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1.Interfaz radio de LTE y LTE-A

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Describir los principales elementos que identifican plenamente a LTE y LTE-A: la interfaz radio, las tecnologías de nivel físico, el sistema de antenas múltiples.

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1.Interfaz radio de LTE y LTE-A

  1. 1. 1 1www.coimbraweb.com Edison Coimbra G. Manual de clases Última modificación: 14 de julio de 2017 Tema 1 de: TECNOLOGÍAS LTE Y LTE-A La interfaz radio Objetivo TECNOLOGÍAS LTE Y LTE-A Describir los principales elementos que identifican plenamente a LTE y LTE-A: la interfaz radio, las tecnologías de nivel físico, el sistema de antenas múltiples 4G? 5G?
  2. 2. ÍNDICE DEL CONTENIDO 2www.coimbraweb.com LTE nace con el objetivo de superar a sistemas previos, en velocidad, capacidad, eficiencia y movilidad. La interfaz radio ― Tema 1 de Tecnologías LTE Y LTE-A ÍNDICE DEL CONTENIDO 1.- Tecnología LTE-A (Características de LTE). 2.- Arquitectura de LTE (Red de acceso radio E-UTRAN. Red troncal de paquetes EPC. IP Multimedia Multimedia Subsistema IMS. Equipo de usuario UE). 3.- La interfaz radio LTE (Mecanismos de transferencia de información. Protocolos en la interfaz radio. La radio. La capa física de LTE. Frecuencias de operación de LTE. Bloque de recursos físicos PRB. Velocidad Velocidad de transmisión de un PRB. Velocidad de transmisión en canal LTE. Velocidad de transmisión con transmisión con MIMO. La trama LTE). Referencias bibliográficas. Links de los documentos de la colección.
  3. 3. 1.- TECNOLOGÍA LTE-A 3www.coimbraweb.com LTE-A es una mejora de LTE ¿Qué es LTE-A? Nace con el objetivo de superar a sistemas móviles previos en velocidad de transmisión, capacidad, eficiencia y movilidad, para lo cual despliega un conjunto de técnicas tanto a nivel de hardware como de software. Con LTE-A todos los servicios, incluida la voz, son soportados por el protocolo IP, dejando atrás la conmutación de circuitos para pasar a un sistema basado completamente en conmutación de paquetes. LTE-A (Long Term Evolution - Advanced) es una tecnología empleada en telefonía móvil celular. Algunas corrientes afirman que LTE-A es realmente 4G, mientras que otros expertos ya englobaban a LTE en dicha categoría, asignando a LTE-A el término 5G. ¿Cuál es el salto cualitativo con LTE-A? LTE-A no es una nueva tecnología, solo añade características significativas a LTE que permitan alcanzar los parámetros 4G. Por ello, a lo largo del Manual, se describirá a LTE y se mencionarán las características que añade LTE-A, las cuales serán descritas en un apartado específico. 3GPP: Proyecto de Asociación para la Tercera Generación.
  4. 4. Características de LTE 4www.coimbraweb.com En el 2009 se publicó una especificación completa en la Release 8 de 3GPP ¿Cuáles son los principales elementos de LTE? La arquitectura de red. Involucra entidades y protocolos de red asociados. La interfaz radio. Donde se describen los protocolos, canales lógicos, de transporte y físicos. Las tecnologías de nivel físico. Empleadas tanto para el UL (Uplink) como para el DL (Downlink). El sistema MIMO. Utiliza múltiples antenas en el UL y en el DL. ¿Qué requerimientos cumple LTE? Las primeras redes LTE se desplegaron en Noruega y Suecia. (Iquall Networks, 2014) (Calle, 2014)
  5. 5. 2.- ARQUITECTURA DE LTE 5www.coimbraweb.com LTE transporta datos a través de la conmutación de paquetes IP La red de acceso E- UTRAN y la red troncal EPC brindan servicios de transferencia de información basados en paquetes IP, entre el Equipo de Usuario UE, las redes de paquetes externas y fundamentalmente Internet. LTE-A. La arquitectura de LTE y de LTE-A es la misma. La diferencia está en E- UTRAN, donde LTE-A incorpora una arquitectura adicional basada en relay nodes. Arquitectura de LTE (Cox, 2012) UMTS: Universal Mobile Telecommunications Systems.
