1

Desafíos tecnológicos de las Comunicaciones Móviles

2

PREMISA DE PARTIDA

• Las comunicaciones móviles tienen como objetivo de su evolución emular y aún

superar las prestaciones de las redes fijas, aportando los valores añadidos de:

– Ubicuidad

– Movilidad

de los que carece la red fija

• Ello se traduce en tres términos que han sido directrices del desarrollo:

– ANYWHERE

– ANYTIME

– ANYKIND

3

• De aquí se siguen tres objetivos básicos que debe alcanzar la tecnología de

móviles

¿RECURSO?

COBERTURA CAPACIDAD

CALIDAD

4

• El único recurso disponible para conseguir esos objetivos es el

ESPECTRO RADIOELECTRICO

– Recurso natural de la Tierra.

– Limitado en su extensión práctica.

– Uniforme superficialmente: no trasladable.

• Por su coste y escasez debe optimizarse su utilización, mediante:

– Reutilización geográfica → Teoría celular.

– Eficiencia espectral → Modulaciones multinivel; codificación canal multiantenas.

Por el carácter ubicuo de las comunicaciones móviles, la capacidad ha de expresarse

como una densidad:

ρ: usuarios/km2 ; Erlang/km2 ; b/s/km2

5

PRINCIPIOS DE EVOLUCIÓN Y EXPANSIÓN DE LAS REDES MÓVILES

• Demanda:

– Densidad de usuarios : U (usu/km2)

– Tráfico medio por usuario: T(b/s/usu)

• Recursos:

– Anchura de banda: B (Hz)

– Eficiencia espectral: E (b/s/Hz)

• Objetivos:

– Superficie cobertura: S (km2)

– Calidad: FER, VER

– Latencia reducida.

6

Capacidad ofrecida: B x E/S (b/s/km2)

Demanda global: U x T (b/s/km2)

Condición de equilibrio:

Aumento de U y/o T

Repuesta del operador:

– Aumentar B: Nuevo espectro

Sujeto a concesión. Elevada latencia

– Aumentar E: Nuevas tecnologías

Sujeto a estandarización. Latencia alta

– Reducir S:

Más estaciones base, mayor tasa de traspasos y carga de señalización.

Red fija más densa

TUS

EB×=

×

7

Growth to date dominated by increasing cell count

• If we apply Cooper’s law over the last 50 years we are looking at a growth in

wireless capacity of perhaps 1,000,000

• Allocating this growth between the axes of capacity looks roughly like this:

(Origen: Agilent)

8

TEORÍA CELULAR

1. Acomodación de la cobertura a la demanda de tráfico:

– Superficie geográfica

– Radiación perfilada

2. Sistematización de la reutilización de la frecuencias según la interferencia admisible, cobertura limitada por interferencia.

Cobertura jerárquica:

• Exterior amplia (macrocélulas)

• Exterior ceñida (microcélulas)

• Interior amplia (picocélulas)

• Interior acotada (femtocélulas)

Radiación:

• Sectorizada (haces fijos)

• Dinámica (haces configurables)

9

RENDIMIENTO ESPECTRAL η

• Límite de Shannon para un enlace simple:

En simulaciones con microcélulas se ha obtenido:

90% usuarios SINR ≤ 20; η ≤ 4,4

50% usuarios SINR ≤ 2,5; η ≤ 1,8

10% usuarios SINR ≤ 1,5; η ≤ 0,6

• Hay que investigar técnicas que mejoren el rendimiento

++≤=

IN

S

HzBW

sbR1log

)(

)/(2η

CelularGeometríadeFactorSINRIN

S:=

+

10

(Origen: Agilent)

11

TECNOLOGÍAS MULTIANTENAS

• La utilización de múltiples antenas en transmisión y recepción permite una mejor

utilización del canal radio términos de:

– Capacidad: mayor número de usuarios.

– Cobertura: mejora de la SNR.

– Tasa binaria.

– Eficiencia espectral.

– Reducción tasa de errores.

• Se consideran dos aspectos:

– Físico: Disposición de las antenas (“hardware”)

– Lógico: Procesado señales entregadas (“software”)

12

• Alternativas de multiantenas:

– Beamforming.

Potencia el haz en una o más direcciones concretas.

Favorece el rechazo de interferencias.

– Diversidad de espacio

Procesado de señal para combatir el multitrayecto:

� MRC

� Alamouti

– Procesado MIMO.

