NGN Tema 5 - Redes de Acceso Inalámbricas

Tema 5Redes de Acceso Inalámbricas

Sergio Bleda Pérez

Redes de Acceso Inalámbricas

1. Introducción2. Caracterización de canales móviles En banda estrecha En banda ancha

3. UMTS Tecnologías de nivel físico Red de Acceso Radio (UTRAN) Núcleo de Red Mejoras: HSDPA, HSUPA y HSPA+

4. LTE Tecnologías de nivel físico Red de Acceso Radio (E-UTRAN) Núcleo de Red (EPC) Mejoras: LTE-Advanced

5. WiMAX 2 2

Introducción

Inicialmente las comunicaciones móviles sedestinaban únicamente a telefonía, cualquier otro usoera residual

Sin embargo, cada vez se da más peso a los datos La telefonía se va relegando poco a poco a un segundo

plano, se va transformando en tráfico de datos Aún así sigue siendo muy importante, por lo que mantiene un

trato preferente, siempre está presente en los diseños

Hemos pasado de hablar de telefonía móvil a redesde comunicaciones móviles Como las redes de datos están dominadas por el protocolo IP

se tiende a redes todo IP

3

Introducción

En comunicaciones móviles el medio de transmisiónes común para todos los agentes

¿Cómo se consigue compartir el medio con muchosusuarios de forma simultánea? Se proporcionan recursos radio ortogonales a cada uno

4

Introducción

¿Ortogonales? Que no interfieren unos con otros, el uso de un recurso no

influye en los recursos de los demás Aunque el diseño teórico lo permite, en muchas situaciones

esto no es totalmente posible: se rompe la ortogonalidad

Recursos ortogonales: Bandas de frecuencias: FDMA Intervalos de tiempo: TDMA Códigos ortogonales: CDMA División espacial (células) Híbridos

Técnicas de multiacceso5

Introducción

Técnicas de multiacceso según la generación:

6

1GTACS• FDMA

2GGSM, GPRS, EDGE• FDMA + TDMA

3GUMTS, HSPA• CDMA

4GLTE, WiMAX2• LTE,

LTE-Advanced: OFDMA, SC-FDMA

• WiMAX2: OFDMA

División celular Proporciona ortogonalidad espacial Aumenta la complejidad del sistema

Traspasos (handover) Sincronización Interferencias

Introducción

7

División celular Se suele emplear una única estación tri-sectorizada Con una única ubicación se obtienen 3 células Permite mejoras en la gestión de la potencia

Introducción

NORTE

SURESTESUROESTE8

Tipos de células según su tamaño: Macrocélulas:

En zonas rurales, urbanas o suburbanas. Decenas de kilometros de cobertura.

Microcélulas: En zonas urbanas. Hasta 1 km de cobertura.

Picocélulas: En edificios. Hasta 100 metros de cobertura

Femtocélulas: En hogares, negocios. Extienden la cobertura en interiores. Se conectan a la red de banda ancha.

Introducción

9

Planificación de una red de acceso inalámbrica:

Delimitación de la zona a cubrir Tipo de zona

Rural, urbana, … Cartografía

Altimetría (MDT): Cotas sobre el nivel del mar. Elevación (MDE): Solo zonas urbanas, MDT + edificios. Modelo digital del suelo (MDS): Zonas urbanas y rurales,

MDT + otros elementos (arboles, edificios, …). Morfografía: Uso del suelo.

Método de cálculo de la cobertura En función de los dos anteriores

Emplazamientos Existentes Nuevos

Introducción

10


Especificaciones de los equipos y la tecnología: Tecnología a emplear:

GSM, UMTS, LTE, WiMAX, … Bandas de frecuencia Anchos de banda previstos Tipo/s de servicio/s

Especificaciones de los equipos Antenas Transceptores Equipos de usuario (categoría) etc…

Introducción

11


Cálculos a realizar Pérdidas de propagación

Pérdidas básicas según el modelo empleado Correcciones por desvanecimientos (sombra/multitrayecto)

Estaciones Localización Sectores

Balance de enlace Ascendente (suele ser el más limitador) Descendente Carga Número de usuarios …

Introducción

12


1. Introducción2. Caracterización de canales móviles En banda estrecha En banda ancha

3. UMTS Tecnologías de nivel físico Red de Acceso Radio (UTRAN) Núcleo de Red Mejoras: HSDPA, HSUPA y HSPA+


5. WiMAX 2 13

Necesitamos conocer el comportamiento de la señalde radio en el ámbito de las comunicaciones móviles

Diferencias con un radioenlace común: No es un enlace punto a punto

Es punto a zona Varía según la posición del usuario

No suele haber visibilidad directa (NLOS) Pérdidas de propagación muy superiores

Existen multitud de reflexiones (Multitrayecto) Produce problemas de desvanecimiento y distorsión Aunque permite mejorar la cobertura y aumentar la tasa binaria

El usuario suele estar en movimiento Existe variabilidad temporal y desplazamiento Doppler Esto limita la tasa binaria alcanzable debido a los errores

Caracterización de canales móviles

14

Por todo ello podemos deducir que: Un canal móvil NO es un radioenlace simple

Además, la señal es mucho más vulnerable a losproblemas del canal cuanto más ancho de bandaocupa

Por lo que necesitamos tener en cuenta el ancho debanda al caracterizar el canal Caracterización en banda estrecha Caracterización en banda ancha

¿Cuál es el límite?


15

Límite para diferenciar entre banda ancha y estrecha 1 MHz


16

2G 200 kHz

Banda estrecha

3G 5 MHz

Banda ancha

4G 1,4 MHz100MHzBanda ancha

(OFDM)

Caracterización del canal móvil en banda estrecha Determinación de la pérdida básica de propagación entre la

estación base y varios puntos de la zona de cobertura La caracterización permite:

Delimitar la zona de cobertura Determinar las posibles interferencias entre celdas que emplean

las mismas frecuencias

Caracterización del canal móvil en banda ancha Las señales de banda ancha se ven más afectadas por el

multitrayecto Muy acusado en zonas montañosas y grandes ciudades. En estas zonas hay cobertura gracias al multitrayecto

Se caracteriza el canal para estudiar: Dispersión Temporal: debida al multitrayecto Dispersión Doppler: debida al movimiento


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Para mejorar la caracterización se realizan medidas insitu (drive test) Utilidad:

Validar los modelos de predicción (software) Analizar problemas de cobertura Analizar posibles interferencias Analizar la variabilidad del canal


18

Caracterización de canales de banda estrecha

19

Se emplean modelos de predicción para estimar lapérdida básica de propagación Cuanto se atenúa la señal de radio en la zona de cobertura

Generalmente estos cálculos los realiza un softwareque implementa los diferentes modelos, apoyándoseen cartografía digital. EDX, ATDI, ATOLL, Radio Mobile, IQLink, Xirio, etc…

Los modelos son empíricos, semi-empíricos ofisico-matemáticos. Solamente proporcionan una aproximación Deben amoldarse a las características de la zona

Caracterización en banda estrecha

20

Clasificación de los tipos de zonas

21

Gran CiudadGran

Ciudad

De más de 50.000 Hab.

Ciudad Pequeña / Mediana

Ciudad Pequeña / Mediana

Menos de 50.000 Hab.

Zona Suburbana

Zona Suburbana

Urbanizaciones

Polígonos

Zonas residenciales

Zona RuralZona Rural

Carreteras

Campo

Montaña

Aldeas

Zonas Específicas

Zonas Específicas

Túneles

Interiores de edificios

Modelos para macrocélulas

22

Las macrocélulas se caracterizan por abarcar unaamplia zona de cobertura

El límite del tamaño de la cobertura depende delentorno: Rural: 20-30 km Urbana/suburbana: 1-1,5 km

La estación base debe tener una posición dominante Con una altura superior a los terrenos/edificios de su zona de

cobertura Algunos modelos incluyen casos para cuando esto no es así,

pero debe evitarse


23

En entorno rural


24

• Propagación por difracción• Tiene en cuenta diferentes tipos de obstáculos

Recomendación UIT-R P.526-10

• Método para predicciones punto-área para servicios terrestres en el rango de 30 a 3000 MHz

• Se suele emplear para dirimir problemas fronterizos

Recomendación UIT-R P.1546

En entorno urbano


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• Modelo de referencia para grandes urbes

Okumura-Hata

• Extensión a frecuencias más elevadas

Hata-Cost-231

• Tiene en cuenta parámetros urbanísticos

Cost-231 – Walfish – Ikegami

• Tiene en cuenta parámetros urbanísticos y la difracción.

XIA

Modelo clásico (finales de los 70)

Okumura lo desarrolló en base a medidas en Tokio ysus alrededores, Hata lo plasmó en fórmulas Es el modelo de referencia para grandes ciudades No da buen resultado en zonas rurales Debido a su sencillez y precisión se suele aplicar cuando no

se dispone de cartografía digital

Hay que tener en cuenta que: No es útil para las bandas 1800-2100-2600 MHz Pero si para 800-900 MHz (GSM y dividendo digital)

Okumura-Hata

26

Pérdida básica de propagación en zona urbana (dB):69.55 26.16 13.82

44.9 6.55

Siendo: : frecuencia. Rango: [150,1500] MHz : altura de la estación base (BS). Rango: [30,200] m : altura del eq. de usuario (UE). Rango: [1,10] m : distancia. Rango: [0.8,20] km : factor de corrección, debido a la altura del UE

Si trabajamos en zonas rurales o suburbanas habráque hacer una corrección

Okumura-Hata

27

Altura de la antena de la estación base: Es necesario hacer una corrección de la altura de la antena,

teniendo en cuenta que el terreno no siempre es plano Se ajusta en referencia a la altura media del terreno en la

zona de cobertura

Siendo: : altura efectiva de la estación base (m) : cota del terreno bajo la estación base (m) , : distancias que definen la zona de cobertura : altura media del terreno en la zona [ , ] (m) : altura de la antena (m)

Okumura-Hata

28

Corrección por la altura del equipo de usuario: La altura estándar del equipo de usuario es 1.5m Para 1.5m 0 Para otras alturas se deberán aplicar correcciones

Corrección para gran ciudad:8.29 1.54 1.1 f<200 MHz3.2 11.75 4.97 f>400 MHz

Corrección para ciudad pequeña-mediana:

