Tutorial 3G LTE 3GPP Long Term Evolution http://www.radio-electronics.com/info/cellulartelecomms/index.php
Tutorial acerca de los fundamentos de 3G LTE (Long Term Evolution) de la 3GPP. Planes de LTE para la próxima generación de servicios celulares de telecomunicaciones. Este Tutorial incluye:
Introducción tutorial OFDM y OFDMA/SC-FDMA MIMO Esquemas Dúplex TDD y FDD Estructura de trama y subtrama Canales físicos, lógicos y de transporte Bandas y espectro de frecuencia Definición de categorías de UE Evolución de la arquitectura del sistema SAE Voz sobre LTE, VoLTE Seguridad
3G LTE ahora se está implementando y es la forma de seguir adelante con los servicios celulares de alta velocidad. Ha habido un rápido aumento en el uso de datos transportados por lo servicios celulares, y este aumento sólo será mayor en lo que se ha denominado como la explosión de datos. Para atender esto y el aumento de la demanda por mayores velocidades en la transmisión de datos y una menor latencia, ha sido necesario un mayor desarrollo de la tecnología celular. La actualización de tecnología celular UMTS ha sido denominada LTE - Long Term Evolution. La idea es que 3G LTE permitirá lograr velocidades mucho mayores, junto con mucho menor latencia en los paquetes (una creciente exigencia para muchos servicios en estos días), y que 3GPP LTE permitirá a los servicios de comunicaciones celulares avanzar para satisfacer las necesidades de tecnología celular para el año 2017 y más allá. Muchos operadores aún no han actualizado sus redes 3G básicas y 3GPP LTE es visto como el siguiente paso lógico para muchos operadores, que saltarán directamente desde 3G básica directamente a LTE, ya que esto evitará pasar por varias etapas de actualización. El uso de LTE también proporcionará las capacidades de datos que serán necesarias durante muchos años y hasta el lanzamiento completo de las normas de 4G completas, conocidas como LTE Advanced. Evolución de 3G LTE Aunque ha habido cambios importantes entre LTE y sus predecesores de 3G, estos cambios sin embargo son considerados como una evolución de los estándares UMTS de 3G de 3GPP. Aunque utiliza una forma diferente de la interfaz de radio, usando OFDMA/SC-FDMA en lugar de CDMA, existen muchas similitudes con las formas anteriores de la arquitectura 3G y de hecho se reutiliza gran parte del sistema básico. Puede considerarse que LTE proporciona una mayor evolución de la funcionalidad, mayor velocidad y mejora el rendimiento en general.
WCDMA HSPA (UMTS) HSDPA / HSUPA
HSPA+
LTE
Max velocidad en el enlace descendente (bps)
384 k
14 M
28 M
100M
Max velocidad en el enlace ascendente (bps)
128 k
5.7 M
11 M
50 M
Latencia aproximada en el 150 ms tiempo de viaje de ida y vuelta
100 ms
50ms (max) ~10 ms
3GPP releases
Rel 5 / 6
Rel 7
Rel 8
Approx years years of initial roll out out 2003 / 4
2005 / 6 HSDPA 2007 / 8 HSUPA
2008 / 9
2009 / 10
Access methodology
CDMA
CDMA
OFDMA / SC-FDMA
Rel 99/4
CDMA
Además de esto, LTE es una red totalmente basada en IP, soporta IPv4 e IPv6. El sistema no ofrece una provisión básica para el transporte de voz, aunque esta se puede llevar a través de VoIP. Tecnologías de 3GPP LTE
Cuando se compara LTE con los sistemas celulares anteriores, puede verse que este ha introducido una serie de nuevas tecnologías que le permiten operar más eficientemente con respecto al uso del espectro y ofrecer velocidades de datos mucho mayores de las que eran requeridas. Las siguientes son algunas de estas tecnologías: t ecnologías:
OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplex ): ): esta tecnología se ha incorporado dentro de LTE porque permite la transmisión eficiente de altos anchos de banda de datos, mientras ofrece un alto grado de resistencia a las reflexiones y a la interferencia. Los regímenes de acceso difieren entre el uplink (UL) y downlink (DL). En el enlace descendente se utiliza OFDMA ( Orthogonal Frequency Division Multiple Access); mientras que en la subida se utiliza SC-FDMA ( Single Carrier-Frequency Division Multiple Access). SC-FDMA es usado en vista del hecho de que su pico de tasa de potencia media es pequeño y el hecho de tener una potencia más constante permite tener una alta eficiencia en el amplificador de RF de de los teléfonos móviles - un factor factor importante para el equipo de alimentación de batería. MIMO (Multiple Input Multiple Output ) (múltiple entrada múltiple salida): uno de los principales problemas que han enfrentado los anteriores sistemas de telecomunicaciones es el de las múltiples señales resultantes de las muchas reflexiones que se encuentran. Mediante el uso de la tecnología MIMO, estos caminos de señal adicionales pueden utilizarse con ventaja para aumentar el rendimiento del sistema. Cuando se utiliza MIMO, es necesario utilizar múltiples antenas para poder distinguir las diferentes trayectorias de la señal. En consecuencia, pueden utilizarse esquemas mediante matrices de antenas 2 x 2, 4 x 2 o 4 x 4. Pero mientras es relativamente fácil
añadir nuevas antenas en una estación base, lo mismo no es posible en los teléfonos móviles, donde las dimensiones de equipo de usuario limitan el número de antenas, las cuales deben estar separadas al menos una longitud de onda.
Evolución de la arquitectura del sistema (SAE: System Architecture Evolution): para cumplir con los requerimientos de tener en 3G LTE una muy alta velocidad de datos y una baja latencia, es necesario que la arquitectura del sistema evolucione, para permitir que se logre una mejora en el rendimiento. Uno de los cambios consiste en que varias de las funciones anteriormente manejadas por el núcleo de la red han sido transferidas hacia la periferia. Esencialmente, esto proporciona una arquitectura de red mucho más plana, de tal manera que los tiempos de latencia puedan reducirse y se pueden enrutar los datos más directamente hacia su destino.
Estas tecnologías se tratan con mayor detalle en las siguientes páginas de este tutorial. Visión general de la especificación de LTE 3G Vale la pena resumir los parámetros claves de la especificación 3G LTE. En vista del hecho de que hay una serie de diferencias entre la operación de los enlaces ascendente y descendente, estos naturalmente difieren en el rendimiento que pueden ofrecer. Parámetro
Detalles
Pico de la velocidad del DL 64QAM (Mbps)
100 (SISO), 172 (2x2 MIMO), 326 (4x4 MIMO)
Pico de la velocidad del UL (Mbps)
50 (QPSK), 57 (16QAM), 86 (64QAM)
Tipo de dato
Todo con conmutación de paquetes (voz y datos). Sin conmutación de circuitos.
Anchos de banda del canal (MHz)
1.4, 3, 5, 10, 15, 20
Esquemas Duplex
FDD y TDD
Movilidad
0 - 15 km/h (optimizado), 15 - 120 km/h (Alto desempeño)
Latencia
De libre a activo menos de 100ms Paquetes pequeños ~10 ms
Eficiencia espectral
Downlink: 3 - 4 veces. Rel 6 HSDPA Uplink: 2 - 3 x Rel 6 HSUPA
Esquemas de Acceso
OFDMA (Downlink) SC-FDMA (Uplink)
Tipos de Modulación soportados
QPSK, 16QAM, 64QAM (Uplink y downlink)
Este resumen de especificaciones puede dar una visión general del rendimiento que ofrece LTE. Este cumple con los requisitos impuestos por la industria para velocidades de descarga de datos, así como de latencia reducida - un factor importante para muchas aplicaciones desde VoIP hasta el uso de juegos y uso interactivo de datos. También proporciona importantes mejoras en el uso del espectro disponible. OFDM, OFDMA y SC-FDMA en LTE Visión general sobre los fundamentos de OFDM, OFDMA y SC-FDMA en LTE incluyendo prefijo cíclico (CP: cyclic prefix).
