Evolución a 4G en redes móviles

Evolución a 4G en redes móviles

Integrantes:

Manuel Fernández.Catalina Molina Valencia.

Lucas Sambuco Salomone.Diego Vilaseca.

Luciano César Natale.

Introducción

Los sistemas de telefonía móvil de cuarta generación (4G) están basados en lo que se conoce como sistemas IMT-Advanced (International Mobile Telecommunications Advanced) definidos por la ITU-R (International Telecommunication Union, Radiocommunication Sector).

Requerimientos

Existen varios requerimientos para considerar que un sistema de comunicaciones es 4G:

Debe estar basado en redes de conmutación de paquetes IP.

Debe tener picos en la tasa de transferencia de hasta 100 Mbps para accesos de alta movilidad y de hasta 1Gbps para accesos de baja movilidad.

Uso compartido de los recursos de la red permitiendo varios usuarios por celda.

Requerimientos

Ancho de banda escalable (5-20 MHz). Opcionalmente, puede elegirse un ancho de banda de hasta 40 MHz.

Eficiencia espectral de conexión de 15 bps/Hz en bajada y 6.75 bps/Hz en subida.

Eficiencia espectral de sistema de 3 bps/Hz para bajada y 2.25 bps/Hz para uso en interiores.

Habilidad para ofrecer aceptable QoS en aplicaciones multimedia de próxima generación.

Tecnologías utilizadas

Internet Protocol version 6 (IPv6).

Orthogonal Frequency Division Multiple Access (OFDMA) para el tráfico de bajada.

Single Carrier – Orthogonal Frequency Division Multiple Access (SC-OFDMA) para el tráfico de subida.

Multi-Used Multiple Input – Multiple Output (MU-MIMO).

IPv6

Los requerimientos en los sistemas 4G en cuanto a la velocidad transforman en un factor muy importante la elección de la versión del protocolo de internet (IP) que

se utilice, algo que se acentúa debido a que 4G está creado para operar como una red basada exclusivamente en IP.

IPv6

La transición de IPv4 a IPv6 permite solucionar muchas dificultades, debido a varios aspectos.

El aumento en la longitud de la palabra de dirección de 32 bits en IPv4 a 128 bits en IPv6 permite eliminar la

utilización del algoritmo de Network Address Translation (NAT).

Provee seguridad propia de cada transmisión IP. Esto lo implementa a través de Internet Protocol Security (IPsec), el cual es un protocolo que implementa

seguridad en la red, encriptando y autenticando cada paquete IP dentro de una sesión.

OFDMA

Como una extensión de la multiplexación ortogonal por división de frecuencia (OFDM) al

caso multiusuario.

Cada usuario que transmite tiene asignado un conjunto de subportadoras con una frecuencia

determinada.

OFDMA

La asignación de las subportadoras individuales puede implementarse de

dos formas diferentes:

Asignación de un paquete de subportadoras localizado alrededor

de una determinada frecuencia.

Asignación distribuida, con subportadoras alternadas.

OFDMA

En la telefonía móvil OFDMA reemplazó a CDMA2000 y Wideband CDMA (W-CDMA) debido a varios factores que

presenta como ventajas:

Permite ajustar mejor los niveles máximos de potencia, en los casos en que se necesita una baja tasa de transmisión.

Los canales asignados son más planos, permitiendo así obtener una mejor eficiencia espectral.

OFDMA

Elimina fácilmente las interferencias debido a celdas vecinas, utilizando permutaciones de

portadoras entre los usuarios de celdas cercanas.

OFDMA

Permite eliminar más fácilmente y con menor costo en complejidad algorítmica las interferencias debido a las multitrayectorias dentro de la celda. Para ello utiliza las “Smart Antennas” y algoritmos de asignación con permutaciones cíclicas.

OFDMA

La ecualización en el receptor, usando ecualización en el dominio de la frecuencia, es menos compleja que en 3G con CDMA, utilizando ecualización en el dominio del tiempo. Esto lo logra utilizando algoritmos de procesamiento basados en FFT, los cuales se encuentran muy desarrollados actualmente.

SC-OFDMA

La tecnología SC-OFDMA puede verse como un sistema de transmisión similar a OFDMA con Precoding lineal, ya que respecto al OFDMA usual, incorpora procesamiento DFT

previo a la transmisión.