1.1 0.7 1.56 0.8

Okumura-Hata

29

Correcciones a realizar si la zona de recepción no esurbana

Corrección por zona suburbana

2 28 5.4

Corrección por zona rural4.78 18.33

40.94

Okumura-Hata

30

Este modelo se desarrolló como una extensión delOkumura-Hata para frecuencias superiores COST-231 fue un proyecto de investigación europeo Es válido para 1800 y 2100 MHz En principio, también se puede emplear para 2600 MHz

Pero hay que tener cuidado con los resultados

Pérdidas básicas de propagación (dB):46.3 33.9 13.82

44.9 6.55

Donde: 0, para ciudades pequeñas/medianas 3, para gran ciudad

Hata-COST-231

31

Modelo más preciso que el Hata-COST-231 Tiene en cuenta parámetros urbanísticos

Altura media de los edificios Anchura de calles …

Se emplea tanto para UMTS como para LTE

Fiable siempre que la estación base rebase la alturamedia de los edificios (macrocélulas) Poco fiable para antenas rasantes Muy poco fiable para antenas bajas (microcélulas)

COST-231-Walfish-Ikegami

32

Geometría: (imágenes de xirio-online)


33

VISTA LATERAL

VISTA SUPERIOR

Parámetros del modelo: f: frecuencia (MHz) hr: altura media de los edificios (m) w: anchura de la calle (m) b: separación media entre edificios (m) φ: ángulo formado por la dirección de propagación y el eje la

calle (grados) hb: altura de la estación base (m) hm: altura equipo de usuario (m) l: distancia entre el primer y el último edificio del trayecto (m) d: distancia estación base-dispositivo móvil (km) ∆hm = hr – hm (m) ∆hb = hb – hr (m)


34

Restricciones de validez: f = 800 – 2000 MHz hb = 4 – 50 m (altura de transmisor) hm = 1 – 3 m (altura de receptor) d = 0.02 – 50 km (distancia transmisor-receptor) ∆hb > 0 m (altura relativa del transmisor respecto a los

edificios)

Pérdidas básicas de propagación Con visión directa (LOS - Line Of Sight) sólo se contempla la

pérdida en espacio libre

42.6 26 20


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Pérdidas básicas de propagación Sin visión directa (NLOS - Non Line Of Sight)

Donde: : Pérdidas de propagación en campo libre (ideales) : Pérdidas por difracción tejado-calle (Roof To Street) : Pérdidas por difracción multipantalla (Multi-Screen diffraction)

Los dos últimos términos no pueden ser menores a cero, encaso de serlo se igualan a cero

: Pérdidas de propagación en campo libre

32.4 20 20


36

: Pérdidas por difracción tejado-calle

8.2 10 10 20 ∆

10 0.354 0° 35°2.5 0.075 35 35° 55°4.0 0.114 55 55° 90°

Donde: w: es la anchura de las calles (m) f: es la frecuencia (MHz) ∆ , Es la diferencia de alturas (m) : es una corrección por la orientación de la calle (dB) : es el ángulo entre el eje de la calle y la dirección de

propagación (grados)


37

: Pérdidas por difracción multipantalla

9 b

18 1 ∆

Donde: : es la ganancia por sombra (pérdida negativa) que sucede

cuando la antena sobresale de los edificios , , : son tres cantidades que determinan la dependencia de

la distancia y la frecuencia ∆ : es la altura que sobresale la antena


38

54 ∆ 054 0.8∆ ∆ 0, 0.5

54 0.8∆ 0.5 ∆ 0, 0.5

18 ∆ 0

18 15∆

∆ 0

4 0.7 925 1 ñ /

4 1.5 925 1


39

Es un modelo bastante preciso

Se emplea en entornos urbanos y suburbanos

Tiene en cuenta parámetros urbanísticos Altura media de los edificios Anchura media de calles …

Hasta cierto punto tiene en cuenta la difracciónproducida por los edificios

Se emplea para UMTS y LTE

XIA

40

Geometría: (imágenes de xirio-online)

XIA

41

Antena bajo tejados

Parámetros del modelo: f: frecuencia (MHz) w: anchura media de las calles (m) b: separación media entre edificios (m) hb: altura de la estación base (m) hm: altura equipo de usuario (m) hr: altura media de los edificios (m) x: distancia UE – edificios

XIA

42

Pérdida básica de propagación:

Emplea los tres mismos términos que Walfish-Ikegami Pérdidas en espacio libre Atenuación tejado-calle Difracción multipantalla

Sin embargo el cálculo de cada término difiere

Además, cada término se calcula de manera distintadependiendo del escenario en el que nos encontremos

XIA

43

Escenario 1: Antena dominante La antena transmisora supera la altura media de los edificios

32.45 20 20

Escenario 2: Antena casi rasante 2-3 metros superior a los edificios Tiene en cuenta el scattering local debido a los edificios

próximos a la base (menos atenuación en el receptor)29.45 20 20

Escenario 3: Antena bajo tejados Altura de la antena inferior a la altura media de los edificios Se calcula igual que en el escenario 2

29.45 20 20

XIA: L0 (espacio libre)

44

Se calcula a través de la teoría geométrica dedifracción (GTD)

27.78 10 1020 2

atan∆

ΔΔ

Donde: : es el ángulo formado entre la posición del UE y la

altura de los edificios. (rad) r: distancia del punto de difracción al UE ∆ : diferencia de altura UE – edificios (m) x: distancia UE – edificio (m)

XIA: Lrts (tejado-calle)

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Escenario 1: Antena dominante14.9 18 Δ 9 920 1 4 10 Δ 3

Escenario 2: Antena casi rasante60 20 20

Escenario 3: Antena bajo tejados

35.2 20 20 1010 20 2

ΔΔ

Δ

XIA: Lmsd (difracción multipantalla)

46

Se obtiene de la recomendación UIT-R P.525-2 “Calculo de la atenuación en el espacio libre”

Este modelo se puede emplear en enlaces punto apunto y punto a zona. Punto a punto: requieren visión directa (ej. WiMAX) Punto a zona: meramente informativo, sirve para determinar

que área de cobertura tiene visión directa

32,45 20 20

Si no hay visión directa la atenuación es infinita.

LOS: Modelo de visión directa

47

Todos los modelos tienen sus bondades y susproblemas

La elección de uno u otro depende principalmente dela zona a tratar y de la cartografía disponible En zona rural:

Se suele emplear: UIT-R P-526 Si hay problemas fronterizos: UIT-R P-1546

En zonas urbanas/suburbanas: Okumura-Hata: si no se dispone de cartografía (<1800 MHz) Hata-Cost-231: si no se dispone de cartografía ( 1800 MHz) Walfish-Ikegami: cartografía de poca resolución XIA: Cartografía de alta precisión (1-2 metros de resolución)

En enlaces punto a punto: Modelo LOS, UIT-R P-526, Okumura/Cost-231

¿Qué modelo usar?

48

Modelos para microcélulas

49

Las microcélulas se caracterizan por los siguientesaspectos: Estación base de 3 a 10m de altura, casi siempre por debajo

de los tejados (no sirven los modelos previos) Cobertura pequeña Están muy influenciadas por los edificios

Poca atenuación en zonas LOS (estamos cerca) Atenuación rápida e importante al pasar de LOS a NLOS Atenuación lenta y progresiva, al internarse más en la zona

NLOS.

Por tanto los modelos deben diferenciar los dosescenarios posibles: Con visión directa (LOS) Sin visión directa (NLOS)

Modelos para microcélulas

50

En estos modelos se debe tener en cuenta el punto detransición (turning point):

4 m

es la longitud de onda ( , si f está en MHz)

A partir de esta distancia la atenuación es diferente Hay que emplear dos ecuaciones distintas, en función del

punto de transición10

10 10

Modelos con visión directa (LOS)

51

d≤dtp

d>dtp

En las ecuaciones anteriores: Pérdida básica:

20 27.6

n1 y n2 son constantes que se han obtenido a partir demediciones empíricas.

Ejemplo: Valores medidos en Barcelona [1]


52

Tipo de calle n1 n2

Regular 2.3 6.9Avda. amplia 2.1 5.7

Irregular 2.2 13.3

Modelo de LUND: Modelo creado por la Universidad de Lund de Suecia Es una modificación del modelo anterior que combina las

ecuaciones L1 y L2 para producir una transición progresivaentre ambas

10 2.5

4


53

En estos modelos se distinguen 3 zonas que reflejanel comportamiento de la atenuación:

1. Zona LOS (poca atenuación)2. Transición de LOS a NLOS (atenuación rápida)3. Zona NLOS (atenuación lenta)

Modelos sin visión directa (NLOS)

54

TX

RX

x

yφ

wd

w1

Para el cálculo de la atenuación básica se debentener en cuenta dos componentes: L(x): Componente LOS (se calcula con el modelo LOS) L(y): Componente NLOS

u y

Donde: u(y) es la función escalón unidad, (1 si y≥0; 0 si y<0)

10


55

Fórmulas para el cálculo de los parámetros en funciónde la geometría:

2.75 1.13 .

Distancias (m): φ debe estar en radianes

8.92 1.7

10.7 0.22 2.99

0.62 4.9


56

Todos los modelos vistos proporcionan unaestimación de las pérdidas básicas de propagación Sin embargo, estas estimaciones son demasiado optimistas

Si nos situamos en el borde de la célula, la estimaciónobtenida solamente se cumple en el 50% de laslocalizaciones La potencia real recibida es menor Conforme nos acercamos a la BS el % aumenta

Esto es debido a que los modelos no tienen en cuentatodos los aspectos posibles de la propagación Hay que introducir algún factor que permita realizar una

estimación más realista Se deben tener en cuenta los desvanecimientos por sombra y

multitrayecto


57

La atenuación real se obtiene sumando a la obtenidapor el modelo dos factores:

G: Atenuación por sombra (desvanecimiento lento) R: Atenuación por multitrayecto (desvanecimiento rápido)

Como G y R dependen de la posición, se calculan enpromedio En un entorno entre 10 a 20


58

Los obstáculos que encuentra la señal proyectan unasombra lo cual produce una disminución de la señalrecibida

La atenuación producida sigue una distribucióngaussiana de media nula y desviación típica Trabajando en escala logarítmica

Sumando un margen de seguridad de 1,28σL dB seconsigue un 90% de localizaciones que cumplen

Desvanecimiento por sombra

59

50%90% 1,28

95% 1,65

Generalmente se realizan los cálculos con elobjetivo del 90% de las localizaciones

El parámetro σL suele estar en un margen entre 6y 10 dB.