Uno de los elementos claves de LTE es el uso de OFDM ( Orthogonal frequency Division Multiplex ) como el portador de la señal y sus esquemas de acceso asociados, OFDMA (Orthogonal frequency Division Multiplex Access) y SC-FDMA (Single Carrier - Frequency Division Multiple Access). OFDM es usado en otros sistemas desde WLAN, WiMAX hasta tecnologías de difusión que incluyen DVB y DAB. OFDM tiene muchas ventajas, incluyendo su robustez ante el desvanecimiento (fading) por multitrayectoria e interferencia. Además, aunque puede parecer una forma particularmente complicada de modulación, ha adoptado técnicas de procesamiento digital de señales. En vista de sus ventajas, el uso de ODFM y de las tecnologías de acceso asociadas, OFDMA y SC-FDMA es una alternativa natural en el nuevo estándar celular LTE. Conceptos básicos OFDM
Aunque se utilizan los conceptos básicos de OFDM, este sistema ha sido naturalmente adaptado para satisfacer los requerimientos exactos de LTE. Sin embargo el principio de emplear muchas portadoras, cada una llevando una velocidad de datos baja, sigue siendo la misma. Nota sobre OFDM: OFDM es una forma de transmisión que utiliza un gran número de portadoras poco espaciadas que son moduladas con datos de baja velocidad. Normalmente se esperaría que estas señales se interfirieran entre sí, pero haciendo que estas señales sean ortogonales entre sí, no existe interferencia mutua. Esto se logra al tener el espaciado de las portadoras igual al inverso del período de los símbolos. Esto significa que cuando las señales se desmodulan tendrán un número entero de ciclos en el período del símbolo y su contribución dará una suma de cero - en otras palabras no hay ninguna contribución a la señal por interferencia. Los datos que van a se transmitidos se dividen entre todas las frecuencias portadoras y esto significa que mediante el uso de técnicas de corrección de error, si algunas de las portadoras se pierden debido a los efectos de múltiples trayectorias de la señal, entonces los datos pueden ser reconstruidos. Además transmitir los datos a una velocidad baja a través de todas las portadoras significa que se pueden superar los efectos de las reflexiones y de la interferencia intersimbólica. Esto también significa que se pueden implementar redes de frecuencia única, donde todos los transmisores pueden transmitir sobre el mismo canal.
La aplicación efectiva de la tecnología será diferente entre el enlace descendente (es decir, desde la estación base hasta los móviles) y el enlace ascendente (es decir, móvil a la estación base), como consecuencia de los diferentes requisitos entre las dos direcciones y los equipos en los extremos. Sin embargo OFDM fue elegido como el formato portador de señal porque es muy resistente a las interferencias. También en los últimos años se ha ganado un considerable
nivel de experiencia en su uso a través de las diversas formas de difusión que lo utilizan junto con Wi-Fi y WiMAX. OFDM es también un formato de modulación que es muy adecuado para el transporte de de datos a alta velocidad - uno de los requisitos claves de LTE. Además de esto, OFDM puede utilizarse en los formatos FDD y TDD. Esto se convierte en una ventaja adicional. Características y anchos de banda de canal LTE Uno de los parámetros claves asociados con el uso de OFDM dentro de LTE es la elección del ancho de banda. El ancho de banda disponible influye en una variedad de decisiones, incluyendo el número de portadoras que se pueden alojar en la señal OFDM y a su vez esto influye sobre elementos como la longitud del símbolo y otros. LTE define una serie de anchos de banda de canal. Obviamente, cuanto mayor sea el ancho de banda, mayor será la capacidad del canal. Los anchos de banda de canal que han sido elegidos para LTE son: 1. 2. 3. 4. 5. 6.
1,4 MHz 3 MHz 5 MHz 10 MHz 15 MHz 20 MHz
Además de esto las subportadoras se espacian 15 kHz entre sí. Para mantener la ortogonalidad, esto da una tasa de símbolo de 1/15 kHz = 66,7 µs. Cada subportadora es capaz de transportar datos a una velocidad máxima de 15 ksps (kilosymbols por segundo). Esto le proporciona a un sistema con ancho de banda de 20 MHz una tasa de símbolos básica de 18 Msps. A su vez es capaz de proporcionar una velocidad de datos básica de 108 Mbps, ya que cada símbolo es capaz de representar 6 bits, mediante el uso de 64QAM. Puede parecer que estas velocidades no concuerdan con las cifras que se incluyen en las especificaciones de LTE al inicio del documento. La razón de esto es que la velocidad máxima real de datos se obtiene restando antes las sobrecargas de codificación y control. Luego existen ganancias derivadas de elementos tales como el multiplexado espacial, etc.. Prefijo cíclico (CP) OFDM en LTE, Una de las principales razones para usar OFDM como un formato de modulación dentro de LTE (y en otros sistemas inalámbricos) es su resistencia a retrasos y dispersiones multitrayecto. No obstante sigue siendo necesario implementar métodos para agregar resistencia al sistema, para ayudar a superar la interferencia inter-simbólica (ISI).
En las zonas donde se prevé que exista ISI, esta puede evitarse insertando un período de guarda al principio de cada símbolo de datos. De esta manera es posible copiar una sección del final del símbolo, al principio. Esto se conoce como el prefijo cíclico, CP. El receptor puede entonces muestrear la forma de onda en el momento óptimo y evitar cualquier interferencia
inter-simbólica causada por reflexiones que se retrasan en duraciones de hasta la longitud del prefijo cíclico, CP. La longitud del prefijo cíclico, CP es importante. Si no es suficientemente larga, entonces no contrarrestará la dispersión por el retraso de la reflexión multitrayecto. Si es demasiado larga, entonces reducirá la capacidad de rendimiento de datos. Para LTE, la longitud estándar del prefijo cíclico ha sido elegida como 4,69 µs. Esto permite que el sistema se adapte a variaciones de trayectoria de hasta 1,4 km. Esto con la longitud del símbolo en LTE puesto en 66,7 µs. La duración del período de guardia Tg debe ser más larga que el peor de los casos de demora de propagación del medio ambiente de Multi-path de destino. La Figura ilustra la idea. En el receptor se elige una cierta posición dentro el prefijo cíclico, como punto de partida para el muestreo, de tal manera que se cumpla el siguiente criterio: τmax < Tx < Tg donde τmax es la dispersión Multi-trayecto en el peor caso. Como se ilustra en la figura, si la condición anterior se satisface, no existirá ninguna ISI ya que el símbolo anterior sólo tendrá efecto sobre muestras dentro del período [0, τmax]. También es evidente de la figura que el período de muestreo que inicia a partir de Tx, abarcará la contribución de todos los componentes de Multi- trayecto para que todas las muestras experimentan el mismo canal y no habrá ninguna ICI (Interferencia Inter-Canal).
La longitud del símbolo está definida por el hecho de que para sistemas OFDM la longitud del símbolo es igual a la recíproca del espaciado entre portadoras, por lo que se logra la ortogonalidad. Con un espaciado entre portadoras de 15 kHz, se obtiene una longitud del símbolo de 66,7 µs. OFDMA LTE en el enlace descendente La señal OFDM utilizada en LTE comprende un máximo de 2048 diferentes sub-carriers espaciadas 15 kHz. Aunque es obligatorio para los móviles que tengan la capacidad de poder recibir todas las 2048 sub-portadoras, no todas necesitan ser transmitidas por la estación base. Esta sólo debe ser capaz de soportar la transmisión de 72 sub-portadoras. De esta manera todos móviles podrán comunicarse con cualquier estación base. Dentro de la señal OFDM es posible elegir entre tres tipos de modulación: 1. QPSK (= 4QAM) 2. 16QAM 3. 64QAM
2 bits por símbolo 4 bits por símbolo 6 bits por símbolo
El formato exacto es elegido en función de las condiciones imperantes. Las formas inferiores de modulación (QPSK) no requieren de una señal con gran relación señal-ruido, pero no son capaces de enviar los datos tan rápido. Sólo cuando exista una suficiente relación señal a ruido, podrán usarse los formatos de modulación de orden superior.