Aprovechamiento del multitrayecto para multiplexación espacial.

• Se distingue entre:

– Trayectos radio.

– Capacidad de los trayectos y del enlace conjunto.

13

• La diversidad de espacio proporciona una “ganancia de array” que se traduce en una mejora de la relación señal/ruido.

– Con diversidad de N ramas, la SNR tras la MRC es

: Relación señal/ruido media de cada rama

– La ganancia de array coincide con el orden de diversidad N

• Para Mt antenas de transmisión y Mr antenas de recepción el valor máximo de N es Mt x Mr.

SNR

SNRNSNRMRC ⋅=

14

• Para una ganancia de array N, se tiene:

R: Tasa binaria

C: Capacidad teórica

B: Anchura de banda

Eb : Energía por bit

No : Densidad espectral de la perturbación (ruido+interferencia)

⋅⋅+⋅=<B

R

N

ENBCR

o

b1log2

15

• Entonces

• Si se desea R/B>1 (alta eficiencia espectral) Eb/No puede ser demasiado alta, aún

con diversidad espacial:

BRNN

EBR

o

b

/

121 )/( −⋅≥

16

MIMO (Multiple Input Multiple Output)

• Utilización de múltiples antenas en transmisión y recepción para conseguir

multiplexación espacial, aprovechando la variabilidad espacial del canal radio.

• Se requiere que el multitrayecto sea lo suficientemente “rico” para que las

antenas de recepción puedan separar las señales procedentes de las diferentes

antenas de transmisión, así como una SNR alta.

• La separación de los flujos de datos que comparten banda, se basa en la

decorrelación de las múltiples señales recibidas en presencia de multitrayecto.

17

• MIMO permite crear L trayectos paralelos desacoplados entre transmisor y

receptor.

• L = grados de libertad del canal L = min (Mt ,Mr.) .

Mt , Mr. : número de antenas transmisoras, receptoras, respectivamente.

• Una vez obtenidos los diferentes trayectos espaciales desacoplados, hay

que determinar que potencia de transmisión se asigna a cada uno para

maximizar la capacidad.

– B: anchura de banda.

– Pi = potencia asignada al trayecto i

– W: potencia de ruido

– λi : autovalor de la matriz del canal

sbitW

PBC ii

L

i

/1log2

2

1

+⋅= ∑

=

λ

18

• En condiciones óptimas, con MIMO y Eb /No elevada, la capacidad puede llegar a ser:

• La capacidad aumenta linealmente con el número de grados de libertad.

• MIMO proporciona alta capacidad con anchura de banda limitada, es decir elevada eficiencia espectral.

• Se reduce la Eb /No necesaria para un R/B dada:

BRN

E LBR

o

b

/

12 /)/( −≥

⋅+=B

R

N

EBLC

o

b1log.. 2

19

Comparación valores de Eb/No (dB)

14,1

1,9

-6

L = 4

-3,34,920,117,120,1R/B = 10

-5,6-0,37,94,97,9R/B = 5

-7,2-3,80-30R/B = 1

L = 4L = 2L = 1L = 2M = 1

CON MIMO ORDEN LCON DIVERSIDAD ORDEN M

20

• En un sistema MIMO pueden conseguirse simultáneamente las ganancias por

diversidad y multiplexación espacial con algunas limitaciones.

• Zheng y Tse, han demostrado que, con ciertas condiciones de codificación, la

ganancia de diversidad teórica posible, con Mt, Mr antenas de

transmisión/recepción y L grados de libertad (ganancia mux espacial L), es:

(Mt- L ) · (Mr –L)

• Es decir del total de recursos utilizados Mt, Mr se detraen L para conseguir grados

de libertad y quedan Mt– L y Mr –L para la diversidad.

21

CARACTERIZACIÓN DEL CANAL RADIOMÓVIL

• La caracterización comprende la descripción de los fenómenos físicos que

inciden en la explotación del canal:

– La radiopropagación, que asegura la cobertura radio.

– Las interferencias, consecuencia de la reutilización de las frecuencias para

optimizar la capacidad y de la coexistencia con otros sistemas

radioeléctricos.

• Las metodologías de cálculo de cobertura básica, requieren unos límites de

precisión:

– En una macrocélula de 10 km de radio puede ser admisible un error de

500 m., pero no lo es en el caso de una microcélula de 300 m. de longitud.

