Captulo 2: LTE o la Cuarta Generacin (4G) de Comunicaciones Mviles

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CAPTULO 2: LTE O LA CUARTA GENERACIN (4G) DE COMUNICACIONES MVILES

2.1 Introduccin

En el mundo de la telefona mvil se est en continuo crecimiento y no se para de

introducir nuevas tecnologas para ofrecer a los usuarios un mejor servicio. Despus de haber

pasado por 1G, GSM, 2G, GPRS, 3G, UMTS y la 3.5G, HSPA, ahora estamos muy cerca de la

llegada de la ltima generacin, la 4G, que podramos definir como all-IP donde se busca un

sistema que permita conjugar una capacidad multimedia con una movilidad plena.

Con LTE (Long Term Evolution) se introduce una gran variedad de novedades con los

anteriores estndares, pero la mayor novedad es que por primera vez, todos los servicios,

incluida la voz, sean soportados por el protocolo IP. Las velocidades que se pueden llegar a

conseguir en la interfaz radio con LTE tambin aumentan respecto a la ltima generacin,

llegando a un rango de 100 Mb/s y 1 Gb/s [2.1].

En este captulo se presentan en los sucesivos apartados la arquitectura del sistema

LTE, la red de acceso y la red troncal, las tecnologas de transmisin del nivel fsico que se

utilizan en el enlace descendente, OFDMA, y ascendente, SC-FDMA, la tcnica Multi-Antena

(MIMO) y describiremos tambin las caractersticas principales de la interfaz radio del sistema.

Al final del captulo mostraremos la simulacin de un ejemplo del sistema LTE a travs del

software ADS 2009 (Advanced Design System).

Figura 2.1: Logotipo de LTE

2.2 Arquitectura del sistema LTE

2.2.1 Arquitectura general de los sistemas celulares

Se pueden identificar tres elementos principales que constituyen la arquitectura de un

sistema de comunicaciones celular [2.1]:

- Equipo de usuario: Dispositivo que permite al usuario acceder a los servicios que nos

ofrece la red. El dispositivo del usuario tendr una tarjeta inteligente, que

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comnmente denominamos tarjeta SIM (Subscribe Identity Module), que contendr la

informacin necesaria para poder conectarse a la red y poder disfrutar de los servicios

que nos ofrece nuestro proveedor de servicio. Se conectar a la red a travs de la

interfaz radio.

- Red de acceso: es la parte del sistema que realiza la comunicacin, transmisin radio,

con los equipos de usuario para proporcionar la conectividad con la red troncal. Es la

responsable de gestionar los recursos radio que estn disponibles para ofrecer los

servicios portadores de una manera eficiente. La red de acceso est formada por

estaciones base y dependiendo de la generacin, por equipos controladores de

estaciones base.

- Red troncal: parte del sistema que se encarga del control de acceso a la red celular,

por ejemplo la autenticacin de los usuarios, gestin de la movilidad de los usuarios,

gestin de la interconexin con otras redes, control y sealizacin asociada al servicio

de telefona, etc. Los equipos que conforman esta red albergan funciones de

conmutacin de circuitos, routing, bases de datos, etc.

2.2.2 Arquitectura general del sistema LTE

En las especificaciones se denomina a la arquitectura del sistema LTE como Evolved Packet

System (EPS). La idea es la misma que en las otras generaciones, dividir el sistema en los tres

elementos mencionados anteriormente. Un equipo de usuario, una nueva red de acceso que

denominaremos E-UTRAN y una red troncal que denominaremos EPC [2.2]. Todos los

componentes que engloban este sistema estn diseados para soportar todo tipo de servicios

de telecomunicacin mediante mecanismos de conmutacin de paquetes, por lo que no es

necesario disponer de un dispositivo que trabaje en modo circuito, ya que en el sistema LTE los

servicios con restricciones de tiempo real se soportan tambin mediante conmutacin de

paquetes. En la Figura 2.2 vemos un ejemplo de la distribucin de la arquitectura del sistema

LTE.

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Figura 2.2: Esquema general de la arquitectura del sistema LTE

Otra caracterstica de LTE es que se contempla tambin el acceso a sus servicios a travs

de UMTS y GSM. Tambin mediante otras redes de acceso como CDMA2000, Mobile WiMAX,

redes 802.11, etc.)

La red fsica que se utiliza en LTE para interconectar todos los equipos de la red, que se

denomina red de transporte, es una red IP convencional. En la infraestructura de red LTE

aparte de los equipos que realizan las funciones especficas del estndar, tambin habr

elementos de la red propios de redes IP como routers, servidores DHCP, servidores de DNS,

switches, etc.

2.2.3 Red de Acceso evolucionada: E-UTRAN

En E-UTRAN la nica entidad de red de en dicha red es la estacin base, que en esta

generacin denominamos evolved NodeB (eNB). Esta estacin base integra todas las

funcionalidades de la red de acceso. Esto representa un cambio respecto a las anteriores

generaciones, GSM y UMTS, ya que en stas, la red de acceso contena adems de las

estaciones base (BTS y NodoB), un equipo controlador (BSC y RNC). Esta diferencia se

representa en la Figura 2.3.

En la red de acceso E-UTRAN, al estar formada nicamente por estaciones base eNB, stas

sern los que proporcionen la conectividad entre los usuarios y la red troncal EPC [2.3].