Portadoras en el enlace descendente y bloques de recursos
En el enlace descendente, las subportadoras son separadas en bloques de recursos. Esto permite que el sistema pueda separar los datos entre un número estándar de subportadoras. Los bloques de recursos comprenden 12 subportadoras, independientemente del ancho de banda de la señal general LTE. Estas además cubren una ranura en la trama temporal. Esto significa que distintos anchos de banda de la señal LTE tendrán diferente número de bloques de recursos. Ancho de banda del canal (MHz) Numero de bloques de recursos
1.4
3
5
10
15
20
6
15
25
50
75
100
LTE SC-FDMA en el enlace ascendente Para el enlace de subida en LTE, como técnica de acceso se utiliza un concepto diferente. Aunque se sigue utilizando una forma de tecnología OFDMA, la implementación se llama Acceso Múltiple por División de Frecuencia con Portadora Única (SC-FDMA: Single Carrier Frequency Division Multiple Access). Uno de los parámetros claves que afecta a todos los móviles es el de la batería. A pesar de que el rendimiento de las baterías mejora cada día, sigue siendo necesario garantizar que los móviles utilicen tan poca potencia de batería como sea posible. Siendo el amplificador de potencia de RF que transmite la señal de radio frecuencia a través de la antena hacia la estación base, el elemento de mayor consumo de potencia dentro del móvil, es necesario que este opere de modo eficiente. Esto puede verse afectado significativamente por la forma de modulación de la frecuencia de radio y por el formato de la señal. Las señales que tienen una alta relación de pico a promedio y requieren amplificación lineal no se adaptan a la utilización de amplificadores de potencia de RF eficientes. Como resultado de ello es necesario emplear un modo de transmisión que tenga en lo posible un nivel de potencia constante cuando se opera. Lamentablemente OFDM tiene una alta relación de pico a promedio. Aunque esto no es un problema para la estación base donde la potencia no es un problema particular, es inaceptable para el móvil. Como resultado, LTE utiliza el esquema de modulación SC-FDMA, que es un formato híbrido, el cual combina la propiedad de tener una baja relación de pico a promedio ofrecida por los sistemas de portadora única con la resistencia a la interferencia por multi-trayectoria y la asignación flexible de frecuencia de subportadora que provee OFDM.
MIMO LTE MIMO (Múltiple entrada-Múltiple salid es otra de las innovaciones de tecnología utilizadas por LTE para mejorar el rendimiento del sistema. Esta tecnología brinda la posibilidad de mejorar el rendimiento y la eficiencia espectral por encima de la obtenida con el uso de OFDM LTE. Aunque MIMO agrega complejidad al sistema en términos de procesamiento y del número de antenas requeridas, permite lograr velocidades de datos muy altas junto con una mayor eficiencia espectral. Conceptos básicos de MIMO LTE El concepto básico de MIMO utiliza la propagación de de señal por múltiples rutas, la cual está presente en todas las comunicaciones terrestres, pero en lugar de proporcionar interferencia, estas múltiples rutas pueden utilizarse como unas ventaja. Dos de las principales limitaciones de los canales de comunicaciones son la interferencia por multitratectoria y las limitaciones en la transferencia de datos como resultado de la ley Shannon. MIMO proporciona una manera de utilizar las múltiples rutas de señal que existen
entre un transmisor y un receptor para mejorar significativamente la cantidad de datos disponibles en un canal determinado que tiene un ancho de banda definido. Mediante el uso de múltiples antenas en el transmisor y el receptor, junto con un complejo procesamiento digital de señales, la tecnología MIMO permite al sistema reunir múltiples flujos de datos en el mismo canal, lo que aumenta su capacidad de transmisión de datos. Los esquemas empleados en LTE en este caso también varían ligeramente para los enlaces ascendente y descendente. La razón de esto es mantener el costo del terminal bajo, puesto que hay mucho más terminales que estaciones base y como resultado terminal funciona a precio de coste es mucho más sensible. Para el enlace descendente, se usa básicamente una configuración de dos antenas transmisoras en la estación base y dos antenas receptoras en el terminal móvil, aunque también se están estudiando configuraciones con cuatro antenas. Para el enlace ascendente desde el terminal móvil a la estación base, se emplea un esquema llamado MU-MIMO (MIMO multiusuario). En este caso, aunque la estación base requiere múltiples antenas, los móviles sólo usan una antena transmisora, lo que reduce considerablemente el costo del móvil. En operación, varios terminales móviles pueden transmitir simultáneamente sobre el mismo canal o canales, pero no causan interferencias entre sí debido a que utilizan patrones de pilotos ortogonales entre sí. Esta técnica es también conocida como Acceso Múltiple en el dominio del espacio (SDMA).
Esquemas de duplexación LTE FDD, TDD y TD-LTE LTE ha sido definido para acomodar tanto duplexación por división de frecuencia FDD como duplexación por División de Tiempo TDD. Se prevé que ambas tecnologías (LTE TDD y LTE FDD) serán ampliamente desplegadas puesto que cada una tiene sus propias ventajas y desventajas y la decisión sobre qué formato adoptar depende de la aplicación en particular. LTE FDD que utiliza el espectro apareado se prevé que será la ruta de migración para que los servicios de 3G actuales sean usados en todo el mundo, la mayoría de los cuales utiliza FDD con espectro emparejado. Sin embargo, ha habido un énfasis adicional en incluir LTE TDD que utiliza espectro sin emparejar. LTE TDD, también conocido como TD-LTE, es visto como el camino de evolución o actualización para TD-SCDMA. En vista del aumento del nivel de importancia de LTE TDD o TD-LTE, está previsto que muchos equipos de usuario serán diseñados para acomodar ambos modos FDD y TDD. Esquemas de Duplexación Es esencial que cualquier sistema de comunicaciones celulares sea capaz de transmitir en ambas direcciones simultáneamente. Esto permite que las conversaciones se puedan realizar pues cualquiera de los extremo poder hablar y escuchar cuando lo desee. Además cuando se intercambian datos, es necesario poder realizar las comunicaciones completamente simultáneas o virtualmente simultáneas en ambas direcciones. Es necesario poder especificar la dirección de la transmisión de tal manera que sea posible identificar fácilmente en que dirección se está realizando la transmisión. Hay una variedad de diferencias entre los dos enlaces, las cuales van desde la cantidad de datos transmitidos hasta el formato de transmisión y los canales implementados. Se definen los dos enlaces así: • Uplink : Enlace ascendente; es la transmisión desde la UE o equipo de usuario a la estación
base o eNodeB. • Downlink : Enlace descendente; la transmisión desde la estación base o eNodeB hacia el equipo de usuario o UE.
Uplink and downlink transmission directions A fin de poderse transmitir en ambas direcciones, tanto la estación de base como el equipamiento de usuario deben tener un esquema dúplex. Hay dos formas de realizar la duplexación que se utilizan comúnmente que son: FDD, TDD. FDD utiliza dos canales (frecuencias), una para transmitir y otra para recibir. TDD utiliza una solo frecuencia, pero asigna intervalos de tiempo diferentes para la transmisión y la recepción. Existe un número de ventajas y desventajas en cada uno de los dos sistemas de duplexación TDD y FDD, que son de particular interés para los operadores de telecomunicaciones móviles o celulares. Naturalmente, estas diferencias se reflejan en LTE. Parametro
LTE-TDD
LTE-FDD Requiere espectro apareado con suficiente separación en frecuencia para permitir la recepción y la transmisión simultáneas
Espectro apareado
No requiere espectro apareado puesto que la Tx y la Rx se realizan en el mismo canal
Costo del Hardware
Menor costo pues no es necesario Duplexor para aislar el transmisor del receptor. El costo de las UEs Se require Duplexor y su costo es es de gran importancia debido a la más alto. gran cantidad que se produce. Es un aspecto clave.
Reciprocidad de canal
La propagación de canal es la misma en ambas direcciones, lo cual permite transmitir y recibir utilizando el mismo conjunto de parámetros
Características del canal diferentes en ambas direcciones como consecuencia de la utilización de diferentes frecuencias
asimetría UL / DL
Es posible cambiar dinámicamente la proporción de capacidad de UL y DL para satisfacer la demanda
La capacidad UL/DL es determinada por la asignación de frecuencias establecida por las autoridades reguladoras. Por lo tanto, no es posible hacer cambios dinámicos en la capacidad de los enlaces. Normalmente se necesitarían cambios reglamentarios y la capacidad se asigna normalmente de tal manera que es la misma en cualquier dirección.
Periodo de guarda / banda de guarda
Se requiere un periodo de guarda para asegurar que la transmisión por el UL y el DL no choquen. Periodos de guarda grandes limitarán la capacidad. Normalmente se requiere de períodos de guarda mayores si las distancias son incrementadas para acomodar tiempos de
Se requiere una banda de guarda para brindar suficiente aislamiento entre enlace ascendente y descendente. La banda de guardia no tiene impacto en la capacidad.
Parametro
LTE-TDD
LTE-FDD
propagación mayores.
Transmisión discontinua
Se requiere transmisión discontinua para permitir la transmisión en el UL y el DL. Esto puede degradar el rendimiento del amplificador de potencia de RF en el transmisor.