22

• La cobertura, tal y como se conoce y aprovecha en los sistemas radiomóviles, es posible gracias a la propagación multitrayecto.

• Sin embargo el multitrayecto -necesario- genera DESVANECIMIENTOS de la señal recibida que ocasionan:

– Atenuación intensa o incluso pérdida de la señal.

– Distorsión, que afecta a la calidad de recepción

e, indirectamente, a la capacidad.

• El fenómeno del multitrayecto tiene una triple variabilidad selectiva en espacio, tiempo y frecuencia.

– En espacio (SSF): afecta a la posición de los terminales.

– En frecuencia (FSF): afecta a una porción del espectro de la señal.

– En tiempo (TSF): afecta a una parte de la ráfaga de datos o de la trama temporal. Sólo se producen en canales radio con movilidad.

• Es importante conocer o estimar la coherencia espacial, temporal o frecuencialdel desvanecimiento por su incidencia en el diseño de los sistemas móviles.

23

• Tradicionalmente, se ha procurado contrarrestar los efectos del desvanecimiento selectivo en redes de banda estrecha (BW ≤ 1MHz) con tres técnicas combinadas:

– Diversidad, de Recepción, Transmisión o ambas.

– Ecualización digital.

– Codificación de canal con entrelazado.

• A partir de la 3G, en los sistemas de banda ancha, se aprovechan los “ecos” de la señal multitrayecto con técnicas de diversidad mediante:

– Estructura de receptores RAKE (en WCDMA-UMTS).

– Tecnologías MIMO (en LTE).

• El RAKE es, en realidad, una diversidad de recepción con MRC (Maximal Ratio Combining), que mejora la SNR de recepción y, en consecuencia, la cobertura.

• El MIMO está orientado a la mejora de la capacidad (tasa binaria) de recepción.

24

Características dispersivas del canal radio para capacidad y calidad

• Dispersión del retardo: Delay Spread (D)

Valor rms de los retardos de los ecos de multitrayecto

Efectos:

– En el dominio del tiempo: ISI (Inter Symbol Interference).

Incide en el tamaño de los ecualizadores y en OFDM en el tiempo de guarda.

– En el dominio de la frecuencia: FSF (Frequency Selective Fading).

La incidencia del FSF se valora mediante la Anchura de Banda de coherencia Bc.

comparándola con la anchura de banda de transmisión BW

Bc >BW …Canal con desvanecimiento plano

Bc <BW …Canal con desvanecimiento selectivo

=

DB

DB cc

πα

2

11

25

• Dispersión Doppler: Doppler Spread (fd).

Valor rms de la dispersión Doppler de cada eco, función de la velocidad del móvil, del ángulo

trayecto-rayo y de la frecuencia. Para un rayo:

Efectos:

– En el dominio del tiempo: TSF (Time Selective Fading)

– En el dominio de la frecuencia: distorsión espectral, perdida de ortogonalidad en OFDM

Incide en el ritmo de actualización de los ecualizadores.

• El TSF determina la proporcionalidad inversa entre tasa binaria R (Mbit/s) y velocidad de

desplazamiento v (km/h).

• Ello se debe a la limitación de la velocidad de reacción de los algoritmos de compensación

del desvanecimiento temporal.

• Por ello en los estándares se consideran varios grados de movilidad y modelos de canal.

– Usuario estacionario

– Movilidad baja (peatonal)

– Movilidad alta (vehicular)

1080/cos)()/()( α××= MHzfhkmvHzf idi

26

La incidencia del TSF se valora mediante el tiempo de coherencia Tc

Comparándolo con la duración temporal de un elemento de señal (bit, ráfaga,

trama, …..) To

Tc >To……Canal con desvanecimiento plano en el tiempo.

Tc <To……Canal con desvanecimiento selectivo en el tiempo.

d

cf

T⋅⋅

=π16

9

27

1000

Mo

bil

ity

an

dco

ver

ag

e

1 100,1

Ped

rest

ian

Veh

icula

rS

tati

onar

y

Data rate (Mbps)

100

4G research

target

Envolved 3G

CD

MA

2000 1

X

ED

GE

ED

GE

Evolu

tion

1xE

VD

O1xE

VD

V

UMTSTDD

1xE

VD

VW

CD

MA

Rel4

HSPA

3.9G

3G EVOLUTION

802.20

WLAN

802.11n

WIMAX

802.16e

WLAN

802.11a,g

WLAN

802.11b

WIMAX

802.16-2004

MARCO EVOLUTIVO A 4G: TECNOLOGÍAS ACCESO

28

(Origen: Agilent)

29

30

LECCIONES APRENDIDAS DE 3G

• Elevada complejidad del Núcleo de red en 3G en:

– Equipos

– Protocolos

– Señalización

Lo que se traduce en costes y latencia altos.