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Figura 2.3: Comparativa de la red de acceso entre 3G y 4G.

El eNB tiene tres interfaces para comunicarse con los usuarios, con la red troncal y con

otro eNB.

E-UTRAN Uu es la interfaz radio que comunica al usuario con la estacin base utilizando el

canal radio. Todas las funciones y protocolos que se necesitan para realizar el envo de datos y

controlar la interfaz se implementa en la eNB.

A la red troncal se comunica a travs de la interfaz S1, que a su vez se divide en otras dos,

la S1-MME, que se utiliza para el plano de control y S1-U para el plano de usuario. El plano de

usuario se refiere a la torre de protocolos empleada para el envo de trfico de usuario a travs

de dicha interfaz. El plano de control se refiere a la torre de protocolos necesaria para

sustentar las funciones y procedimientos necesarios para gestionar la interfaz. Esta separacin

entre las entidades de red, una dedicada al plano de usuario y otra al de control, nos permite

dimensionar de forma independiente los recursos de transmisin necesarios para el soporte

de la sealizacin del sistema y para el envo del trfico de los usuarios.

La otra interfaz que existe es la X2, que se utiliza para conectar los eNBs entre s. Gracias a

esta interfaz se pueden intercambiar tanto mensajes de sealizacin, destinados a permitir

una gestin ms eficiente de los recursos radio, as como el trfico de los usuarios del sistema

cuando estos se desplazan de un eNB a otro en el momento de un traspaso (handover).

2.2.4 Red troncal de paquetes evolucionada: EPC

Esta red ha sido concebida para proporcionar un servicio, como decamos en la

introduccin, all-IP, es decir conectividad IP [2.4].

El ncleo de la red troncal EPC est formado por tres entidades de red, MME (Mobility

Management Entity), Serving Gateway (S-GW) y el Packet Data Network Gateway (P-GW), que,

junto a la base de datos principal del sistema denominada HSS (Home Subscriber Server),

constituyen los elementos principales para la prestacin del servicio de conectividad IP entre

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los equipos de usuario conectados al sistema a travs de la red de acceso E-UTRAN y redes

externas a las que se conecta la red troncal EPC.

Definimos a continuacin cada una de estas entidades de red:

- MME: Es el elemento principal del plano de control de la red LTE para gestionar el

acceso de los usuarios a travs de E-UTRAN. Todo terminal que se encuentre

registrado en la red LTE y sea accesible a travs de E-UTRAN, tiene una entidad MME

asignada. Esta eleccin de MME se realiza dependiendo de varios aspectos tales como

la ubicacin geogrfica del terminal en la red, as como a criterios de balanceo de

cargas. Las principales funciones de esta entidad son:

o Autenticacin y autorizacin del acceso de los usuarios, siempre a travs de E-

UTRAN.

o Gestin de los servicios portadores EPS (EPS Bearer Service). Esta entidad es la

encargada de gestionar la sealizacin que se necesita para establecer,

mantener, modificar y liberar los servicios portadores.

o Gestin de movilidad de los usuarios en modo idle ( son terminales que no

tienen establecida ninguna conexin de control con E-UTRAN pero estn

registrados en la red LTE).

o Sealizacin para el soporte de movilidad entre EPS y otras redes externas.

- S-GW: es la pasarela del plano de usuario entre E-UTRAN y la red troncal EPC. Igual que

en la entidad MME, todo usuario registrado en la red LTE tiene asignado una entidad

S-GW en la red EPC a travs de la cual transcurre su plano de usuario. Las

caractersticas principales son:

o Proporciona un punto de anclaje en la red EPC con respecto a la movilidad del

terminal entre eNBs.

o La funcionalidad de anclaje tambin se aplica a la gestin de la movilidad con

las otras redes de acceso del 3GPP (UMTS y GSM).

o Almacenamiento temporal de los paquetes IP de los usuarios en caso de que

los terminales se encuentren en modo idle.

o Encaminamiento del trfico de usuario. Esta entidad albergar la informacin y

funciones de encaminamiento necesarias para dirigir el trfico de subida hacia

la pasarela P-GW que corresponda y el trfico de bajada hacia el eNB.

- PDN Gateway (P-GW): Es la encargada de proporcionar conectividad entre la red LTE y

las redes externas. Por lo tanto, un paquete IP generado en la red LTE resulta

invisible en la red externa, a travs de la entidad P-GW, que hace de pasarela entre

una red y otra. Un usuario tiene asignada como mnimo una pasarela P-GW desde su

registro en la red LTE. Principales caractersticas de esta entidad de red:

o Aplicacin de reglas de uso de la red y control de tarificacin a los servicios

portadores que tenga establecidos el terminal.

o La asignacin de la direccin IP de un terminal utilizada en una determinada

red externa se realiza desde la pasarela P-GW que corresponda.

o Acta de punto de anclaje para la gestin de movilidad entre LTE y redes

externas no 3GPP (WiMAX, WiFi, CDMA2000, etc.)

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o El trfico IP que transcurre por la pasarela P-GW es procesado a travs de un

conjunto de filtros que asocian cada paquete IP con el usuario y servicio

portador EPS que corresponda.