Cross slot interference
Las estaciones base necesitan ser sincronizadas con respecto a los tiempos de transmisión del UL y el DL. Si estaciones base vecinas utilizan diferentes asignaciones en No aplicable el UL y el DL y comparten el mismo canal, entonces pueden producirse interferencias entre las células.
Se requiere transmisión continua.
LTE TDD/TD-LTE y TD-SCDMA Aparte de las razones técnicas y ventajas de usar LTE TDD TD-LTE, también existen impulsores del mercado. Con TD-SCDMA ahora bien establecida en China, se requiere que existan tecnologías 3,9G y más tarde un sucesor 4 G. Con el espectro no apareado ya asignado para TD-SCDMA así como para UMTS TDD, es natural que muchos operadores quieran una ruta de actualización para sus tecnologías para beneficiarse de las velocidades considerablemente mayores y mejores servicios de LTE. En consecuencia, existe un considerable interés en el desarrollo de LTE TDD, el cual en China también es conocido como TD-LTE. Aunque se piensa que tanto LTE TDD (TD-LTE) como LTE FDD serán utilizadas ampliamente, se prevé que la más extendida será LTE FDD, aunque LTE TDD tiene unas ventajas significativas, especialmente en términos de una mayor eficiencia de espectro, que pueden hacer que este sistema sea utilizado por muchos operadores. Se prevé también que los teléfonos serán capaces de operar tanto con el modo LTE FDD como con LTE-TDD (TD-LTE). Es decir que los equipos de usuario UEs LTE serán teléfonos con estándar dual y capaces de operar en cualquier país independientemente del tipo de LTE utilizado - el principal problema será entonces las bandas de frecuencia que el teléfono pueda cubrir. Estructura de trama y subtrama en LTE A fin de que el sistema 3G LTE pueda mantener la sincronización y el sistema sea capaz de gestionar los distintos tipos de información que necesitan ser transmitidos entre la estación base o eNodeB y los equipos de usuario UE, el sistema 3G LTE tiene una estructura definida de trama y subtrama para el sistema E-UTRA (Evolved UMTS Terrestrial Radio Access), es decir, la interfaz de aire para 3G LTE. Las estructuras de trama para LTE difieren si se trata del modo FDD o de TDD debido que cada uno de estos sistemas tiene diferentes requisitos para segregar los datos transmitidos. Por lo tanto existen dos tipos de estructura de trama LTE: 1. Tipo 1: se utiliza para los sistemas de modo LTE FDD. 2. Tipo 2: se utiliza para los sistemas LTE TDD.
Estructura de trama LTE Tipo 1 La trama LTE de tipo 1 básica tiene una longitud total de la 10 ms y está dividida en un total de 20 ranuras individuales. Las subtramas LTE entonces constan de dos ranuras, es decir que hay 10 subtramas LTE dentro de una trama.
Type 1 LTE Frame Structure Estructura de trama LTE Tipo 2 La estructura de trama tipo 2 usada en LTE TDD es algo diferente. La trama de 10 ms comprende dos medias tramas de 5 ms de duración cada una. Las medias tramas además se dividen en cinco subtramas, cada una con una duración de 1 ms.
Type 2 LTE Frame Structure (shown for 5ms switch point periodicity). Las subtramas pueden dividirse en subtramas estándar de subtramas especiales. Estas constan de tres campos.
DwPTS – Intervalo de tiempo piloto del enlace descendente. GP - Período de guardia. UpPTS - Intervalo de tiempo piloto del enlace ascendente.
Estos tres campos se utilizan también en TD-SCDMA y han sido transferidos a LTE TDD (TD-LTE) y de esta manera contribuye en la ruta de actualización. Los campos son configurables individualmente en términos de longitud, aunque la longitud total de los tres juntos debe ser siempre de 1 ms. Asignaciones de subtramas en LTE TDD/TD-LTE Una de las ventajas de usar LTE TDD es que es posible cambiar dinámicamente el balance y las características de los enlaces UL y DL para satisfacer las condiciones de carga. A fin de que esto pueda lograrse de manera ordenada, se han establecido una serie de configuraciones estándar dentro de las normas LTE. Se han establecido un total de siete configuraciones UL/DL y estas utilizan periodicidades de conmutador ya sea de 5 o de 10 ms. En el caso de periodicidad de punto de conmutador de 5 ms, existe una subtrama especial en ambas medias tramas. En el caso de la periodicidad de 10
ms, existe la subtrama especial sólo en la primera media trama. En la tabla que se encuentra a continuación puede verse que las subtramas 0 y 5 así como el DwPTS siempre están reservados para el enlace descendente. También puede verse que el UpPTS y la subtrama que sigue inmediatamente después de la subtrama especial, están siempre reservados para la transmisión en el enlace ascendente. Configuraciones de la subtrama del enlace ascendente/descendente para LTE TDD (TD-LTE) Periodicidad de Configuracion conmutación de Uplink-downlink Downlink a uplink
Numero de Subtrama 0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
0
5 ms
D
S
U U
U
D
S
U
U
U
1
5 ms
D
S
U U
D
D
S
U
U
D
2
5 ms
D
S
U D
D
D
S
U
D
D
3
10 ms
D
S
U U
U
D
D
D
D
D
4
10 ms
D
S
U U
D
D
D
D
D
D
5
10 ms
D
S
U D
D
D
D
D
D
D
6
5 ms
D
S
U U
U
D
S
U
U
D
Donde: D: es una subtrama para la transmisión en el enlace descendente S: es una subtrama especial utilizada como tiempo de guardia U: es una subtrama para la transmisión en el enlace ascendente
Canales LTE físico, lógico y de transporte A fin de que los datos puedan ser transportados a través de la interfaz de radio LTE, se utilizan varios canales. Estos se utilizan para separar los diferentes tipos de datos y para permitir que estos puedan ser transportados a través de la red de acceso de radio de manera ordenada. Efectivamente los diferentes canales proporcionan interfaces para las capas superiores dentro de la estructura de protocolos de LTE y permiten una segregación ordenada y definida de los datos. Tipos de canales 3G LTE
Existen tres categorías en las que pueden agruparse los diversos canales de datos:
Canales físicos: son canales de transmisión que transportan los mensajes de datos y de
control del usuario.
Canales de transporte: los canales de transporte de capa física ofrecen transferencia
de información a la subcapa Media Access Control (MAC) y a las capas superiores. Canales lógicos: Provee servicios para la capa Media Access Control (MAC) dentro de la estructura de protocolos LTE.
Canales físicos de 3G LTE
Los canales físicos de LTE varían dependiendo de si se trata del enlace ascendente o del descendente, ya que cada uno de ellos tiene diferentes necesidades y funciona de manera diferente.
Enlace descendente: –
–
Canal físico de difusión ( PBCH: Physical Broadcast Channel ): este canal físico lleva información del sistema para las UEs que solicitan acceso a la red. Sólo transporta mensajes de lo que se denomina Bloque Maestro de Información ( MIB: Master Information Block ). El esquema de modulación siempre es QPSK y los bits de información son codificados e igualados en velocidad - los bits son luego aleatorizados mediante una secuencia específica de la célula, para evitar la confusión con datos de otras células. El mensaje MIB del PBCH se mapea dentro de las 72 subportadoras centrales o dentro de los seis bloques de recursos centrales, independientemente del ancho de banda general del sistema. El mensaje PBCH se repite cada 40 ms, es decir, una TTI del PBCH incluye cuatro tramas de radio. Las transmisiones del PBCH tienen 14 bits de información, 10 de reserva y 16 de CRC. Canal físico Indicador de Formato de Control ( PCFICH: Physical Control Format Indicator Channel ): como su nombre lo indica, PCFICH informa a la UE sobre el formato de la señal que se recibe. Indica el número de símbolos OFDM utilizados para los PDCCHs, sean estos 1, 2 o 3. La información dentro del PCFICH es esencial porque la UE no dispone de información previa sobre el tamaño de la región de control. El PCFICH se transmite en el primer símbolo de cada subtrama y lleva un campo indicador de formato de Control, CFI (Control Format Indicator). El CFI contiene una palabra código de 32 bits que representa 1, 2 o 3. El CFI 4 está reservado para un posible uso futuro. El PCFICH utiliza una codificación de bloque (32,2) que genera una velocidad de codificación de 1/16, y siempre utiliza modulación QPSK para garantizar una recepción robusta.