SC-OFDMA

Debido a que en SC-OFDMA, los símbolos a transmitir, primeros son procesados por un bloque DFT, y recién luego se utilizan en la modulación, la señal finalmente transmitida

puede alcanzar menores Peak-to-Average Power Ratio (PAPR).

Lo anterior, lo hace ideal para su utilización como sistema de transmisión de subida en telefonía móvil, en donde el

rendimiento de potencia en el transmisor es cada vez más importante.

MU-MIMO

La utilización de tecnologías de transmisión MIMO en aplicaciones móviles para 4G debe

desarrollar 3 funciones esenciales.

Precoding.

Multiplexación espacial.

Estimación del canal.

Precoding

En comunicaciones móviles, varios usuarios transmiten, utilizando múltiples antenas transmisoras, información a otros usuarios, los

cuales, también pueden usar múltiples antenas receptoras.

Para maximizar la ganancia de la señal recibida por cada usuario, se usa multi-stream beamforming.

Como hay múltiples antenas receptoras no puede garantizar una máxima ganancia para cada usuario.

SE ESTABLECEN MECANISMOS DE PONDERACIÓN DE ACUERDO AL SERVICIO QUE ESTÉ USANDO CADA UNO DE

LOS USUARIOS.

Precoding

Pueden usarse dos tipos de algoritmos diferentes para hacer precoding.

Algoritmos MMSE.

Algoritmos DPC.

Precoding

Minimum Mean Square Error (MMSE) Precoding: Utiliza algoritmos lineales basados en que existe un elevado conocimiento de la dinámica actual del canal (Channel State Information, CSI). Dependiendo de si la limitación en la performance se debe al ruido o a la interferencia entre usuarios, se utilizan diferentes algoritmos: Zero-Forcing (ZF) para sistemas limitados por la interferencia entre usuarios, como sistemas con un elevado número de usuarios por celda. Maximum Ratio Transmission (MRT) para sistemas limitadas por el ruido, donde la interferencia entre usuarios en despreciable. Pueden usarse algoritmos subóptimos cuando el conocimiento sobre el canal es pobre, basados en beamforming aleatorio.

Precoding

Dirty Paper Coding (DPC) Precoding: Utiliza algoritmos no lineales en el transmisor, que eliminan la interferencia entre las señales enviadas por los demás usuarios. Requiere un conocimiento total del estado del canal (CSI), ya que un error en la codificación introduciría niveles no tolerables de interferencia.

Los algoritmos más conocidos son el de Tomlinson-Harashima, el de Costa y la técnica de perturbación vectorial.

Multiplexación espacial

Se utilizan técnicas de Spatial Division Multiple Access (SDMA) junto con técnicas de “antena inteligente”.

Este método permite aumentar la capacidad del canal en situaciones en las cuales la relación señal a ruido (SNR) es

elevada.

Se necesita una separación mínima entre las antenas transmisoras.

Multiplexación espacial

número de antenas transmisoras y el número de antenas receptoras, permite aumentar en un factor igual la eficiencia espectral.

En la realidad, si se utiliza todo el espacio de transmisión, no todos los flujos paralelos tendrán una ganancia de canal aceptable.

Idealmente, la transmisión de una cierta cantidad de flujos de información en paralelo, la cual resulta del mínimo entre el

Estimación del canal

Pueden distinguirse dos escenarios.

Canales rápidamente cambiantes: En este tipo de sistemas, es muy importante, no sólo conocer el estado actual del canal, sino además su comportamiento estadístico, pudiendo con ello llevar a cabo actualizaciones constantes en el estado estimado.

Canales lentamente cambiantes: En este caso, puede llegar a alcanzar con conocer el estado actual del canal. De todas formas, es necesario llevar a cabo actualizaciones en los parámetros usados para representar al canal, a través de estimaciones periódicas del estado del mismo.

Sistemas 4G

Luego de que en el 2009, la ITU evaluara todas las propuestas de sistemas candidatos para las redes móviles de cuarta generación, dos tecnologías emergieron como las dos opciones principales como base de cualquier sistema 4G:

Long Term Evolution Advanced (LTE Advanced).

Wireless MAN-Advanced.

3GPP LTE

Inicialmente, LTE surgió como el último estándar de 3G, explícitamente como un proyecto del 3rd

Generation Partnership Project (3GPP).

Esto permitió una transición “suave” entre ambos paradigmas (3G y 4G).

3GPP LTE

Los primeros servicios de 3GPP LTE disponibles comercialmente fueron provistos por la empresa

TeliaSonera en Estocolmo (Suecia) y Oslo (Noruega) en diciembre de 2009.