Por lo tanto, si faltan datos se suele considerar unvalor σL = 8 dB.

Desvanecimiento por sombra

60

El multitrayecto produce interferenciasdestructivas que generan desvanecimientos Estos desvanecimientos son pronunciados, breves y

dependientes de la frecuencia Por eso se denomina desvanecimiento rápido Siguen distribuciones estadísticas de Rayleigh o Rice.

En la práctica no se suelen tener en cuenta paralos canales de banda estrecha

Desvanecimiento por multitrayecto

61

Caracterización de canales de banda ancha

62

Caracterización en banda ancha

La propagación de la señal se comporta igual tanto sitransmitimos una señal de banda ancha o estrecha Teniendo en cuenta la dependencia con la frecuencia

Sin embargo, una señal de banda ancha se ve muchomás afectada por determinados efectos adversos

Estos efectos perjudiciales son principalmente dos: La dispersión temporal: debida al multitrayecto La dispersión Doppler: debida al movimiento

No sólo por el movimiento del receptor

El problema del multitrayecto

La señal llega al receptor a través de múltiplescaminos

Esto proporciona una ventaja: Amplía la cobertura

Pero también tiene inconvenientes: Desvanecimiento de la señal (interferencia destructiva) El canal se hace selectivo tanto en frecuencia como en el

tiempo. Esto produce distorsión e interferencia entre símbolos, por lo

que se limita la tasa binaria.

La parte más influyente en el multitrayecto es elentorno próximo al receptor Unas 50λ de radio a su alrededor

El problema del multitrayecto

Ejemplo de multitrayecto con una señal de audio: Vais a escuchar un tono de 1 kHz de 7s de duración Para notar el desvanecimiento multitrayecto basta con girar la

cabeza de un lado a otro Debido a la velocidad de propagación del sonido, para notar

claramente el desplazamiento Doppler habría que correr muyrápido alrededor de la sala

NOTA: En la sala hay posiciones en las que no seescucha nada: interferencia destructiva total Sin embargo nosotros oímos siempre ya que tenemos dos

oídos: diversidad en recepción


La caracterización en banda ancha es lacaracterización del multitrayecto

Hay que caracterizar cada una de las componentesdel multitrayecto Cada componente tendrá: amplitud, retardo, fase relativa y

desplazamiento Doppler El desplazamiento Doppler dependerá del ángulo relativo

entre el vector de desplazamiento del receptor y el vector dellegada del rayo

x[n] y[n]


Canal con multitrayecto (modelo más simple):

, , : son la amplitud, el retardo y la fase relativa deltrayecto i-ésimo

N: es el número de trayectos distintos

En realidad estas funciones variarán con el tiempo: , y ,

Respuesta al impulso

Función de transferencia


Caso simple: canal con 2 únicos trayectos

Respuesta al impulso Función de transferencia

Muy selectivo en frecuencia

Poco selectivo en frecuencia

Desvanecimientos1/

1/

1/


Caso general: múltiples retardos

Ds: Dispersión de retardo (delay spread). Es la desviación típicadel retardo. Valor RMS de la diferencia de retardos

Bc: Ancho de banda de coherencia. Indica el ancho aproximadodel canal en el cual éste permanece relativamente estable

Esta es la forma de cuantificar la Dispersión temporal

Ds Bc=1/Ds

Respuesta al impulso Función de transferencia

Dispersión temporal

A la aparición de los múltiples ecos de la señaldebidos al multitrayecto, es lo que se conoce comodispersión temporal

Esta dispersión produce varios efectos adversos: Selectividad en frecuencia Interferencia entre símbolos

Veamos a continuación cada uno de estos efectos

Selectividad en frecuencia

El ancho de banda de coherencia nos indica loselectivo que es en frecuencia del canal

Hay que comparar el ancho del canal con el ancho decoherencia: Si W < Bc: canal aprox. plano Si W > Bc: selectivo en frec.

FSF: Frequency Selective FadingBc

Función de transferencia

WWW

Selectividad en frecuencia

El ancho de banda de coherencia viene determinadoprincipalmente por el entorno

Cuanto más cerca esté todo las reflexiones llegaránantes, habrá menor dispersión de retardos y por tantomayor ancho de banda de coherencia

Anchos de banda de coherencia típicos según elentorno: Interiores: de 3 a 30 MHz Urbano: de 300 kHz a 3 MHz Rural: de 100 kHz a 1 MHz

Interferencia entre símbolos

Si tratamos el problema desde el punto de vistatemporal, se puede ver la interferencia entre símbolos Siendo Ts el período de símbolo (BW=1/Ts)

Habrá ISI si: Ds > Ts (en frecuencia: Bc < BW)

La ISI limita la tasa binaria máxima Obliga a aumentar Ts

Símbolo 1• Ts

Símbolo 2• Ts

Símbolo 3• Ts

Ds: Dispersión de retardo

Desplazamiento Doppler

El movimiento produce desplazamientos enfrecuencia debidos al efecto Doppler En función de la velocidad relativa UE – propagación

BS UE′

v


El desplazamiento en frecuencia producido para unúnico rayo es:

cos

Donde: v es la velocidad relativa (m/s) es la longitud de onda (m) Alfa es el ángulo formado entre la dirección de propagación y el

vector desplazamiento del UE

La frecuencia percibida será la transmitida más eldesplazamiento Doppler:


Al existir multitrayecto, en lugar de una únicafrecuencia, se percibirán multitud de frecuenciasdispersas entre sí un ancho de banda Mismo efecto que en la dispersión de retardo OJO: pero ahora en frecuencia

Este ancho de banda es lo que se conoce como: Dispersión Doppler (Bd)

Su inversa es el Tiempo de Coherencia (Tc) Nos indica cada cuanto tiempo el canal cambia de

forma significativa Supondremos que durante Tc el canal no cambia


¿Cómo se puede luchar contra el desplazamientoDoppler?

Con técnicas de codificación de canal Reducimos la probabilidad de error

Regulando la potencia de emisión En lugar de transmitir a plena potencia, reducimos esta

al mínimo posible Así reducimos las reflexiones Debe haber realimentación para saber si llega o no

suficiente señal al receptor

Recapitulando

Parámetros que permiten determinar el comportamientode un canal con multitrayecto:

Tiempo

• Dc: Dispersión de retardo

• Tc: Tiempo de coherencia

Frecuencia

• Bc: Ancho de banda de coherencia

• Bd: Dispersión Doppler

Clasificación de canales

B

T

Ancho de banda

Período

Bc

Tc

3 4

1 2

1 – Canal plano en tiempo y frecuencia2 – Selectivo en tiempo, plano en frec.3 – Plano en tiempo, selectivo en frec.4 – Selectivo en tiempo y frecuencia

Estrategias según la generación

Cada generación ha desarrollado diferentesestrategias para tratar el multitrayecto

2G• Combatir

3G• Aprovechar• Mejorar

cobertura

4G• Aprovechar• Incrementar

capacidad

2G: Combatir el multitrayecto

En los sistemas antiguos (de banda estrecha), elmultitrayecto se considera indeseable, por lo tanto seintenta mitigar

Técnicas para combatir el desvanecimiento: Diversidad: en recepción y/o transmisión. Se emplean varias

antenas y se utiliza la que proporciona mejor señal Ecualización: la señal atraviesa un ecualizador que

compensa, en la medida de lo posible, los defectos del canal Codificación de canal y corrección de errores: técnicas que

permiten recuperar la señal transmitida original a partir de larecibida aunque en esta haya fallos

3G y 4G: Aprovechar el multitrayecto

¿Cómo se puede aprovechar el multitrayecto? Empleando varias antenas

En 3G se emplean receptores de tipo RAKE Se emplean varias antenas en recepción Se combina la señal de todas las antenas (MRC, Maximal

Ratio Combining) Esto permite elevar la SNR en recepción

En 4G se emplean técnicas MIMO MIMO permite emplear varias antenas tanto en transmisión

como en recepción Principalmente se usa para elevar la tasa binaria máxima Se puede elevar la SNR con las antenas sobrantes


Parte II - UMTSSergio Bleda Pérez


1. Introducción2. Caracterización de canales móviles3. UMTS Tecnologías de nivel físico Red de Acceso Radio (UTRAN) Núcleo de Red Mejoras: HSDPA, HSUPA y HSPA+


5. WiMAX 2

2

UMTS

UMTS: Universal Mobile Telecommunications System Sistema Universal de Telecomunicaciones Móviles

Se ideó como un sustituto de gran capacidad paraGSM/GPRS Principalmente para proporcionar servicio de datos

Ya que se había invertido mucho en construir la redGSM, se optó por: Mantener (y mejorar) el núcleo de red (de GPRS) Sustituir la red de acceso radio (RAN)

Se cambia GERAN por UTRAN GERAN tiene una capacidad muy limitada

3

UMTS

4

MSC GMSC PSTN

Circuitos (GSM)

BSC

BTS

BTS

SGSN GGSN Internet

Paquetes (GPRS)

GERAN2G

RNC

NodoB

NodoB

UTRAN3G

Núcleo de red(Core Network)

Red

de

Acc

eso

Rad

io (R

AN

)

Transcodificación

UMTS

Radio Access Network (RAN): GERAN:

BTS: Base Transceiver Station BSC: Base Station Controller

UTRAN: NodeB: Node B RNC: Radio Network Controller

Core Network (CN): Circuitos:

MSC: Mobile Switching Centre (Central de Conmutación Móvil) GMSC: Gateway Mobile Switching Centre

Paquetes: SGSN: Serving GPRS Support Node GGSN: Gateway GPRS Support Node

5

Tecnologías de Nivel Físico

6

Tecnologías de nivel físico

La red UMTS emplea como técnica de multiaccesoW-CDMA

Es completamente distinta a la empleada por la redGSM Sin embargo, son compatibles…

7

2G GSM

• FDMA + TDMA

3G UMTS

• W-CDMA


W-CDMA es una técnica de multiacceso que empleala división por códigos ortogonales combinada con latécnica de espectro ensanchado Espectro ensanchado (WWide) Códigos ortogonales (CDMA)

Las técnicas de espectro ensanchado eraninicialmente tecnologías de uso militar Hasta que no se desclasificaron no tuvieron uso civil La señal transmitida se camufla fácilmente Parece ruido de banda ancha, es difícil de detectar Las comunicaciones son robustas frente a interferencias

8

Señal con espectro

‘ensanchado’

Espectro ensanchado

DSSS: Direct Sequence Spread Spectrum

9

• Periodo: T1

• Ancho de banda

• Codificación NRZ Polar

x(t)

Secuencia original

• Periodo: T2=T1/N• A. Banda

• NRZ Polar (Chips)

c(t)

Código expansor

Espectro ensanchado

Propiedades de y(t): Ancho de banda: BW2 Densidad espectral de potencia: N veces menor que x(t)

N: Factor de expansión (SF: Spread Factor)

Además, si elegimos una secuencia c(t) adecuada: La señal resultante parece ruido, por lo que puede pasar

desapercibida 10

22

f

PSDx

22

f

PSDy

Espectro ensanchado

¿Para qué ensanchamos el espectro? Para hacer más robusta la señal frente a interferencias

¿Por qué se hace más robusta? Veamos cual es la capacidad de un canal (R: tasa binaria máx.)

