerrquicas, en las que se combinan macro celdas, situadas tpicamente en las

azoteas de los edificios y proporcionando clulas de mayor superficie; micro celdas,

situadas a pocos metros del suelo con superficies de cobertura ms reducidas y pico

celdas, situadas en interiores de edificios y con unos pocos metros de cobertura. De esta

manera, las estructuras celulares jerrquicas proporcionan flexibilidad en el despliegue de la

red.

Figura 1.4: Estructuras celulares utilizando micro, pico y femto celdas.

Las estructuras celulares jerrquicas permiten la introduccin de mecanismos de gestin de

recursos radio que reducen el nmero de handovers que deben realizarse en la red. Esto se

logra mediante una apropiada asociacin de los usuarios a las distintas capas de clulas

segn sea su grado de movilidad.[8]

A modo de ejemplo resultara ms adecuado soportar una comunicacin desde un vehculo

en movimiento a travs de macroclulas que no a travs de microclulas, ya que en este

ltimo caso deberan realizarse handovers muy frecuentemente.

Por tanto, debe evitarse que los usuarios que presenten una velocidad elevada reduzcan su

factor de movilidad mediante la asignacin a una clula que presente un mayor radio. Una

posible manera de estimar la movilidad de los terminales es precisamente a travs de la

observacin de su tasa de handovers (esto es, si se observa que una conexin ha requerido

varios handovers en un breve perodo de tiempo, puede asumirse un alto grado de

movilidad al usuario e intentar traspasar esta comunicacin a una macroclula del entorno).

Con la llegada de HSPA y el uso masivo de acceso a Internet, se incrementa

significativamente el volumen de trfico generado por usuario, con lo que aparece la

necesidad de reducir S (rea en ) a causa del incremento de T (trfico). La propia


8



2013

evolucin de los terminales (por ejemplo, Samsung y HTC) y sus funcionalidades conlleva

tambin un aumento de trfico significativo. De aqu nace el concepto de femtoclula, en el

que se concibe el despliegue de una estacin base de bajo costo por usuario residencial. La

femtoclula se plantea para proporcionar un enlace va radio al usuario desde cualquier

ubicacin en su entorno domstico y la propia femtoclula proporciona conectividad a travs

de una conexin ADSL. Ntese que, al estar la movilidad del usuario limitada en su hogar la

mayor parte del tiempo de utilizacin del servicio, la problemtica de los handovers no

aparece como elemento limitativo, aunque S pueda resultar muy reducida. As, las

femtoclulas en el marco de los sistemas 3G avanzados como LTE permitirn que los

usuarios puedan gozar de las velocidades de transmisin de pico, sin malgastar capacidad

de red para penetrar en interiores, donde se genera gran parte del trfico a cursar. Otra

ventaja que pueden aportar las femtoclulas es el uso de bandas de frecuencia ms altas al

tener asociadas coberturas limitadas.[9]

1.3.2 SDR en el despliegue de red

En cuanto al despliegue y estructura de la red radio, cabe destacar que la implantacin de

LTE supondr la posibilidad de llevar a la prctica algunos de los conceptos que se han ido

gestando y preparando en los ltimos aos en el entorno Software Defined Radio (SDR). Se

entiende por SDR un dispositivo radio en el cual algunas de sus funciones de nivel fsico (o

todas) pueden modificarse por software. Esto proporciona mayor flexibilidad frente al

hardware tradicional, permitiendo por ejemplo que se puedan aadir nuevas capacidades o

modificar las existentes sin necesidad de reemplazar el hardware. Se observa que la

enorme evolucin en trminos de capacidad de computacin permite plantear tambin la

separacin fsica de las funcionalidades puramente radio y de procesado digital. De esta

manera la unidad de radio podra estar distribuida en los emplazamientos desplegados

sobre todo el territorio, mientras que la unidad digital podra ubicarse en un centro de

gestin soportando multitud de emplazamientos, unidos por fibra ptica. Esta tendencia

vendra a tener un cierto paralelismo con la filosofa cloud computing, paradigma de los

servicios de computacin a travs de Internet (Figura 1.5).


9



2013

Figura 1.5: Nube de computacin en LTE.

1.3.3 SON (Self-Organizing Networks)

Si prestamos atencin a un escenario urbano pueden estar desplegadas un nmero muy

elevado de estaciones base de todo tipo, principalmente si se considera un despliegue

intensivo de femto celdas domsticas. En estas condiciones, aparece un nuevo modelo

vinculado a la complejidad de la gestin de una red de acceso radio formada por un nmero

muy elevado de nodos. As, evoluciona tambin el pensamiento de cmo la red LTE deber

operarse y gestionarse, ya que la presin por reducir los costos conlleva realizar una

explotacin de la red mucho ms eficiente. De aqu la importancia de los conceptos SON

(Self-Organizing Networks) como un componente importante de las NGNs. SON persigue la

configuracin y optimizacin automtica de la red. [10]

Evidentemente, el concepto SON es muy ambicioso, entre los aspectos en los que se debe

todava profundizar pueden nombrarse:

(1) Resolver adecuadamente el compromiso entre la ganancia en prestaciones

obtenibles y la complejidad de implementacin en trminos de la sealizacin y

medidas necesarias, los requerimientos de computacin, etc.

(2) Asegurar la convergencia de los algoritmos a una solucin estable en un tiempo

determinado.

(3) Asegurar la robustez frente a los algoritmos corruptos o errneos.[11]


10



2013

1.3.4 Redes heterogneas

El despliegue de LTE permitir la operacin de una nueva tecnologa, aumentando as el

grado de heterogeneidad ya existente actualmente en los escenarios tpicos de

comunicaciones mviles. As, en el caso habitual el despliegue de LTE coexistir con las

redes GERAN y UMTS/HSPA. La explotacin de la heterogeneidad de redes de acceso

radio requiere lgicamente de la capacidad de inter-operacin entre las mismas redes.

