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- Herausgeber: Marcombo
- Kategorie: Wissenschaft und neue Technologien
- Serie: Marcombo universitaria
- Sprache: Spanisch
- Veröffentlichungsjahr: 2012
Las Comunicaciones Móviles, que fueron un privilegio para unos pocos en la década de los 80, han alcanzado ya su nivel de saturación en cotas de penetración en el Mercado. La voz y los mensajes cortos siguen representando un elevado porcentaje del uso de los terminales móviles, pero desde hace unos pocos años están creciendo exponencialmente las cifras de tráfico en servicios de datos, especialmente empujados por la navegación web y el correo electrónico. La introducción primero de la adaptación a GPRS de los sistemas de 2ª generación y el posterior despliegue de UMTS, con su ampliación específica para datos de alta velocidad HSPA, han permitido soportar ese incremento durante la primera década de este siglo. Sin embargo, las previsiones de crecimiento actuales hacen necesario el despliegue en muy poco tiempo de nuevas soluciones, por lo que el foro de estandarización europeo 3GPP (3rd Generation Partnership Project) ha continuado evolucionando sus propuestas cerrando a finales de 2008 la primera versión de una nueva generación de redes de acceso radio celular: Long Term Evolution (LTE) y en 2010 la versión avanzada (LTE-A) que la Unión Internacional de Telecomunicaciones ha reconocido ya como estándar de 4ª generación. LTE arranca su andadura en el mercado con la intención de ofrecer servicios de datos de gran ancho de banda, multiplicando por más de 10 las tasas binarias ofrecidas en 3G y con infraestructuras de redes más eficientes basadas en una arquitectura de red de acceso simplificada. Además, la flexibilidad en el uso del espectro que se contempla en el estándar LTE facilita la regulación del uso de distintas bandas de frecuencia y la sustitución progresiva de los anteriores estándares de 2ª y 3ª generación. Este texto cubre todos los aspectos técnicos relevantes del estándar LTE, desde la descripción de los mecanismos de acceso radio y canales físicos, hasta las consideraciones sobre despliegue y gestión de recursos en redes LTE operativas. En todos y cada uno de los capítulos se ha utilizado una redacción orientada a la comprensión del texto, con las miras puestas en su potencial uso como libro de texto, pero sin dejar de lado ningún detalle significativo del estándar de 3GPP, por lo que el libro puede también considerarse como de referencia para profesionales del sector. Los autores son investigadores españoles de reconocido prestigio en su ámbito que han participado en los últimos años en las propuestas Europeas de estandarización de LTE de forma directa o a través de proyectos de investigación y foros científicos y tecnológicos.
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3GPP LTE: Hacia la 4G móvil
© Narcís Cardona, Juan José Olmos, Mario García, José F. Monserrat
Primera edición, abril 2011
Diseño de cubierta: NDENU DISSENY GRÀFIC
«Cualquier forma de reproducción, distribución, comunicación pública o transformación de esta obra sólo puede ser realizada con la autorización de sus titulares, salvo excepción prevista por la ley. Diríjase a CEDRO (Centro Español de Derechos Reprográficos, www.cedro.org) si necesita fotocopiar o escanear algún fragmento de esta obra».
ISBN: 978-84-267-1875-4
Agradecimientos
La publicación de este libro se enmarca dentro del proyecto “Advanced 3GPP Long Term Evolution Radio Network Optimization” (ALTERNO, TEC2008-06817-C02) financiado por el Ministerio de Ciencia e Innovación (MICINN) de España.
Los autores
Barcelona y Valencia, febrero de 2011
Narcís Cardona es Catedrático de la Universidad Politécnica de Valencia (UPV) y Subdirector del Instituto de Investigación iTEAM, donde lidera el Grupo de Investigación y dirige el Master Universitario en Comunicaciones Móviles. A escala internacional, Narcís Cardona es el Delegado Español y Vicepresidente de las acciones de investigación Europeas COST273, COST2100 y IC1004 y ha formado parte de la Red de Excelencia en Comunicaciones Móviles y del foro Europeo para la 4a Generación de Telefonía Móvil. Ha publicado varios libros sobre redes móviles y más de 140 artículos internacionales en esta materia, siendo miembro de diversos Comités editoriales de congresos y revistas, presidente del Congreso ISWCS’06 y de dos Workshop Internacionales en Comunicaciones Móviles.
Juan José Olmos es Profesor Titular de la Universitat Politècnica de Catalunya (UPC) desde 1991. Ha impartido clases en la ETSETB de Barcelona, en el máster MERIT del departamento TSC de la UPC y en el máster de comunicaciones móviles organizado por la Fundación UPC y Vodafone. Ha participado activamente en proyectos de investigación de la Unión Europea en el marco de los programas COST (COST231, COST259, COST273 y COST2100), RACE (proyecto CoDiT), ACTS (proyecto RAINBOW) e IST (proyectos WINEGLASS, ARROWS y AROMA), todos ellos centrados en la evolución de los sistemas de comunicaciones móviles. Ha publicado numerosos artículos sobre esta materia y actualmente desarrolla su actividad investigadora, sobre comunicaciones móviles 4G, en el grupo WiComTec de la Escola d’Enginyeria de Telecomunicació i Aeroespacial de Castelldefels (EETAC).
Jose F. Monserrat es profesor Contratado Doctor en la Universidad Politécnica de Valencia (UPV). Obtiene el grado de Ingeniero de Telecomunicación con honores (primero de promoción) por la UPV en el 2003 y el grado de Doctor en Telecomunicación en 2007. Recibe el primer premio al mérito académico de la Comunidad Valenciana por su excelente rendimiento universitario en 2003 y el premio extraordinario de Tesis Doctoral de la UPV en 2008. Fue reconocido como joven investigador del año en 2009. En la actualidad investiga sobre la optimización de algoritmos de gestión de recursos en tecnologías IEEE y 3GPP de tercera y cuarta generación. Cabe destacar su implicación como líder de paquete de trabajo en gestión de recursos radio para IMT-Advanced dentro del proyecto europeo WINNER+. En ese contexto actuó como experto invitado de la ITU-R (Naciones Unidas) en la selección de las tecnologías móviles 4G.
Mario García Lozano es profesor Colaborador en la Universitat Politècnica de Catalunya (UPC), donde también desarrolla su actividad investigadora. Durante el periodo 1999-2002 trabaja en la empresa Retevision en la planificación y diseño de su red de acceso. Obtiene el título de Doctor en Telecomunicación con mención europea por la UPC en enero de 2009 y tras haber realizado una estancia de investigación de varios meses en el Instituto Superior Técnico de Lisboa. Ha participado en numerosos proyectos de investigación financiados por la Unión Europea y los gobiernos Español y Catalán así como en convenios con diferentes empresas, liderando algunos de ellos. Sus actividades de investigación se centran en los sistemas de comunicaciones radio, especialmente su planificación, optimización y gestión de recursos.