1

Donde: Eb/N0: energía por bit / densidad espectral de ruido Eb/N0 SNR por bit

11

bits/sShannon…

Además:

Espectro ensanchado

Sustituyendo y despejando Eb/N0 obtenemos:

2 1

Si calculamos el límite cuando BW tiende a infinito,manteniendo la tasa binaria R:

1,59

Teóricamente podemos transmitir con menos nivel de señalque de ruido

Conclusión: aumentando el ancho de banda decrecela SNR necesaria para transmitir con seguridad

12

Espectro ensanchado

Recuperación de la señal original: 1º Sincronización: hay que alinear las secuencias 2º Multiplicar por el código expansor (expandir otra vez)

3º Filtrar paso bajo Al ancho de banda original

Al hacer esto recuperamos la señal original Salvo un factor de escala (k, cte) que dependerá del

demodulador de recepción Al ser constante, en principio, no afecta

13

Espectro ensanchado

¿Qué sucede con las interferencias?

14

22

f

PSDx’

22

f

PSDy

Interferencia

SNR

FPB

Espectro ensanchado

¿Qué sucede con las interferencias? En la recuperación las interferencias son expandidas Reducimos su PSD:

Aumentando el factor de expansión (SF) reducimos deforma proporcional la potencia de las interferencias Y por tanto aumentamos la relación señal a ruido Por eso al SF se le denomina Ganancia de Procesado (pg,

processing gain)ñ 2

10/210

Esta propiedad es la que propicia la compatibilidadelectromagnética. 15

Ejemplo:

Multiacceso CDMA

CDMA: Code Division Multiple Access

Necesitamos tener capacidad de multiacceso Que varios usuarios puedan transmitir de forma simultánea La señal de uno necesariamente interferirá la de los demás

¿Cómo conseguimos multiacceso empleando lamisma frecuencia y tiempo? Con códigos ortogonales

¿Qué es un código ortogonal?

16

Multiacceso CDMA

¿Qué es un código (secuencia) ortogonal? Dos códigos son ortogonales entre sí, si al hacer su

correlación cruzada (desplazamiento 0) el resultado es cero.Es decir, su producto escalar es 0.

Si hacemos la autocorrelación de uno de ellos entoncesobtenemos una delta.

Hay muy pocas secuencias que cumplan estas dospropiedades Hay muy pocos códigos ortogonales

17

0

Multiacceso CDMA

Multiacceso por códigos ortogonales (síncrono) A cada usuario le asignamos un código ortogonal Empleamos ese código ortogonal como código expansor para

realizar ensanchado de espectro (DS-CDMA) Los usuarios transmiten a la vez, interfiriéndose entre sí En la recuperación, al emplear un código ortogonal solo se

recupera una señal, el resto se anulan completamente Por tanto, podemos elegir qué escuchar de todo lo que se

recibe

¿Y si hay rotura de la ortogonalidad? El multitrayecto y la falta de sincronización rompen la

ortogonalidad Las interferencias no se anularán por completo Pero tendrán muy poco nivel

18

Multiacceso CDMA

¿Cómo se generan los códigos ortogonales? Mediante un árbol OVSF (Orthogonal Variable Spread Factor)

Dado un código ortogonal, ninguno de susascendientes o descendientes es ortogonal con el

19

→,,

SF=1 SF=2 SF=4 SF=8

Multiacceso CDMA

Una vez elegido el factor de expansión, es sencillo verque no hay muchos códigos ortogonales

Los códigos dejan de ser totalmente ortogonales si noestán correctamente sincronizados El enlace descendente es sencillo de sincronizar

Sólo transmite la estación base En el ascendente es imposible

Hay muchos móviles, y cada uno en una posición distinta

¿Qué podemos hacer? Empleamos códigos de aleatorización

20

Multiacceso CDMA

Códigos de aleatorización (Scrambling) Proporcionan multiacceso asíncrono

Son secuencias pseudoaleatorias, muy similares a loscódigos ortogonales, pero, no son ortogonales: La correlación cruzada da valores pequeños (pero no 0) La autocorrelación es una delta (o casi)

Ventajas: Hay muchas y pueden servir como códigos expansores Sincronizan muy bien gracias a su alta correlación

Inconveniente: Al no ser ortogonales las interferencias no se anulan por

completo, queda un ‘pequeño’ residuo.21

Multiacceso CDMA

Exactamente, ¿qué obtenemos en recepción?

22

Interferencias externas, ruido térmico

Interferencias: despreciables al ser expandidas.R. Térmico: despreciable si hay suficientes usuarios

Residuos de señales vecinas

Por falta de ortogonalidadPoco residuo, pero si muchos usuarios Mucho residuo

Señal recuperada

Nivel muy superior al resto de señales

POLUCIÓN

Multiacceso CDMA

La polución depende de dos factores: La falta de ortogonalidad de las señales La potencia de transmisión empleada por cada usuario

Este segundo factor es MUY importante Un usuario cercano a la base llega con mucha más potencia,

por tanto genera más interferencia que uno lejano Efecto cerca-lejos (near-far)

Esto nos obliga a realizar control de potencia Hay que transmitir siempre con la mínima potencia necesaria Para interferir lo menos posible las señales de los demás

23

Respiración celular

La polución tiene un efecto secundario no deseado Debido al control de potencia

Al aumentar el número de usuarios… Aumenta la polución (disminuye la SNR de recepción) La estación base tiene problemas para escuchar a los UE Los UE deben incrementar su potencia para ser recibidos Si alcanzan su máximo Pierden la cobertura

En 3G la cobertura está relacionada con la capacidad Más capacidad Menos cobertura Problema típico en aglomeraciones (estadios, conciertos,

fiestas, …)

24

Planificación celular

¿Y qué pasa si tenemos varias células? ¿Se interfieren entre sí? ¿Necesitamos hacer planificación de frecuencias?

25

Podemos emplear frecuencia universal

Compatibilidad EM

CDMA tiene una ventaja adicional: Es electromagnéticamente compatible con el resto de

tecnologías

Podemos emplearla en una estación base que ya usaGSM (o LTE) por ejemplo. En la misma banda de frecuencias

26

ff

Lo que veGSM

SNRSNR

Lo que veUMTS

Técnicas de diversidad

En 3G se emplean varias técnicas para conseguirmejoras en la transmisión/recepción de la señal

Principalmente se emplea la diversidad: 2 Antenas para recepción 2 Antenas para transmisión

Al tener dos antenas separadas, si una no recibe bienla señal, probablemente la otra si lo haga. Combinando la señal de ambas tendremos mejor nivel

Adicionalmente, se aplican otras técnicas máselaboradas: Microdiversidad Macrodiversidad 27

Microdiversidad

Aprovechando la buena correlación de las señales debanda ancha empleadas, se usan receptores RAKE. Hay muy buena resolución temporal.

Un receptor RAKE saca provecho del multicamino: Al receptor llegan múltiples reflexiones de la misma señal Las 3-4 primeras reflexiones se alinean y combinan de forma

ponderada. Conseguimos mejorar notablemente la SNR.

Se emplea tanto en el UE como en el NodoB.

28

Macrodiversidad

La señal del UE puede alcanzar a varios Nodos B. Si el UE puede, se conecta a varios Nodos B. El UE indica:

Que Nodo B debe transmitir Info. para las 2 antenas de transmisión del Nodo B.

Hay varios Nodos B escuchando Podemos incrementar la SNR Sólo si los Nodos B, pertenecen al mismo RNC

Además, nos permite hacer Soft Handover: Traspasos con continuidad (suaves): no se pierde la conexión

en ningún momento. A cambio, gastamos más batería en el UE. Soft: traspaso entre distintos emplazamientos Softer: dentro del mismo emplazamiento 29

UTRANInterfaz de Acceso Radio

30

Interfaz de acceso radio

UTRAN: UMTS Terrestrial Radio Access Network

Interfaz radio con multiacceso W-CDMA Tasa de Chips fija: 3840 kchips/s Emplea doble codificación:

Códigos ortogonales + pseudoaleatorios Códigos ortogonales: (expansores)

Cada estación base y cada usuario tiene un árbol OVSFcompleto

Enlace descendente: separan usuarios Enlace ascendente: separan servicios de un mismo usuario

Códigos pseudoaleatorios: Enlace descendente: identifican a la estación base Enlace ascendente: identifican al usuario En ambos casos, perfilan el espectro.

31


Se realiza traspaso con continuidad Solamente un RNC es el encargado del control del usuario SRNC: Serving RNC

Canalización: Se emplean canales de 5 MHz Dúplex posibles:

FDD: 2 portadoras simultaneas (5 MHz cada una) 1 Enlace ascendente 1 Enlace descendente

TDD: 1 única portadora Enlaces ascendente y descendente separados

temporalmente No lo han implementado las operadoras

32


Bandas de frecuencias: Inicialmente sólo la banda de 2 GHz Ahora también 900 MHz gracias a la neutralidad

Mejora notablemente la cobertura por la mayor penetración Está permitiendo llevar la banda ancha móvil al medio rural

Frecuencias obtenidas por el dividendo digital

33

DescendenteAscendente


34

Circuitos

RNC

Paquetes

RNC

Uu

Iu

Iur

Iub

Iu-PSIu-CS

RNS

RNS: Radio Network SubsystemMGW: Media GatewayInterfaces ATM: Iu, Iub, Iur

Node B

UE

MGW

Estructura de canales

En UMTS los canales se emplean para comunicar alRNC con el UE

Hay tres tipos de canales: Canales lógicos: (RNC-UE)

Definen el tipo de información a transmitir. Datos de control, servicios (voz, video, …)

Canales de transporte: (RNC-UE) Definen cómo se debe transmitir la información de los canales

lógicos, es decir, como se empaquetan y/o multiplexan loscanales lógicos.