- HSS: es la base de datos principal que almacena los datos de todos los usuarios de la

red. La informacin almacenada es tanto lo relativo a la subscripcin del usuario como

lo necesario para la operatividad de la red. Esta base de datos es consultada y

modificada desde las diferentes entidades de red encargadas de prestar los servicios

de conectividad o servicios finales (desde el MME de red troncal EPC y tambin desde

servidores de control del subsistema IMS, que explicaremos ms adelante). La

informacin almacenada en la HSS que podemos encontrar: identificadores

universales del usuario, identificadores de servicio, informacin de seguridad y cifrado,

informacin relacionada con la ubicacin de un usuario en la red, etc. HSS se

estandariz en 3GPP R5 en base a la integracin de dos entidades definidas en redes

GSM y que se denominan HLR y AuC, a las que se les han aadido funcionalidades

adicionales necesarias para soportar el acceso y la operativa del sistema LTE.

2.2.5 IP Multimedia Subsystem (IMS)

Es un subsistema que proporciona los mecanismos de control necesarios para la

prestacin de servicios de comunicacin multimedia que estn basados en la utilizacin del

protocolo IP a los usuarios de la red LTE [2.1].

La idea es desplegar una infraestructura constituida por una serie de elementos

(servidores, base de datos, pasarelas) que se comunicarn entre s mediante una serie de

protocolos, la mayora estndares del IETF, y que nos permiten ofrecer servicios de voz y video

sobre IP, videoconferencia, mensajera instantnea, etc. El acceso a estos servicios por parte

de los terminales de usuario se realiza a travs de los servicios de conectividad que ofrece la

red LTE. La prestacin de estos servicios por parte del IMS pretende sustituir a medio-largo

plazo los servicios equivalentes ofrecidos actualmente en modo circuito.

El modelo de prestacin de servicio en base al subsistema IMS se estructura en tres capas:

transporte, control y aplicacin.

- Capa de transporte: representa la infraestructura de red IP, que depende de la

tecnologa de acceso, que nos proporciona el encaminamiento de los flujos IP entre

terminales y dems elementos de la red.

- Capa de control: aqu se ubican los elementos especializados en la gestin de sesiones,

como los servidores SIP, as como otros elementos especficos para la interaccin con

redes telefnicas convencionales (pasarelas VoIP, controladores, etc.).

- Capa de aplicacin: en esta capa residen los servidores de aplicacin que albergan la

lgica y datos asociados a los diferentes servicios proporcionados a travs de IMS. En

esta capa tambin se presentan elementos ligados a otras plataformas de servicios

como redes inteligentes.

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- El establecimiento y liberacin de sesiones a travs del IMS se basa en el protocolo de

sealizacin SIP complementndolo con una serie de extensiones adicionales. SIP es un

protocolo que se concibi para el establecimiento y liberacin de sesiones multimedia

(telefona, videoconferencia, etc.) sobre redes IP entre dos o ms participantes.

Gracias a la flexibilidad de SIP, ahora abarca una gama de aplicaciones mucho ms

extensa, mensajera instantnea, juegos distribuidos, control remoto de dispositivos,

etc.

2.2.6 Equipos de usuario

Es el equipo que permite al usuario conectarse a la red LTE y disfrutar de los servicios que

nos proporciona a travs de la interfaz radio. La arquitectura funcional de un equipo de

usuario es la misma que se defini para GSM y UMTS [2.3].

El equipo de usuario (User Equipment, UE) contiene dos elementos bsicos: un mdulo de

subscripcin del usuario (SIM/USIM) y el terminal mvil propiamente dicho (Mobile

Equipment, ME). A su vez, el SE ME considera dos entidades funcionales: la terminacin mvil

(MT) y el equipo terminal (TE). A continuacin definimos todos estos elementos.

- Mdulo de subscripcin de usuario: La SIM/USIM est asociada a un usuario y por

tanto es quien le identifica dentro de la red independientemente del equipo mvil

utilizado. La separacin entre SIM y ME facilita que un usuario pueda cambiar de

terminal sin necesidad de cambiar de identidad, de SIM.

- El equipo mvil (ME): en l se integran las funciones propias de comunicacin con la

red celular, as como las funciones adicionales que permiten la interaccin del usuario

con los servicios que ofrece la red.

o Terminacin mvil (MT): alberga las funciones propias de la comunicacin.

o Equipo terminal (TE): equipo que se ocupa de la interaccin con el usuario.

2.3 Tecnologas de nivel fsico. OFDMA, SC-FDMA y MIMO.

En este apartado se definen los fundamentos ms importantes del nivel fsico que se

implementan en el sistema LTE y que permiten alcanzar mayores niveles de capacidad y

eficiencia en el uso de los recursos radio que los sistemas predecesores. En el enlace

descendente se usa la tcnica de acceso mltiple denominada OFDMA (Orthogonal Frequency

Division Multiple Access) y para el enlace ascendente, la tcnica denominada CS-FDMA (Single

Carrier Frequency Division Multiple Access). Al final del apartado describiremos tambin las

estructuras de transmisin y recepcin con mltiples antenas [2.1].

2.3.1 OFDMA

Aunque la modulacin OFDM se analizar con mayor detenimiento en el captulo

siguiente, diremos que la tcnica de acceso mltiple OFDMA que se utiliza en el enlace

descendente en el sistema LTE ofrece la posibilidad de que los diferentes smbolos modulados

sobre las subportadoras pertenezcan a usuarios distintos. Por tanto, es posible acomodar

Captulo 2: LTE o la Cuarta Generacin (4G) de Comunicaciones Mviles

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varias transmisiones simultneas correspondientes a diferentes flujos de informacin al viajar

en subportadoras diferentes.