  6. 6. Red de acceso radio E-UTRAN 6www.coimbraweb.com Brinda la conectividad entre el UE y la EPC Es la entidad de red denominada eNB (evolved NodeB) que constituye la estación base de E-UTRAN. Encargada de brindar la conectividad entre el UE y la red trocal EPC. ¿Cuál es el componente clave de E-UTRAN? ¿De qué interfaces dispone? E-UTRAN Uu. Para conectarse a los UE, donde aplican los protocolos AS (Access Stratum) para gestionar los recursos de radio. X2. Para conectar los eNBs entre sí, para el intercambio de señalización que permite gestionar los recursos de radio y el tráfico de los usuarios cuando se desplazan de un nodo a otro (handover). S1. Para conectarse a la red troncal EPC. Esta interfaz se divide en: S1-MME para el plano de control: protocolos para gestión de la interfaz. S1-U para plano de usuario: protocolos para el envío de tráfico de usuario a través de la interfaz. (Cox, 2012) (Taha, 2012) El componente clave de la red de acceso es el eNB o Nodo B.
  7. 7. Red troncal de paquetes EPC 7www.coimbraweb.com Provee el servicio de conectividad IP entre UE y diferentes redes externas MME (Mobility Management Entity), S-GW (Serving Gateway) y P-GW (Packet Data Network Gateway). ¿Cuáles son los elementos de EPC? Junto a la base de datos principal del sistema HSS (Home Subscriber Server), proveer el servicio de conectividad IP entre los UE, conectados a través de E-UTRAN, y las diferentes redes externas a las que se conecta la red troncal EPC. ¿Qué función tienen los elementos? (Cox, 2012) El núcleo de EPC está formado por tres elementos de red.
  8. 8. IP Multimedia Subsistema IMS 8www.coimbraweb.com Proporciona mecanismos de control para la provisión de servicios multimedia Es una arquitectura integrada en el núcleo de LTE sobre una infraestructura compuesta por servidores, bases de datos y gateways. ¿Qué es IMS? ¿Qué función tiene IMS? Interoperar con redes de conmutación de circuitos como la PSTN o con redes celulares existentes. Proveer soporte para diferentes redes de acceso ya que es considerado como un subsistema independiente. Proporcionar los mecanismos de control necesarios para accesar a Internet, gestionar la provisión de servicios de voz y video sobre IP, mensajería instantánea, servicios de llamadas en grupo, etc. (Cox, 2012) Se integra sobre una estructura de servidores, bases de datos y gateways.
  9. 9. Equipo de usuario UE 9www.coimbraweb.com Permite acceder a los servicios de la red LTE Es el dispositivo que permite a los usuarios acceder a los servicios de LTE a través de la interfaz radio. Equipo. En él se integran las funciones propias de comunicación con la red celular y las funciones adicionales que permiten la interacción del usuario con los servicios que ofrece la red. ¿Qué es el equipo de usuario UE? ¿Cuáles son sus elementos? Módulo USIM (UTMS Subscriber Identification Module). Identifica a un usuario dentro de la red sin importar el equipo utilizado. La separación entre USIM y el equipo facilita que un usuario pueda cambiar de equipo sin necesidad de cambiar de identidad, de USIM. (Cox, 2012) (Taha, 2012) Sus elementos son el Módulo USIM y el equipo en sí.
  10. 10. 3.- LA INTERFAZ RADIO LTE 10www.coimbraweb.com Permite la interconexión entre el UE y los eNB Permitir la interconexión, el envío de tráfico y la señalización entre el UE y los eNBs, para que luego mediante la interfaz S1 la información transmitida sea cursada por la red troncal EPC. ¿Qué función tiene la interfaz radio? ¿Cómo trabaja la interfaz radio? Soporta tres tipos de mecanismos de transferencia de información en el canal de radio. (Cox, 2012) (Taha, 2012) Es una pila de protocolos, canales lógicos, canales de transporte, canales físicos y señales físicas.
  11. 11. Mecanismos de transferencia de información 11www.coimbraweb.com La interfaz radio soporta tres tipos de mecanismos Difusión de señalización de control Difusión (broadcast) en la zona de cobertura de la celda, para que los UE puedan detectar la presencia del eNB y conocer la potencia máxima a utilizar en la celda, entre otros parámetros básicos de operación. Transferencia de paquetes IP Los servicios de transferencia de paquetes IP entre un eNB y un UE se denominan Servicios Portadores de Radio RB (Radio Bearer), diseñados para soportar exclusivamente tráfico IP. Albergan funciones como la compresión de cabecera de paquetes IP para reducir el número de bytes enviados y así optimizar el envío del tráfico a través de la interfaz radio. Señalización de control dedicada Se establece una conexión dedicada para gestionar el uso de los servicios RB y realizar la gestión de señalización con la red troncal EPC. La conexión de control se soporta mediante un protocolo llamado RRC (Radio Resource Control), con el cual se gestiona el establecimiento o liberación de servicios RB y se controlan los mecanismos de movilidad handover que permiten que un UE cambie de celda manteniendo activos tanto la conexión de control como los posibles servicios RB que esté utilizando. (Cox, 2012) (Taha, 2012) Los servicios portadores RB son servicios de transferencia entre un eNB y un UE.