Como parte de la estrategia de despliegue de LTE la solucin de interworking especificada

soporta un Nivel D de interworking.

El Nivel D de interworking consiste en la continuidad transparente de servicio entre redes.

Este nivel de interworking entre redes permite la continuidad de los servicios sin que se

produzca una degradacin apreciable para el usuario durante la transicin entre redes. El

logro de este nivel de interworking se fundamenta principalmente en el soporte de

mecanismos de handover entre redes heterogneas que permitan realizar el cambio de las

conexiones entre redes con tiempos de interrupcin y prdidas de informacin muy

reducidos (ejemplo es el tiempo de interrupcin requerido en un proceso de handover entre

LTE y UMTS el cual debe ser inferior a 300 ms para servicios en tiempo real).[12]

Por ejemplo, si el usuario con un terminal UMTS/LTE y Wi-Fi iniciara una conexin de voz

sobre IP (VoIP) estando conectado a travs de Wi-Fi, dicha conexin debera transferirse de

forma transparente a la red LTE/UMTS si el usuario sale de la cobertura de la red de rea

local. Es importante recalcar en este punto que la capacidad de proporcionar una

continuidad transparente de servicio depende tambin de la capacidad que tienen las redes

involucradas de poder proporcionar el mismo servicio con igual nivel de QoS.

La solucin de interworking entre redes de acceso 3GPP se sustenta fundamentalmente en

la introduccin de un punto de anclaje en la red troncal EPC que permite la movilidad entre

las redes de acceso sin que el servicio de conectividad IP se vea afectado (la direccin IP

asignada al terminal se mantiene aun cuando ste cambia de red de acceso). La

interconexin de UTRAN y GERAN a la red troncal EPC se realiza mediante el soporte de

funciones del dominio de paquetes GPRS de la red UMTS. La Figura 1.6 muestra el diseo

adoptado.


11



2013

Figura 1.6: Interconexin entre redes de acceso 3GPP.

Las redes de acceso 3GPP tienen mecanismos de difusin de informacin relativa a la

configuracin de las estaciones base de otras tecnologas (se hace a travs de los

mensajes de difusin de E-UTRAN, se enva informacin de celdas vecinas de UTRAN y

GERAN, y viceversa).

Se soportan mecanismos de seleccin de celda (cuando los terminales se encuentra en

modos idle) que contemplan criterios y parmetros de seleccin basados en las tres

tecnologas.[13]

Se soportan mecanismos de handover entre E-UTRAN, UTRAN y GERAN que contemplan

el control de admisin y la reserva de recursos en la red de acceso destino de forma previa

a la ejecucin del handover.


12



2013

A diferencia de UTRAN y GERAN, no se contempla ninguna interfaz que conecte E-UTRAN

con las otras redes de acceso en aras de sustentar el intercambio de informacin relativa a

la gestin de recursos radio entre estas redes (medidas de carga de las celdas).

Sobre estas premisas, la solucin de interworking especificada admite dos configuraciones

diferentes:

Utilizacin de interfaces propias del sistema GPRS. Esta opcin se basa en la re-

utilizacin de las interfaces estandarizadas como parte del sistema GPRS para

interconectar los equipos de la red troncal GPRS con los equipos de la red troncal

EPC. Esta opcin hace que sean pocas las modificaciones requeridas en los

equipos de las redes GPRS ya desplegadas de cara a su integracin en una nueva

red LTE. Por el contrario, la utilizacin de interfaces ya existentes limita la

introduccin de funciones y procedimientos nuevos que contribuyan a mejorar las

prestaciones de la red heterognea resultante.

Incorporacin de nuevas interfaces entre GPRS y EPC. En esta opcin se han

definido unas nuevas interfaces que deberan ser soportadas en los equipos de las

redes GPRS de cara a su interconexin con una red troncal EPC. La introduccin de

estas nuevas interfaces conlleva la incorporacin de nuevas funcionalidades que

permiten, por ejemplo, reducir la carga de sealizacin de los terminales en modo

idle.

1.4 Componentes asociados al espectro radioelctrico en el marco de LTE.

Para conseguir un uso ms eficiente y flexible del espectro radioelctrico, los principales

elementos que jueguen un papel destacado en el contexto del despliegue LTE se muestran

en la figura 1.7.

Figura 1.7: Componentes asociadas al espectro radioelctrico de LTE.


13



2013

1.4.1 Canalizacin flexible

La canalizacin de un sistema de comunicaciones mviles es uno de los parmetros

fundamentales que lo describen y su eleccin est condicionada por mltiples factores. La

canalizacin est directamente relacionada con la velocidad de transmisin alcanzable, de

manera que para alcanzar mayores velocidades de transmisin se requiere aumentar la

canalizacin.

A partir de la teora de muestreo de Nyquist, la canalizacin tiene una incidencia directa en

la complejidad de implementacin del sistema y en la complejidad computacional asociada

al tratamiento de seal. Al concebirse una nueva generacin de comunicaciones se

establecen sus capacidades de transmisin y se selecciona una cierta canalizacin de

acuerdo a los mbitos de procesado y hardware que existan en ese momento.

Si se parte de GSM la canalizacin se estableci en 200 KHz, valor considerable con la

tecnologa disponible a comienzos de la dcada de 1990. En UMTS, y beneficindose de

los avances de toda una dcada, se escogieron 5 MHz. Para el caso de LTE, si se pretende

alcanzar velocidades de transmisin del orden de 100 Mbits/s en el downlink se considera

una canalizacin de 20 MHz y si se mira el caso de LTE-Advanced, en el que se pretende

llegar a 1 Gbit/s, la canalizacin se aumenta hasta 100 MHz.