Hay canales comunes y dedicados. Canales físicos: (NodeB-UE)

Definen como se transmiten los canales de transporte por radio,esto es, qué códigos y frecuencias a emplear.

Hay canales comunes y dedicados.35

Canales lógicos

De control BCCH (Broadcast Control Channel, DL): información general

de configuración de la red PCH (Paging Channel, DL): para dar avisos a los UE CCCH (Common Control Channel, DL/UL): señalización

común DCCH (Dedicated Control Channel, DL/UL): señalización

dedicada

De tráfico DTCH (Dedicated Traffic Channel, DL y UL): información

dedicada para un UE CTCH (Common Traffic Channel, DL): información punto-

multipunto

36

Canales de transporte

Comunes RACH (Random Access Channel, UL) CPCH (Common Packet Channel, UL) BCH (Broadcasting Channel, DL) PCH (Paging Channel, DL) FACH (Forward Access Channel, DL) DSCH (Downlink Shared Channel, DL)

Dedicados DCH (Dedicated Channel, DL/UL)

37

Canales físicos

Asociados a los canales de transporte P-CCPCH (Primary Common Control Physical Channel):

transmite el canal BCH S-CCPCH (Secondary Common Control Physical Channel):

transmite los canales FACH y PCH PRACH (Physical Random Access Channel): RACH PDSCH (Physical Downlink Shared Channel): DSCH PCPCH (Physical Common Packet Channel): CPCH DPDCH (Deditated Physical Data Channel): DCH, parte de

tráfico DPCCH (Deditated Physical Control Channel): DCH, parte de

señalización (de nivel físico)

38

Canales físicos

No asociados a los canales de transporte CPICH (Common Pilot Channel)

SCH (Synchronization Channel): Primario: P-SCH Secundario: S-SCH

39

Correspondencias entre canales

40

BCCH PCCH DCCH CCCH CTCH DTCH

BCH PCH CPCH RACH FACH DSCH DCH

P-CCPCH

S-CCPCH PCPCH PRACH PDSCH DPDCH DPCCH

Canaleslógicos

Canales detransporte

Canalesfísicos

Canales físicos

En FDD están compuestos por: Frecuencia de la portadora a emplear Un código de canalización (ortogonal) Uno o más códigos de aleatorización En el enlace ascendente además hay que indicar el eje de

modulación (fase relativa): I o Q, ya que los códigos de aleatorización son complejos

En TDD: Frecuencia de la portadora a emplear Un código de canalización (ortogonal) Uno o más códigos de aleatorización Intervalos de tiempo

41

Canales físicos

La comunicación está dividida en intervalostemporales No se emplea para el multiacceso Se emplea como medida de sincronización

Estructura temporal: Trama: Duración 10 ms (38400 chips) Time Slots (TS): División en 15 intervalos (2560 chips)

Por cada trama puede cambiar: Tasa binaria Modo comprimido: si/no

Por cada intervalo (TS) puede cambiar: Control de potencia Informaciones periódicas

42

Canales físicos

43

Ejemplo: Canal DPCCH

Pila de protocolos

Plano de usuario: Capa 3, Nivel de enlace. (RLC, Radio Link Control)

Se asegura de que la transmisión sea fiable, retransmitiendoinformación si es necesario.

Capa 2. Control de Acceso al Medio (MAC) Encargado del acceso de los canales, multiplexión y

planificación según prioridad. Capa 1. Nivel físico

Medidas y control de la potencia.

Plano de control: Control de los recursos de radio (RRC)

Gestión de la conexión y la QoS Gestión de los recursos de radio (RRM)

Control de admisión de usuarios y traspasos

44

Pila de protocolos

45

Codificación de canal

Además de transmitir la información debemosasegurar que esta llega correctamente a su destino

Para ello es necesario aplicar técnicas de codificaciónde canal y/o corrección de errores Se emplean turbocódigos con tasas variables en función de la

calidad del canal A más calidad menos necesidad de redundancia

HARQ: Hybrid Automatic Request Se emplean códigos correctores y detectores En caso de detectar un error se solicita la retransmisión de

forma automática. En HSPA se exprime esta herramienta para conseguir mayor

tasa binaria46

Modo comprimido

En determinadas situaciones el UE necesita ciertotiempo libre aunque esté a medio de una llamada: Para medir la calidad de otras frecuencias

Ej: traspaso a GSM o a otra portadora UMTS. Para transmitir el informe sobre las medidas realizadas

¿Cómo se consigue ese tiempo libre? Eliminando bits transmitidos (puncturing) (huecos cortos)

Ya que tenemos un código corrector… Reduciendo el SF a la mitad (huecos largos)

Transmitimos al doble de velocidad Aumentamos la potencia al doble para compensar la SNR

Planificación: La estación base libera huecos en los canales necesarios para

que el UE los pueda usar.47

Núcleo de Red UMTS

48

VLR

Arquitectura de la red UMTS

49

MSC GMSC

Circuitos (CS)

SGSN GGSN

Paquetes (PS)

RNC

NodoB

NodoB

UTRAN3G

AuC EIR

HLR

Señalización SS7

Iu-PS

Iu-CS

SS7: Sistema de Señalización Nº7

Bases de datos del núcleo

HLR: Home Location Register Seguimiento de los clientes. Registro permanente y temporal.

VLR: Visitor Location Register Seguimiento de los clientes externos (roaming)

AuC: Authentication Centre Centro de autentificación

EIR: Equipment Identify Register Almacena el IMEI de los equipos usados. Lista Blanca: equipos OK Lista Negra: equipos perdidos/robados Lista Gris: equipos con problemas

50

Cambios en el núcleo de red GSM

El núcleo de red GSM debe modificarse para tener encuenta las novedades introducidas por UMTS.

Soportes para los nuevos interfaces Iu: SGSN: debe soportar el interfaz Iu-PS MSC: debe soportar el interfaz Iu-CS Si los equipos existentes no lo soportan, se puede intercalar

un adaptador.

Cambios en la red de señalización SS7 El protocolo MAP (Parte de Aplicaciones Móviles) cambia Esto obliga a cambios en el software de control

Otros cambios menores51

Calidad de Servicio (QoS)

En UMTS un UE puede mantener diversasconexiones simultáneas con diferentes QoS

La QoS se asegura a través de servicios portadores Hay cuatro clases de QoS

52

(BEARERS)


Cada servicio portador es extremo a extremo La QoS se le asigna al portador Los datos enviados con ese portador tendrán esa QoS

Tanto la red de acceso radio como el núcleo de redintentan asegurar el nivel de QoS exigido

Principalmente se piden 2 parámetros que definen elnivel de QoS del portador: Tasas máxima y garantizada (kbps) Latencia máxima (ms)

53


Aunque el portador es extremo a extremo estácompuesto por varios portadores

La red de acceso proporciona el portador RAB: Radio Access Bearer Simula un servicio fijo virtual, para alta QoS será necesario

reservar recursos de radio en previsión.

El núcleo de red proporciona el CNBS: Core Network Bearer Service Es mucho más estable (y sencillo de implementar) que RAB

54


55

Evolución de UMTS

56

Evolución de UMTS

Los aspectos comentados hasta ahora son de laversión de UTMS inicial (Release 99)

Posteriormente a esta versión han ido apareciendosucesivas versiones que ha ido mejorando tanto elnúcleo de red como el interfaz de radio

Se tiende a eliminar progresivamente la conmutaciónde circuitos

Algunas de estas ‘mejoras’ no se han implementadotodavía y con toda seguridad nunca lo harán Otras puede que lo hagan en algún momento

57

Releases UMTS

Los aspectos comentados hasta ahora pertenecenprincipalmente a la versión inicial (Release 99)

58

• Separación en CN planos usuario / control• Primer paso hacia todo IP• QoS en UTRAN

Release 4 2001

• IMS (1ª fase), HSDPA• QoS en conmutación de paquetes• Red de acceso IP

Release 52002

• IMS (2ª fase) (push, mensajería, …)• HSUPA• Interfuncionamiento con WLAN

Release 62005

• HSPA+• Aparece LTE

Release 72007

Release 5

Aparece IMS (IP Multimedia Subsystem) Es una rama independiente del núcleo que se encargará del

envío eficiente de información multimedia a través de IP. Se basa en el protocolo SIP para el inicio de sesiones, y el

RTP para el envío de datos. Elemento principal: CSCF (Call Session Control Function)

Es un servidor SIP (de registro + proxy) Los operadores no han desplegado todavía su infraestructura

IMS pero no tardarán pues LTE se basa en ella

Aparece HSS (Home Subscriber Server) Engloba al HLR y al AuC, y parte de la info de IMS Se comparte entre la red de conmutación de paquetes e IMS

Primera aproximación a una red de acceso todo IP Esta opción no se implementará nunca 59

Release 5 - IMS

60

SGSN GGSNUTRAN

HSS

RTCMGW

CSCF

Internet

MGCF

SGW

HSS: Home Subscriber ServerCSCF: Call Session Control FunctionMGCF: Media Gateway Control FunctionMGW: Media GatewaySGW: Signaling Gateway IMS

Servidor SIP

Servidores de aplicaciones

Sesiones SIP

Release 5 - HSDPA

HSDPA: High Speed Downlink Packet Access

Mejora la interfaz para los servicios de paquetes: Tasa binaria máxima de bajada: 14,4 Mb/s

En la práctica 2-3 Mb/s Reducción de latencia: menos de 100 ms Mayor eficiencia:

Canal descendente compartido de alta capacidad Más usuarios por célula

Muchas de las mejoras se consiguen dando másinteligencia al Nodo B Scheduling rápido en Nodo B en lugar de en RNC Retransmisiones entre Nodo B y UE (H-ARQ)

61

Release 5 - HSDPA

Estructura temporal adicional: Subtrama: equivalente a 3 TS (2 ms) Permite un scheduling más ágil

Canal de transporte adicional: HS-DSCH: High Speed Downlink Shared Channel

Canales físicos adicionales (enlace descendente): HS-SCCH: High Speed Shared Control Channel HS-PDSCH: High Speed Downlink Shared Channel

62

Release 5 - HSDPA

63

2 ms

15 Códigos de SF 16 UEs(uno o más códigos

de canalización)

Los UE envían al Nodo B sus CQI (Channel Quality Indication).El Nodo B asigna códigos y slots a discreción, según los CQI y las necesidades de los UE (caudal según calidad).

