LTE – LONG TERM

EVOLUTIONS

SEMINARIO DE TELECOMUNICACIONES

Ing. Victor Hugo Cuevas B.

Desarrollo

• Introducción

• Evolución

• Arquitectura LTE

• Tecnologías empleadas

– OFDM

– MIMO

• LTE Advanced

• LTE en Bolivia

• Conclusiones

• El mundo de la telefonía móvil esta en continuo crecimiento y no

para de introducir nuevas tecnologías para ofrecer a los usuarios

un mejor servicio. Después de haber pasado por 1G, GSM, 2G,

GPRS, 3G, UMTS y la 3.5G, HSPA, ahora estamos muy cerca de

la llegada de la ultima generacion, la 4G, que podriamos definir

como “all-IP” donde se busca un sistema que permita conjugar

una capacidad multimedia con una movilidad plena.

• El aumento del uso de datos móviles y la aparición de nuevas

aplicaciones y servicios como Juegos Masivos Multi jugador

Online, televisión móvil, web 2.0, flujo de datos de contenidos

han sido las motivaciones para que el 3GPP desarrollase el

proyecto LTE.

Introducción

Introducción

¿QUE ES LTE?

Evolución a largo plazo o LTE, es una tecnología móvil de

banda ancha emergente que está enfocada para los

operadores de redes globales. LTE, estandarizado por 3GPP

Versión 8, es una evolución mejorada de GSM y

WCDMA/HSPA.

LTE esta diseñada para aumentar la capacidad de ancho de

banda y las velocidades de transmisión de datos, permitiendo

mejorar el rendimiento de las aplicaciones móviles y su

facilidad de uso.

• Aunque es cierto que un cambio en la tecnología de acceso

típicamente acompaña un cambio en la generación de tecnología

móvil (2G usa TDMA/FDMA y 3G usa CDMA), LTE se ha anunciado

como una tecnología 4G porque usa un nuevo método de acceso,

OFDM.

• LTE no es oficialmente una tecnología 4G. Puede ser visto como

los últimos pasos hacia ella, y por esta razón cada vez se habla

más de LTE como 3.9G.

Introducción…. LTE es 4G?

LTE – Advanced…si es 4G

• Luego de una evaluación detallada contra criterios técnicos y

operativos exigentes, la UIT determinó que “LTE - Advanced”

y “WirelessMAN-Advanced” deben recibir la denominación

oficial de IMT-Advanced. Al igual que las tecnologías más

avanzadas definidas actualmente para comunicaciones

móviles globales por banda ancha, IMT-Advanced es

considerada “4G”, aunque se reconoce que este término, no

esté definido, puede aplicarse también a las antecesoras de

estas tecnologías LTE y WiMAX, y a otras tecnologías de 3G

evolucionadas que brindan un nivel sustancial de mejora del

desempeño y las capacidades respecto de los sistemas

iniciales de tercera generación ya desplegados. (Finales de

2012).

Evolución * Release 99: primera versión de WCDMA desarrollada a finales de

1999, y que formó parte del conjunto de normas IMT-2000.

• Release 5: desarrollada en 2002, introdujo mejoras de velocidad en

las comunicaciones desde la red al usuario (enlace descendente)

conocidas como HSDPA.

• Release 6: concluida a finales de 2004, introdujo mejoras de

velocidad en las comunicaciones entre el usuario y la red (enlace

ascendente) conocidas como HSUPA

• Releases 7 a 10, son pasos hacia un acceso con mayor ancho de

banda, menor latencia y mayor capacidad para poder atender la

demanda de las zonas urbanas.

• Equipo de Usuario. Permite al usuario acceder a los servicios que

nos ofrece la red, se conecta a la red a través de la interfaz radio.

• Red de Acceso. Es la parte del sistema que realiza la comunicación,

transmisión radio, con los equipos de usuario para proporcionar la

conectividad con la red troncal.

• Red Troncal. Parte del sistema que se encarga del control de acceso

a la red celular, albergan equipos con funciones de conmutación de

circuitos, routing, bases de datos, etc.