  12. 12. Protocolos en la Interfaz radio 12www.coimbraweb.com Permiten que el UE se comunique con las eNB a través de la interfaz aire El envío de paquetes IP entre el eNB y el UE a través de la interfaz radio se sustenta en una torre de protocolos formada por una capa de enlace y una capa física. La capa de enlace se desglosa a su vez en tres subcapas: PDCP (Packet Data Convergence Protocol) RLC (Radio Link Control) y MAC (Medium Access Control). ¿Cuáles son los protocolos? Tanto para el plano de control como para el plano de usuario la interrelación de los diferentes protocolos se logra a partir de canales lógicos, de transporte y físicos. Plano de control. Encargado de controlar las transferencias de datos en la red y las conexiones de los UE con la UTRAN. Plano de usuario. Encargado de todos los protocolos que son responsables de la transferencia de datos de usuario. Se dividen en dos planos LTE-A. El plano de control y el plano de usuario de LTE y de LTE-A son idénticos, ya que ambos sistemas utilizan la misma torre de protocolos en las entidades de red correspondientes y en las distintas interfaces que las unen. (Calle,2014) Se dividen en dos planos, de control y de usuario.
  13. 13. La capa física de LTE 13www.coimbraweb.com Se encarga de realizar la transmisión propiamente dicha Se encarga de la transmisión a través del canal de radio. Realiza la codificación de canal, la modulación y el procesado asociado a las técnicas de múltiples antenas de transmisión y recepción. ¿Qué función tiene la capa física ¿Qué servicios ofrece la capa física? Los servicios de transferencia a la capa MAC, denominados canales de transporte. Se basa en la utilización de diferentes esquemas de transmisión y modulación. La utilización de los esquemas de modulación dependerá del nivel de SNR que se tenga. A mayor SNR se podrán utilizar esquemas de modulación de mayor orden y viceversa. LTE-A. Junto a SC-FDMA y OFDMA, LTE-A usa el esquema de acceso clustered DFT-S-OFDM que es una mejora de SC-FDMA y emplea múltiples portadoras. En ambos esquemas la separación entre subportadoras es 15 KHz.
  14. 14. Frecuencias de operación de LTE 14www.coimbraweb.com LTE opera en las bandas altas de UHF ¿En qué frecuencia opera LTE? La capa física de LTE esta diseñada para operar en las bandas altas de UHF, entre 450 MHz y 3,5 GHz. El estándar define hasta 40 bandas de operación para trabajar en modo FDD o TDD. Canales que soportan las bandas LTE Una característica de LTE es que los Operadores pueden adquirir canales con anchos de banda variables para acomodar servicios según las necesidades. Los anchos de banda variables se consiguen asignando a las transmisiones diferentes números de recursos físicos llamados PRB. Ejemplo La autoridad de Telecomunicaciones divide la Banda 10 en tres bloques soportados por canales 2x20 MHz, para tres diferentes Operadores. LTE-A utiliza también las bandas asignadas a LTE, pero adiciona 5 bandas, de la 18 a la 22, para mantener compatibilidad con anteriores versiones, en este caso, Release 8. (Calle, 2014) LTE tiene anchos de banda escalables según la necesidad.
  15. 15. Bloque de recursos físicos PRB 15www.coimbraweb.com Es el mínimo elemento de información que se asigna a un UE Es el mínimo elemento de información que asigna el eNB a un UE. ¿Qué es el PRB? ¿Qué contiene? En el dominio de la frecuencia: un bloque de 12 subportadoras separadas 15 KHz entre si, las cuales, en conjunto, ocupan 180 KHz de ancho de banda (12x15 KHz). En el dominio del tiempo: un intervalo con 6 o 7 símbolos OFDM, de 0.5 ms, correspondiente a la duración de un slot dentro de una trama LTE. En el dominio del tiempo, los recursos físicos se distribuyen a través de estructuras de trama. (Agusti, 2010) PRB: Physical Resource Block.
  16. 16. Velocidad de transmisión de un PRB 16www.coimbraweb.com La velocidad de transmisión pico de un PRB llega a 1 Mbps El recurso elemental RE es una subportadora modulada en el tiempo de un símbolo. Un PRB dispone de 7 símbolos con 12 subportadoras asociadas a cada uno de ellos. Por tanto, un PRB dispone de 84 RE (12x7) en donde se ubican los símbolos QPSK, 16QAM o 64 QAM. ¿Cómo Calcular la velocidad en un PRB? Si se utiliza la modulación de mayor eficiencia espectral, es decir 64 QAM que transmite 6 bits/símbolo, entonces en un PRB se puede transmitir hasta 504 bits (84x6) cada 0.5 ms, es decir, aproximadamente 1Mbps. Un PRB dispone de 84 RE. Velocidad de transmisión pico en un PRB ≅ 1Mbps. ¿Cuántos PRB tiene un canal ? Se calcula considerando que el ancho de banda de un PRB es de 180 kHz. El número de subportadoras en un canal es 12x(número de PRB)+1, ya que se considera la subportadora central (DC) que no se utiliza para transmitir información, sino para para facilitar los mecanismos de ajuste y sincronización en frecuencia del receptor. ¿Cuánta subportadoras ? (Agusti, 2010) Un PRB tiene un ancho de banda de 180 kHz.