–
Canal físico de Control del Downlink (PDCCH: Physical Downlink Control Channel ): el objetivo principal de este canal físico es transportar principalmente información de programación de horarios de distintos tipos:
Programación de recursos del enlace descendente Instrucciones de control de potencia del enlace ascendente Concesión de recursos de enlace ascendente Indicación de aviso o de información del sistema
El PDCCH contiene un mensaje conocido como la Información de Control de enlace descendente, (DCI: Downlink Control Information) que lleva la información de control para una UE particular o para un grupo de UEs. El formato de la DCI tiene varios tipos que se definen de acuerdo con sus diferentes tamaños. Los diferentes tipos de formato incluyen: tipo 0, 1, 1A, 1B, 1C, 1D, 2, 2A, 2B, . 2C, 3, 3A y 4. –
Canal físico indicador de ARQ híbrido (PHICH: Physical Hybrid ARQ Indicator Channel ): este canal se utiliza para informar el estado del ARQ híbrido. Lleva la señal de HARQ ACK/NACK que indica si un bloque de transporte ha sido recibido correctamente. El indicador HARQ es de 1 bit de l ongitud; “0” indica ACK y “1” indica NACK. El PHICH es transmitido dentro de la región de control de la subtrama y normalmente se transmite sólo dentro del primer símbolo. Si el enlace de radio es pobre, entonces el PHICH se extiende a un cierto número de símbolos para mayor robustez.
Enlace ascendente: –
Canal físico de Control de enlace ascendente ( PUCCH: Physical Uplink Control Channel ): este canal proporciona los diversos requerimientos de control de la señalización. Hay una serie de diferentes formatos PUCCH definidos para activar el canal para transportar la información requerida en el formato más eficiente para el escenario particular que se encuentre. Incluye la capacidad de llevar solicitudes de programación SRs (Scheduling Requests). Los formatos básicos de PUCCH se resumen a continuación:
Formato de PUCCH
Información de Control del Uplink
Esquema de Modulación
Bits por Sub-trama
N/A
N/A
Formato 1
SR
Formato 1a
1 bit HARQ ACK/NACK con o sin SR
BPSK
1
Formato 1b
2 bits HARQ ACK/NACK con o sin SR
QPSK
2
Formato 2
CQI/PMI o RI
QPSK
20
Formato 2a
CQI/PMI o RI y 1 bit HARQ ACK/NACK
QPSK + BPSK
21
Formato 2b
CQI/PMI o RI y 2 bits HARQ ACK/NACK
QPSK + BPSK
22
Formato 3
–
–
Notas
Provee soporte para agregación de portadora.
Canal físico de Uplink compartido (PUSCH: Physical Uplink Shared Channel ): este canal físico se encuentra en el enlace de subida LTE y es la contraparte en el enlace ascendente de PDSCH. Canal físico de acceso aleatorio (PRACH): este canal físico se utiliza para funciones de acceso aleatorio. Esta es la {única transmisión no sincronizada que la UE puede hacer dentro de LTE. Los retrasos de propagación de los enlaces descendente y ascendentes son desconocidos cuando se utiliza PRACH y por lo tanto este no puede ser sincronizado. Una instancia de PRACH se compone de dos secuencias: un prefijo cíclico y un período de guarda. La secuencia de preámbulo puede repetirse para activar el eNodeB para descodificar el preámbulo cuando las condiciones de enlace son pobres.
Canales de transporte 3G LTE
Los canales de transporte LTE varían dependiendo de si se trata del enlace ascendente o del descendente puesto que cada uno tiene diferentes necesidades y funciona de manera diferente. Los canales de transporte de capa física ofrecen la transferencia de información a la subcapa de control de acceso al medio (MAC) y a las capas superiores.
Enlace descendente: – Canal de difusión (BCH: Broadcast Channel ): el canal de transporte de LTE se mapea al canal de Difusión de Control (BCCH)
–
Canal compartido del Downlink ( DL-SCH: Downlink Shared Channel ): es el principal canal para transferencia de datos en el enlace descendente. Es utilizado por muchos canales lógicos.
–
Canal de aviso (PCH): Para transmitir el PCCH
–
Canal de multidifusión (MCH: Multicast Channel ): se utiliza para transmitir información de MCCH para configurar transmisiones de multidifusión.
Enlace ascendente: – Canal compartido del Uplink (UL-SCH: Uplink shared Channel ): es el principal canal para transferencia de datos a través del enlace ascendente. Es utilizado por muchos canales lógicos. – Canal de acceso aleatorio (RACH: Random Access Channel ): se utiliza para los requerimientos de acceso aleatorio.
Canales lógicos de LTE
Los canales lógicos comprenden los datos transportados a través de la interfaz de radio. El punto de acceso de servicio, SAP entre la subcapa MAC y la subcapa RLC proporciona el canal lógico.
Canales de control: estos llevan la información del plano de control: –
–
–
– –
Canal de Control de difusión ( BCCH: Broadcast Control Channel ): este canal de control proporciona información del sistema para todos los terminales móviles conectados al eNodeB. Canal de Control de aviso ( PCCH: Paging Control Channel ): este canal de control se utiliza para información de aviso cuando se hace la búsqueda de una unidad móvil en una red. Canal de Control común ( CCCH: Common Control Channel ): este canal se utiliza para enviar información de acceso aleatorio, por ejemplo, para acciones que incluyen el establecimiento de una conexión. Canal de Control multidifusión ( MCCH: Multicast Control Channel ): este canal de control se utiliza para llevar información necesaria para la recepción de multidifusión. Canal de Control dedicado ( DCCH: Dedicated Control Channel ): este canal de control se utiliza para transportar información de control de un usuario específico, por ejemplo, para controlar las acciones que incluyen control de potencia, transpaso, etc.
Canales de tráfico: estos canales llevan datos del plano de usuario: – –
Canal de tráfico dedicado (DTCH: Dedicated Traffic Channel ): se utiliza este canal de tráfico para la transmisión de datos de usuario. Canal de tráfico de multidifusión ( MTCH: Multicast Traffic Channel ): utilizado para la transmisión de datos de multidifusión.
Como se ve, muchos de los canales LTE tienen similitudes con los canales pertenecientes a generaciones anteriores de telecomunicaciones móviles.
Asignaciones de espectro y de bandas de frecuencia LTE Existe un creciente número de bandas de frecuencia LTE que están siendo designadas como de uso posible con LTE. Muchas de las bandas de frecuencia LTE ya están en uso por parte de
otros sistemas celulares, mientras que otras bandas LTE son nuevas y están siendo introducidas a medida que otros usuarios son reacomodados en otras bandas. Bandas de frecuencia para LTE (FDD y TDD) El espectro para FDD requiere bandas pareadas, una para el UL y otra para el DL. El espectro para TDD requiere una sola banda para UL y DL (se encuentran en la misma frecuencia pero transmiten en tiempo separados). Como resultado, se debe hacer diferentes asignaciones de banda para LTE TDD y FDD. En algunos casos pueden superponerse estas bandas y por lo tanto, es posible, aunque improbable, que puedan estar presentes transmisiones LTE TDD y FDD en una determinada banda de frecuencias. La mayor probabilidad es que un UE o móvil necesitará detectar si una transmisión TDD o FDD debe ser hecha sobre una determinada banda. Los UEs que hacen roaming pueden encontrarse ambos tipos de transmisión en la misma banda. Por lo tanto, estos UEs necesitarán detectar qué tipo de transmisión se está realizando en esa banda LTE particular en su ubicación actual. A las diferentes asignaciones de frecuencia LTE o bandas de frecuencia LTE se les asignan números. Actualmente las bandas LTE entre 1 y 22 son para espectro pareado, es decir, para FDD, y bandas LTE entre 33 y 41 para espectro sin parear, es decir, para TDD.
Definiciones de banda de frecuencia LTE Asignaciones de banda de frecuencia para LTE FDD Existe un gran número de asignaciones o espectro de radio que se ha reservado para el uso de LTE-FDD. Las bandas de frecuencia LTE-FDD están emparejadas para permitir la transmisión simultánea en dos frecuencias. Las bandas además tienen una separación suficiente para permitir que las señales transmitidas no perjudiquen indebidamente el rendimiento del receptor. Si las señales están demasiado próximas, entonces el receptor puede bloquearse y afectar la sensibilidad. La separación debe ser suficiente para permitir el roll-off del filtrado de la antena para dar suficiente atenuación de la señal transmitida dentro de la banda recibida.