Índice general
Índice de figuras
Índice de tablas
Acrónimos
1. Introducción
Narcís Cardona, Mario García Lozano, Jose F. Monserrat
1.1. Tendencias de mercado y tecnología
1.2. Roadmap del 3GPP
1.3. Requisitos del sistema LTE
1.4. Espectro radioeléctrico
1.5. Arquitectura global del sistema
1.6. Comparativa UMTS vs. LTE
Referencias
2. Tecnologías habilitantes de LTE
Narcis Cardona, Joan J. Olmos
2.1. Introducción
2.2. Ecualización en el dominio de la frecuencia
2.2.1. Convolutión circular discreta
2.3. OFDM/OFDMA
2.3.1. OFDM
2.3.2. OFDMA
2.4. SC-FDMA
2.5. Técnicas MIMO
2.5.1. Modelo de canal y capacidad máxima MIMO
2.5.2. Multiplexación MIMO en lazo abierto: receptores ZF y MMSE
2.5.3. Diversidad en transmisión basada en MIMO: códigos espacio-tiempo o STBC
2.5.4. Esquemas MIMO/OFDM
2.5.5. Técnicas MIMO multiusuario
2.6. HARQ y codificación
2.6.1. Codificación de canal en LTE
2.7. Adaptación al canal y scheduling
2.7.1. Adaptación al canal: control de potencia y control de tasa
2.7.2. Scheduling dependiente del estado del canal
2.7.3. Coordinación de interferencias inter-celda
Referencias
3. El Núcleo de Red - EPC
Jose F. Monserrat
3.1. Introducción
3.2. Entidades funcionales del EPC
3.2.1. HSS
3.2.2. EIR
3.2.3. MME
3.2.4. S-GW
3.2.5. PDN-GW
3.2.6. PCRF
3.3. Arquitectura del núcleo de red
3.3.1. Arquitectura en roaming
3.3.2. Interconexión con otras redes
3.3.3. Arquitectura de protocolos en el EPC
3.4. El subsistema IMS
3.4.1. Arquitectura IMS
3.4.2. SIP/SDP
3.4.3. RTP/RTCP
3.5. Seguridad en el EPC
3.5.1. Proceso de autenticación
3.5.2. Cifrado e integridad
3.6. Gestión de la calidad de servicio
Referencias
4. Arquitectura de la E-UTRAN
Daniel Calabuig Soler
4.1. Estructura de la E-UTRAN
4.2. Plano de usuario y plano de control
4.3. Radio Resource Control
4.3.1. Transmisión de información del sistema
4.3.2. Paginación
4.3.3. Establecimiento, mantenimiento y liberación de una conexión RRC
4.3.4. Seguridad
4.3.5. Establecimiento, configuración, mantenimiento y liberación de radio bearers punto a punto
4.3.6. Envío y control de informes de medidas
4.3.7. Handover
4.3.8. Selección y reselección de celda y control de este proceso
4.3.9. Transferencia de contextos entre eNodeB
4.3.10. Transferencia directa de mensajes NAS
4.3.11. Transferencia de capacidades del UE
4.3.12. Tratamiento de errores
4.3.13. Apoyo a la autoconfiguración y autooptimización
4.4. Packet Data Convergence Protocol
4.4.1. Compresión de cabeceras
4.4.2. Seguridad
4.4.3. Handover
4.4.4. Descarte de datos
4.5. Radio Link Control
4.5.1. Transparent Mode
4.5.2. Un-acknowledged Mode
4.5.3. Acknowledged Mode
4.6. Medium Access Control
4.6.1. Canales lógicos
4.6.2. Canales de transporte
4.6.3. Funciones de la capa MAC
4.6.4. Multiplexación y priorización de canales lógicos
4.6.5. Corrección de errores mediante HARQ
4.6.6. Scheduling y priorizado de UE
4.6.7. Formato de paquete
4.7. Otras interfaces E-UTRAN
4.7.1. S1
4.7.2. X2
Referencias
5. Capa física LTE-FDD
Joan J. Olmos
5.1. Introducción
5.2. Canales físicos
5.2.1. Mapeo de canales de transporte en canales físicos
5.3. Parámetros de capa física LTE y estructura de trama
5.4. Descripción del enlace descendente
5.4.1. Recursos físicos del enlace descendente
5.4.2. Procesado de capa física en DL
5.4.3. Canales físicos en DL
5.4.4. Señales de referencia
5.4.5. Señales de sincronismo y procedimiento de búsqueda de celda
5.4.6. Técnicas MIMO en DL
5.5. Descripción del enlace ascendente
5.5.1. Recursos físicos del enlace ascendente
5.5.2. Canales físicos en UL
5.5.3. Señales de referencia
5.5.4. Técnicas MIMO en UL
5.6. Procedimientos de capa física
5.6.1. Procedimientos del enlace descendente
5.6.2. Procedimientos del enlace ascendente
Referencias
6. Movilidad y otros procedimientos del EPS
Mario García Lozano
6.1. Introducción
6.2. Estados del terminal
6.2.1. Estados RRC
6.2.2. Estados EMM
6.2.3. Estados ECM
6.2.4. Relaciones entre estados
6.3. Movilidad en modo idle
6.3.1. Selección de PLMN
6.3.2. Selección de celda
6.3.3. Reselección de celda
6.3.4. Registro/desregistro en la red
6.3.5. Actualización de áreas de tracking
6.3.6. Procedimiento de aviso o paging
6.3.7. Reducción de la señalización en modo idle (ISR)
6.4. Movilidad en modo active
6.4.1. Medidas realizadas por el UE
6.4.2. Handover X2
6.4.3. Handover S1
6.4.4. Handover no exitoso
6.4.5. Handover interRAT
6.5. Movilidad en celdas con CSG
Referencias
7. Gestión de recursos radio
Silvia Ruiz, David González G
7.1. Introducción
7.2. Recursos temporales y frecuenciales disponibles
7.3. Control de admisión y parámetros de calidad de servicio
7.4. Parámetros de señalización en UL y DL
7.4.1. Indicadores de calidad del canal (CQI)
7.4.2. Señales de referencia (SRS)
7.4.3. Estado de las colas (BSR)
7.5. Estrategias de asignación de recursos en DL
7.5.1. Scheduling en el dominio de la frecuencia FDPS
7.5.2. Scheduling en el dominio temporal TDPS
7.5.3. Scheduling en el dominio del tiempo y frecuencia TD-FDPS
7.6. Estrategias de asignación de recursos en UL
7.6.1. Scheduling en el dominio del tiempo y de la frecuencia TD-FDPS
7.7. Técnicas de coordinación de interferencias
7.7.1. Interferencia intercelular e ICIC
7.7.2. Análisis y rendimiento de estrategias 138 ICIC estáticas en LTE
7.7.3. Estrategias ICIC dinámicas en LTE
7.7.4. Aspectos de implementación en LTE
7.7.5. Técnicas adicionales para control de interferencias
7.8. Resumen
Referencias
8. Análisis de prestaciones de LTE
David Martín-Sacristán Gandía
8.1. Metodología de evaluación
8.1.1. Evaluaciones previas
8.1.2. Indicadores de prestaciones
8.1.3. Métodos de evaluación
8.1.4. Escenarios de evaluación
8.1.5. Modelado de canal
8.2. Tasas de pico de capa física