Existe una notable diferencia en las bandas de frecuencias y las posibilidades espectrales

sobre las que desplegar LTE, por lo que una de las mejoras que trae consigo LTE es que

ofrece una elevada flexibilidad en este sentido. Si por ejemplo se considerara refarming

sobre la banda de 2100 MHz, un operador que ostenta bloques de 5 MHz de ancho de

banda originalmente asociados a portadoras UMTS, sera interesante que LTE tuviera la

capacidad de operar tambin con esta canalizacin. Como resultado de utilizar la

canalizacin de 5 MHz, las prestaciones alcanzables con LTE resultaran aproximadamente

reducidas en un factor 4, pero a pesar de que disminuyen los resultados supone una

alternativa a la migracin gradual hacia LTE de bandas espectrales actualmente ocupadas

por 2G/3G.

A modo de resumen, las canalizaciones posibles para LTE son 1.4 MHz, 3 MHz, 5 MHz, 10

MHz, 15 MHz y 20 MHz. Es importante que, bajo el concepto de flexibilidad espectral, se

incluye tambin la posibilidad de operacin tanto sobre bandas pareadas como no

pareadas, de manera que LTE permite su explotacin tanto en FDD como TDD,

incrementando as la flexibilidad en su despliegue.


14



2013

1.4.2 Dividendo digital

En Europa se ha defendido que se deba perseguir la meta comn de maximizar el potencial

social y econmico del dividendo digital derivado de las bandas de espectro

potencialmente libres tras el cambio a difusin digital. El dividendo digital se deriva de la

capacidad de transmitir hasta 8 canales de TV digital en el espectro que inicialmente

ocupaba un nico canal de TV analgica (la ganancia puede incluso ser mayor si se utilizan

estndares ms avanzados como DVB-T2 para la infraestructura y MPEG-4 para la

compresin).

En Estados Unidos, la transicin a la TV digital ya est completada y la mayor parte del

espectro liberado ya ha sido subastado, asignndose esencialmente a los operadores

mviles para el despliegue de LTE en la banda de 700 MHz.

1.4.3 Cognitive radio

Al estar la mayor parte de las bandas utilizables por la telefona mvil ocupadas no queda

prcticamente espectro libre para el despliegue de las nuevas tecnologas. Una alternativa

adems del dividendo digital y el refarming, es el cognitive radio.

El crecimiento del uso de bandas no licenciadas (por ejemplo WiFi) y los avances

tecnolgicos que ello ha motivado, llevaron a considerar la apertura de nuevas bandas bajo

esta modalidad. Al mismo tiempo, medidas de ocupacin de espectro mostraron que las

bandas licenciadas como las de TV estn poco utilizadas. Cognitive radio aparece como

una solucin al bajo uso del espectro, ya que permite un uso del mismo de manera

eficiente, flexible y fiable a partir de la capacidad de acomodar en tiempo real las

caractersticas de operacin a las condiciones del entorno. Los dispositivos cognitive radio

podran explotar de manera inteligente amplias bandas de espectro inutilizadas sin interferir

a dispositivos que pudieran tener licencia de operacin en estas u otras bandas

frecuenciales.[14]

Un espacio que podra distinguirse como digno en la explotacin de los principios de

cognitive radio son las femtoclulas, ya que una femtoclula podra operar no slo en las

bandas licenciadas al operador sino tambin en otras siguiendo los principios de cognitive

radio, ya que la operacin en interiores facilitara el aislamiento radioelctrico necesario.


15



2013

1.4.4 Espectro radioelctrico.

La asignacin de espectro resulta un proceso altamente complejo, que adems lleva

asociados unos plazos regulatorios y administrativos que se dilatan a lo largo de varios

aos. Una posible clasificacin de los modelos de uso del espectro radioelctrico es:

1. Modelo de uso exclusivo de derechos. En este caso se realiza la asignacin de

licencias exclusivas a operadores para ciertas bandas de frecuencias, que pueden

estar ligadas o no con el uso de una determinada tecnologa y la provisin de

determinados servicios.

2. Modelo de uso comn del espectro. En este caso se promueve el acceso compartido

por parte de una serie de usuarios a una determinada banda del espectro

radioelctrico. La responsabilidad de la gestin de la interferencia en este caso

recae directamente entre los propios usuarios. Dentro de este caso puede

distinguirse el modelo de uso pblico (en el que el espectro est abierto a todos los

usuarios con los mismos derechos, como sera el caso de la banda ISM Industrial,

Scientific and Medical) y el privado (en que es el adjudicatario de una licencia el que

permite el acceso al espectro licenciado a un conjunto de usuarios bajo unas

condiciones establecidas por el propio beneficiario).

3. Modelo de uso oportunista del espectro. En este caso se permite que el denominado

usuario secundario (que pretende acceder a una banda de espectro licenciada al

denominado usuario primario) identifique de manera independiente bandas de

espectro que no se estn utilizando en un cierto tiempo y lugar, pudindolas utilizar

en ese caso siempre que se asegure que no generar interferencia daina para el

usuario primario.

La tendencia es pues, de manera clara, hacia un uso ms flexible y dinmico del espectro

radioelctrico.[12]


16



2013

1.5 Elementos esenciales de la interfaz radio de LTE

Figura 1.8: Componentes de la interfaz radio LTE

1.5.1 Transmisin por paquetes y packet scheduling.

La transmisin en modo circuito resulta apropiada en el caso en que las fuentes de trfico

generen informacin de manera continuada, ya que as se aprovechan los recursos

asignados. En el caso de que las fuentes de trfico sean discontinuas la operacin en modo

circuito resulta en un desaprovechamiento de recursos. Un usuario determinado puede

desperdiciar la oportunidad de transmisin debido a que no tiene informacin que transmitir

a la vez que otro usuario puede tener trfico para inyectar al canal pero no dispone de

recursos para la transmisin.