Se consigue que un conjunto de usuarios puedan compartir el espectro de un cierto

canal para aplicaciones de baja velocidad [2.4]. El acceso mltiple se consigue dividiendo el

canal en un conjunto de subportadoras que se reparten en grupos en funcin de la necesidad

de cada uno de los usuarios. El sistema se realimenta con las condiciones del canal, adaptando

continuamente el nmero de subportadoras asignadas al usuario en funcin de la velocidad

que ste necesita y de las condiciones del canal. Si la asignacin se hace rpidamente, se

consigue cancelar de forma eficiente las interferencias co-canal y los desvanecimientos

rpidos. En la Figura 2.4 vemos una representacin del espectro de la seal OFDMA.

Figura 2.4: Espectro seal OFDMA

Hay que destacar que no es necesario que las subportadoras estn contiguas, los

smbolos de un usuario pueden estar distribuidos sobre subportadoras no contiguas.

Ventajas de OFDMA:

- Diversidad multiusuario: La asignacin de subportadoras se realiza de manera dinmica.

Como el canal radio presentar desvanecimientos aleatorios en las diferentes subportadoras, y

que sern independientes de cada usuario, se puede intentar seleccionar para cada

subportadora el usuario que presente un mejor estado del canal, es decir, el que perciba una

mejor relacin seal a ruido. Con esto conseguiramos una mayor velocidad de transmisin y

una mayor eficiencia espectral. A esta manera de actuar se le denomina scheduling.

- Diversidad frecuencial: es posible asignar a un mismo usuario subportadoras no contiguas,

separadas suficientemente como para que el estado del canal en las mismas sea

independiente, lo que nos proporciona diversidad frecuencial en la transmisin de dicho

usuario ante canales selectivos en frecuencia.

- Robustez frente al multitrayecto: en el captulo 3 ahondaremos ms en este tema, pero

adelantar que gracias a la utilizacin del prefijo cclico, esta tcnica es muy robusta frente a la

interferencia intersimblica (ISI), resultante de la propagacin multitrayecto y se puede

combatir la distorsin mediante tcnicas de ecualizacin en el dominio de la frecuencia, que

resultan menos complejas que las que se realizan en el dominio del tiempo.

- Flexibilidad en la banda asignada: Esta tcnica de acceso mltiple nos proporciona una forma

sencilla de acomodar diferentes velocidades de transmisin a los diferentes usuarios en

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funcin de las necesidades de servicio requeridas por cada usuario, simplemente asignando

ms o menos subportadoras a cada usuario.

- Elevada granularidad en los recursos asignables: Como estamos subdividiendo la banda total

en un conjunto elevado de subportadoras de banda estrecha que se asignan dinmicamente a

los usuarios, se dispone de una elevada granularidad a la hora de asignar ms o menos

recursos a cada uno, con lo que nos ayudar a acomodar servicios con diferentes requisitos de

calidad.

- Elevado grado de utilizacin de la banda asignada: gracias a la utilizacin de la transmisin

OFDM, como veremos en el captulo 3, la transmisin multiportadora se consigue con una

separacin mnima entre subportadoras, existiendo una superposicin.

- Sencillez de implementacin en dominio digital: gracias al uso de la Transformada Rpida de

Fourier (FFT e IFFT).

Desventajas de OFDMA, nos limitaremos a citar aqu, ya que entraremos ms en

detalle en el siguiente captulo:

- Elevada relacin entre la potencia instantnea y la potencia media (PAPR).

- Susceptibilidad frente a errores en frecuencia.

2.3.2 SC-FDMA

En el sistema LTE se ha optado por utilizar la tcnica OFDMA para el enlace

descendente porque en la estacin base se quieren tcnicas que incrementan la complejidad

computacional para reducir el PAPR de la seal OFDMA, y no es tan crtica la eficiencia ni el

coste de los amplificadores de potencia. Sin embargo, en el terminal del usuario s que es

crtico reducir el consumo de potencia y conseguir por lo tanto una gran eficiencia en el

amplificador, por lo que se ha optado por una tcnica de acceso de portadora nica.

SC-FDMA se basa en unos principios de transmisin muy similares a los de OFDM, pero

en este caso se efecta una precodificacin de los smbolos que se van a transmitir previa al

proceso de transmisin OFDM, lo que nos permitir reducir las variaciones en la potencia

instantnea [2.2].

Captulo 2: LTE o la Cuarta Generacin (4G) de Comunicaciones Mviles

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Figura 2.5: Esquema de transmisin SC-FDMA localizado y distribuido.

Como se muestra en la Figura 2.5, existen M smbolos a transmitir, los cuales son

precodificados mediante una DFT de M muestras, como paso previo a efectuar una

transmisin OFDM de acuerdo a una IDFT de N muestras, con una separacin entre

subportadoras f, y con el consiguiente aadido del prefijo cclico.

Debido al proceso de precodificacin basado en DFT, esta tcnica tambin se le

denomina DFT-Spread OFDM (DFTS-OFDM).