Evolución. Arquitectura genérica de

sistemas celulares (2G y 3G)

SIM /

USIM

Evolución. Arquitectura genérica de

sistemas celulares (2G y 3G)

Requisitos de funcionamiento LTE

Características Técnicas de LTE

Arquitectura LTE

3GPP ha especificado tres tipos de redes de acceso diferentes:

GERAN (GSM/EDGE Radio Access Network), UTRAN (UMTS

Terrestrial Radio Access Network) y E-UTRAN (Evolved UTRAN).

Arquitectura LTE

Arquitectura completa del sistema LTE, denominada

formalmente como Evolved Packet System (EPS).

La idea es la

misma que en las

otras

generaciones,

dividir el sistema

en los tres

elementos: Un

equipo de

usuario, una

nueva red de

acceso

denominada E-

UTRAN y una red

troncal

denominada EPC

Arquitectura LTE

• Los diferentes componentes han sido diseñados para soportar

todo tipo de servicios de telecomunicación mediante

mecanismos de conmutación de paquetes, por lo que no

resulta necesario disponer de un componente adicional para la

provisión de servicios en modo circuito (en el sistema LTE los

servicios con restricciones de tiempo real se soportan también

mediante conmutación de paquetes). En este sentido, EPC

constituye una versión evolucionada del sistema GPRS.

• Otra característica fundamental del sistema LTE es que

contempla también el acceso a sus servicios a través de

UTRAN y GERAN así como mediante la utilización de otras

redes de acceso que no pertenecen a la familia 3GPP (e.g.,

CDMA2000, Mobile WiMAX, redes 802.11, etc.).

• A diferencia de las redes de acceso de GSM y UMTS compuestas

por estaciones base (BTS, NodoB) y equipos controladores (BSC y

RNC) una red de acceso E-UTRAN está formada únicamente por

eNBs que proporcionan la conectividad entre los equipos de usuario

(UE) y la red troncal EPC.

Red de acceso Evolucionada

E-UTRAN

Un eNB se comunica con el resto de elementos del sistema mediante

tres interfaces: E-UTRAN: Uu, S1 y X2

• E-UTRAN Uu es la interfaz radio que comunica al usuario con la

estación base utilizando el canal radio. Todas las funciones y

protocolos que se necesitan para realizar el envio de datos y

controlar la interfaz se implementa en la eNB.

Interfaces E-UTRAN

• La interfaz X2, se utiliza para conectar los

eNBs entre si. Gracias a esta interfaz se

pueden intercambiar tanto mensajes de

señalización, destinados a permitir una

gestión mas eficiente de los recursos

radio, así como el trafico de los usuarios

del sistema cuando estos se desplazan de

un eNB a otro en el momento de un

traspaso (handover).

• Un eNB se comunica con la red troncal a través de la interfaz S1,

que a su vez se divide en otras dos, la S1-MME, que se utiliza para

el plano de control y S1-U para el plano de usuario.

• El plano de usuario se refiere a la torre de protocolos empleada

para el envió de trafico de usuario a través de dicha interfaz.

• El plano de control se refiere a la torre de protocolos necesaria para

sustentar las funciones y procedimientos necesarios para gestionar

la interfaz.

Interfaces E-UTRAN

• Esta separación entre las entidades de red,

una dedicada al plano de usuario y otra al de

control, nos permite dimensionar de forma

independiente los recursos de transmisión

necesarios para el soporte de la señalización

del sistema y para el envío del tráfico de los

usuarios.

Evolved NodeB (eNB)

• El eNB integra todas las funciones de la red de acceso. Por ello, en

el eNB terminan todos los protocolos específicos de la interfaz

radio. Mediante dichos protocolos, realiza la transmisión de los

paquetes IP hacia/desde los equipos de usuario junto con los

mensajes de señalización necesarios para controlar la operación de

la interfaz radio.

• Sin duda, la funcionalidad clave de un eNB consiste en la gestión

de los recursos radio. Así, el eNB alberga funciones de control de

admisión de los servicios portadores radio, control de movilidad

(p.ej, decisión de realizar un handover), asignación dinámica de los

recursos radio tanto en el enlace ascendente como descendente,

control de interferencias entre estaciones base, control de la

realización y del envío de medidas desde los equipos de usuario

que puedan ser útiles en la gestión de recursos, etc.