El acceso a Internet constituye un claro ejemplo de trfico a rfagas, con lo que se hace

necesario incorporar otra estrategia para sustentar la comunicacin, en este caso la

transmisin en modo paquete.

En una transmisin por paquetes la asignacin de recursos a usuarios es flexible y, por

tanto, tiene la capacidad de adaptarse a las necesidades de cada momento. Ello es posible

gracias al desarrollo de los mecanismos de gestin de recursos radio, que incorporan una

nueva funcionalidad denominada packet scheduling que se encarga de decidir la asignacin

dinmica a usuarios. Cabe destacar que el algoritmo de packet scheduling en s mismo

influye en la eficiencia espectral obtenida, ya que segn lo acertado de sus decisiones se

lograr un mayor o menor aprovechamiento de los recursos radio. En este sentido, la mejor

granularidad temporal del sistema permite que el algoritmo de packet scheduling pueda

asignar los recursos no slo a los usuarios que tienen informacin a transmitir sino que,

entre estos, a aquellos que tengan condiciones ms favorables en su canal radio particular


17



2013

en un momento dado. La relevancia de la transmisin en modo paquete queda evidenciada

en LTE, ya que LTE no proporciona canales dedicados sino nicamente un canal

compartido en downlink y otro en uplink. Ello confiere mayor importancia al mecanismo de

packet scheduling, sobre el que recae la responsabilidad de asignar los recursos radio de

manera que pueda satisfacerse la QoS establecida para cada conexin.

1.5.2 Tcnica MIMO

Un tema relevante en la tecnologa LTE es la tcnica de mltiples antenas con el objetivo de

aumentar la cobertura y las capacidades en la capa fsica. Aumentando el nmero de

antenas al sistema de radio mejora el desempeo de la transmisin ya que las seales

pueden tomar diferentes caminos en la interfaz area.

Para la implementacin de las antenas, LTE tiene un mtodo de separacin espacial junto

con el uso de multiplexacin de las seales. A este mtodo se le conoce como MIMO.

Figura 1.9: Esquema MIMO.

Como se ve en la figura 1.9 las antenas transmisoras envan la seal hacia todas las redes

receptoras.

En LTE la configuracin MIMO utilizada en el enlace ascendente se denomina SIMO (Single

Input Multiple Output) en que hay una antena en el terminal UE y dos en el eNB. Para el

enlace descendente la configuracin usada es MIMO, que puede ser 2x2 o 4x4 antenas en

el receptor y emisor respectivamente.


18



2013

1.5.3 Modulacin y codificacin adaptativa (AMC).

AMC permite adaptar la velocidad de transmisin con respecto a las condiciones del medio,

es decir, de acuerdo a la ubicacin que tiene el UE con respecto a la estacin base eNB. El

principio que rige a AMC es el mismo que utiliza EDGE: las modificaciones vienen dadas

por la utilizacin de nuevas tcnicas de modulacin. Las tcnicas de modulacin permiten

transferir una cantidad de bits por smbolo. A mayor cantidad de bits emitidos por smbolo

(bloque) ms sensible es al ruido, por lo que para distancias cercanas y sin tantos

obstculos se pueden utilizar modulaciones que permitan altas tasas de transferencia y para

distancias alejadas se puede ocupar sistemas de bajas tasa de bits (ver figura 1.10). LTE

utiliza los sistemas de modulacin QPSK, 16QAM y 64QAM. En donde la tasa de bits por

smbolo es de 2, 4 y 6 bits respectivamente.[15].

Figura 1.10: Modulacin adaptativa en LTE

Para poder emplear satisfactoriamente modulaciones con un nmero elevado de smbolos,

es preciso disponer de buenas condiciones de relacin seal a ruido. Una modulacin dada

puede emplearse apropiadamente con una tasa de error acotada, siempre que la SNR

existente en el canal est por encima de un cierto umbral mnimo, el cual se ir

incrementando mientras mayor sea el orden de la modulacin.

Una estrategia habitualmente empleada en el contexto de OFDMA es la denominada

Adaptacin de Enlace (LA, Link Adaptation), que intenta extraer el mximo rendimiento del

canal en cuanto a velocidad de transmisin, seleccionando la modulacin que permita

enviar mayor nmero de bits por smbolo ante determinadas condiciones de SNR. De esta


19



2013

forma, aquellas subportadoras que presenten una SNR mejor tendern a utilizar

modulaciones de mayor orden que las que presenten una menor.

Para tomar la decisin apropiada se tiene en cuenta, el estado del canal en trminos de

SNR, que deber proporcionarse a travs de mecanismos de sealizacin en el enlace

ascendente. Por otro lado se considera los requisitos de QoS, por lo que determinados

servicios con bajos requerimientos de velocidad de transmisin pueden no necesitar de las

modulaciones de mayor orden.

1.5.4 Transmisin y acceso mltiple multiportadora

Los accesos de radio en esta tecnologa son los que permiten las altas velocidades de

transferencia, mejoras en la latencia y throughput, tanto para el enlace ascendente como

descendente. Adems aumentan la capacidad de la red.