En el esquema mostrado, si el tamao de la DFT, M, fuera igual al de la IDFT, N, los

procesos de DFT y IDFT se cancelaran entre s, sin tener ningn efecto, por lo que la seal

enviada sera simplemente el mismo conjunto de smbolos original, resultando en una seal en

banda base no modulada sobre diferentes subportadoras, es decir, una seal portadora nica

(single carrier) que presentara mejores propiedades de PAPR que las seales multiportadora.

Sin embargo, siempre que M

Captulo 2: LTE o la Cuarta Generacin (4G) de Comunicaciones Mviles

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Figura 2.6: Multiplexacin de usuarios con SC-FDMA

Destacamos tambin cmo en el mecanismo de multiplexacin de transmisin de

diferentes usuarios en SC-FDMA para el enlace ascendente, manteniendo los mismos

parmetros a nivel de nmero de muestras de la IDFT, N, frecuencia de muestreo y separacin

entre subportadoras, las transmisiones de los dos usuarios vienen ubicadas en diferentes

entradas de la IDFT, de modo que en las posiciones de entrada en las que se ubica la

transmisin del usuario 2, el usuario 1 inyecta ceros (y a la inversa igual), se observa esta

caracterstica en la Figura 2.6. Como resultado, se obtienen dos transmisiones que ocupan

bandas frecuenciales diferentes. Mediante DFTs de diferentes tamaos se obtienen diferentes

anchos de banda asignados a cada usuario; as, con K1, tenemos K1f y con K2 tenemos K2f.

2.3.3 MIMO

El sistema MIMO utiliza mltiples antenas tanto para recibir como para transmitir. Una

transmisin de datos a tasa elevada se divide en mltiples tramas ms reducidas. Cada una de

ellas se modula y transmite a travs de una antena diferente en un momento determinado,

utilizando la misma frecuencia de canal que el resto de las antenas. Debido a las reflexiones

por multitrayecto, en recepcin la seal a la salida de cada antena es una combinacin lineal

de mltiples tramas de datos transmitidas por cada una de las antenas en que se transmiti.

Las tramas de datos se separan en el receptor usando algoritmos que se basan en

estimaciones de todos los canales entre el transmisor y el receptor. Adems de permitir que se

multiplique la tasa de transmisin (al tener ms antenas), el rango de alcance se incrementa al

aprovechar la ventaja de disponer de antenas con diversidad.

La teora de la capacidad inalmbrica, extiende el lmite del teorema de Shannon, en el

caso de la utilizacin de esta tecnologa. Este resultado terico prueba que la capacidad de

transmisin de datos y rango de alcance de los sistemas inalmbricos MIMO se puede

incrementar sin usar ms espectro de frecuencias. Este aumento es de carcter indefinido,

simplemente utilizando ms antenas en transmisin y recepcin. MIMO requiere la existencia

de un nmero de antenas idntico a ambos lados de la transmisin, por lo que en caso de que

Captulo 2: LTE o la Cuarta Generacin (4G) de Comunicaciones Mviles

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no sea as, la mejora ser proporcional al nmero de antenas del extremo que menos antenas

tenga.

2.4 Conceptos importantes de la Interfaz radio

En este apartado se comentan las caractersticas ms importantes de la interfaz radio

que nos ayudarn a entender mejor el ltimo apartado, en el que mostraremos un ejemplo del

sistema LTE que nos proporciona el software ADS 2009 (Advanced Design System).

2.4.1 Capa Fsica

La capa fsica de la interfaz radio del sistema LTE se basa en la utilizacin de tcnicas de

acceso mltiple OFDMA en el enlace descendente y SC-FDMA en el enlace ascendente [2.1]. En

los dos casos, la separacin entre subportadoras es fija e igual a 15 KHz. En la Tabla 2.1 se

muestra el nmero de subportadoras en la canalizacin del sistema LTE:

Canalizacin 1,4 MHz

3 MHz

5 MHz

10 MHz

15 MHz

20 MHz

Tamao FFT 128 256 512 1024 1536 2048

Nmero de subportadoras disponibles

73 181 301 601 901 1201

Tabla 2.1: Canalizacin en el sistema LTE

La capa fsica del sistema LTE est diseada para que opere en las bandas altas de UHF,

es decir, por encima de los 450 MHz y hasta los 3,5 GHz. El estndar define hasta 40 posibles

bandas de operacin para trabajar en modo duplexin por divisin en frecuencia (FDD) o en

modo duplexin por divisin en el tiempo (TDD).

Los posibles esquemas de modulacin para el enlace descendente son: QPSK, 16-QAM

y 64-QAM, y para el up link: QPSK y 16-QAM, y la 64-QAM dependiendo de la capacidad del

terminal mvil.

Si se utilizan tcnicas MIMO (2x2, esto es, 2 antenas en el transmisor y 2 antenas en el

receptor) y una canalizacin de 20 MHz se podra alcanzar una velocidad de transmisin de

pico a nivel de capa fsica de 150 Mb/s en el enlace descendente y de 75 Mb/s en el

ascendente.

2.4.1.1 Bloque de Recursos Fsicos (Physical Resource Block)

Se denomina PRB (Physical Resource Block), al mnimo elemento de informacin que

puede ser asignado por el eNB a un terminal mvil. Un PRB ocupa 180 KHz de banda

equivalente a 12 subportadoras equi-espaciadas 15 KHz entre ellas y en l se transmiten 6 7

smbolos OFDMA, dependiendo de la longitud del prefijo cclico. La duracin de un PRB es de

0,5 ms, es decir la duracin de un slot o ranura de tiempo.