Evolved NodeB (eNB)

• Otra función importante introducida en la funcionalidad de un eNB

es la selección dinámica de la entidad MME de la red troncal EPC

cuando un terminal se registra en la red LTE. En E-UTRAN, a

diferencia de arquitecturas más jerarquizadas como GERAN o las

primeras versiones de UTRAN, un eNB puede estar conectado

simultáneamente a múltiples MMEs de la red troncal.

• Así, mediante la selección de qué entidad MME va a controlar el

acceso de cada usuario, es posible balancear la carga de

señalización entre diferentes MMEs así como aumentar la robustez

del sistema frente a puntos de fallo críticos.

Interfaz radio

• La interfaz radio soporta básicamente tres tipos de

mecanismos de transferencia de la información en el canal

radio: difusión de señalización de control, transferencia de

señalización de control dedicada entre un equipo de usuario y

el eNB y envío de paquetes IP.

El envío de paquetes IP entre el eNB y un equipo de usuario a través

de la interfaz radio se sustenta en una torre de protocolos formada por

una capa de enlace y una capa física.

• La capa de enlace se desglosa a su vez en tres subcapas: Packet

Data Convergence Protocol (PDCP), Radio Link Control (RLC) y

Medium Access Control (MAC). Cada capa/subcapa se ocupa de un

conjunto de funciones concreto y define el formato de los paquetes

de datos (e.g., cabeceras y colas) que se intercambian entre

entidades remotas.

• La capa física. Es la encargada de realizar la transmisión

propiamente dicha a través del canal radio. Alberga funciones de

codificación de canal, modulación, procesado asociado a las técnicas

de múltiples antenas de transmisión/recepción y mapeo de la señal a

los recursos físicos frecuencia-tiempo apropiados.

Protocolos de Interfaz de radio

Red troncal de paquetes

Evolucionada: EPC

El núcleo del sistema EPC está formado por tres entidades de red:

MME (Mobility Management Entity), Serving Gateway (S-GW) y Packet

Data Network Gateway (P-GW).

Junto con la base de datos

principal del sistema 3GPP

denominada HSS (Home

Subscriber Server), constituyen

los elementos básicos para la

provisión del servicio de

conectividad IP entre los equipos

de usuario conectados a través de

E-UTRAN y redes externas a las

que se conecta la red troncal EPC.

El SAE (Service Architecture Evolution) Gateway está conformado por

dos entidades lógicas, el Serving Gateway y el PDN Gateway, los

cuales cumplen la función de interface entre la red de acceso y las

diferentes redes de paquetes.

Service Architecture Evolution

Mediante el interface S4, basado en

protocolo GTP es la entidad involucrada

con el tráfico de usuario en caso de

movilidad entre LTE y otra tecnología

3GPP.

En caso de ser necesario disponer de

información del tráfico de usuario ante un

requerimiento judicial, se encarga de

replicar dicha información.

El Serving Gw se encarga entre otras de las siguientes funciones:

Interviene de forma activa en el proceso de movilidad cuando se

produce un traspaso (handover) entre eNBs.

• Por su parte el PDN GW se considera el punto de entrada/salida del tráfico

hacia/ desde el usuario, proporcionando conectividad hacia el resto de

redes externas y destacando las siguientes tareas:

A través del interface S7 se realiza la transferencia de las políticas de

calidad de servicio y tarifación que se aplican al tráfico de usuario entre el

PCRF y el PDN GW.

SAE Gateway…

◦ Facilita la movilidad

transparente y la continuidad

en las sesiones de usuario

cuando éste se desplaza

entre redes de acceso

tecnológicamente

heterogéneas, es decir desde

una red alineada con el 3GPP

(GSM, UMTS, HSPA) a otra

red no alineadas con el 3GPP

(Wimax o WiFi), o viceversa.

El MME es el nodo principal de acceso a la red LTE, administrando las interfaces de la red de acceso y el núcleo de la red. En este plano realiza las siguientes funciones:

• Control de acceso a red: Gestiona la autenticación y la autorización para los equipos de usuario. También facilita a los equipos la obtención de conectividad IP.