Para estas redes los accesos de radio se basan en sistemas de acceso mltiple. Para el

downlink, Acceso Mltiple por Divisin de Frecuencias Ortogonales (OFDMA) y para el

uplink utiliza el esquema de Acceso Mltiple por Divisin de Frecuencia con una Sola

Portadora (SC-FDMA). La razn por la que no tienen el mismo esquema es que para el

enlace ascendente se necesita un acceso que genere bajos niveles de Peak-to-Average

(PAR) y OFDMA entrega niveles de PAR altos.[16]

Modos de acceso de radio

La interfaz area de LTE soporta los modos FDD, Semi-duplex FDD y TDD, cada uno con

su propia estructura de trama. El modo Semi-duplex FDD utiliza la misma banda de

frecuencia para el uplink y downlink. Esta simplificacin en la transmisin permite compartir

el uso de hardware entre el enlace ascendente y descendente cuando el UE no est

obligado a transmitir y recibir al mismo tiempo. Esta tcnica se utiliza en algunas bandas de

frecuencias y permite reducir a la mitad las tasas de datos lo que implica una disminucin

de los costos por trfico y tambin una disminucin en la construccin de los celulares, ya

que evita la impresin doble cara de los circuitos del UE.


20



2013

Acceso Downlink OFDMA

OFDMA est formado por dos tcnicas de acceso, OFDM y TDMA. La primera etapa de la

modulacin se realiza con OFDM y posteriormente se utiliza TDMA. OFDM es un esquema

de modulacin digital de varias portadoras (sub-portadoras) ortogonales que se transmiten

en paralelo. Las sub-portadoras transportan los paquetes de informacin o smbolos. Cada

sub-portadora se modula con un esquema de modulacin disponible en LTE (QPSK,

16QAM, 64QAM). Al tener una combinacin de muchas sub-portadoras se logra la alta

velocidad de transferencia. La Figura 1.11 muestra las principales caractersticas de una

seal con modulacin OFDM en el dominio del tiempo y frecuencia. En el dominio de la

frecuencia, muchas sub-portadoras son moduladas con informacin de forma

independiente. En el dominio del tiempo, se insertan intervalos de seguridad Cyclic Prefix

(CP) entre los paquetes de informacin (smbolos). Un CP es una copia del final del paquete

de smbolo que se inserta al comienzo del paquete. El CP permite prevenir las interferencias

entre smbolos en el receptor debido a los retardos causados por los mltiples caminos de

difusin en el canal de radio.

Figura 1.11 Esquema de modulacin OFDM en el dominio del tiempo y frecuencia.

Con OFDM, las transmisiones entre usuarios son muy cercanas, pudiendo sufrir

desvanecimiento e interferencia de banda estrecha. Por esta razn es que posterior a la

modulacin OFDM se realiza modulacin TDMA, donde se divide a las subportadoras

moduladas por OFDM en subconjuntos y se asignan de forma dinmica dentro del canal de

transmisin (ver Figura 1.12).[15]


21



2013

Figura 1.12 Asignacin de sub-portadoras en el canal por diferentes usuarios.

Acceso en el uplink SC-FDMA

SC-FDMA fue elegido porque combina una tcnica de bajo PAR y un sistema de

transmisin de una sola portadora ideal para un acceso MIMO en donde el terminal UE

(emisor) transmite con una antena y la estacin base recibe con dos antenas. Este acceso

es un sistema de portadora simple donde los paquetes de smbolos estn representados

por una sola seal portadora que se divide en sub-smbolos. La cantidad de sub-smbolos

depende del tipo de modulacin. En el dominio de la frecuencia el paquete es modulado en

serie en varios sub-smbolos y asignado a una portadora, es decir, se le asigna todo el

ancho de banda a la portadora. Luego en el dominio del tiempo se inserta el CP para lograr

coordinar la recepcin de los paquetes.[17]

Descripcin tcnica Accesos

Para la descripcin tcnica de los accesos se considera una modulacin QPSK y 4

subportadoras. (Ver Figura 1.13).


22



2013

Figura 1.13: Comparacin de accesos OFDMA y SC-FDMA

En ambos accesos para pasar al dominio de la frecuencia se utiliza la transformada de

Fourier discreta (FDT) y luego para pasar al dominio del tiempo se utiliza la transformada

inversa (IFFT). Ambas tienen el mismo time-slot entre cada paquete de smbolo. En el caso

de OFDMA las sub-portadoras son de ancho 15 kHz. Como se ve en la figura 1.13 los datos

de smbolo son modulados en paralelo uno para cada sub-portadoras. Luego a las sub-

portadoras se les inserta el CP. Como el CP es la copia del final del smbolo, la potencia de

la seal transmitida no cambia pero se genera una discontinuidad en la fase de cada sub-

portadora. La suma de las M sub-portadoras en el dominio del tiempo forman la seal final

transmitida o paquete. En SC-FDMA, como se ve en la figura 1.13, la generacin de seales

comienza con una precodificacin especial donde los datos de smbolo son modulados en

serie (sub-smbolos) en una sola portadora que ocupa todo el ancho de banda del canal,

que corresponde a M x 15 KHz, donde M es la cantidad de sub-portadoras disponibles (en

el ejemplo 4 sub-portadoras). En la figura 1.13 se observa como OFDMA posee un alto

PAR. Esto se debe a que transmite mltiples smbolos de forma paralela, mientras SC-

FDMA transmite M smbolos de datos en serie con distinta amplitud, generando pocas

seales de peaks altos. [16]


23



2013

1.6 Servicios y Aplicaciones.

Gracias a los beneficios en velocidad de transmisin, reduccin de latencia y aumento de

capacidad, se podrn entregar nuevas posibilidades de servicios de valor agregado. LTE

permitir que las aplicaciones en banda ancha mvil se incorporen como un servicio bsico

a largo plazo. Esto ltimo se podr lograr considerando que LTE busca mantener o

aumentar en un bajo nivel los costos de los planes a travs de la masificacin que podr ser

soportable por este nuevo sistema ya que permite mayor capacidad.

Figura 1.14: Latencia contra ancho de banda en diferentes servicios.