Número de Banda LTE
Uplink (MHz)
Downlink (MHz)
Ancho Separación Espaciado de entre Duplex Banda bandas (MHz) (MHz) (MHz)
1
1920 - 1980
2110 - 2170
60
190
130
2
1850 - 1910
1930 - 1990
60
80
20
3
1710 - 1785
1805 -1880
75
95
20
4
1710 - 1755
2110 - 2155
45
400
355
5
824 - 849
869 - 894
25
45
20
6
830 - 840
875 - 885
10
35
25
7
2500 - 2570
2620 - 2690
70
120
50
8
880 - 915
925 - 960
35
45
10
9
1749.9 - 1784.9
1844.9 - 1879.9
35
95
60
10
1710 - 1770
2110 - 2170
60
400
340
11
1427.9 - 1452.9
1475.9 - 1500.9
20
48
28
12
698 - 716
728 - 746
18
30
12
13
777 - 787
746 - 756
10
-31
41
14
788 - 798
758 - 768
10
-30
40
15
1900 - 1920
2600 - 2620
20
700
680
16
2010 - 2025
2585 - 2600
15
575
560
17
704 - 716
734 - 746
12
30
18
18
815 - 830
860 - 875
15
45
30
19
830 - 845
875 - 890
15
45
30
20
832 - 862
791 - 821
30
-41
71
21
1447.9 - 1462.9
1495.5 - 1510.9
15
48
33
22
3410 - 3500
3510 - 3600
90
100
10
23
2000 - 2020
2180 - 2200
20
180
160
24
1625.5 - 1660.5
1525 - 1559
34
-101.5
135.5
25
1850 - 1915
1930 - 1995
65
80
15
Asignaciones de bandas de frecuencia e LTE-TDD Existen varias asignaciones de frecuencia sin parear que se están preparando para ser usadas en LTE TDD. En este caso el uplink y el downlink comparten la misma frecuencia, siendo multiplexados en el tiempo. Número de Banda LTE
Asignación (MHz)
Ancho de Banda (MHz)
33
1900 - 1920
20
34
2010 - 2025
15
35
1850 - 1910
60
36
1930 - 1990
60
37
1910 - 1930
20
38
2570 - 2620
50
39
1880 - 1920
40
40
2300 - 2400
100
41
2496 - 2690
194
42
3400 - 3600
200
43
3600 - 3800
200
Regularmente se hacen adiciones a las bandas de frecuencia LTE /asignaciones de espectro LTE como resultado de las negociaciones en las reuniones reglamentarias de UIT. Estas asignaciones son derivadas en parte del dividendo digital y también de la presión causada por la creciente necesidad de las comunicaciones móviles. Muchas de las nuevas asignaciones de espectro LTE son relativamente pequeñas, a menudo de 10 a 20 MHz de ancho de banda y esto es motivo de preocupación. Para LTE Advanced que requiere anchos de banda de 100 MHz, se requiere realizar agregación de canales sobre un amplio conjunto de frecuencias, y esto ya ha sido reconocido como un problema tecnológico significativo.
Definiciones de categoría y clase de las UE LTE De la misma manera que muchos otros sistemas han adoptado diferentes categorías para los teléfonos móviles o equipos de usuario, también existen varias categorías de UEs 3G LTE. Estas categorías LTE definen las normas con las que operará un teléfono, dongle u otros equipos en particular. Justificación de la categoría de los UEs LTE Las categorías UE LTE o clases UE son necesarias para asegurar que la estación base, o eNodeB, eNB puedan comunicarse correctamente con los equipos de usuario. Mediante la retransmisión de la información de la categoría del UE LTE a la estación base, es posible determinar el rendimiento del UE y comunicarse con él en concordancia. Como la categoría LTE define el rendimiento y las capacidades del UE, es posible para el eNB comunicarse usando las capacidades que se sabe que el UE posee. Definiciones de las categorías de UE LTE Hay cinco categorías diferentes de UE LTE definidas. Como puede verse en la tabla siguiente, las diferentes categorías de UE LTE tienen una amplia gama en cuanto a los parámetros y al rendimiento soportados. La categoría LTE 1, por ejemplo, no soporta MIMO, pero la categoría cinco, sí soporta MIMO 4 x 4. También, cabe señalar que la clase 1 de UE no ofrece el rendimiento ofrecido por la categoría más alta de HSPA. Además, todas las categorías de UE LTE son capaces de recibir transmisiones de hasta cuatro puertos de antena. En las tablas a continuación figura un resumen de los diferentes parámetros de las categorías de UE LTE proporcionados por el estándar 3GPP Rel 8. Tasas de datos de las categorías UE LTE Categoría
1
2
3
4
5
Downlink
10
50
100
150
300
Uplink
5
25
50
50
75
Formatos de modulación soportados por las categorías UE LTE Categoría Downlink Uplink
1
2
3
4
5
QPSK, 16QAM, 64QAM QPSK, 16QAM
QPSK, 16QAM, 64QAM
Configuraciones de antenas MIMO par alas categorías de UE LTE Categoría Diversidad 2 Rx MIMO 2 x 2 MIMO 4 x 4
1
2
3
4
5
Asumido en los requerimientos de desempeño a través de todas las categorías UE LTE No suportado No suportado
Mandatorio Mandatorio
Nota: El ancho de banda para todas las categorías es de 20 MHz. Resumen de categorías de UE LTE De la misma manera que la información de categoría es usada prácticamente en todos los sistemas celulares de GPRS en adelante, la información de la categoría de UE LTE es de gran importancia. Mientras que los usuarios no pueden ser particularmente conscientes de la categoría de la UE, coincidirá el rendimiento un permitir eNB para comunicarse efectivamente con todas la UEs que están conectadas a él.
Evolución de la arquitectura del sistema SAE-LTE Junto con 3G LTE - Long Term Evolution que se aplica más a la tecnología de acceso de radio del sistema de telecomunicaciones celulares, existe también una evolución del núcleo de la red. Conocida como Evolución de la Arquitectura del Sistema ( SAE: System Architecture Evolution), esta nueva arquitectura ha sido desarrollada para proporcionar un nivel considerablemente mayor de rendimiento, acorde con los requisitos de LTE. Como resultado se prevé que los operadores comenzarán a introducir hardware conforme a las nuevas normas de SAE, de tal manera que las tasas de datos previstas puedan manejarse cuando sea introducido el 3G LTE. La nueva SAE, también ha sido desarrollada de tal manera que sea totalmente compatible con LTE Advanced, la nueva tecnología 4G. Por lo tanto, cuando se introduzca LTE avanzada, la red será capaz de manejar los incrementos en las tasas de datos con muy poco cambio. Razón para el desarrollo de SAE (Evolución de la Arquitectura del Sistema) SAE ofrece muchas ventajas con respecto a los sistemas y topologías utilizados previamente en el núcleo de las redes celulares. Como resultado se prevé que será ampliamente adoptado por los operadores celulares. SAE ofrecerá una serie de ventajas claves: 1. Mejoramiento en la capacidad de datos: Dado que 3G LTE ofrece una tasa de datos en el enlace de bajada de 100 Mbps y que el enfoque del sistema es sobre banda ancha móvil, será necesario que la red sea capaz de manejar niveles mucho mayores de datos. Para lograr este objetivo es necesario adoptar una arquitectura de sistema que sea capaz de prestar niveles mucho mayores de transferencia de datos. 2. Arquitectura totalmente IP: cuando fue desarrollado 3G, la voz aún se transportaba a través de circuitos conmutados de datos. Desde entonces ha habido un movimiento incesante hacia la transferencia de datos IP. En consecuencia los nuevos esquemas SAE han adoptado una configuración de red totalmente IP. 3. Reducción de latencia: como se requieren nuevos niveles de interacción y respuestas mucho más rápidas, los nuevos conceptos SAE han sido evolucionados para garantizar
que los niveles de latencia se reduzcan hasta alrededor de 10 ms. Esto asegurará que las aplicaciones que utilizan 3G LTE sean lo suficientemente sensibles. 4. OPEX y CAPEX reducido: un asunto clave para cualquier operador es la reducción de costos. Por lo tanto, es esencial que cualquier nuevo diseño reduzca tanto los gastos de capital (CAPEX) como los gastos operacionales (OPEX). La nueva arquitectura plana usada para SAE (System Architecture Evolution) significa que se utilizarán sólo dos tipos de nodos. Además de esto se introduce un alto nivel de configuración automática, lo que reduce los tiempos de instalación y de puesta en marcha. Conceptos básicos de la evolución de la arquitectura del SAE. La nueva red SAE se basa en el núcleo de red de GSM/WCDMA para permitir operaciones simplificadas y fácil implementación. A pesar de ello, la red SAE trae algunos cambios importantes y permite una transferencia de datos mucho más eficiente y efectiva. Existen varios principios comunes utilizados en el desarrollo de la red SAE LTE:
un nodo gateway común y un punto de anclaje para todas las tecnologías. una arquitectura optimizada para el plano de usuario con sólo dos tipos de nodo. un sistema basado totalmente en IP con protocolos basados en IP utilizados en todas las interfaces. una separación, control/plano de usuario, entre la Entidad de Gestión de Movilidad MME (mobility management entity ) y el gateway. una separación funcional, red de acceso radio/núcleo de red, similar a la utilizada en WCDMA/HSPA. integración de las tecnologías de acceso no 3GPP (por ejemplo, cdma2000, WiMAX, etc.) usando tanto cliente como red, basados en IP móvil.