• Administración de radio: Encargado de gestionar los recursos de radio.

• Administración de movilidad: Proporcionan la interconexión para múltiples casos de uso como Inter-eNB y el Intger-RAT

MME (Mobility Management Entity)

• Administración de Roaming:

Soporta la entrada y salida de los

suscriptores móviles de otros LTE y

redes tradicionales.

• Administración de seguimiento de

zona: Asigna y reasigna la

identificación de área de zona.

HSS (Home Subscriber Server)

• Es la base de datos principal que almacena los datos de todos los

usuarios de la red. La información almacenada es tanto lo relativo a

la suscripción del usuario como lo necesario para la operatividad de

la red. Esta base de datos es consultada y modificada desde las

diferentes entidades de red encargadas de prestar los servicios de

conectividad o servicios finales (desde el MME de red troncal EPC y

también desde servidores de control del subsistema IMS).

• La información almacenada en la HSS que podemos encontrar:

identificadores universales del usuario, identificadores de servicio,

información de seguridad y cifrado, información relacionada con la

ubicación de un usuario en la red, etc. HSS se estandarizo en

3GPP R5 en base a la integracion de dos entidades definidas en

redes GSM y que se denominan HLR y AuC, a las que se les han

añadido funcionalidades adicionales necesarias para soportar el

acceso y la operativa del sistema LTE.

IMS (IP Multimedia Subsystem)

• Es un subsistema que proporciona los mecanismos de control

necesarios para la prestación de servicios de comunicación

multimedia que están basados en la utilización del protocolo IP a

los usuarios de la red LTE.

• El núcleo del subsistema IMS lo forman las entidades

denominadas CSCF (Call Session Control Function).

Básicamente, se trata de servidores SIP

• El Serving CSCF (S-CSCF) actúa como el nodo central de la señalización en

sesiones IMS. El S-CSCF actúa como servidor de registro SIP.

• El Proxy CSCF (P-CSCF) es un servidor SIP que actúa como la puerta de

entrada al subsistema IMS desde la red de conectividad IP.

• El Interrogating CSCF (I-CSCF) es un servidor SIP que actúa como puerta de

entrada de la señalización SIP proveniente de redes externas.

IMS (IP Multimedia Subsystem)

El IMS se estructura en tres capas:

• Transporte, representa la infraestructura de red IP.

• Control, aquí se ubican los servidores SIP en la gestión de sesiones

• Aplicación, residen los servidores de aplicación.

La idea es desplegar una infraestructura constituida por una serie de

elementos (servidores, base de datos, pasarelas) que se

comunicaran entre si mediante una serie de protocolos, la mayoría

estándares del IETF, y que nos permiten ofrecer servicios de voz y

video sobre IP, videoconferencia, mensajería instantánea, etc.

Equipos de Usuario

• El equipo de usuario (User Equipment, UE) contiene dos elementos

básicos: un modulo de subscripcion del usuario (SIM/USIM) y el

terminal móvil propiamente dicho (Mobile Equipment, ME). A su vez,

el SE ME considera dos entidades funcionales: la terminación móvil

(MT) y el equipo terminal (TE).

Equipos de Usuario

• Módulo de suscripción de usuario: La SIM/USIM esta asociada a

un usuario y por tanto es quien le identifica dentro de la red

independientemente del equipo móvil utilizado. La separación entre

SIM y ME facilita que un usuario pueda cambiar de terminal sin

necesidad de cambiar de identidad, de SIM.

• El equipo móvil (ME): en el se integran las funciones propias de

comunicación con la red celular, así como las funciones adicionales

que permiten la interacción del usuario con los servicios que ofrece

la red.

• Terminación móvil (MT): alberga las funciones propias de la comunicación.

• Equipo terminal (TE): equipo que se ocupa de la interacción con el usuario.

• Las tecnologías de nivel físico que se implementan en el sistema

LTE y que permiten alcanzar mayores niveles de capacidad y

eficiencia en el uso de los recursos radio que los sistemas

predecesores son:

• En el enlace descendente se usa la técnica de acceso múltiple

denominada OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple

Access) y para el enlace ascendente, la técnica denominada

CS-FDMA (Single Carrier Frequency Division Multiple Access).