  17. 17. Velocidad de transmisión de canal LTE 17www.coimbraweb.com La velocidad de transmisión pico de un canal llega hasta 100 Mbps ¿Cómo se calcula la velocidad pico de un canal? Considerando la velocidad de transmisión pico en un PRB ≅ 1Mbps y la cantidad de PBR en el canal. Los valores de velocidad pico incluyen datos codificados de usuario, canales de control y señalización propia de la capa física del sistema. Los recursos destinados a control y señalización en LTE oscilan alrededor de un 15% del total disponible, por tanto, se obtiene una velocidad de transmisión pico bruta a nivel de capa física por usuario del sistema. ¿Cómo se calcula la velocidad pico de usuario? Son velocidades que corresponden a un sistema sin multiplexado espacial, sin MIMO. (Calle, 2014) (Agusti, 2010) Con MIMO la velocidad de transmisión pico será mucho mayor.
  18. 18. Velocidad de transmisión con MIMO 18www.coimbraweb.com ¿Qué es MIMO? Si se utilizan técnicas MIMO 4x4 y un ancho de banda de 20 MHz, la velocidad de transmisión pico alcanzada en LTE será de alrededor de 300 Mbps en el DL y de 75 Mbps en el UL. Es un sistema de múltiples antenas que permite explotar técnicas de multiplexación espacial, de diversidad de transmisión/recepción y de conformación de haces de radiación. ¿Qué velocidades se pueden alcanzar con MIMO? Aunque las velocidades pico reales alcanzadas por un usuario dependen de la calidad del canal radio, del número de usuarios simultáneos en la celda, del tipo de despliegue realizado por el operador, del tipo de servicio considerado y la calidad QoS asociada y de la capacidad del UE. En LTE-A, se puede llegar a 3 Gbps en el DL y 1.5 Gbps en el UL, utilizando las siguientes técnicas: Agregación de portadora. Que permite trabajar con un ancho de banda de hasta 100 MHz con el uso de 5 componentes de portadora de 20 MHz. Técnica MIMO 8x4. 8 capas en el DL y 4 en el UL. ¿Qué velocidad se puede alcanzar en LTE-A? Con MIMO la velocidad de transmisión pico de un canal llega hasta 300 Mbps (Agusti, 2010) En LTE-A se pueda llegar hasta 3 Gbps.
  19. 19. La trama LTE 19www.coimbraweb.com Permiten la distribución de los recursos físicos en el dominio del tiempo ¿Cómo se distribuyen los recursos físicos? En el dominio temporal, se distribuyen a través de estructuras de tramas, las cuales se aplican para ambos enlaces UL y DL, y son capaces de soportar tanto el modo FDD como el TDD. Las tramas para cada modo tienen ciertas diferencias. Se dividen en tramas de 10 ms, compuestas a su vez por 10 subtramas de 1 ms y cada subtrama formada por 2 slots de 0.5 ms. En cada slot se pueden transmitir 6 o 7 símbolos OFDMA, cada uno con una duración de 66,7 µs y un prefijo cíclico de 4,7 µs. ¿Qué forma tienen estas estructuras? (Agusti, 2010) La duración de un PRB es 0.5 ms, la mitad de una subtrama.
  20. 20. Referencias bibliográficas 20www.coimbraweb.com Referencias bibliográficas Agusti, R. &. (2010). LTE: Nuevas Tendencias en Comunicaciones Móviles. Fundación Vodafone Vodafone España. Madrid Calle, C. (2014). Estudio y Análisis Técnico Comparativo entre las Tecnologías LTE y LTE-A. LTE-A. Jornadas en Ingeniería Eléctrica y Electrónica, 254-265. Quito. Cox, C. (2012). An introduction to LTE. LTE, LTE-Advanced, SAE and 4G. London: United Kingdom: Jhon Wiley & Son Ltd. London. Iquall Networks. (2014). LTE. Whitepaper. Taha, A. &. (2012). LTE, LTE-Advanced and WiMAX. Towards IMT-Advanced Networks. United FIN Tema 1 de: Edison Coimbra G. La interfaz radio ― Tema 1 de Tecnologías LTE Y LTE-A Documentos de la colección 1_La interfaz radio 2_Las tecnologías del nivel físico 3_El sistema MIMO TECNOLOGÍAS LTE Y LTE-A

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