El elemento principal de la red SAE LTE es lo que se denomina Núcleo de Paquete Evolucionado (EPC: Evolved Packet Core). Este se conecta a los eNodeBs, como se muestra en el diagrama siguiente.
LTE SAE Evolved Packet Core Como se ve en el diagrama, el EPC de SAE LTE consta de cuatro elementos principales enumerados a continuación:
Entidad de gestión de la movilidad , (MME: Mobility Management Entity ): el MME es el
nodo principal de control de la red de acceso SAE LTE, el cual maneja una serie de características: – –
Seguimiento del modo inactivo del UE Desactivación/activación de portadora
– – – – – –
– – –
Elección de SGW para un UE Traspaso intra-LTE con ubicación de nodo por parte del núcleo de red. Interacción con HSS para autenticar el usuario que realiza un attachment y para implementar restricciones de itinerancia. Actúa como una terminación para el estrato de no-acceso ( NAS: Non– Access Stratum) Proporciona identidades temporales a los UEs El MME SAE actúa sobre el punto de terminación para cifrado de protección para la señalización NAS. Como parte de esto, también maneja la administración de claves de seguridad. En consecuencia el MME es el punto en que puede hacerse la intercepción legal de la señalización. Procedimiento de búsqueda (paging) La interfaz S3 termina en el MME proporcionando la función de plano de control para la movilidad entre LTE y las redes de acceso 2G/3G. El MME SAE también termina la interfaz S6a para el HSS base para itinerancia de los UEs.
Por lo tanto, puede verse que el SAE MME proporciona un considerable nivel de funcionalidad de control global.
Gateway de servicio ( SGW: Serving Gateway ): es un elemento del plano de datos dentro de la SAE LTE. Su principal objetivo es gestionar la movilidad del plano de usuario y también actúa como la principal frontera entre la red de acceso de Radio, RAN ( Radio Access Network ) y el núcleo de la red. El SGW también mantiene los caminos de datos entre el eNodeBs y las gateways PDN. De esta manera la SGW forma una interfaz para la red de paquetes de datos en el E-UTRAN. También cuando los UEs se mueven a través de áreas servidas por diferentes eNodeBs, el SGW sirve como un ancla de movilidad que garantiza que la ruta de datos se mantenga. Gateway del PDN, (PGW: PDN Gateway ): este proporciona conectividad de los UE con redes externos de paquetes datos, cumpliendo la función de punto de entrada y salida de datos del UE. El UE puede tener conectividad con más de un PGW para acceder a múltiples PDNs. Función de Políticas y Reglas de tarificación ( PCRF: Policy and Charging Rules Function ): este es el nombre genérico de la entidad dentro de la EPC de SAE LTE que detecta el flujo de servicio y aplica la política de tarificación. Para aplicaciones que requieren una política dinámica o un control de carga, se utiliza un elemento de red denominado Función de Aplicaciones, o AF.
LTE SAE PCRF Interfaces Inteligencia distribuida de SAE de LTE A fin de que de puedan satisfacer los requerimientos de mayor capacidad de datos y menor latencia, junto con el traslado a una red totalmente IP, es necesario adoptar un nuevo enfoque para la estructura de la red. Para UMTS/WCDMA 3G la UTRAN (UMTS Terrestrial Radio Access Network, que comprende los nodos B o estaciones base y los controladores de la red Radio) empleó bajos niveles de autonomía. Los nodos de B estaban conectados en formación de estrella a los controladores de red Radio (RNCs) que llevaban a cabo la mayoría de la gestión de los recursos de radio. A su vez las RNCs se conectaban al núcleo de red. Para proporcionar la funcionalidad necesaria dentro de SAE LTE, la arquitectura básica del sistema considera la eliminación de una capa de administración. Entonces se elimina la CNR y la administración de los recursos de radio es transferida a las estaciones de base. Este nuevo estilo de estaciones base se denomina eNodeBs o eNBs. Las eNBs están conectadas directamente al gateway del núcleo de red a través de una interfaz S1 recién definida. Además de esto, los nuevos eNBs también se conectan a eNBs adyacentes en una malla a través de una interfaz X2. Esto proporciona un mayor nivel de interconectividad directa. También permite que muchas llamadas sean enrutadas muy directamente, ya que un gran número de llamadas y conexiones son hacia otros móviles en la misma celda o en celdas adyacentes. La nueva estructura permite que muchas llamadas sean distribuidas mucho más directamente y con sólo una mínima interacción con el núcleo de la red. Además de la nueva funcionalidad de capa 1 y capa 2, la eNBs manejará varias otras funciones que incluyen el control de recursos de radio como el control de admisión, el balanceo de carga y el control de la movilidad incluyendo decisiones de traspaso para los equipos móviles o de usuario (UE). Los niveles adicionales de flexibilidad y funcionalidad dados a la nueva eNBs significan que estas serán más complejas que las de UMTS y que las estaciones base de generaciones anteriores. Sin embargo, la nueva estructura de red de SAE 3G LTE permite niveles mucho más altos de rendimiento. Además de esto su flexibilidad les permite actualizarse para manejar nuevas actualizaciones del sistema incluyendo la transición de �G LTE a 4G LTE Advanced. Resumen El nuevo SAE para LTE proporciona un nuevo enfoque para el núcleo de red, permitiendo el transporte de los niveles de datos más elevados posibles de lograr con LTE.
Además de esto, permite reducciones en CAPEX y OPEX cuando se compara con los sistemas existentes, lográndose así mayores niveles de eficiencia.
Voz sobre LTE (VoLTE) El esquema de voz sobre LTE, (VoLTE) fue ideado como resultado de la búsqueda por parte de los operadores, de un sistema estandarizado para transferir tráfico de voz sobre LTE. Originalmente LTE era visto como un sistema celular completamente IP, diseñado sólo para transportar datos y los operadores debían ser capaces de transportar la voz volviendo a los sistemas 2G/3G o mediante el uso de VoIP. Sin embargo, los operadores se dieron cuenta de que el hecho de no haberse definido un formato de voz, era una gran omisión del sistema. Se vio que la falta de estandarización puede proporcionar problemas con escenarios incluyendo la itinerancia. Adicional a esto, SMS es un requisito clave. A menudo no se percibe que SMS es utilizado para configurar muchas conexiones de banda ancha móviles y la falta de SMS es vista por muchos como un retroceso. Dado que los operadores de telefonía móvil reciben más de un 80% de sus ingresos a través del tráfico de voz y SMS, es necesario tener un plan viable y estandarizado para proporcionar estos servicios y proteger estos ingresos. Opciones de voz sobre LTE En la búsqueda de opciones para transportar voz sobre LTE, fueron investigadas una serie de posibles soluciones. Se crearon una serie de alianzas para promover distintas formas de proveer este servicio. Algunos sistemas fueron definidos como se indica a continuación:
Volver a la conmutación de circuitos (CSFB: Circuit Switched Fall Back ): esta opción para proporcionar voz sobre LTE ha sido normalizada bajo la especificación 3GPP 23.272. CSFB LTE esencialmente utiliza una variedad de procesos y elementos de red para permitir que el circuito retorne a una conexión 2G o 3G (GSM, UMTS, CDMA2000 1X) antes de iniciarse una llamada de conmutación de circuitos. La especificación también permite el transporte de SMS pues esto es esencial para muchos procedimientos de configuración para las telecomunicaciones celulares. Para lograr este objetivo el auricular utiliza una interfaz conocida como SGs que permite envían mensajes a través de un canal LTE. Además de este CSFB, se requiere modificación de elementos dentro de la red, en particular los MSCs así como soporte, obviamente en nuevos dispositivos. También son necesarias algunas modificaciones de MSC para soportar el servicio de SMS sobre instalaciones SGs. Voz simultánea LTE, SV-LTE (Simultaneous Voice LTE ): SV-LTE permite ejecutar servicios LTE de conmutación de paquetes simultáneamente con el servicio de voz mediante conmutación de circuitos. SV-LTE proporciona facilidades CSFB al mismo tiempo que proporciona el servicio de conmutación de paquetes de datos. Se trata de una opción por la cual optan muchos operadores. Sin embargo tiene la desventaja de que requiere que en el teléfono funcionen a la vez dos radios. Esto tiene un impacto grave en la batería. VoLGA, o voz sobre LTE vía GAN: el estándar VoLGA se basó en el estándar Red de Acceso Genérico (GAN: Generic Access Network ) de 3GPP ya existente y el objetivo era permitir a los usuarios LTE recibir un conjunto coherente de servicios de voz, SMS (y otros circuitos conmutados) a medida que se hace la transición entre GSM, UMTS y las redes de acceso LTE.