En la Tabla 2.2 se muestra el nmero de PRBs en funcin de la canalizacin.

Captulo 2: LTE o la Cuarta Generacin (4G) de Comunicaciones Mviles

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Canalizacin 1,4 MHz 3 MHz 5 MHz 10 MHz 15 MHz 20 MHz

Nmero de PRB

6 15 25 50 75 100

Tabla 2.2: Nmero de PRBs en funcin de la canalizacin.

Destacar que el nmero de portadoras disponibles (Tabla 2.1) est relacionado con el

nmero de PRBs en cada canal. Por lo tanto, el nmero de subportadoras es 12 veces el

nmero de PRBs mas una, ya que se considera la subportadora central (la de DC) que no se

utiliza para transmitir informacin [2.2].

Figura 2.7: PRB de 7 smbolos con 12 subportadoras.

En un PRB tenemos 7 smbolos con 12 subportadoras asociadas a cada uno de ellos,

por lo que tenemos en total 84 recursos donde introducir los smbolos QPSK, 16-QAM y 64-

QAM. Considerando la modulacin de mayor eficiencia espectral, 64-QAM en la que se

transmiten 6 bits/smbolo, dentro de un PRB podemos enviar un total de 504 bits cada 0,5 ms,

lo que nos ofrece una velocidad bruta de transmisin de pico de aproximadamente Rb,PRB=504

bits/0,5 ms 1 Mb/s. Se muestra un ejemplo en la Figura 2.7.

E la Tabla 2.3 se resumen las velocidades de pico en funcin de la canalizacin. Estos

clculos los hemos realizado sin tener en cuenta la estructura MIMO. Si lo tenemos en cuenta

y en el caso 2x2 se puede estimar que las velocidades de pico pueden llegar a ser el doble, por

lo que se confirma que en la interfaz radio del sistema LTE se pueden alcanzar los 150 Mb/s en

el enlace descendente en el caso del canal de 20 MHz.

Tabla 2.3: Velocidades de pico en funcin de la canalizacin

Canalizacin 1,4 MHz

3 MHz

5 MHz

10 MHz

15 MHz

20 MHz

Velocidad de pico Total (Mb/s) 6 15 25 50 75 100

Velocidad de pico bruta de usuario (Mb/s) (15% de los recursos destinados a control y sealizacin)

5,1 12,8 21 42,5 63,7 85

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2.4.1.2 Estructura de la trama

En el dominio del tiempo los recursos fsicos del sistema LTE se estructuran siguiendo

dos tipos de estructuras de trama, de tipo 1 y de tipo 2 [2.1]. Nosotros nos vamos a centrar en

las de tipo 1 ya que es la que utiliza el modo de duplexin por divisin de frecuencia (FDD)

igual que el ejemplo del programa ADS 2009 que se analiza en el ltimo apartado de este

captulo.

Estructura de trama de tipo 1

Se utiliza tanto para el enlace descendente como para el ascendente y soporta semi y

full-dplex FDD. La trama de tipo 1 se divide en tramas de 10 ms y cada trama est a su vez

compuesta por 20 ranuras temporales (slot) de duracin 0,5 ms. Se define una unidad bsica

de recursos, formada por dos ranuras temporales que se denomina subtrama de duracin 1

ms.

En cada ranura temporal se transmiten 6 7 smbolos OFDM, cada uno de ellos de

duracin Ts= 66,7 us. Si se usan 7 smbolos, el prefijo cclico corto, tiene una duracin de 4,7

us, salvo para el primer smbolo, que tiene un prefijo cclico de 5,2 us. En el caso de utilizar 6

smbolos por ranura temporal entonces el prefijo cclico largo, tiene una duracin de 16,67

us. En el caso de que la celda sea muy grande se utilizan 6 smbolos, ya que el retardo de

propagacin suele ser del orden de us y se requiere un prefijo cclico mayor para compensar la

propagacin multitrayecto.

2.4.1.3 Enlace descendente

Vamos a desarrollar un poco este enlace ya que es el que vamos a utilizar en el

ejemplo de la simulacin con el programa ADS 2009.

Describiremos las principales caractersticas de las seales fsicas que permiten al

terminal mvil sincronizarse al sistema y demodular coherentemente las seales OFDMA. A

continuacin describiremos tambin los canales fsicos utilizados para transportar la

informacin destinada a los usuarios situados en la zona de cobertura de la celda

correspondiente a una estacin base (eNB) [2.3].

Seales Fsicas

Seales de referencia (RS)

Se utilizan para:

- Obtener medidas de calidad en el enlace descendente.

- Estimar la respuesta del canal para demodulacin/deteccin coherente.

- Implementar mecanismos de bsqueda de celda y sincronizacin inicial.