8.3. Latencia
8.3.1. Latencia del plano de control
8.3.2. Latencia del plano de usuario
8.4. Tiempo de interrupción por Handover
8.5. Evaluación de nivel de enlace
8.5.1. Enlace descendente
8.5.2. Enlace ascendente
8.6. Evaluación de nivel de sistema
8.6.1. Factores de geometría
8.6.2. Eficiencia espectral
8.6.3. Capacidad VoIP
8.7. Link Budget
Referencias
9. Difusión de contenidos en LTE
Ana Fernández Aguilella
9.1. Introducción
9.2. Modos de operación de E-MBMS
9.2.1. Broadcast
9.2.2. Multicast
9.3. Servicios de usuario de MBMS
9.3.1. Servicios de descarga de ficheros
9.3.2. Servicios de streaming
9.3.3. Servicios carrusel
9.3.4. Servicios de televisión móvil
9.4. Arquitectura
9.5. Canales físicos MBMS
9.6. Multiplexación de servicios
9.7. MBSFN
9.7.1. Transmisión de datos con MBSFN
9.7.2. Sincronización de las celdas
9.7.3. Despliegue de una red E-MBMS
9.8. Transmisión de servicios con E-MBMS
9.8.1. Modelo de sistema
9.8.2. Servicios de televisión móvil
9.8.3. Servicios de descarga de ficheros
Referencias
10. El futuro de LTE: LTE-Advanced
Jorge Cabrejas Peñuelas
10.1. Introducción
10.2. Características generales de IMT-Advanced
10.3. Requisitos de IMT-Advanced
10.3.1. Servicios
10.3.2. Espectro
10.3.3. Prestaciones técnicas
10.4. Procedimiento de evaluación de IMT-Advanced
10.5. Características generales de LTE-Advanced
10.6. Requisitos de LTE-Advanced
10.6.1. Requisitos relacionados con la capacidad
10.6.2. Prestaciones del sistema
10.6.3. Despliegue
10.7. Propuestas en estudio en el 3GPP
10.7.1. Agregación de espectro
10.7.2. Esquema de transmisión en el enlace ascendente
10.7.3. Esquema de transmisión en el enlace descendente
10.7.4. Coordinated Multipoint Transmission/Reception
10.7.5. Relay
10.7.6. Mejoras de la latencia en plano de control y en plano de usuario
Referencias
Índice de figuras
Índice de tablas
Acrónimos
1xRTT
1
Times Radio Transmission Technology
2G
Segunda Generación Móvil
3G
Tercera Generación Móvil
3GPP
Third Generation Partnership Project
4G
Cuarta Generación Móvil
AC
Admission Control
ACK
Acknowledgement
ADSL
Asymmetric Digital Subscriber Line
AKA
Authentication and Key Agreement
AM
Acknowledged Mode
AMBR
Aggregated Maximum Bit Rate
AMC
Adaptive Modulation and Coding
AoA
Angle of Arrival
AoD
Angle of Departure
AS
Access Stratum
ASA
Angle Spread Arrival
ASD
Angle Spread Departure
ASME
Access Security Management Entity
ASN.1
Abstract Syntax Notation One
ARP
Allocation and Retention Priority
ARPU
Average Revenue Per User
ARQ
Automatic Repeat-reQuest
ATB
Adaptive Transmission Bandwidth
AuC
Authentication Centre
AV
Authentication Vector
B3G
Beyond 3G
BE
Best Effort
BCCH
Broadcast Control Channel
BCH
Broadcast Channel
BEC
Backward Error Correction
BER
Bit Error Rate
BGCF
Breakout Gateway Control Function
BLER
Block Error Rate
BM-SC
Broadcast Multicast Service Centre
BPRE
Bits Per Resource Element
BPSK
Binary Phase-Shift Keying
BSR
Buffer Status Report
CAZAC
Constant Amplitude Zero Autocorrelation
CBS
Cell Broadcast Service
CCCH
Common Control Channel
CCE
Control Channel Element
CCI
Co-Channel Interference
CDD
Cyclic Delay Diversity
CDF
Cumulative Density Function
CDM
Code Division Multiplexing
CDMA
Code Division Multiple Access
CFI
Control Format Indicator
CIF
Carrier Indicator Field
CK
Ciphering Key
CMAS
Commercial Mobile Alert System
CN
Core Network
CoC
Component Carrier
CoMP
Coordinated Multipoint Transmission/Reception
COPS
Common Open Policy Service
CP
Cyclic Prefix
CQI
Channel Quality Indicator
CRC
Cyclic Redundancy Check
CRF
Charging Rules Function
CRS
Channel state information Reference Signal
C-RNTI
Cell-Radio Network Temporary Identifier
CS
Circuit Switched
CS/CB
Coordinated Scheduling and Beamforming
CSCF
Call Session Control Function
CSG
Closed Subscriber Group
CSG-ID
Closed Subscriber Group Identity
CSI
Channel State Information
CSRC
Content Source
CW
Code Word
DCCH
Dedicated Control Channel
DaCI
Data Control Indicator
DCI
Downlink Control Information
DFT
Discrete Fourier Transform
DHCP
Dynamic Host Configuration Protocol
DL
Downlink
DL-SCH
Downlink Shared Channel
DM-RS
Demodulation Reference Signal
DNS
Domain Name Service
DRB
Data Radio Bearer
DRX
Discontinuous Reception
DRX/DTX
Discontinuous Reception and Transmission
DS
Delay Spread
DSL
Digital Subscriber Line
DSMIPv6
Dual Stack Mobile
IPv6
DTCH
Dedicated Traffic Channel
DVB
Digital Video Broadcasting
DVB-T
Digital Video Broadcasting- Terrestrial
ECM
EPS
Connection Management
EESM
Exponential Effective SINR Metric
EIR
Equipment Identity Register
E-MBMS
Enhanced
MBMS
EMM
EPS
Mobility Management
eNodeB
evolved Node B
EP
Elementary Procedure
EPA
Extended Pedestrian A
EPC
Evolved Packet Core
EPRE
Energy Per Resource Element
EPS
Evolved Packet System
ESNR
Effective Signal-to-Noise Ratio
ETSI
European Telecommunications Standards Institute
ETU
Extended Typical Urban
ETWS
Earthquake and Tsunami Warning System
E-UTRA
Evolved
UMTS
Terrestrial Radio Access
E-UTRAN
Evolved
UMTS
Terrestrial Radio Access Network
EVA
Extended Vehicular A
EXP
Exponential
FDD
Frequency Division Duplexing
FDM
Frequency Division Multiplexing
FDPS
Frequency Domain Packet Scheduling
FEC
Forward Error Correction
FFR
Fractional Frequency Reuse
FFT
Fast Fourier Transform
FH
Frequency Hopping
FME
First Maximum Expansion
FTB
Fixed Transmission Bandwidth
FTP
File Transfer Protocol
GBR
Guaranteed Bit Rate
GCI
Global Cell Identifier
GERAN
GSM EDGE
Radio Access Network
GGSN
Gateway
GPRS
Support Node
GPRS
General Packet Radio Service
GSM
Global System for Mobile Communication
GTP
GPRS
Tunneling Protocol
GTP-U
GPRS
Tunneling Protocol User Plane
GTPv2
GPRS
Tunneling Protocol version 2
GUMMEI
Globally Unique Mobility Management Entity Identifier