La nueva banda ancha mvil mejorar los servicios de contenidos multimedia, servicios web

2.0 (blogs, redes sociales, etc.) y el compartir archivos en aplicaciones peer-to-peer de

forma rpida, similar a la actual banda ancha fija. Adems permitir tener acceso seguro a

redes privadas (redes corporativas) en cualquier lugar, con la ayuda de servicios como

cloud computing.[18]

Otra opcin que entregar LTE, sern las comunicaciones M2M (mquina a mquina). LTE

permitir desarrollar un sin fin de proyectos relacionados con el control, monitoreo de

maquinarias de todo tipo como automviles con centrales para control de trfico, medidores

de energa o agua, y muchas ms posibilidades. Se estima que en el mundo existen

aproximadamente 90.000 millones de mquinas aplicables a sistemas de monitoreo o

trabajo en paralelo. Esta cantidad podra ser soportada por la banda ancha LTE ya que

permite entre 3 a 4 veces ms capacidad que HSPA+. Integrarse a la comunicacin M2M

sera una gran alternativa que solamente LTE podra sostener. Otra de las ventajas que

entrega M2M es la posibilidad de realizar procesamiento de informacin distribuida, lo que


24



2013

permite entregar servicios de mejor calidad sin la necesidad de un equipo con un

procesador avanzado.

A continuacin se describen algunos de los servicios y aplicaciones tpicos que se pueden

ejecutar en las redes LTE. La mayora de estos servicios no son especficos de la

tecnologa misma, ya que han sido adoptados de tecnologas anteriores, mostrando una

mejora en su aplicacin:

Presencia: el propsito de este servicio es permitirle a un abonado que tenga su informacin

de presencia disponible para otros usuarios de Servidores de Aplicaciones en la red.

Proporciona ms informacin sobre el estado de los abonados: actividad actual, ubicacin,

estado de nimo, zona horaria, direccin de contacto, mensajera instantnea y lista de

dispositivos de conectividad a los cuales se tiene acceso.

Push to talk para celulares: es muy similar a la conocida comunicacin de servicio walkie-

talkie. Proporciona un servicio de voz uno-a-uno o uno-a-muchos, para un grupo de

personas en modo half duplex, lo que significa que slo puede hablar un participante en un

momento dado, mientras que los dems estn escuchando.

Banda ancha inalmbrica: la tecnologa LTE proporciona una conexin semejante a la

banda ancha tradicional con la ventaja de la movilidad. Con lo que bastar conectar el

mdem LTE a cualquier tipo de computadora y salir navegando por Internet.

Broadcast y Multicast: este servicio es conocido como MBMS y el beneficio es que varios

abonados pueden recibir los mismos datos al mismo tiempo, envindose una sola vez la

informacin. Tiene un conjunto mucho ms amplio de los tipos y aplicaciones, permitiendo

la entrega de distintos tipos de datos multimedia. Se compone de dos servicios distintos:

Broadcast y multicast (difusin y multidifusin respectivamente).

Algunos ejemplos de aplicaciones tpicas (ver Figura 1.15) adecuadas para MBMS son:

Acceso a Internet: Navegacin en la Web ms rpida y eficiente. Servicios de bsqueda

disponibles en celulares y en los smartphones 4G, para encontrar rpidamente enlaces,

sitios, noticias, etc. Permite consultar mapas, descubrir cul es el mejor camino para llegar a

un lugar, o usar servicios de navegacin.

Descargas de msica y videos: Bajar una cancin completa con rapidez o ver un video es

una facilidad ms de este tipo de tecnologa. Con la tecnologa LTE descargar una cancin

o un video toma segundos, mientras que, en las tecnologas anteriores, esto demora

algunos minutos.


25



2013

Video llamada y conferencia: LTE no slo sirve para transmitir datos, sino que puede

usarse en servicios como Skype para mejorar la calidad del audio en las llamadas e

incorporar video-chat.

Juegos Online: Para jugar en lnea, la latencia es fundamental, porque permite mantener el

juego fluido. LTE reduce estos tiempos de espera a casi cero, permitiendo jugar de forma

instantnea.

Televisin Online: A mayor velocidad, este servicio contar con video streaming, adems

que se ver en alta definicin y se podr recibir en vivo.

M-Comercio: Mvil Comercio es un servicio dedicado a la transaccin electrnica a travs

del telfono mvil. Permite a las empresas ampliar su alcance en el mercado, ofrecer un

mejor servicio y reducir los costos.

Figura 1.15: Aplicaciones MBMS.

Captulo 2: Arquitectura de la red LTE e infraestructura de

IMS

Captulo 2: Arquitectura de la red LTE e infraestructura de IMS.

26



2013

2.1 Introduccin

El sistema LTE cuenta con una arquitectura simplificada y flexible que le permite ofrecer una

variada gama de servicios gracias a su moderna red de acceso y la robustez de su red

troncal. En este captulo se describe la arquitectura del sistema LTE, los principales

protocolos de la red de acceso y adems se lleva a cabo un anlisis del Subsistema

Multimedia IP (IMS).

2.2 Arquitectura del sistema LTE

Los componentes fundamentales de LTE son la naciente red de acceso E-UTRAN y el

nuevo dominio de paquetes EPC de la red troncal, adems del evolucionado subsistema

IMS admitido inicialmente en el contenido de los sistemas UMTS. En LTE todos los

servicios de telecomunicaciones se brindan mediante mecanismos de conmutacin de

paquetes, lo que implica que los servicios con restricciones de tiempo real se soportan

tambin mediante conmutacin de paquetes. En este sentido, EPC constituye una versin

evolucionada del sistema GPRS.