HS-DSCH

Hasta ahora HARQ: (Hybrid Automatic Request) Se solicitan retransmisiones de las tramas erróneas

Ahora HARQ con combinación: No descartamos las tramas erróneas Las guardamos y combinamos con las retransmitidas Esto nos permitirá mejorar las posibilidades de recuperar la

información y/o minimizar la información a transmitir También se puede emplear para reducir la cantidad de

redundancia de la señal transmitida

Inconveniente: Al apoyarse en la retransmisión introduce unretardo variable.

Release 5 - HSDPA

64

Opción 1: Combinación chase Se retransmite la misma trama con todos los bits redundantes Se combinan la transmisión previa y la actual Se comprueba si todo ha ido bien Con cada retransmisión se consigue más potencia

Opción 2: Redundancia incremental Se retransmite la misma trama pero con menos bits

redundantes (puncturing) Se combinan la transmisión previa y la actual Se comprueba si todo ha ido bien, si no, se retransmite ‘otra

parte’ distinta. En el peor de los casos se transmiten todos los bits

redundantes otra vez.

Release 5 - HSDPA

65

Release 5 - HSDPA

Puede funcionar en la misma portadora que UMTS: Facilita su implantación Emplea únicamente la potencia sobrante de la estación Emplea 5 o 10 códigos ortogonales

Tasas máximas 3,6 Mb/s o 7,2 Mb/s respectivamente

Funciona mejor en una portadora aparte: Es necesario añadir un transceptor adicional En este caso emplea 15 códigos ortogonales

Tasa máxima 14,4 Mb/s

Limitaciones de HSDPA: No soporta soft handover No permite control de potencia

66

Release 6 - HSUPA

HSUPA: High Speed Uplink Packet Access En realidad su nombre es EUL (Enhanced Uplink)

Mejora la interfaz para los servicios de paquetes: Tasa binaria máxima de subida: 5,7 Mb/s

En la práctica 1 Mb/s Reducción de latencia: menos de 50 ms Mayor eficiencia:

Comparte la potencia del canal ascendente

Es necesario proporcionar más inteligencia al Nodo B Control de tasa de transferencia según potencia disponible Scheduling rápido (2 ms) Retransmisiones H-ARQ

67

Release 6 - HSUPA

Canal de transporte adicional: E-DCH: Enhanced Dedicated Channel

Canales físicos adicionales enlace ascendente: E-AGCH: Enhanced Absolute Grant Channel E-RGCH: E-DCH Relative Grant Channel E-HICH: E-DCH Hybrid ARQ Indicator Channel

El scheduler del Nodo B decide qué UE transmiten ycon qué velocidad En función de los datos de canal/potencia sobrante

transmitidos por los UE y de los recursos solicitados ‘Happy Bit’: Cada vez que el UE transmite le indica al nodo B

si solicita más recursos o no.68

Release 7 – HSPA+

Evolved HSPA

Introduce mejoras para conseguir: Caudales de hasta 21 Mb/s en DL y 11 Mb/s en UL. Menores latencias: 20 ms

Mecanismos usados: Modulaciones de orden superior (hasta 64 QAM) MIMO Trabajo con múltiples portadoras simultáneas …

69


Parte III - LTESergio Bleda Pérez


1. Introducción2. Caracterización de canales móviles3. UMTS Tecnologías de nivel físico Red de Acceso Radio (UTRAN) Núcleo de Red Mejoras: HSDPA, HSUPA y HSPA+


5. WiMAX 2

2

LTE

LTE: UMTS Long Term Evolution Evolución a largo plazo de UMTS

El término LTE aparece en la Release 7 de UMTS Las siglas se emplearon para definir qué hacer a partir de ese

momento, no era el nombre de ninguna tecnología nueva.

UMTS esta muriendo por culpa de su propio éxito El número de usuarios crece de forma alarmante (+polución)

Alarmante para la tecnología, no para las operadoras Los usuarios demandan cada vez más capacidad

HSPA+ se quedará corto en poco tiempo Necesario un giro hacia algo ‘mejor’ y de más capacidad

Obligatorio cambiar de tecnología3

Crear un marco para la evolución/migración de lossistemas del 3GPP (seguimos en 3G)

¿Qué se espera del nuevo sistema?

Objetivos de LTE

4

Más capacidad D 100 Mb/sU 50Mb/s

Menor latencia 10 ms

Todo IP

Accesos alternativos WiMAX, WLAN, etc…

EPS

Sistema de Paquetes Evolucionado Definido en la Release 8

Éste es en realidad el nombre del nuevo sistema Aunque comercialmente se usa LTE

EPS está compuesto por: E-UTRAN (Evolved UTRAN) como interfaz de acceso radio EPC (Evolved Packet Core) como núcleo de red

EPS – Evolved Packet System

5

Release 8• Definición

Release 9• Ampliación

Release 10• LTE-Advanced

4G3,9G

VLR

Simplificación de la Arquitectura UMTS

6

MSC GMSC

Circuitos (CS)

SGSN GGSN

Paquetes (PS)

RNC

NodoB

NodoB

UTRAN3G

AuC EIR

HLR

Señalización SS7

Iu-PS

Iu-CS

Arquitectura simplificada LTE

7

Característica principal:separación en dos planos,

Usuario y Control

S-GW: Serving Gateway (U)MME: Mobility Managemente Entity (C)

Tecnologías de Nivel Físico

8


En LTE (y LTE-Advanced) se emplea como tecnologíabase OFDM Enlace descendente OFDMA Enlace ascendente SC-FDMA

SC-FDMA: Single Carrier FDMA Aunque no lo parezca es una variante de OFDM

¿Por qué OFDM? Es una modulación muy robusta frente al multitrayecto Permite compensar fácilmente la selectividad en frecuencia

del canal Facilidad de multiacceso

9

OFDM

Orthogonal Frequency Division Multiplexing Multiplexión por División de Frecuencias Ortogonales DMT, Discrete Multitone: Nombre usual en medios cableados

En lugar de emplear una única portadora paratransmitir la señal, emplearemos muchas En conjunto es una señal de banda ancha Pero cada subportadora tendrá un ancho de banda pequeño Esto nos permite aumentar el periodo de bit

Se relaja la ‘calidad’ necesaria del canal para transmitir

Todas las subportadoras son ortogonales entre sí Ortogonales No se interfieren entre sí

10

OFDM – Ortogonalidad

Ejemplo de subportadoras ortogonales

11

OFDM – Generación de Símbolos

Siendo R la tasa binaria y BW el ancho de banda, conOFDM se dividen en NSC subportadoras distintas: Cada subportadora tendrá:

Un símbolo OFDM está formado por la informacióncontenida por todas las subportadoras El período de Símbolo OFDM TS depende de BWSC, RSC Es decir, depende de: BW, R y NSC

Las subportadoras se modularán a su vez con algunamodulación en amplitud o fase (M-QAM, M-PSK, …) No se puede emplear FM se rompería la ortogonalidad

12


Al tener muchas subportadoras, la generaciónconvencional es muy complicada Habría que modular por separado cada subportadora Cientos o miles de modulaciones independientes

En su lugar se emplea la FFT: Se generan los símbolos M-QAM / M-PSK correspondientes

(uno por subportadora) Cada símbolo se emplea como uno de los coeficientes de la

FFT (obviamente en frecuencia) Se realiza la transformada inversa IFFT Obtenemos la señal temporal correspondiente al Símbolo

OFDM Modulamos la señal temporal con la portadora del canal

13


Ejemplo de señal OFDM temporal:

14

OFDM – Recepción

Realizamos el proceso inverso: Demodulamos con la portadora del canal, así obtenemos la

señal temporal en banda base Hacemos la FFT Obtenemos el espectro, es decir, los símbolos M-QAM / M-

PSK enviados

Esto es suponiendo que la transmisión es perfecta yno hay problemas en el envío… y siempre los hay

Aspectos que deberemos solucionar: El multitrayecto (el cual genera ISI) Selectividad en frecuencia del canal (FSF)

15

OFDM – ISI

¿Cómo lucha OFDM contra el multitrayecto? El multitrayecto genera ISI (interferencia entre símbolos) Se soluciona con el periodo de guarda (prefijo)

16

Símbolo 1 Símbolo 2 Símbolo 3

Símbolo 1 Símbolo 2 Símbolo 3Eco

TpSímbolo 1 Símbolo 2 Símbolo 3Tp

TpSímbolo 1 Símbolo 2 Símbolo 3TpEco

ISI

OFDM – ISI

¿Cuál debe ser la duración del periodo de guarda? La suficiente para evitar la ISI

17

Ds

Respuesta al impulsodel canal

Ds: Dispersión de retardo

Debe cumplirse:

OFDM – ISI

El periodo de guarda se incluye en el propio símbolo Ahora tendremos tres periodos distintos:

Ts: Periodo de símbolo Tp: Periodo de guarda (prefijo) Tu: Periodo útil de símbolo

La separación en frecuencia de las portadoras seobtiene a partir del periodo útil

∆1

Hemos solucionado la ISI, pero… ¿y la interferenciaen el propio símbolo?

18

Tp Tu

Ts

OFDM – Prefijo Cíclico

El periodo de guarda no se deja vacío, en él se copiael final del símbolo Aunque se podría dejar vacío (Zero Padding)

19

OFDM – Prefijo Cíclico

El prefijo cíclico consigue que en recepción siemprese obtengan copias completas de los símbolos

20

TpSímbolo 1 Símbolo 2 Símbolo 3Tp

TpSímbolo 1 Símbolo 2 Símbolo 3TpEco

Ventana de Recepción

La recepción de un símbolo se ve afectada sólo por versiones atenuadas y rotadas en fase de ese mismo símbolo.

¿Qué atenuaciones y cambios de fase? Los correspondientes a la respuesta al impulso del canal

OFDM – FSF

¿Cómo lucha OFDM contra la atenuación selectiva enfrecuencia? FSF: Frequency Selective Fading Es necesario estimar la respuesta al impulso del canal

Para estimar el canal se emplean subportadoras pilotode amplitud conocida Al recibirlas, las modificaciones que han sufrido son debidas

al canal Tenemos la IR del canal Es de suponer que las subportadoras cercanas a los pilotos

sufrirán el mismo canal Por tanto es posible compensar su efecto fácilmente

21

OFDM – FSF

22

f

f

Pilotos

Emisión

Recepción

Para compensar la FSF basta con multiplicar las componentes en frecuencia.Viene a ser lo mismo que un ecualizador.