Seales de Sincronizacin (SCH)

Se utilizan para facilitar los procesos de sincronizacin temporal del sistema (a nivel de

trama y subtrama). Se dividen en dos:

Captulo 2: LTE o la Cuarta Generacin (4G) de Comunicaciones Mviles

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- P-SCH (Primary SCH): permite la sincronizacin temporal a nivel de subtrama

- S-SCH (Secondary SCH): posibilita la sincronizacin temporal a nivel de trama

Canales Fsicos de Trfico

Physical Downlink Shared Channel (PDSCH)

Este canal transmite habitualmente informacin de usuario. Contiene la informacin

entregada por la capa MAC mediante el canal transporte Downlink Shared Channel (DL-SCH).

Tambin puede transportar informacin de aviso (PCH) y aquella de radiodifusin que no sea

imprescindible para que el terminal mvil se enganche a la red. Este canal se mapea en el

dominio frecuencia-tiempo utilizando los PRBs.

Canales de Control

Physical Broadcast Channel (PBCH)

Transporta la informacin de radiodifusin bsica de la red, que permite la conexin

inicial de un terminal mvil a la misma

Physical Downlink Control Channel (PDCCH)

Canal de control genrico del enlace descendente. Informa sobre los recursos en el

enlace descendente asignados al PDSCH.

Physical Control Format Indicator Channel (PCFICH)

Informa al terminal mvil sobre el nmero de smbolos (1,2 3) utilizados para

transmitir el PDCCH.

Physical Hybrid ARQ Indicator Channel (PHICH)

Transporta informacin de reconocimiento (ACK/NACK) correspondientes a las

transmisiones del enlace ascendente.

2.5 Simulacin con ADS (Advanced Design System) 2009

A continuacin se describe un ejemplo de sistema LTE que viene diseado en el

programa ADS 2009. Iremos mostrando y explicando cada parte de este sistema, que consiste

en el diseo de la parte transmisora de un enlace descendente que utiliza duplexin por

divisin en frecuencia (FDD). Al final se muestran los resultados de la simulacin, que sern el

valor del EVM (Error Vector Magnitude), que es la diferencia entre el vector ideal (transmisor)

y el vector medido en el receptor y se mide en tanto por ciento, (el captulo 4 profundiza ms

en este concepto). Tambin mostraremos el espectro de la seal transmitida, y las diferentes

constelaciones de las seales dependiendo de la modulacin elegida para cada usuario.

2.5.1 Esquemas generales del sistema

Empezamos mostrando el esquema principal que nos aparece en el ejemplo:

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Figura 2.8: Esquema principal del sistema LTE

Como podemos observar en la Figura 2.8, se parte de un bloque donde tenemos todo

el sistema LTE, que tiene 7 salidas y una de ellas, que es la seal de RF, entra en otro bloque

que es el amplificador de potencia, con sus caractersticas de ganancia, figura de ruido, su

potencia de saturacin, etc., que se pueden modificar. La salida del amplificador de potencia

va hacia un ltimo bloque que ser el que realice las medidas y presente los resultados de la

simulacin.

Vemos tambin, en la parte superior cmo se declaran una serie de variables que

luego utilizaran los dems bloques. Simplemente hay que pinchar en Var Eqn para modificar

y aadir nuevas variables, Figura 2.9 (a). Nos saldr un panel como el de la Figura 2.9 (b).

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(a) (b)

Figura 2.9: (a) Declaracin de variables. (b) Panel para modificar y aadir variables.

Algunas de estas variables son:

- Bandwidth: que tomar un valor determinado dentro de la canalizacin que

comentamos en la Tabla 2.1.

- Prefijo cclico: declara dos posibilidades, normal extendido. La diferencia la

comentamos antes y es dependiendo de si queremos transmitir 7 6 smbolos OFDM

en cada ranura temporal.

- Tipo de mapeo: Se elige entre 3 tipos de modulacin, QPSK, 16-QAM y 64-QAM. A

cada usuario se le asigna un tipo de modulacin.

- Tasa de sobremuestreo: se puede elegir entre 1, 2, 3 y 8.

Una vez definidas las variables globales y presentado el esquema general del sistema LTE,

vamos a entrar dentro del primer bloque, el de LTE. Para entrar hay que marcar el bloque y

hacer click con el botn izquierdo del ratn en el botn que mostramos en la Figura 2.10:

Figura 2.10: Botn para entrar dentro de los bloques.

En la Figura 2.11, vemos el esquema general del bloque seleccionado. Vemos cuatro

bloques y siete salidas.

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Figura 2.11: Esquema general del bloque del enlace descendente del sistema LTE

El primer bloque a la derecha es un generador de datos, que entra dentro de otro

bloque (el segundo empezando por la derecha) que englobar al sistema multiplexor,

conformador de las tramas y del espectro y que detallaremos ms adelante. Este segundo

bloque tiene 5 salidas; la ltima es la trama de datos multiplexados que entrar en la ltima

etapa (tercer y cuarto bloque) en la que se modular y se pasar a Radio-Frecuencia (RF) para

ser transmitida. Vemos en la Figura 2.12 esta ltima etapa:

Figura 2.12: ltima etapa en la que pasamos la seal a RF.

Al introducirnos dentro del segundo bloque nos aparecern cinco cuadros y dentro de

estos ms bloques. Empezamos mostrando el primer cuadro en la Figura 2.13:

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Figura 2.13: Seales Fsicas. RS, PSS y SSS.

En este cuadro se crean las seales fsicas que definimos en el apartado 2.4.1.3. La

seal de referencia (RS), la seal de sincronizacin primaria y secundaria (P-SCH y S-SCH).