GUTI
Globally Unique Temporary Identity
GWSSUS
Gaussian Wide-Sense Stationary Uncorrelated Scattering
HARQ
Hybrid
ARQ
HeNB
Home eNodeB
HII
High Interference Indicator
HLR
Home Location Register
HOL
Head of the Line
HPLMN
Home Public Land Mobile Network
HRPD
High Rate Packet Data
HSDPA
High Speed Downlink Packet Access
HSPA
High Speed Packet Access
HSPA+
High Speed Packet Access Evolution
HSUPA
High Speed Uplink Packet Access
HSS
Home Subscriber Server
HTTP
Hyper Text Transfer Protocol
ICI
Inter-Cell Interference
ICIC
Inter-Cell Interference Coordination
I-CSCF
Interrogating Call Session Control Function
IDFT
Inverse
DFT
IETF
Internet Engineering Task Force
IFDMA
Interleaved Frequency-Division Multiple Access
IFFT
Inverse
FFT
IK
Integrity Key
IMEI
International Mobile Equipment Identity
IMT
International Mobile Telecommunication
IMT-2000
International Mobile Telecommunications 2000
IMT-A
IMT-Advanced
IMS
IP
Multimedia Subsystem
IMSI
International Mobile Subscriber Identity
InH
Indoor hotspot
IOI
Interference Overload Indicator
IP
Internet Protocol
IR
Incremental Redundancy
ISI
Inter Symbol Interference
ISR
Idle Mode Signalling Reduction
JC
Joint Coding
JP
Joint Processing
LA
Location Area
LAU
Link Adaptation Unit
LCID
Logical Channel Identifier
LoS
Line Of Sight
LLR
Log-Likelihood Ratio
LTE
Long Term Evolution
LTE-A
LTE-Advanced
LUT
Look-Up Table
MAC
Medium Access Control
MAC-I
Message Authentication Code for Integrity
MAD
Minimum Area-Difference to the Envelope
MAP
Maximum a Posteriori
MBMS
Multimedia Broadcast and Multicast Service
MBMS GW
MBMS
Gateway
MBR
Maximum Bit Rate
MBSFN
MBMS over Single Frequency Networks
MCC
Mobile Country Code
MCCH
Multicast Control Channel
MCE
Multiceli/Multicast Coordination Entity
MCH
Multicast Channel
MCS
Modulation and Coding Scheme
MGCF
Media Gateway Control Function
MGW
Media Gateway
MIB
Master Information Block
MIESM
Mutual Information Effective
SINR
Mapping
MIMO
Multiple-Input Multiple-Output
MIPv4
Mobile
IPv4
ML
Maximum Likelihood
M-LWDF
Modified-Largest Weighted Delay First
MNC
Mobile Network Code
MME
Mobility Management Entity
MMSE
Minimum Mean Square Error
MRC
Maximum Ratio Combining
MRS
Maximum Rate Scheduler
MSISDN
Mobile Station Internacional
ISDN
Number
MTCH
Multicast Traffic Channel
MUD
Multi User Diversity
MU-MIMO
Multi-User
MIMO
NACK
Negative Acknowledgement
NAS
Non-Access Stratum
NDI
New Data Indicator
NLoS
Non Line Of Sight
NRT
Non Real Time
OFDM
Orthogonal Frequency Division Multiplexing
OFDMA
Orthogonal Frequency Division Multiple Access
OI
Overload Indicator
OLLA
Outer-Loop Link Adaptation
OtoI
Outdoor to Indoor
P2P
Peer to Peer
PA
Pedestrian A
PAPR
Peak-to-Average Power Ratio
PARC
Per Antenna Coding and Rate Control
PBCH
Physical Broadcast Channel
PBR
Prioritized Bit Rate
PC
Prefijo Cíclico
P-C
Power Control
PCCH
Paging Control Channel
PCFICH
Physical Control Format Indicator Channel
PCH
Paging Channel
PCI
Physical Cell Identifier
PCRF
Policy and Charging Rules Function
P-CSCF
Proxy Call Session Control Function
PDCCH
Physical Downlink Control Channel
PDCP
Packet Data Convergence Protocol
Policy Decision Function
PDN
Packet Data Network
PDN-GW
Packet Data Network Gateway
PDP
Packet Data Protocol
PDSCH
Physical Downlink Shared Channel
PDU
Protocol Data Unit
PEP
Policy Enforcement Point
PF
Paging Frame
PFS
Proportional Fair Scheduling
PHICH
Physical Hybrid
ARQ
Indicator Channel
PHY
Physical
PIRE
Potencia Isotrópica Radiada Equivalente
PLMN
Public Land Mobile Network
PMCH
Physical Multicast Channel
PMI
Precoding Matrix Indicator
PMIPv6
Proxy Mobile
IPv6
P-RNTI
Paging Radio Network Temporary Identifier
P-TMSI
Packet Temporary Mobile Subscriber Identity
PO
Paging Occasion
PRACH
Physical Random Access Channel
PRB
Physical Resource Block
PS
Packet Switched
P-SCH
Primary-Synchronization Channel
PSS
Primary Synchronization Signal
PUCCH
Physical Uplink Control Channel
PUSCH
Physical Uplink Shared Channel
QAM
Quadrature Amplitude Modulation
QCI
QoS
Class Identifier
QoS
Quality of Service
QPSK
Quadrature Phase Shift Keying
RA
Routing Area
RACH
Random Access Channel
RAN
Radio Access Network
RAR
Random Access Response
RAT
Radio Access Technology
RAU
Routing Area Update
RB
Resource Block
RBG
Resource Block Group
RC
Resource Chunk
RE
Resource Element
REG
Resource Element Group
Rel8
Release
8
Rel9
Release
9
Rel99
Release
99
RF
Radio Frequency
RI
Rank Indicator
RIT
Radio Interface Technology
RLC
Radio Link Control
RMa
Rural Macrocell
RME
Recursive Maximal Expansion
RNC
Radio Network Controller
RNTP
Relative Narrowband Transmit Power
ROHC
Robust Header Compression
RR
Round Robin
RRM
Radio Resource Management
RRC
Radio Resource Control
RS
Reference Signal
RSC
Recursive Systematic Convolutional
RSRP
Reference Signal Received Power
RSRQ
Reference Signal Received Quality
RSSI
Received Signal Strength Indication
RT
Real Time
RTCP
Real Time Control Protocol
RTP
Real-Time Transport Protocol
RTPC
Red Telefónica Pública Conmutada
RV
Redundancy Version
S1-AP
S1
Application Protocol
SAP
Service Access Point
SAW
Stop and Wait
SC-FDMA
Single Carrier-Frequency Division Multiple Access
SCM
Spatial Channel Model
SCME
Spatial Channel Model Extension
S-CSCF
Serving Call Session Control Function
SCTP
Stream Control Transmission Protocol
SDF
Service Data Flows
SDP
Session Description Protocol
SDU
Service Data Unit
SF
Shadow Fading
SFBC
Space Frequency Block Coding
SFrN
Single Frequency Network
SFN
System Frame Number
SFR
Soft Frequency Reuse
SG
Scheduling Grant
SGSN
Serving
GPRS
Support Node
S-GW
Serving Gateway
SGW
Serving Gateway
SI
System Information
SIB
System Information Block
SIC
Successive Interference Cancelation
SIM
Subscriber Identity Module
SIMO