• Uso poco eficiente de la anchura de Banda.

– Se ocupan 5 MHz cualquiera que sea la tasa binaria.

• Prevalencia inicial de CS, aunque en 3,5G ya se da protagonismo a PS.

31

• Buen desempeño (performance) de los turbo códigos.

• Ventajas notorias de la planificación (Scheduling).

• Buen desempeño de la técnica AMC (Adaptive Modulation and Coding)

• Ventajas de la técnica ARQ “inteligente”: HARQ. (Hybrid-ARQ)

• Además de incorporar esas características de HSPA+, en LTE se “exprime” al máximo la tecnología radio. Por ello:

– Se utilizan nuevas técnicas de modulación y multiacceso: OFDMA y SC-FDMA.

– Se emplea la tecnología MIMO para aprovechar la propagación multitrayecto, a fin de aumentar el rendimiento espectral.

• Ambas tecnologías hacen un uso masivo del procesado digital de señales (DSP).

32

Planificación (scheduling) dependiente del canal

• En sistemas de evolución de 3G,

la transmisión de tráfico se realiza

mediante un canal compartidopor los usuarios.

• El planificador (scheduler) de la

base controla a qué usuario se

transmite (DL) o se le permite

transmitir (UL).

• Es habitual que la planificación se

haga teniendo en cuenta el

estado del canal radio de cada

usuario: enfoque “oportunista”.

• Ello requiere realimentación por

parte del móvil.

33

Algoritmo de planificación más representativos

• Planificador de round-robin

– Planifica a los usuarios secuencialmente.

– No tiene en cuenta el estado del canal radio.

– Poco interesante.

• Planificador de máxima tasa

– Planifica al usuario que permita alcanzar mayor tasa binaria (o SINR) instantánea.

– Enfoque oportunista puro: se planifica a cada usuario cuando su canal de propagación es mejor que el de todos los demás.

– Maximiza la capacidad, pero no garantiza equidad: los usuarios más lejanos pueden no ser planificados casi nunca.

• Planificador Proportional Fair

– Planifica al usuario que permita alcanzar mayor tasa binaria instantánea respecto a la tasa media que obtenido anteriormente.

– Equivale a una normalización de los canales de los usuarios: planifica a cada usuario en los máximos relativos al nivel medio de ese usuario.

– Compromiso capacidad - equidad entre usuarios.

34

Técnica HARQ

• El proceso de IRIR (Incremental Redundancy) trabaja así:

– En el primer envío se transmiten los bits “originales” (systematic

bits, según el turbocódigo de tasa 1/3 utilizado en LTE ) más cierta

redundancia.

– En caso de error, en la primera retransmisión se envían menos

systematic bits y más bits de redundancia, que se procesan

combinándolos con los del primer envío.

– Y así sucesivamente, hasta la correcta decodificación del paquete

enviado.

– En LTE existen cuatro posibles combinaciones de systematic bits y

bits de redundancia, que son los RVsRVs (Redundancy Version).

35

IncrementalRedundancy(ilustración)

36

Tecnologías Subyacentes en LTE. Resumen

37

TECNOLOGIAS DE BANDA BASE PARA LTETecnología de acceso radio OFDM

• En OFDM se realiza la transmisión de la información en paralelo, mediante

múltiples subportadoras, cada una de las cuales soporta una fracción de la tasa

binaria total R.

• La BW se divide en Nc subcanales sustentados por Nc subportadoras no

solapadas (ortogonales). Cada una transmite con una tasa R/Nc ocupando la

anchura BW/Nc.

• Un símbolo OFDM es el conjunto de toda la información de las subportadoras,

con tasa R, anchura de banda BW y periodo Tsimb.

38

Justificación de OFDM

• Transmisión digital banda ancha convencional con FSF:

– El FSF afecta a una parte del espectro y produce distorsión de la señal.