En la Figura 2.14 vemos el segundo cuadro:

Figura 2.14: Canales PDSCH para el usuario 1.

Vemos en este segundo cuadro cmo se disean los canales PDSCH para el usuario 1.

Se observa cmo entran los bits generados anteriormente y luego codifica estos bits, para

pasarlos por ltimo por el mapeador que utilizar la constelacin que se haya elegido.

El tercer cuadro lo vemos en la Figura 2.15:

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Figura 2.15: Canales PDSCH para los usuarios del 2 al 6

El esquema es muy parecido al anterior, pero esta vez no se codifican los bits. Los bits

se pasan a enteros y luego terminan en el mapeador.

En la Figura 2.16 vemos el esquema del diseo de los canales de control, denominado

PHICH:

Figura 2.16: Esquema creacin canales PHICH

En la Figura 2.17 vemos el esquema de la creacin de los canales de control PCFICH:

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Figura 2.17: Esquema creacin canales PCFICH

En la Figura 2.18 vemos el esquema para disear canales de control PBCH:

Figura 2.18: Esquema para canales PBCH

En la Figura 2.19 vemos el esquema para disear canales de control PDCCH:

Figura 2.19: Esquema para canales PDCCH

En la Figura 2.20, vemos el esquema general del multiplexador, del modulador OFDM,

el entramado y la formacin del espectro.

Captulo 2: LTE o la Cuarta Generacin (4G) de Comunicaciones Mviles

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Figura 2.20: Esquema general del multiplexor, modulador OFDM, entramado y conformacin del espectro.

Podemos ver cmo llegan al multiplexor los diferentes canales de control, las seales

fsicas y los canales fsicos PDSCH, que son los que transmiten la informacin de usuario.

Vemos como del multiplexor salen tres ramas. La de abajo es una seal que luego pasaremos

por un modulador OFDM. La salida de este modulador entra en otro multiplexor pero esta vez

es para conformar los diferentes slots de la trama. Luego la seal entra en otro bloque que

construye la trama que ms tarde entrar en un ltimo bloque que introduce un filtro raz de

coseno alzado para ya tener la seal de salida con todos los canales y seales fsicas para

enviar a los usuarios que lo necesiten.

2.5.2 Resultados de la simulacin del sistema LTE

A continuacin vamos a ir mostrando los resultados de la simulacin del esquema

presentado en el apartado anterior.

La primera grfica muestra el valor en porcentaje del EVM en funcin de los bloques

de recursos fsicos (PRB) y de los usuarios. Hay 25 PRBs como se esperaba, ya que se ha elegido

el canal de 5 MHz, ver Tabla 2.2. Se muestra en la Figura 2.21.

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Figura 2.21: EVM en funcin del Bloque de Recurso Fsico (PRB) y el usuario.

En la Figura 2.22 se observa el valor del EVM en tanto por ciento en funcin de las

subportadoras. Como antes, se saba que iban a ser 301 subportadoras, debido a que estamos

trabajando en el canal de 5 MHz, ver Tabla 2.1.

Figura 2.22: EVM en funcin de las subportadoras

En la Figura 2.23 vemos las diferentes constelaciones de los 6 usuarios, que se haban

elegido en la declaracin de variables. El UE1: 16-QAM, UE2: QPSK, UE3: 16-QAM, UE4: 64-

QAM, UE5: QPSK y UE6: 16-QAM.

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Figura 2.23: Constelaciones de los diferentes usuarios

En la Figura 2.24 vemos el espectro de la seal transmitida centrada en 2 GHz como se

haba indicado en la variable FCarrier=2000 MHz.

Figura 2.24: Espectro de la seal transmitida centrada en 2 GHz

En la Figura 2.25 podemos ver la forma de la seal OFDMA en funcin del tiempo, de la

parte real y de la parte imaginaria. Se observan la forma de los 7 smbolos OFDM incluyendo el

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prefijo cclico (PC) entre ellos, en este caso el PC es del tipo normal o corto, por eso se

tienen 7 smbolos OFDM.

Figura 2.25: Seal OFDMA en el tiempo

Para terminar, en la Figura 2.26 vemos la grfica del CCDF (funcin de distribucin

acumulativa complementaria). Se mide en tanto por ciento y es en funcin de la potencia

media (dB) de la seal. Se muestran tambin el valor en (dBm) de los parmetros: Potencia

Media, Potencia de Pico. El PAPR lo mide en (dB).

Captulo 2: LTE o la Cuarta Generacin (4G) de Comunicaciones Mviles

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Figura 2.26: CCDF (%)

2.6 Bibliografa

[2.1] Ramn Agust Comes, Francisco Bernardo lvarez, LTE: Nuevas tendencias en

comunicaciones mviles, Editorial: Fundacin Vodafone Espaa, 2010.

[2.2] Erik Dahlman, Stefan Parkvall, Johan Skld, Per Beming 3G Evolution HSPA and LTE for

Mobile Broadband Editorial: Academic Press, 2008.

[2.3] Stefania Sesia, Issam Toufik, Matthew Baker, LTE-The UMTS Long Term Evolution-From

theory to practice Editorial: Wiley & Sons, 2009.

[2.4] Harri Holma, Antti Toskala, LTE for UMTS OFDMA and SC-FDMA Based Radio Access

Editorial: Wiley & Sons, 2009.