Single Input Multiple Output
SINR
Signal to Interference plus Noise Ratio
SIP
Session Initiation Protocol
SI-RNTI
System Information Radio Network Temporary Identifier
SISO
Single-Input Single-Output
SMa
Suburban Macrocell
SN
Sequence Number
SNIR
Signal to Noise plus Interference Ratio
SNR
Signal to Noise Ratio
SON
Self-Optimized Network
SR
Scheduling Request
SRB
Signaling Radio Bearer
SRS
Sounding Reference Signal
SS7
Signalling System No 7
S-SCH
Secondary-Synchronization Channel
SSRC
Synchronization Source
SSS
Secondary Synchronization Signal
STBC
Space Time Block Code
SVD
Singular Value Decomposition
SYNC
E-MBMS
Synchronization protocol
TA
Tracking Area
TAI
Tracking Area Identity
TAU
Tracking Area Update
TB
Transport Block
TBS
Transport Block Size
TCP
Transmission Control Protocol
TDD
Time Division Duplexing
TDM
Time Division Multiplexing
TDMA
Time Division Multiple Access
TD-FDPS
Time Domain and Frequency Domain Packet Scheduling
TDPS
Time Domain Packet Scheduling
TEID
Tunnel Endpoint Identifier
TFC
Transport Format Combination
THR
Throughput
TIN
Temporary Identity used in Next update
TM
Transparent Mode
TTI
Transmission Time Interval
TU
Typical Urban
UCI
Uplink Control Information
UDP
User Datagram Protocol
UE
User Equipment
UIT
Unión Internacional de las Telecomunicaciones
UIT-R
sector de radiocomunicaciones de la UIT
UL
Uplink
UL-SCH
Uplink Shared Channel
UM
Un-acknowledged Mode
UMa
Urban macrocell
UMi
Urban microcell
UMTS
Universal Mobile Telecommunications System
UPA
Uniform Power Allocation
USIM
Universal Subscriber Identity Module
UTRA
UMTS
Terrestrial Radio Access
UTRAN
UMTS
Terrestrial Radio Access Network
VA
Vehicular A
VoIP
Voice over IP
VoLGA
Voice over
LTE
Generic Access
WCDMA
Wideband Code Division Multiple Access
WINNER
Wireless World Innitiative New Radio
WINNER+
Wireless World Innitiative New Radio +
WiMAX
Worldwide Interoperability for Microwave Access
WLAN
Wireless Local Area Network
WP 5D
Working Party
5D
WRC
World Radiocommunication Conference
X2-AP
X2
Application Protocol
ZC
Zadoff-Chu
ZF
Zero Forcing
Capítulo 1
Introducción
Narcís Cardona, Mario García Lozano, Jose F. Monserrat
1.1. Tendencias de mercado y tecnología
A menos de una década de haber puesto en marcha las primeras redes Universal Mobile Telecommunications System (UMTS), y aún con las redes de Segunda Generación Móvil (2G) plenamente operativas, cabría preguntarse cuál puede ser el interés de la industria en realizar nuevas inversiones en infraestructura de red de acceso y de conmutación, o para qué necesita el sector de las comunicaciones un nuevo estándar de acceso celular.
La respuesta hay que buscarla en las características particulares de este mercado, con tendencias muy cambiantes pero siempre con expectativas crecientes por parte de los usuarios y con previsiones ciertas de saturación en la capacidad global de servicios de datos en muy pocos años. Por comparación con lo que sucede en redes fijas, la experiencia de usuario, es decir, la calidad subjetiva que percibe en el servicio de banda ancha, es muy alta gracias a los varios megabits por segundo que puede conseguir en una conexión Digital Subscriber Line (DSL) y a precios cada vez más competitivos. A diferencia de lo que sucedía años atrás, en mercados maduros, como Europa Occidental o Estados Unidos, el crecimiento del negocio de telefonía móvil no se corresponde tanto con el incremento de abonados, sino con el aumento del tráfico, en cuanto a la cantidad de minutos de voz y sobre todo de megabytes de datos transferidos, así como en la renovación de equipos y contratos para migrar a tecnologías de banda ancha móvil. La aparición de terminales tipo smartphone junto con la proliferación de dispositivos portátiles con conectividad de datos Tercera Generación Móvil (3G) continúa disparando la demanda de capacidad de transmisión de datos en movilidad. Según estudios recientes, la progresión que se puede prever del consumo demandado por los usuarios no podrá ser cubierta completamente o con suficiente calidad por las redes actuales ni por las evoluciones de 3G, como High Speed Packet Access Evolution (HSPA+).
Esta oferta de servicios la están proporcionando desde mediados de 2010 la práctica totalidad de operadores 3G, unos 365, los cuales comercializan servicios High Speed Packet Access (HSPA), y se espera a que a finales de 2010 la mitad de dichas redes hayan también adoptado HSPA+, ofreciendo entonces servicios de datos de hasta 14 Mbps. No obstante, se ha previsto un aumento de más del 50% en la penetración de la banda ancha para los próximos cinco años, por lo que la amenaza de sobrecarga en las redes es más que real para muchos de los citados operadores.
Esta suposición se basa en datos reales. En efecto, al observar la evolución reciente de los abonados de banda ancha móvil se puede ver cómo a partir de 2007 se ha producido un incremento muy significativo en su número y en la demanda de tráfico de servicios de banda ancha. En muchos países de los mercados más desarrollados el consumo de datos en movilidad se ha multiplicado entre 2008 y 2010 y sigue creciendo exponencialmente. Basta con comprobar cómo a principios de 2008 el número global de abonados a High Speed Downlink Packet Access (HSDPA) era de unos 20 millones, a mediados de 2009 alcanzó los 150 millones y sólo un año más tarde la cifra se ha multiplicado hasta alcanzar los 500 millones, a pesar de lo cual aún corresponde a poco más del 10% del total de usuarios de Global System for Mobile Communication (GSM) y UMTS, por lo que cabe esperar que en 2012 se alcancen los 1.000 millones de abonados de banda ancha móvil, repartidos entre tecnologías 3G y Long Term Evolution (LTE).
