1.Interfaz radio de LTE y LTE-A
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1 1 www.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?
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Edison Coimbra G.
Manualde clases
Última modificación:14 de julio de 2017
Tema 1 de:
TECNOLOGÍASLTE Y LTE-A
La interfaz radio
Objetivo
TECNOLOGÍASLTE 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?
ÍNDICE DEL CONTENIDO
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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.
1.- TECNOLOGÍA LTE-A
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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.
Características de LTE
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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)
2.- ARQUITECTURA DE LTE
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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.
Red de acceso radio E-UTRAN
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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.
Red troncal de paquetes EPC
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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.
IP Multimedia Subsistema IMS
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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.
Equipo de usuario UE
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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.
3.- LA INTERFAZ RADIO LTE
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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.
Mecanismos de transferencia de información
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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.
Protocolos en la Interfaz radio
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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.
(Ca
lle, 2
01
4)
Se dividen en dos planos, de control y de usuario.
La capa física de LTE
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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.
.
Frecuencias de operación de LTE
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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.
Bloque de recursos físicos PRB
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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.
Velocidad de transmisión de un PRB
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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.
Velocidad de transmisión de canal LTE
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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.
Velocidad de transmisión con MIMO
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¿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.
La trama LTE
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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.
Referencias bibliográficas
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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: UnitedKingdom: Jhon Wiley & Son Ltd. London.
Iquall Networks. (2014). LTE. Whitepaper.
Taha, A. &. (2012). LTE, LTE-Advanced and WiMAX. Towards IMT-Advanced Networks. United
FINTema 1 de:
Edison Coimbra G.
La interfaz radio ― Tema 1 de Tecnologías LTE Y LTE-A
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2_Las tecnologías del nivel físico
3_El sistema MIMO
TECNOLOGÍAS
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