OFDM

Inconvenientes de OFDM: La PAPR (Peak to Average Power Ratio) es muy elevada El Doppler modifica la separación entre portadoras rompiendo

así la ortogonalidad

La señal OFDM se crea en frecuencia sin ningunadificultad, pero si la trasladamos al tiempo… La señal temporal tiene en general un nivel relativamente

bajo, pero aparecen picos muy elevados de vez en cuando Esto es contraproducente:

Los amplificadores de RF deben limitar su potencia Si los hacemos funcionar a plena potencia saturarán cuando

aparezcan los picos Deben trabajar en Backoff Reduce la eficiencia y aumenta el

consumo

23

OFDMA – Multiacceso OFDM

OFDMA OFDM Access Se usa en LTE en el enlace descendente

Lograr el multiacceso con OFDM es muy sencillo Basta con asignar las subportadoras por grupos a

diferentes usuarios La asignación puede ser dinámica (scheduling)

24

SC-FDMA

SC-FDMA: Single Carrier FDMA

El nombre da a entender que emplea una únicaportadora En teoría si, pero en la práctica no es así Es una variante de OFDM

SC-FDMA se usa en LTE en el enlace ascendente OFDM tiene problemas de PAPR elevada Es más perjudicial en los UE al funcionar con baterías

Los amplificadores consumen más de lo necesario (backoff) Tienen que ser muy lineales para evitar problemas de

intermodulación (más caros) Con SC-FDMA se intenta paliar este problema

25

SC-FDMA

Para reducir la PAPR se realiza una pre-codificaciónde los símbolos a transmitir De esta forma se consigue que las portadoras no se sumen

(tanto) en fase y se reducen los picos

La pre-codificación consiste en aplicar una DFT detamaño K K debe ser menor o igual al número de subportadoras NSC

Si K = NSC Single Carrier El resto de subportadoras (NSC-K) se mantienen a 0

Hay dos modos de transmisión: Localizado Distribuido

26

SC-FDMA

Localizado:

27Si K = N se anulan las transformadas Single Carrier

SC-FDMA

Distribuido: la señal está distribuida a lo largo de lassubportadoras

28

SC-FDMA – Multiacceso

Se asignan bandas diferentes a cada usuario En LTE se emplea el modo localizado ya que es menos

sensible frente a errores en frecuencia

29

Usuario 1

Usuario 2

Técnicas de Multiantenas: MIMO

En LTE se explota el uso simultáneo de múltiplesantenas tanto en transmisión como en recepción MIMO: Multiple Input Multiple Output

MIMO explota la diversidad espacial del canal móvil: Multiplexión espacial: Crear varios caminos independientes

por cada par de antenas (transmisión-recepción) Se consigue multiplicar la capacidad del canal por el número

de pares de antenas (idealmente)

30

ReceptorTransmisor


Suponiendo que solamente hubiera una antena entransmisión y otra en recepción tendríamos:

31

ReceptorTransmisors(t) y(t)

,

,


Generalizando para MR antenas en recepción y MTantenas en transmisión:

32

, ,

ReceptorTransmisor

y1

y2

s1

s2

s3

ij


Generalizando para MR antenas en recepción y MTantenas en transmisión:

Esta ecuación se puede representar de formamatricial para que sea más compacta Para ello definimos H como:

33


La forma matricial queda:

Si tenemos en cuenta el ruido térmico recibido por lasantenas:

Si además tenemos en cuenta que el canal es plano,es decir, es más estrecho que el ancho de banda decoherencia del canal (Bc) Fácil de cumplir con OFDM

34

, ∗

, ∗

,


La forma matricial queda:

Obviando el término del ruido, si H fuera una matrizdiagonal… Cada una de las componentes de y(t) solo dependería de una

componente de s(t), tendríamos canales independientes

H no es una matriz diagonal y no podemos cambiarla H es el canal, no podemos modificarlo a voluntad Pero s(t) es la señal que enviamos y está multiplicando a H Si modificamos s(t) pude que consigamos que al multiplicarla

por H parezca que H sea diagonal

35

,


Esto se consigue haciendo una descomposición envalores singulares de H (en matlab svd):

∗

U: Matriz unitaria (MR,MR) Unitaria Determinante = 1

D: Matriz diagonal (MR,MT) D solamente tendrá L=min(MR,MT) valores no nulos en la

diagonal (son los valores singulares de H, las raíces nonegativas de los autovalores de H)

V: Matriz unitaria (MT,MT) V* es la traspuesta conjugada de V

36

L: Grados de libertad


Aplicando la descomposición en valores singulares:∗

Al ser matrices unitarias, U y V cumplen que: ∗ (matriz identidad) ∗

Así, podemos deshacernos de ellas fácilmente

37

∗

∗ ∗

Matriz de Pre-codificaciónMatriz de Post-codificación


Esquema:

38

PrecodificaciónV

Transmisión

PostcodificaciónU*

y


Para hacer las pre/post-codificaciones es necesarioconocer el canal en ambos extremos La estación base envía pilotos Los UE estiman el canal H y se lo comunican a la base Los UE descomponen H para conseguir U*, la base para V Debe repetirse continuamente, el canal varía con el tiempo

Demasiada información que transmitir, por lo que seemplea una solución subóptima Tanto la estación como el móvil disponen de un conjunto de

matrices que representan los escenarios más comunes Se elige la matriz más parecida a la necesaria Solamente hace falta transmitir el nº de la matriz

39


Condiciones necesarias para su buen funcionamiento: Que los diferentes canales físicos estén incorrelados

¿Cuándo sucede eso? Cuando el multitrayecto es muy influyente en la señal Si hay visión directa de la estación base hay muy pocas

posibilidades de que MIMO funcione bien

Nomenclarura en LTE: Antenas: antenas físicas de los equipos Puertos (de antenas): antenas empleadas para MIMO, por

ellas se transmiten las señales piloto para estimar el canal

40

Técnicas de Multiantenas: MU MIMO

MU MIMO: Multiple User MIMO MIMO SU MIMO (Single User MIMO)

En este caso se usan las antenas de varios UE comosi todas pertenecieran al mismo sistema MIMO: Conseguimos un canal independiente para cada usuario LTE solo contempla una antena por UE (de momento)

41

E-UTRANInterfaz de Acceso Radio

42


E-UTRAN: Evolved UTRAN

Se ha simplificado la arquitectura UTRAN Pasa de arquitectura Jerárquica a Plana Solo hay eNB en la red de radio

eNB: Evolved Node B Ahora los nodos son inteligentes No es necesario usar controladores (RNC) Se reduce la latencia, necesario para el scheduling

43


E-UTRAN: Evolved UTRAN

44

Núcleo de Red (EPC)

Interfaz de Acceso Radio

S-GW: Serving Gateway (U)MME: Mobility Management Entity (C)

Interfaces empleados en E-UTRAN

S1: entre los eNB y el núcleo de red Dividido en dos subinterfaces:

S1-MME: para el plano de control S1-U: para el plano de usuario

Un eNB puede emplear varios S1 Esto permite balanceo de carga y tolerancia a fallos

X2: entre eNBs, es opcional y sirve para… Gestionar traspasos Intercambiar info sobre canales, usuarios, portadoras, etc…,

es útil para los schedulers y el MIMO

E-UTRAN Uu (o LTE Uu) Interfaz Aire (OFDM)

45

Interfaz E-UTRAN Uu

Entre el eNB y los EU se pueden enviar tres tipos demensajes:

46

(broadcast)

(Radio Bearer)

Interfaz S1-U

Se emplea para transmitir datos de usuario entre eleNB y el S-GW Está basado en UDP No proporciona garantías de entrega No tiene ni control de errores ni de flujo (QoS)

El servicio que proporciona se denomina: Portador S1 (S1 Bearer)

47

Interfaz S1-MME (o S1-C)

Transmite datos de control entre el eNB y el S-MME Establecimiento, modificación y liberación de recursos tanto

de RB como de S1 Bearer (concatenados E-RAB) Traspasos (handovers) Avisos (de llamadas, Paging)

48

Interfaz X2

Transmite datos de control entre eNBs No proporciona garantías de entrega No tiene ni control de errores ni de flujo

Funciones: Soporte de traspasos entre eNB Intercambio de información para mejorar la coordinación y así

maximizar la gestión de los recursos de radio

49


En LTE no se realiza traspaso con continuidad

Modulación: E. Descendente: OFDMA E. Ascendente: SC-FDMA

Canalización: Se emplean canales de ancho variable 1,4 - 20 MHz Dúplex posibles:

FDD: 2 portadoras simultaneas TDD: 1 única portadora Half-FDD: 2 portadoras pero se emplean en tiempos alternados MBSFN: Multimedia Broadcast Single Frequency Network

50

Estructura de la capa física

Unidad temporal de referencia: Ts = 0,0325 us Ts = 8 · Tchip de UMTS Esto permite compartir el reloj entre UMTS y LTE

Estructura temporal: Tramas (frames): TF = 10ms = 307200TS Subtramas (subframes): TSF=1ms = 30720TS

TTI: Transport Time Interval =TSF

Slots (Time Slots): TS=0,5ms = 15360TS

Hay dos tipos de tramas: Tipo 1 (FDD) Tipo 2 (TDD)

51


52

Tipo 1: En FDD (full y half duplex)

Tipo 2: En TDD


Estructura en frecuencia: Subportadoras equiespaciadas 15 kHz Nº de subportadoras variable: NSC

Al ser el nº de subportadoras variable, no hay unancho de canal fijo definido

Anchos estándar (MHz): 1.4, 3, 5, 10, 15, 2053

f15

kHz0

DC

22

Portadora del canal RF

(+1)


Separación de subportadoras: 15 kHz Aunque puede emplearse 7,5 kHz en caso de transmisión

coordinada entre varios eNB

Unidad mínima de asignación de recursos: Resource Block (RB): Bloque de Recursos o Radio Bloque Consiste en 12 subportadoras (24 si 7,5 kHz de separación) En total son 180 kHz de ancho en frecuencia Duración fija en 0,5 ms (1 Slot)

54

RB

0,5 ms

180 kHz


Asignación de recursos:

55

PRB: Physical RB


Cada Radio Bloque está a su vez compuesto porvarios Resource Elements RE: Pero la asignación es siempre a nivel de RB Un RE es una subportadora modulada con 4, 16 o 64 niveles

QPSK, 16-QAM y 64-QAM 2, 4 y 6 bits/símbolo respectivamente

En un Slot de tiempo caben varios símbolos (RE) : 6 o 7 símbolos (y uno especial de 3) Esto da lugar a 3 tipos de slots diferentes El caso normal de slot es el de 7 símbolos

Un RB contiene en su interior 84 RE 12 subportadoras x 7 símbolos/subportadora Serán 72 RE con 6 símbolos y 36 RE con 3 símbolos

56


El uso de más o menos símbolos viene determinadopor el tamaño del prefijo cíclico La duración de los símbolos es siempre igual para mantener

la ortogonalidad

7 Símbolos con el prefijo cíclico normal

6 Símbolos con el prefijo cíclico largo Prefijo de mayor duración Es más robusto, se usa para asegurar la recepción con

peores condiciones de canal

3 Símbolos con el prefijo cíclico súper largo Se emplea en transmisiones de multidifusión 57

Capacidad

¿Qué capacidad podemos conseguir?