• Asimismo utiliza también las estructuras de transmisión y

recepción con múltiples antenas (MIMO).

Tecnologías de nivel físico

• La técnica de transmisión OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplex)

constituye un mecanismo de transmisión multi-portadora consistente en

multiplexar un conjunto de símbolos sobre un conjunto de subportadoras.

Gracias a las propiedades de ortogonalidad de dichas subportadoras, es

posible efectuar la transmisión simultánea de todos los símbolos

manteniendo la capacidad de separación de los mismos en recepción.

• La técnica de acceso múltiple OFDMA (Ortogonal Frequency Division

Multiple Access), utilizada en el enlace descendente de LTE, surge de

forma natural a partir de la modulación OFDM al considerar la posibilidad

de que los diferentes símbolos modulados sobre las subportadoras

pertenezcan a usuarios distintos. De esta forma, es posible acomodar

varias transmisiones simultáneas correspondientes a diferentes flujos de

información al viajar en subportadoras diferentes.

Tecnologías de Nivel Físico - OFDM

• Ventajas.

• Diversidad multiusuario: La asignación de subportadoras se realiza de

manera dinámica (scheduling).

• Diversidad frecuencial: es posible asignar a un mismo usuario

subportadoras no contiguas, lo que nos proporciona diversidad

frecuencial en la transmisión.

• Robustez frente al multitrayecto, gracias a la utilizacion del prefijo

ciclico.

• Flexibilidad en la banda asignada, nos proporciona una forma sencilla

de acomodar diferentes velocidades de transmision a los diferentes

usuarios.

• Desventajas.

• Elevada relacion entre la potencia instantanea y la potencia media

(PAPR).

• Susceptibilidad frente a errores en frecuencia.

Tecnologías de Nivel Físico - OFDM

• En el sistema LTE se ha optado por utilizar la técnica OFDMA para el enlace

descendente porque en la estación base se quieren técnicas que

incrementan la complejidad computacional para reducir el PAPR de la señal

OFDMA, y no es tan critica la eficiencia ni el coste de los amplificadores de

potencia. Sin embargo, en el terminal del usuario si que es crítico reducir el

consumo de potencia y conseguir por lo tanto una gran eficiencia en el

amplificador, por lo que se ha optado por una técnica de acceso de

portadora única.

• SC-FDMA se basa en unos principios de transmisión muy similares a los de

OFDM, pero en este caso se efectúa una pre codificación de los símbolos

que se van a transmitir previa al proceso de transmisión OFDM, lo que nos

permitirá reducir las variaciones en la potencia instantánea.

Tecnologías de Nivel Físico – SC-FDMA

• Multiple Input Multiple Output o MIMO es una tecnología de antenas

inteligentes, de arrays adaptativos empleada en algunas redes

inalámbricas, que aprovecha el fenómeno de multipropagación y

radiocomunicaciones en diversidad de espacio para conseguir una

mayor velocidad y un mejor alcance del que se consigue con las

antenas tradicionales.

• El sistema MIMO utiliza múltiples antenas tanto para recibir como

para transmitir. Una transmision de datos a tasa elevada se divide

en múltiples tramas mas reducidas. Cada una de ellas se modula y

transmite a través de una antena diferente en un momento

determinado, utilizando la misma frecuencia de canal que el resto

de las antenas. Debido a las reflexiones por multitrayecto, en

recepción la señal a la salida de cada antena es una combinación

lineal de múltiples tramas de datos transmitidas por cada una de las

antenas en que se transmitió.

Tecnologías de Nivel Físico - MIMO.

• La tecnología MIMO emplea varias antenas tanto en el transmisor

como en el receptor, y para un mismo ancho de banda y potencia

transmitida consigue mejores resultados que los sistemas SISO

(single input single output).

• Las tramas de datos se separan en el receptor usando algoritmos

que se basan en estimaciones de todos los canales entre el

transmisor y el receptor. Además de permitir que se multiplique la

tasa de transmisión (al tener mas antenas), el rango de alcance se

incrementa al aprovechar la ventaja de disponer de antenas con

diversidad.

Tecnologías de Nivel Físico - MIMO.