LTE Advanced

LTE Advanced busca satisfacer los requerimientos de la ITU para sistemas IMT-Advanced, es decir, sistemas 4G.

Con buen criterio, LTE Advanced fue diseñado pensando en que sea compatible con su versión inicial de 3G (3GPP LTE).

LTE Advanced

LTE Advanced presenta numerosas ventajas como tecnología 4G.

El aprovechamiento de las topologías de red actuales, con el fin de lograr transmisiones de muy baja potencia, a

través de picoceldas o femtoceldas.

Capacidades adicionales de asignación del espectro y multiplexación, a través de la utilización de OFDMA y SC-OFDMA, permitiendo así incrementar las velocidades de

tráficos de bajada y subida.

Logra tasas de transferencia de bajada con picos de hasta 3.3 Gbps en el caso ideal.

LTE Advanced

Utiliza modulación 128QAM (128-Quadrature Amplitude Modulation). Este tipo de modulación (en amplitud y fase), presenta una menor robustez que las modulaciones PSK (Phase-Shift Keying), sin embargo, cuando no son necesarias transmisiones de elevada potencia (algo razonable teniendo en cuenta el desarrollo de celdas cada vez más pequeñas), el rendimiento de QAM es superior en cuanto a su Bit Error Rate (BER) para una dada relación señal a ruido (SNR).

LTE Advanced

La tecnología LTE está pensada para operar en la banda pública de 700 MHz (radiofrecuencias).

Actualmente, muchas tecnologías quieren imponerse como usuarios de dicha banda, por lo cual se espera una futura estandarización al respecto.

Wireless MAN-Advanced

Surge como una evolución Worldwide Interoperability for Microwave Access (WiMAX) pensado para teléfonos móviles de cuarta generación (4G).

Aún no posee una banda de frecuencias específica en la cual operar. Esto se debe en parte a que WiMAX utiliza diferentes bandas de frecuencias, como por ejemplo, 2.3 GHz, 2.5 GHz, 3.5 GHz.

Wireless MAN-Advanced

La implementación de esta tecnología está proyectada en IEEE P802.16m, también conocido como Mobile WiMAX Release 2.

Wireless MAN-Advanced

El primer teléfono móvil 4G con esta tecnología es el HTC Max 4G de la empresa High Tech Computer Corporation (HTC Corporation), lanzado en noviembre de 2008.

El equipo estuvo sólo disponible en Rusia operando sobre la red Yota.

Wireless MAN-Advanced

Entre sus características más importantes se puede destacar la utilización de la banda 2.5~2.7 GHz, la posibilidad de soportar video sobre IP y estar basado en Windows Mobile 6.1.

Wireless MAN-Advanced

El segundo teléfono móvil 4G con esta tecnología es el HTC Evo 4G, desarrollado nuevamente por HTC Corporation y distribuido por Sprint Nextel.

Wireless MAN-Advanced

Características:

Utiliza un procesador Qualcomm QSD8650, compuesto por un microprocesador Snapdragon Scorpion y un graficador Adreno

200. Tiene 512 MB de eDRAM y 1024 MB de built-in ROM.

Posee una cámara de 8 megapíxeles que puede grabar videos en 720p con hasta 30 cuadros por segundos. Posee además una

cámara de 1.3 megapíxeles específicamente diseñada para videollamadas.

Soporta tarjetas microSD de hasta 32GB. El equipo puede incluso tener preinstalada una tarjeta microSDHC Class 2 de 8

GB.

Wireless MAN-Advanced

Características:

El equipo posee una unidad HDMI tipo D, que permite enviar contenidos a un televisor High Definition (HD).

Inicialmente, el equipo contaba con el sistema operativo Android OS 2.1 “Eclair”, aunque versiones posteriores incorporaron el sistema

operativo Android OS 2.2 “Froyo”. Actualmente, la versión más reciente es el Android 2.3.3 “Gingerbread”, la cual puede ser instalada manualmente por el usuario, simplemente buscando la actualización

correspondiente.

Utiliza una batería de ion Litio de 1500 mAh. En este aspecto, ha sido criticada la falta de autonomía del equipo, ya que se ha demostrado

que la batería no llega a durar un día entero de uso normal del equipo. Esto ha sido solucionado con el lanzamiento del Android 2.3.3.

¡Muchas gracias!