Para operadores de telefonía móvil, el objetivo del VoLGA fue proporcionar un enfoque de bajo costo y bajo riesgo para traer los servicios que son fuente primaria de sus ingresos (voz y SMS) dentro de las nuevas implementaciones de red LTE.
Una voz/más tarde llamado voz sobre LTE, VoLTE: el esquema de voz sobre LTE para proporcionar voz sobre un sistema LTE utiliza IMS que le permite formar parte de una solución rica en medios.
Cuestiones para servicios de voz sobre LTE
A diferencia de los anteriores estándares de telecomunicaciones celulares, incluyendo GSM, LTE no tienen canales dedicados para telefonía de conmutación de circuitos. En su lugar LTE es un sistema totalmente IP que proporciona una conexión IP extremo a extremo desde el equipo móvil al núcleo de red y salir nuevamente. A fin de proporcionar algún tipo de conexión de voz sobre un portador LTE estándar, debe utilizarse alguna forma de Voz sobre IP (VoIP). El objetivo de cualquier servicio de voz es utilizar las características de baja latencia y QoS disponibles dentro de LTE para garantizar que cualquier servicio de voz ofrezca una mejora sobre los estándares disponibles en las redes 2G y 3G. Sin embargo, lograr una plena oferta de VoIP sobre LTE representa algunos problemas importantes que tomará tiempo resolverlos. Dado que las primeras implementaciones han tenido lugar en 2010, es necesario que una solución de voz esté disponible a corto plazo. Conceptos básicos de Voz sobre LTE (VoLTE) El perfil Una Voz (One Voice) para voz sobre LTE fue desarrollado por una colaboración entre más de 40 operadores incluidos: ATT, Verizon Wireless, Nokia y Alcatel-Lucent. En el 2010 el Congreso Mundial Móvil GSMA (GSMA Mobile World Congress), anunció que estaban apoyando la solución de “One Voice” para proporcionar voz sobre LTE. VoLTE es una especificación basada en IMS. Adoptar este enfoque, permite que el sistema se integre con la suite de aplicaciones que estará disponible para LTE. Nota sobre IMS: El Subsistema Multimedia IP ( IMS: IP Multimedia Subsystem) o IP Multimedia Core Network Subsystem subsistema de núcleo de red Multimedia, es un estructura arquitectónica para proporcionar servicios multimedia IP a través del protocolo de Internet. Este permite que una variedad de servicios sean ejecutados uniformemente en lugar de tener varias aplicaciones dispares operando concurrentemente. Para proporcionar el servicio de VoLTE, han sido definidas tres interfaces:
Interfaz usuario red, UNI: esta interfaz se encuentra entre los equipos de los usuarios y la red de los operadores. Interfaz de itinerancia Red a Red, ( R-NNI: Roaming Network Network Interface), es una interfaz situada entre la red doméstica y la red visitada. Se utiliza para un usuario que no está conectado a su red doméstica, es decir, está en roaming. Interfaz de interconexión Red a Red ( I-NNI: Interconnect Network Network Interface) es la interfaz situada entre las redes de las dos partes que realizan una llamada.
Actualmente se está trabajando en la definición de VoLTE. Este incluirá una variedad de elementos, incluyendo algunos de los siguientes:
Será necesario garantizar la continuidad de las llamadas de voz cuando los usuarios se mueve de un área de cobertura LTE a otra, cuando se requiere el respaldo de otra tecnología. Esta forma de traspaso se logrará mediante la Continuidad de Llamada de Voz de Radio Única o (SR-VCC: Single Radio Voice Call Continuity ). Será importante mejorar el enrutamiento óptimo de portadores para llamadas de voz cuando los clientes están en itinerancia. Otra área de importancia será establecer marcos comerciales para itinerancia e interconexión para servicios implementados utilizando las definiciones VoLTE. Esto permitirá establecer acuerdos de itinerancia. Provisión de funciones asociadas con el modelo de concentración móvil. Para cualquiera de los servicios, incluyendo LTE, es necesario realizar una completa auditoría sobre amenazas de seguridad y fraude para prevenir la piratería y la entrada no autorizada en todas las áreas de la red.
En muchos sentidos la implementación de VoLTE a alto nivel es sencilla. El handset o teléfono debe tener software cargado para proporcionar la funcionalidad de VoLTE. Esto puede ser en forma de una aplicación. La red por lo tanto requiere ser compatible con IMS. Si bien esto puede parecer sencillo, hay muchas cuestiones para que esto se vuelva operacional, especialmente a través de los caprichos de la red de acceso de radio donde los retardos de tiempo y anomalías de propagación agregan considerable complejidad.
Seguridad LTE En LTE la seguridad es un tema que es de suma importancia. Es necesario garantizar que las medidas de seguridad LTE proporcionen el nivel de seguridad requerido sin afectar al usuario, lo cual podría ahuyentar a los usuarios. Sin embargo como el nivel de sofisticación de los ataques de seguridad crece, es necesario garantizar que la seguridad de LTE permita a los usuarios operar libremente y sin temor a los ataques de los hackers. Además la red también debe organizarse de tal manera que sea segura contra una variedad de ataques. Conceptos básicos de seguridad LTE Al desarrollar los elementos de seguridad de LTE hubo varios requisitos principales que fueron tenidos en cuenta:
La seguridad de LTE tenía que proporcionar al menos el mismo nivel de seguridad proporcionado por los servicios de 3G. Las medidas de seguridad de LTE no deberían afectar la comodidad del usuario. Las medidas de seguridad de LTE adoptadas deben proporcionar defensa contra ataques desde Internet. Las funciones de seguridad proporcionadas por LTE no deben afectar la transición de los servicios de 3G existentes a LTE. El USIM utilizado actualmente para servicios 3G todavía debe utilizarse.
Para asegurar que se cumplan estos requisitos de seguridad LTE, ha sido necesario añadir otras medidas en todas las áreas del sistema desde la UE hasta el núcleo de la red. Los principales cambios que han sido necesarios para implementar el nivel necesario de seguridad LTE se resumen a continuación:
Un nuevo sistema de clave jerárquico ha sido introducido en el que las claves pueden cambiarse para diferentes propósitos. Se han separado las funciones de seguridad LTE para el estrato de no-acceso, NAS (Non-Access Stratum) y el estrato de acceso, AS (Stratum Access). Las funciones NAS son aquellas funciones para las que el procesamiento se lleva a cabo entre el núcleo de la red y el terminal móvil o UE. Las funciones de AS abarcan las comunicaciones entre el perímetro de la red, es decir, el nodo B evolucionado, ( eNB: Evolved Node B) y la UE. Se ha introducido el concepto de seguridad hacia adelante o seguridad en el destino. Se han introducido funciones de seguridad LTE entre la red 3G existente y la red LTE.
LTE USIM Uno de los elementos claves en la seguridad de GSM, UMTS y ahora LTE fue el concepto de módulo de identidad de suscriptor, (SIM: subscriber identity module ). Esta tarjeta lleva la identidad del suscriptor de manera encriptada y esto podría permitir al suscriptor mantener su identidad mientras transfiere o actualiza su teléfono. Con la transición de 2G - GSM a 3G - UMTS, la idea de la tarjeta SIM se actualizó y se comenzó a utilizar una USIM (Módulo de Identidad de Suscriptor UMTS). Esto dio más funcionalidad, tenía una memoria más grande, etc.. Para LTE, sólo se podrá utilizar las USIM; las tarjetas SIM más antiguas no son compatibles y no pueden utilizarse.