Figura 2.1: Arquitectura de la red LTE

La red de acceso E-UTRAN y la red troncal EPC proporcionan de forma conjunta servicios

de transferencia de paquetes IP entre los equipos de usuario y redes de paquetes externas

tales como plataformas IMS y/u otras redes de telecomunicaciones como Internet. Las


27



2013

prestaciones de calidad de servicio (por ejemplo, tasa de datos en bits/s, comportamientos

en trminos de retardos y prdidas) de transferencia de paquetes IP puede configurarse en

base a las necesidades de los servicios finales que lo utilicen, cuyo establecimiento

(sealizacin) se lleva a cabo a travs de plataformas de servicios externas (IMS) y de

forma transparente a la red troncal EPC.

En la Figura 2.2 se muestran las principales interfaces de E-UTRAN y EPC. La interfaz

entre E-UTRAN y EPC se denomina S1 y proporciona a la EPC los mecanismos necesarios

para gestionar el acceso de los terminales mviles a travs de E-UTRAN. La interfaz radio

entre los equipos de usuario y E-UTRAN se denomina E-UTRAN Uu. Por otro lado, las

plataformas de servicios como IMS y la conexin a redes externas de paquetes IP se llevan

a cabo mediante la interfaz SGi de la EPC. La interfaz SGi constituye el punto de

entrada/salida al servicio de conectividad IP proporcionado por la red LTE (los terminales

conectados a la red LTE son visibles a las redes externas a travs de esta interfaz

mediante su direccin IP). En la Figura 2.2 se aprecian algunos de estos elementos

comunes entre los que, a modo de ejemplo, se encuentra la base de datos del sistema con

la informacin de subscripcin de sus usuarios (HSS).

Figura 2.2: Principales interfaces de E-UTRAN y EPC.


28



2013

La interconexin de los diferentes equipos fsicos donde se ubicaran las funciones tanto de

la red troncal EPC como de la red de acceso E-UTRAN, se realiza mediante tecnologas de

red basadas en IP. De esta forma, la red fsica que se utiliza para interconectar los

diferentes equipos de una red LTE, y que se denomina comnmente como red de

transporte, es una red IP convencional. Por tanto, la infraestructura de una red LTE, adems

de los equipos propios que implementan las funciones del estndar 3GPP, tambin integra

otros elementos de red propios de las redes IP. Tal es el caso de routers, servidores DHCP

(Dynamic Host Configuration Protocol) para la configuracin automtica de las direcciones

IP de los equipos de la red LTE y servidores DNS (Domain Name Server) para asociar los

nombres de los equipos con sus direcciones IP.

La red de acceso tiene como principales funciones la gestin de recursos radio, como son:

control de portadoras de radio, control de admisin de radio, asignacin dinmica de

recursos en enlaces ascendente y descendente a los Equipos de Usuario (UE, User

Equipment), compresin de cabeceras y el encaminamiento del trfico hacia el EPC.

Adems de scheduling de paquetes y seleccin de la MME cuando no se puede determinar

a partir de la informacin del UE.[19]

El EPC es un sistema optimizado de paquetes con una mayor tasa de datos, que soporta

mltiples tecnologas de acceso y nuevos servicios de voz y datos.

A diferencia de redes inalmbricas precedentes, las cuales tienen una arquitectura de red

jerrquica con un mayor nmero de nodos, el sistema LTE presenta una arquitectura de red

plana, altamente simplificada que permite brindar un servicio con mnima latencia y

mecanismos avanzados de QoS.

Mediante un conjunto de interfaces presentes en el EPC, el sistema LTE permite el acceso

a sus servicios a travs de UTRAN y GERAN y a otras redes de acceso que no pertenecen

a la familia 3GPP como CDMA2000, Mobile WiMAX y redes 802.11.[12]

2.3 Arquitectura de E-UTRAN, entidades de red, interfaces y protocolos.

2.3.1 Evolved NodeB (eNB)

La red de acceso de LTE est formada por un nico elemento de red llamado eNB (evolved

NodeB) que constituye la estacin base de E-UTRAN. Los eNBs realizan todas las

funciones de la red de acceso que en las redes 3GPP anteriores eran llevadas a cabo por

las estaciones base junto a los controladores de red (BTS y BSC en GSM, NodeB y RNC en

UMTS), de ah que sea denominada una arquitectura plana.


29



2013

Para llevar a cabo todas las funciones, los eNBs estn interconectados a los equipos de

usuario (UE) mediante la interfaz Uu donde aplican los protocolos AS (Access Stratum).

Asimismo, la interfaz que conecta a los eNBs entre s es denominada X2, y la interfaz que

conecta un eNB a la red troncal EPC es denominada S1, que a su vez se divide en S1-MME

para el plano de control y S1-U para el plano de usuario.[20]

Sin duda, la funcionalidad clave de un eNB consiste en la gestin de los recursos radio. As,

el eNB alberga funciones de control de admisin de los servicios portadores radio, control

de movilidad (decisin de realizar un handover), asignacin dinmica de los recursos radio

tanto en el enlace ascendente como descendente (denominadas funciones de scheduling),

control de interferencias entre estaciones base, control de la realizacin y del envo de

medidas desde los equipos de usuario que puedan ser tiles en la gestin de recursos.

2.3.2 Interfaz LTE- Uu.

La interfaz LTE-Uu es la interfaz de radio entre el equipo terminal y el eNB. La capa superior

del plano de control de esta interfaz realiza el transporte de sealizacin de los protocolos

de Nivel de No Acceso (NAS, Non-Access Stratum) entre la UE y el MME.

El contenido de los protocolos de la capa NAS no es visible para el eNB, el cual no participa

en estas operaciones con excepcin de transportar los mensajes y proporcionar algunas

indicaciones en la capa de transporte. Seguidamente se presentan los protocolos

correspondientes a la interfaz LTE-Uu.[16]

2.3.3 Protocolos de la interfaz radio E-UTRAN o plano de usuario.

Protocolo Convergente de Paquetes de Datos (PDCP, Packet Data Convergence

Protocol)

Los paquetes IP del trfico de usuario se entregan y se reciben a travs del servicio de

transferencia proporcionado por la capa PDCP. Esta capa es la encargada de la compresin

de cabeceras de los paquetes IP que est basada en el mecanismo ROHC ( Robust Header

Compression) y el cifrado de la informacin para garantizar su confidencialidad e integridad.