Estas tendencias de crecimiento se están manteniendo debido a factores como:
Incremento en la penetración de 3G, estimándose que la práctica totalidad de los usuarios de 2G terminen de migrar a 3G antes de 2014.
Penetración de módems y
smartphones
, con previsiones de que en 2014 la cuarta parte de los terminales de bolsillo sean de este tipo.
Proliferación de los contratos de tarifa plana y la reducción de precios de datos.
Figura 1.1. Previsión de crecimiento del número global de abonados HSPA. Fuente: Global Mobile Suppliers Association, 2010.
Cambio en los servicios que los usuarios esperan del terminal, con un giro hacia servicios que requieren alta tasa de transmisión (audio de alta calidad, vídeo, etc.).
Mejora de la calidad ofrecida en las redes 3G con la generalización de HSPA+.
Sustitución progresiva de los teléfonos fijos de los hogares por móviles.
Ahora bien, todo este incremento en el número de usuarios, con el consiguiente incremento en la demanda de capacidad en la red de acceso radio, no podrá ser cubierta por las redes actuales. La estimación de carga por usuario de servicios de banda ancha nos indica que en la actualidad el usuario típico de banda ancha móvil consume entre 500 Mbytes y 1 Gbyte al mes y la calidad de servicio que esperan recibir de la red implica garantizar un throughput de 200 kbps, con picos por encima de los 2 Mbps. Estas condiciones se pueden ofrecer en las redes actuales para un número limitado de usuarios en 3G, en celdas con poco tráfico o de pequeñas dimensiones, o bien limitando estas condiciones de servicio a los usuarios que están más cerca de la estación base. En este sentido, el crecimiento del número de usuarios HSPA, sin otros cambios en la infraestructura de la red de acceso, lleva asociado un detrimento en la calidad que el operador puede garantizar a sus abonados. Se han planteado soluciones para soportar estos incrementos de demanda en las redes actuales, que pasan por el despliegue de un mayor número de picoceldas y femtoceldas, complementar el servicio móvil con puntos de acceso de tecnología inalámbrica, o añadir sectorización en el plano vertical en las macroceldas actuales, pero aun con todas ellas el binomio calidad/capacidad no puede mantenerse por mucho tiempo.
Figura 1.2. Crecimiento exponencial del volumen de tráfico de datos en movilidad; previsiones hasta 2014. Fuente: UMTS forum, 2010.
Por todo ello, el despliegue de tecnología LTE, en nuevas bandas de frecuencia o en parte de las actuales bandas ocupadas por 2G, parece la solución más viable, eficiente y rentable a medio y largo plazo.
Cabe destacar que un acusado incremento del tráfico como el que se ha previsto no trae consigo un crecimiento proporcional de los ingresos. Esto es debido a que la proliferación y generalización del consumo de datos en movilidad incrementa la competencia entre operadores y la exigencia de los usuarios de seguir recibiendo cada vez más ancho de banda con menores tarifas. Para mantener la rentabilidad, los operadores y, en general, los proveedores de servicios de comunicaciones necesitan responder a estas tendencias optimizando al máximo las capacidades de las tecnologías de acceso radio actuales y en desarrollo.
En este sentido, LTE aparece en la escena actual como una oportunidad de cubrir esa creciente demanda de tráfico de datos, con inversiones que se pueden rentabilizar a partir de poblaciones de usuarios con menor Average Revenue Per User (ARPU) respecto al que requerían las redes 3G, o con menor coste por Mbps que aquéllas. En efecto, al comparar el coste de despliegue y la capacidad de las tecnologías Third Generation Partnership Project (3GPP) que actualmente ofrecen banda ancha móvil, se ve que LTE puede ofrecer capacidades muy superiores a 3G y con un coste por Mbyte sensiblemente inferior, por lo que la amortización de las inversiones que deberán realizar los operadores se podrá conseguir con precios competitivos, en menos tiempo que las tecnologías anteriores o con objetivos de ARPU no tan altos como cabría esperar.
Tabla 1.1. Comparativa de capacidad y coste estimado por megabyte en redes 3G, HSPA y LTE modelados para un despliegue de 10.000 estaciones base.
A partir del lanzamiento comercial de LTE, los resultados de estudios de mercado indican que la acogida de este estándar puede ser mucho más rápida que la de los anteriores estándares móviles. Algunas previsiones apuntan a que el número de usuarios de LTE crecerá más rápidamente a partir de 2014, momento en el que superará ya los 130 millones, aunque esta cifra represente en ese momento apenas un 5% del total de abonados a banda ancha móvil. En una primera fase, los abonados vendrán de mercados desarrollados, como Japón, Estados Unidos y Europa Occidental, mientras que el crecimiento en los mercados emergentes estaría dirigido por China con unos 36 millones de suscripciones en 2014. Además, se espera que nuevos operadores en los mercados emergentes pasen directamente a desplegar LTE, obviando el despliegue 3G.
1.2. Roadmap del 3GPP
Como consecuencia del elevado ritmo de crecimiento en el sector de la telefonía móvil, los sistemas móviles han ido alcanzando de manera continua sus límites en términos de capacidad. Por otro lado, el conjunto de tipos de servicio ofrecido por los sistemas ha ido evolucionando conforme a las necesidades del mercado y las mejoras ofrecidas por los sistemas cableados análogos.
Atendiendo a estas necesidades, diversos organismos de estandarización, coordinados por la Unión Internacional de las Telecomunicaciones (UIT), están trabajando desde finales de la década de los 80 en la especificación de un conjunto de sistemas que permitan satisfacer dichas necesidades. El resultado definitivo de este trabajo constituyó la tercera generación de sistemas de comunicaciones móviles y conformará la venidera cuarta generación móvil.
Inicialmente la intención de la UIT era definir un sistema global que reuniera un conjunto ambicioso de características técnicas. Sin embargo, debido a la imposibilidad de llegar a un consenso en la definición de la tecnología que sustentase tal sistema, el objetivo inicial tuvo que ser sustituido por la meta de lograr una familia de sistemas distintos con características comunes conocido con el nombre de International Mobile Telecommunications 2000 (IMT-2000). Por motivos de marketing, a las tecnologías incluidas en esta familia se las denominó tecnologías de tercera generación.
La versión europea de los sistemas de telefonía móvil de tercera generación se denominó UMTS. La especificación del sistema UMTS es responsabilidad de un foro conocido como 3GPP. El foro 3GPP está constituido por organismos normativos de diferentes países, que conforman lo que se conoce como socios constituyentes. Uno de estos socios es la European Telecommunications Standards Institute (ETSI), una organización establecida con el fin de elaborar normas europeas de telecomunicaciones, que, en este caso, se encarga de traducir los documentos elaborados por el 3GPP a normas europeas.