• El objetivo de 3GPP LTE Advanced es alcanzar y sobrepasar los

requerimientos de la ITU. LTE Advanced debe ser compatible y

compartir frecuencia de bandas con el primer lanzamiento de LTE.

• Uno de los importantes beneficios de LTE Advanced es la

capacidad de tomar ventaja de la topología avanzada de las redes;

redes optimizadas heterogéneas con una mezcla de macros con

nodos de bajo consumo como pico celdas, femtoceldas y nuevos

nodos de retransmisión.

• LTE Advanced también permite a los proveedores poder usar ultra

anchos de banda, hasta 100 Mhz de espectro soportando tasas de

datos realmente altas.

LTE Advanced

• Las propuestas para LTE Advanced fueron: – Sistema escalable de ancho de banda excediendo los 20 MHz,

potencialmente hasta los 100 MHz.

– Optimización de la interfaz aérea

– Red nómada y soluciones de movilidad

– Uso del espectro flexible

– Configuración y operación de la red automática y autónoma

– Precodificado mejorado y corrección de errores hacia adelante

– Administración de interferencia y supresión

– Asignamiento del ancho de banda asíncrono para FDD, OFDMA y SC-

FDMA híbrido en enlace de subida

– MIMO coordinado UL/DL inter eNB.

LTE Advanced

LTE de ENTEL, hasta en las capitales, la velocidad de descarga

no supera el umbral de 1 Mbps. Además, al realizar la conexión

con la aplicación incluida en el módem, aparece claramente el tipo

de red disponible: HSPA.

Aunque se ha notado el salto cualitativo de la velocidad de

conexión con HSPA, todavía no podemos hablar de alta velocidad, y

menos de 4G. Con HSPA, la velocidad debería poder alcanzar los

5Mbps, pero no se ha podido verificar en ninguna prueba. Si

hubiera 4G, el umbral debería poder alcanzar al menos 100 Mbps

en descarga y 50 Mbps en subida.

LTE en Bolivia

VIVA. Aunque en la web corporativa, se habla de “Internet 4G”, la

misma página aclara que se trata de conexión HSPA+ (conocida

también como 3G++), el escalón previo antes de alcanzar el 4G.

Claro, los que no tienen conocimientos técnicos no repararán en

esta diferencia, pero la velocidad que se vende como 4G tampoco

es real con Viva.

En las pruebas realizadas, la tasa de transferencia ni se acerca a

los 84Mbps de bajada (umbral teórico en HSPA+) ni siquiera en

las grandes ciudades, siendo muy inferior en comunidades más

alejadas.

LTE en Bolivia

TIGO.

Tigo es la empresa más honrada: en la web no hay referencia a 4G,

aunque se habla de “altas velocidades”. La misma web aclara que

la velocidad de descarga podría alcanzar los 2 Mbps, umbral

máximo de tecnología 3G en condiciones óptimas, a 3 pasos

por debajo del 4G.

LTE en Bolivia

En comunidades más alejadas se ha notado un rendimiento

superior a Viva, acercándose más a las velocidades ofrecidas por

Entel. Aún así, en una sencilla prueba de rendimiento, se puede

notar que la señal máxima alcanza 1Mbps (con picos puntuales de

hasta 1.1 Mbps) pero no es constante y a lo largo de la descarga

presenta fluctuaciones importantes, reduciendo la velocidad a

menos de 0.4 Mbps (velocidad máxima alcanzable en redes EDGE

de 2G):.

LTE en Bolivia

• LTE maneja el plano de datos de una manera directa en comparación con 3G esto permite que los datos viajen con una mayor velocidad debido a que no tienen que pasar por todos los nodos.

• A la luz de estos datos, podemos afirmar sin lugar a dudas que las velocidades disponibles con estas compañías ni siquiera se acercan a la transferencia habitual en tecnología 4G.

• La venta de conexión a Internet 4G responde más bien a una estrategia de marketing para hacer creer a la población que la infraestructura de telecomunicaciones es mejor de lo que realmente es.

• De momento en Bolivia no hay 4G. ¿Se podría hablar entonces de publicidad engañosa?

Conclusiones

• Preguntas …….

• Muchas gracias …….