La cabecera aadida por la capa PDCP bsicamente contiene un nmero de secuencia que

identifica al paquete IP enviado y permite realizar una entrega ordenada de los paquetes IP

en el extremo receptor as como detectar posibles duplicados de los paquetes IP

(ocasionados por ejemplo en un proceso de handover).


30



2013

Figura 2.3: Protocolos de E-UTRAN

Protocolo de Control de Enlaces de Radio (Radio Link Control RLC)

Es el protocolo responsable de la segmentacin/concatenacin y re-ensamblaje, adems de

ser el encargado de la deteccin de duplicados. La capa RLC permite enviar de forma fiable

los paquetes PDCP entre el eNB y equipo de usuario. Existe una entidad RLC para cada

servicio portador radio configurado para un terminal.

Control de Acceso al Medio (Medium-Access Control MAC)

Es la capa encargada de controlar el acceso al canal radio. Para ello, la capa MAC soporta

funciones de scheduling dinmico entre equipos de usuario atendiendo a prioridades,


31



2013

multiplexa los paquetes RLC de diferentes servicios portadores radio en los canales de

transporte ofrecidos por la capa fsica (un canal de transporte puede ser compartido por

varios servicios portadores de uno o varios equipos de usuario) y realiza un control de

errores mediante Hybrid ARQ (HARQ). Los servicios de transferencia que la capa MAC

ofrece a la capa RLC se denominan canales lgicos. Existe una nica entidad MAC por

celda.

Capa fsica (Physical Layer PHY)

Es la encargada de la codificacin/decodificacin de la modulacin/demodulacin, del

mapeo multiantena y mapeo de la seal a los recursos fsicos frecuencia-tiempo

apropiados. La capa fsica ofrece servicios a la capa MAC en forma de canales de

transporte.[21]

2.3.4 Protocolos de la interfaz radio de control

Figura 2.4: Protocolos NAS y RRC.

Respecto al plano de control entre el equipo de usuario y la red, ste se soporta sobre la

misma capa de enlace (protocolos PDCP, RLC, MAC) y la misma capa fsica utilizadas en el

plano de usuario. Los protocolos de nivel de red especficos de este plano son:

Control de recursos radio (Radio Resource Control RRC)

Esta capa permite establecer una conexin de control entre el eNB y un equipo de usuario a

travs de la cual se llevan a cabo un nmero importante de funciones relacionadas con la

gestin de la interfaz radio. Entre dichas funciones de la capa RRC destacan los


32



2013

mecanismos de gestin de los servicios portadores radio (sealizacin para el

establecimiento/liberacin/modificacin de los portadores radio), el soporte de funciones de

movilidad (sealizacin de handover), la difusin (broadcast) de parmetros de sistema y

funciones de aviso de los terminales que no disponen de una conexin RRC establecida

(envo de avisos a travs del canal de paging). El servicio de transferencia que ofrece la

capa PDCP para el envo de los mensajes de sealizacin del protocolo RRC se denomina

servicio portador de sealizacin (Signalling Radio Bearer, SRB).

Protocolos NAS (Non-Access Stratum)

Los protocolos NAS son los protocolos desarrollados por el 3GPP para llevar a cabo la

gestin de movilidad de los equipos de usuario (EPS Mobility Managenement, EMM) y la

gestin de las sesiones para el establecimiento de la conectividad entre el equipo de

usuario y la pasarela P-GW (EPS Session Management, ESM). Los protocolos NAS se

soportan entre el equipo de usuario y un nodo MME y se han desarrollado especficamente

para E-UTRAN, aunque se mantienen muchas similitudes con los protocolos NAS utilizados

en UMTS. (Ver figura 2.5).

Figura 2.5: Protocolos NAS entre UE y MME


33



2013

Protocolo NAS para la gestin de movilidad (EMM)

El protocolo EMM proporciona los procedimientos necesarios para el control de la movilidad

de un equipo de usuario que utiliza E-UTRAN para el acceso a la red troncal EPC. En

particular, entre los procedimientos soportados por el protocolo EMM se encuentran los

mecanismos de registro y cancelacin de registro del usuario en la red LTE y la

actualizacin del rea de seguimiento. Mediante estos procedimientos se gestiona la

accesibilidad a los servicios de la red LTE de los usuarios pues la realizacin del registro en

la misma es necesaria para que el usuario pueda iniciar o ser contactado para proceder a la

activacin de un servicio.

En el caso de terminales que se encuentren en estado idle, mediante el protocolo EMM se

soporta el procedimiento de aviso (paging). En particular, el mensaje de aviso es un

mensaje de sealizacin generado por el protocolo EMM que se distribuye a los terminales

mediante las funciones disponibles en la interfaz S1-MME. El procedimiento de aviso lo

utiliza la red troncal EPC para forzar el restablecimiento de la sealizacin de control con un

equipo de usuario que se encuentre en modo idle. Asimismo, el protocolo EMM soporta un

procedimiento de peticin de servicio (denominado Service Request) por parte del equipo

de usuario cuyo propsito es permitir reactivar el plano de usuario entre el S-GW y un

equipo de usuario que se encuentre en modo idle. El protocolo EMM tambin contempla

procedimientos que permiten a la red interrogar al equipo terminal para el envo de

identificadores tales como el IMSI (Int

Saez Lopez, Luis D.T0006 .pdf

Documents

Transcript of Saez Lopez, Luis D.T0006 .pdf