En 1 RB 84 RE 12 subportadoras 7 RE por subportadora, con prefijo cíclico normal

1 RE 6 bits, si empleamos 64QAM

84 6 504 /0,51 /

58

MHz 1,4 3 5 10 15 20

RBMb/s 6 15 25 50 75 100

Protocolos del interfaz radio

59

Tipos de Canales

Canales Lógicos: Indican el tipo de información a transmitir

Canales de Transporte: Representan el formato en el que se envía la información

(Transport Blocks)

Canales Físicos Codificación OFDM de los canales de transporte

60

Canales Lógicos

En LTE hay 7 canales lógicos: BCCH: Broadcast Control Channel PCCH: Paging Control Channel DCCH: Dedicated Control Channel CCCH: Common Control Channel MCCH: Multicast Control Channel DTCH: Dedicated Traffic Channel MTCH: Multicast Traffic Channel

61

Canales de Transporte

En LTE hay 6 canales de transporte: BCH: Broadcast Channel PCH: Paging Channel DL-SCH: Downlink Shared Channel MCH: Multicast Channel UL-SCH: Uplink Shared Channel RACH: Random Access Channel

Los canales compartidos (SCH) transportan tantodatos de usuario como información de señalización

62

Canales Físicos

En LTE hay 9 canales físicos: PBCH: Physical Broadcast Channel PMCH: Physical Multicas Channel PDCCH: Physical Downlink Control Channel PDSCH: Physical Downlink Shared Channel PCFICH: Physical Control Format Indicator Channel PHICH: Physical Hybrid ARQ Indicator Channel PRACH: Physical Random Access Channel PUCCH: Physical Uplink Control Channel PUSCH: Physical Uplink Shared Channel

63

Señales de Referencia: RS

Señales de referencia: Son los símbolos piloto

Se emplean para: Medir la calidad del canal descendente Estimar la IR del canal Ayudan en los mecanismos de búsqueda de celda y

sincronización inicial

Se necesita un mínimo de 2 RS pos cada RB Localizadas en unos RE determinados de su interior Deben estar separadas 6 subportadoras Si es necesario se pueden enviar 2 RS adicionales

(secundarias)64


Señales de referencia: RS

65

2 RB


Señales de referencia: RS – MIMO 2x2

66Las señales de referencia nunca se deben solapar


Al usar MIMO las señales de referencia de una antenaproducen huecos en las demás Esto reduce la capacidad Pero es necesario para no interferir en la estimación del canal

¿Qué información se envía en las señales RS paraestimar el canal? El estándar no indica el procedimiento a seguir Cada fabricante implementa su propio método

67

Planificador (Scheduler)

Asignación inteligente de subportadoras: Se asignan las subportadoras que se reciben bien Gracias a la realimentación

68

Planificador (Scheduler)

Además de las portadoras y el instante de tiempo,el planificador indica la MCS: MCS: Modulation and Coding Scheme

Además de asignar las portadoras adecuadas en cadamomento, también se indica que esquema de codificacióndebe emplear con el fin de adaptarse a las posibilidades delcanal

Es decir, también indica: Modulación: QPSK, 16QAM, 64QAM Tasa del código corrector: si hay un buen canal se puede reducir

la redundancia

El planificador es el elemento principal de LTE

69


En LTE ¿es necesaria la planificación de frecuencias?

70



Sí, porque al fin y al cabo estamos usando FDMA Dos células cercanas se interferirán si usan las mismas

frecuencias Esto produce que tengamos menor capacidad por célula

71



No, (o casi) porque la asignación es dinámica Los usuarios de los bordes de la célula, son susceptibles de

interferencia intercelular, el Scheduler le asignará unasportadoras que no usará la otra base

72

Núcleo de Red EPC

73

EPC: Evolved Packet Core

74

EPC: Evolved Packet Core

MME: Mobility Management Entity Funciones de control

S-GW: Serving Gateway Datos de usuario

P-GW: Packet Data Network Gateway Pasarela al exterior de los datos de usuario

HSS: Home Subscriber Server Base de datos de usuarios

PCRF: Policy and Charging Rules Reglas de asignación de servicios portadores (QoS)

OCS y OFCS: Online/Offline Charging System Se encargan de controlas las reglas de tarificación

75

MME: Mobility Management Entity

Funciones: Autentificación y autorización del acceso de los usuarios a

través de E-UTRAN

Gestión de los servicios portadores EPS

Gestión de movilidad de los usuarios En estado idle (no tienen establecida una llamada)

Soporte de movilidad con redes previas UMTS y GSM

76

S-GW: Serving Gateway

Funciones: Funciona de punto de anclaje para los datos del UE

Ya que este puede cambiar de eNB, el S-GW debe manetenerseinformado de donde se encuentra

Actualiza los portadores S1 cuando es necesario También se usa en la movilidad con redes previas (UMTS, GSM)

Almacén temporal de los datos de usuario (tramas IP) Si el UE está en modo idle necesita un tiempo de reacción

Encaminamiento de los datos de usuario Todos los datos son paquetes IP

77

P-GW: PDN Gateway

Funciones: Aplicación de las reglas de uso de la red y control de la

tarificación

Asignación de direcciones IP Si el UE está en modo idle necesita un tiempo de reacción

Punto de anclaje para la interacción con redes no 3GPP WIFI, WiMAX, …

Funciones de inspección de paquetes IP Packet Screening (Similar a un Firewall)

Hacen la función de APN Access Point Network

78

Configuraciones del núcleo

Los tres equipos principales del núcleo se puedenpresentar en cuatro configuraciones físicas distintas:

MME, S-GW, P-GW

MME y S-GW+P-GW Integración de pasarelas

MME+S-GW y P-GW Integración de los planos de usuario y de control

MME+S-GW+P-GW Integración todo en uno

79

Conexiones PDN

Un UE tendrá asignada una IP única asignada

80


La QoS se asegura a través del portador EPS EPS Bearer Service

Un portador EPS es un servicio de transferencia depaquetes IP que tiene asignados unos parámetros decalidad Todos aquellos servicios asignados al portador tendrán el

nivel de QoS del portador Cada portador tendrá asignado un nivel de calidad QCI

(Quality Channel Indicator)

81


Valores estándar de QCI GBR: Guaranteed bitrate

82


83

LTE-Advanced

84

LTE-Advanced

LTE-Advanced está definido en la Release 10 Oficialmente es la primera tecnología 4G del 3GPP

Como es normal es totalmente compatible con LTE Es compatible hacia atrás (backward compatible)

Mejoras sobre LTE introducidas: Agregación de portadoras Mejoras en las tecnologías de multiantenas Despliegues Jerárquicos CoMP: Transmisión multipunto coordinada Repetidores o Regeneradores

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Agregación de portadoras

Carrier Aggregation

Permite emplear más de una portadora de formasimultánea y coordinada Agregando portadoras (component carriers) puede llegar a

ocupar 100MHz de ancho de banda

Esta estrategia ya la emplea WIFI n En LTE es bastante más complicado conseguir esta

agregación Las capas 1 y 2 son independientes, la 3 es compartida

La agregación puede ser: Intrabanda: ej: 800 MHz Interbanda: ej: 800 MHz y 2600 MHz

86

Tecnologías multiantenas

Se extiende la capacidad de MIMO

Enlace descendente hasta 8 antenas simultaneas

Enlace ascendente hasta 4 antenas simultaneas

87

Despliegues Jerárquicos

En LTE ya se contempla la posibilidad de los desplieguesJerarquicos: Macroceldas Microceldas Femtoceldas

Aquí se ahonda en la interrelación entre bases dedistintos tamaños Los traspasos no siempre serán por el CQI del canal Las femtoceldas tienen menos capacidad, es relativamente

sencillo saturarlas Los traspasos deben tener en cuenta la capacidad, así como

aspectos de tarifas, permisos, etc…

88

Transmisión multipunto coordinada

Si es posible, un UE se conectará a más de un eNB Esto permitire aumentar la tasa binaria para los equipos que

se encuentran en el borde de una célula Por defecto, los equipos en el borde solamente pueden usar

un nº reducido de subportadoras

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Repetidores o Regeneradores

LTE Relay Los repetidores producen una retransmisión regenerativa de

la señal Se podrán usar en lugares con problemas de cobertura

El eNB se comunica con el UE a través del repetidor En este caso el eNB se denomina ‘donante’

En el repetidor la señal LTE se decodifica, corrige yregenera Pueden funcionar en una banda distinta (outband) o en la

misma banda (inband) No necesitan conexión a la red al ser todo su operativo

inalámbrico

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Referencias

Publicaciones: [1] Comunicaciones Móviles, J. M. Hernando Rábanos, 2ª

Ed., Editorial Ramón Areces, 2004. [2] Tercera Generación en Comunicaciones Móviles, IMT-

2000 (UMTS), V. Murillo, L. de Haro, J. M. Hernando,Fundación Airtel Vodafone, 2001.

[3] LTE: Nuevas Tendencias en Comunicaciones Móviles,R. Agustí Comes (Coord), Fundación Vodafone España,2010.

Normativas y Recomendaciones: ITU y 3GPP

Programas de simulación: Xirio-Online, www.xirio-online.com.

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NGN Tema 5 - Redes de Acceso Inalámbricas

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