Con el objetivo de no quedarse sin capacidad para cubrir las necesidades del mercado, el 3GPP evolucionó el sistema UMTS desde su primera versión, la Release 99, incluyendo importantes mejoras que llevaron a nuevas variantes del estándar, como HSDPA, High Speed Uplink Packet Access (HSUPA), HSPA y HSPA+, todas caracterizadas por el incremento sustancial de la capacidad de transmisión y la mejor adecuación a la conmutación de paquetes, como se aprecia en la figura 1.3. Además, el 3GPP inició en 2004 los estudios relacionados con la evolución de la red 3G hacia la Cuarta Generación Móvil (4G). El enlace entre ambas generaciones dentro del camino tecnológico definido por el 3GPP lo marca así la tecnología Long Term Evolution, que puede considerarse como una tecnología precursora de las redes 4G o el sistema más potente dentro de las tecnologías de 3G. De manera informal, la comunidad científica clasifica a LTE como una tecnología 3.9G, dado que supera en mucho las prestaciones iniciales que definieron las tecnologías de tercera generación móvil.
Para la tecnología LTE el 3GPP marcó unos exigentes requisitos de transmisión. En concreto, se fijaron 100 Mbps en el enlace descendente y 50 Mbps en el enlace ascendente, en un ancho de banda de 20 MHz. Las especificaciones de la interfaz radio de LTE fueron aprobadas en septiembre y en diciembre de 2007. El trabajo de la capa física se cerró en marzo de 2008 y se puede considerar que LTE es una tecnología plenamente operativa desde diciembre de 2009.
Figura 1.3. Evolución de las tecnologías 3GPP.
Sin embargo, la presión del mercado llevó a la comunidad internacional a aumentar aún más los requisitos de las futuras tecnologías de cuarta generación. Los sistemas de comunicaciones móviles 4G deben estar completamente basados en IP siendo capaces de soportar velocidades de 100 Mbps en movimiento y 1 Gbps en reposo, manteniendo una alta calidad de servicio extremo a extremo para permitir ofrecer servicios de cualquier clase en cualquier momento, en cualquier lugar y con el mínimo coste posible. Éstos y otros requisitos fueron marcados por el sector de radiocomunicaciones de la UIT (UIT-R) para poder ser considerados como sistemas de 4G o de la nueva familia IMT-Advanced (IMT-A). En abril de 2008, se formó en el 3GPP un primer grupo de estudio de LTE-Advanced (LTE-A) para marcar los requerimientos de la evolución de las especificaciones ya existentes. En octubre de 2009, se envió por parte del 3GPP la tecnología LTE-A como candidata a formar parte de la familia IMT-A. El estudio preliminar de esta tecnología, realizado por el propio 3GPP y por otros grupos de evaluación externos, demostró que la tecnología cumplía con todos los requisitos marcados por la UIT, con lo que se aceptó definitivamente en octubre de 2010.
Como se verá más adelante, formar parte de las familias International Mobile Telecommunication (IMT) supone, más allá del prestigio tecnológico y la aceptación a nivel mundial, la posibilidad de ocupar ciertas bandas del espectro reservadas a aquellas tecnologías más potentes. De ahí la importancia que LTE tiene para el futuro de las tecnologías móviles.
1.3. Requisitos del sistema LTE
LTE se ha especificado en base a una serie de requisitos ambiciosos en cuanto a la velocidad de datos, la capacidad, la eficiencia espectral y la latencia. Con el fin de cumplir con estos requisitos, LTE se basa en un nuevo esquema de acceso múltiple en la interfaz aire: Orthogonal Frequency Division Multiple Access (OFDMA) en enlace descendente o Downlink (DL) y Single Carrier-Frequency Division Multiple Access (SC-FDMA) en enlace ascendente o Uplink (UL). Además, la incorporación de esquemas Multiple-Input Multiple-Output (MIMO) es una parte esencial de las mejoras que LTE aporta a los estándares del 3GPP. En cuanto a la arquitectura, LTE incorpora algunos cambios importantes a los conceptos de protocolos existentes en UMTS, con el fin de simplificar la arquitectura general de la red de acceso radio y el núcleo de red. LTE incluye tanto un modo de operación duplexado por división en frecuencia o Frequency Division Duplexing (FDD) como un modo duplexado por división en tiempo o Time Division Duplexing (TDD).
Como se ha visto antes, el estándar LTE se empezó a especificar en el 3GPP en 2004. Al inicio del proceso de normalización de LTE se identificaron los requisitos principales para el diseño de un sistema de estas características, y éstos han sido recogidos en la especificación [1]. Estos requisitos pueden resumirse como sigue:
Velocidad de datos:
Objetivo de 100 Mbps en tasas de transmisión de pico en enlace descendente y de 50 Mbps en enlace ascendente, en 20 MHz de ancho de banda, asumiendo terminales con 2 antenas en recepción y 1 en transmisión. Estas tasas de transmisión son casi 7 veces las tasas de transmisión de HSDPA
Release
6 en el sentido descendente y casi 8 veces a HSUPA en el sentido ascendente.
Eficiencia espectral:
En las mismas condiciones del punto anterior, 20 MHz de ancho de banda, la eficiencia espectral requerida es de 5 bits/s/Hz y 2,5 bits/s/Hz en UL, cifras que están entre 3 y 4 veces por encima de las de
Release
6 en DL (HSDPA) y de 2 a 3 veces mejor que en
Release
6 en el UL (HSUPA).
Rendimiento:
El rendimiento (
throughput
) medio por usuario y MHz en enlace descendente debe ser entre 3 y 4 veces superior al de
Release
6 y de 2 a 3 veces mejor que en
Release
6 en el enlace ascendente.
Latencia:
La latencia en el plano de usuario se refiere al tiempo de tránsito unidireccional de un paquete desde que está disponible en la capa IP en el terminal y la disponibilidad de este paquete en la capa IP de un nodo en la red de acceso radio, o viceversa, será inferior a 5 ms. También se reducirá el tiempo de latencia en plano de control para permitir tiempos de transición de menos de 100 ms en un terminal desde el estado
camped
al estado
active.
Ancho de banda:
Deben soportarse anchos de banda escalables de 5, 10, 15 y 20 MHz. También se soportarán anchos de banda menores que 5 MHz para mayor flexibilidad, en particular, 1,4 MHz y 3 MHz.
Asignación de espectro:
Posibilidad de uso de banda pareada (modo FDD) y banda no-pareada (TDD).
Interconexión:
Debe garantizarse la interconexión con los sistemas existentes del 3GPP y otros sistemas no-3GPP. Los terminales multimodo deben soportar traspasos (
handover
) hacia y desde las redes previas, así como medidas inter-sistema. El tiempo de interrupción en el traspaso entre distintas tecnologías deberá ser inferior a 300 ms para los servicios de tiempo real y menos de 500 ms para los servicios de tiempo no-real.
Servicios Multimedia Broadcast y Multicast (MBMS):
Se especificará una mejora de MBMS para dar lugar a
Enhanced
MBMS (E-MBMS).
Coste:
Reducción de CAPEX y OPEX incluyendo la red de transporte. Debe lograrse un coste reducido de migración de la arquitectura y el acceso radio partiendo de una red de
Release
6. Debe asegurarse un coste, complejidad y consumo de energía razonables tanto para el terminal como para el sistema. Todas las interfaces especificadas deberán ser abiertas para facilitar la interoperabilidad entre equipos de múltiples proveedores.
Movilidad:
El sistema debe ser óptimo para baja velocidad del terminal móvil (0-15 km/h), pero se deben soportar velocidades mayores incluyendo el caso particular de trenes de alta velocidad. En particular, debe tener altas prestaciones para velocidades de hasta los 120 km/h y para velocidades mayores y hasta 350 km/h la conexión se debe mantener.
Cobertura:
En cuanto a la cobertura del sistema, en LTE se debe cumplir que las prestaciones máximas del sistema lleguen hasta los 5 km. Sólo es admisible una leve degradación de la cobertura entre 5 km y 30 km y debería incluirse en el estándar la posibilidad de alcanzar rangos de hasta 100 km.
Coexistencia:
Debe garantizarse la coexistencia en la misma zona geográfica, así como la compartición de emplazamientos con redes existentes. También es un requisito importante la coexistencia entre operadores en bandas adyacentes, así como la coexistencia de redes en zonas fronterizas.
Calidad de servicio:
Se garantizará la calidad de servicio extremo a extremo (
end-to-end
calidad de servicio o
Quality of Service
(QoS)). El servicio de voz sobre IP o
Voice over IP
(VoIP) debe soportarse al menos con la misma calidad, eficiencia y latencia en la red de acceso radio y de transporte que la que se ofrece para tráfico de voz sobre conmutación de circuitos en UMTS.
Sincronización de red:
No es obligatoria la sincronización temporal entre diferentes emplazamientos de la red.
Otros requisitos:
LTE debe soportar al menos 200 terminales en estado activo cuando se opera sobre un ancho de banda de 5 MHz.
1.4. Espectro radioeléctrico
Una de las características más importantes en las prestaciones de LTE es su flexibilidad espectral. La interfaz radio deberá poder operar en asignaciones de espectro de diferentes tamaños: 1,4 MHz, 3 MHz, 5 MHz, 10 MHz, 15 MHz y 20 MHz, tanto en UL como en DL. Esta flexibilidad permite el despliegue de LTE en diferentes espectros y con diferentes características:
Flexibilidad en gestión dúplex. Una de las características principales de las especificaciones es que LTE debe funcionar en FDD y en TDD. FDD consiste en que la transmisión entre una estación base y un terminal móvil se realiza en un tiempo dado a la vez, pero con distintas frecuencias, y TDD utiliza la misma frecuencia pero en instantes de tiempo diferentes.
Flexibilidad de la banda de operación en frecuencia. LTE debe poder operar desde 450 MHz hasta 3,5 GHz, ya sea en lugares del espectro disponibles actualmente o por migración de antiguos sistemas, lo que se conoce como
refarming.
Flexibilidad espectral. El ancho de banda asignado para la transmisión con LTE puede ser mayor o menor. Esta flexibilidad espectral puede hacer que haya una migración de otras tecnologías de acceso radio a LTE. Teóricamente el ancho de banda de transmisión varía de 1 MHz a 20 MHz en pasos de 180 kHz, aunque en las especificaciones se reconocen sólo los anchos comentados anteriormente.
Respecto a la banda de frecuencia utilizada, LTE es miembro de la familia IMT y, por tanto, puede desplegarse en cualquiera de las bandas reconocidas a tal familia. En las World Radiocommunication Conferences (WRC) relacionadas con esta asignación de frecuencia (WRC de 1992, 2000 y 2007), se identificaron las siguientes bandas de trabajo para IMT:
450-470 MHz
698-960 MHz
1.710-2.025 MHz
2.110-2.200 MHz
2.300-2.400 MHz
2.500-2.690 MHz
3.400-3.600 MHz
Ésta es una lista simplificada de las asignaciones reales, ya que la variación es muy significativa entre las distintas regiones. En realidad, la mayor porción de espectro asignada a tecnologías IMT es de 200 MHz y se encuentra en la banda de 3,4-3,6 GHz, disponible en la mayor parte de los países de las Regiones 1 y 3. Un análisis más detallado del uso del espectro se encuentra en el capítulo 10, dedicado a LTE-A.
1.5. Arquitectura global del sistema
Para poder conocer la red en su conjunto es importante conocer la arquitectura del sistema (ver figura 1.4). Se llama arquitectura del sistema al conjunto de nodos e interfaces que hacen posible la comunicación entre una estación base y un terminal móvil. Su arquitectura se divide en dos partes: la red de acceso radio o Radio Access Network (RAN) y el núcleo de red o Core Network (CN). A la red de acceso radio de LTE se la conoce como Evolved UMTS Terrestrial Radio Access Network (E-UTRAN), y al núcleo de red como Evolved Packet Core (EPC).
La filosofía de diseño de la arquitectura del sistema es minimizar el número de nodos y encontrar una solución donde la RAN esté formada por un solo nodo. Por su parte, la filosofía del CN es que sea lo más independiente posible de la RAN.
La filosofía de reducir el número de nodos en la E-UTRAN condujo hacia la implantación de un único nodo mucho más complicado que el NodeB de UMTS, llamado evolved Node B (eNodeB). Su principal función es la gestión de recursos radio y la conexión de los terminales móviles de una celda a otra. Si se observa la figura 1.4, existen dos tipos de interfaces en la red de acceso radio: la S1 que conecta la E-UTRAN con el EPC y la interfaz X2 que conecta un eNodeB con otro. La interfaz X2 es utilizada principalmente para la movilidad y para las funciones de gestión de recursos radio multicelular.
Las funciones principales de la RAN son:
Figura 1.4. Arquitectura del sistema LTE.
Codificación, entrelazado, modulación, etc.
Función ARQ, compresión de cabecera, etc.
Funciones de seguridad (cifrado, protección de integridad, etc).
Gestión de recursos radio, cambio de celda o
handover
, etc.
Por su parte, el núcleo de red de LTE está basado, al igual que el de UMTS, en el núcleo de red del sistema de GSM/GPRS. El CN es una evolución del núcleo de red de GSM/GPRS y de ahí su nombre Evolved Packet Core (EPC). Siguiendo con la filosofía de minimizar el número de nodos, el núcleo de red también posee un único nodo que engloba dos entidades funcionales, la entidad de control de la movilidad o Mobility Management Entity (MME) y el Serving Gateway (S-GW), más un nodo de enrutamiento a redes externas conocido como Packet Data Network Gateway (PDN-GW). De manera resumida, la entidad MME es responsable del plano de control, mientras que el S-GW se encarga del plano de usuario o del encaminamiento de los datos. Las funciones del CN son:
Gestión del coste mensual de cada usuario.
Gestión de suscriptores.
Gestión de movilidad.
Gestión de portadora y de la calidad de servicio.
Control de datos de usuario e interconexión a redes externas.
La arquitectura del sistema LTE se analiza con más detalle en los capítulos 3 y 4 dedicados al EPC y a la E-UTRAN, respectivamente.
1.6. Comparativa UMTS vs. LTE
Como su propio nombre indica, la tecnología LTE ha sido desarrollada como una evolución