– Se contrarresta mediante ecualización.

– Ecualización de TODO el espectro, aunque hay una amplia porción no afectada por FSF.

→Ecualizador MUY complejo, no viable prácticamente en el dominio de la frecuencia.

→Se ecualiza en el dominio del tiempo pero el hardware es complejo, con elevado consumo.

Bw/2

FSFS(f)

-Bw/2f

39

• Transmisión digital OFDM

– Sólo se ecualizan las subportadoras afectadas por el FSF.

– Para cada subportadora (banda estrecha) el desvanecimiento es plano.

– Viable la ecualización en el dominio de la frecuencia que es individual para cada subportadora.

→FDE (Frequency Domain Equalization)

FSF

f

40

• En consecuencia la OFDM es muy robusta frente al FSF.

• La FDE requiere una estimación de la respuesta impulsiva del canal.

• Para ello se transmiten símbolos piloto o de sondeo conocidos por el receptor en ciertas subportadoras y determinados instantes de tiempo.

• Puede también eliminarse la interferencia entre símbolos con tiempos de guarda.

• Otras ventajas de OFDM:

– Flexibilidad de espectro, variando el número de subportadoras.

– Posibilidad de multiacceso en frecuencia.

– Simplificación de los receptores.

– Idoneidad para su implementación con técnicas DSP.

41

• Para la protección frente a la interferencia entre símbolos (ISI) se habilita un tiempo o periodo de guarda, por lo que el tiempo útil de símbolo es:

Tu = TSímbolo - Tg

• Durante el tiempo de guarda, el receptor no lee la información, por ello las colas de los ecos de un impulso transmitido que caen dentro del tiempo de guarda no afectan al símbolo siguiente (no hay ISI).

• El tiempo de guarda de debe ser menor o igual que la dispersión de retardo del canal radio.

• En este tiempo se transmite el Prefijo Cíclico (CP), que facilita la ecualización en frecuencia y asegura la ortogonalidad entre subportadoras en canales dispersivos en el tiempo

• Esta transmisión reduce la potencia disponible para la transmisión de la señal útil.

42

LTE (E-UTRA): características portador radio

• Interfaces radio

– Tecnología DL: OFDMA

– Tecnología UL: SC-FDMA

• Modulación de datos

– DL: QPSK, 16 QAM, 64 QAM

– UL: BPSK, QPSK, 16 QAM, 64 QAM

• Cabezales RF: MIMO

– DL: 2 Tx / 2 Rx

– UL: 1 Tx / 2 Rx

• Codificaciones

– Turbocódigos

• Canales

– No hay canales dedicados

43

• Tasas de bits máximas instantáneas para BW = 20 MHz.

– En DL .... 100 Mb/s. (5 bits/Hz)

– En UL .... 50 Mb/s. (2,5 bits/Hz)

• Mantenimiento de la tasa en el “perímetro celular”.

• Flexibilidad de espectro:

– E-UTRA deberá funcionar con diferentes anchuras de banda:

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

• Para UL y DL, en bandas emparejadas (paired bands) y no emparejadas (unpaired bands).

• Modos Frequency Division Duplex (FDD) y

Time Division Duplex (TDD)

44

Tecnologías LTE-A

Las principales son:

• Flexibilidad del multiacceso OFDMA/SC-FDMA.

• Posibilidad de mayor anchura de banda

– Agregación de portadoras.

– Agregación de espectro.

→ Tasa máxima, flexibilidad de espectro.

• Técnicas MIMO avanzadas

– Transmisión hasta 8 capas en DL.

– SU-MIMO y hasta 4 capas en UL.

– Nuevas matrices de precodificación.

→ Tasa máxima, capacidad, caudal en el borde celular.

45

• Transmisión/recepción multipunto coordinada CoMP

– Transmisión CoMP en DL.

– Transmisión CoMP en UL.

→ Caudal en el borde celular, cobertura, flexibilidad de despliegue.

• Reducción del retardo

– Procesado paralelo AS/NAS para reducir el retardo en el plano C.

• Regeneración (Relay)

– El regenerador tipo 1 crea una célula separada y aparece a los UE Rel 8

como un eNB Rel 8.

→ Cobertura, despliegue económico.

46

47

Coordinación multipunto CoMP

• Tiene como objetivo el mantenimiento de tasas binarias altas en el borde

celular.

• Consiste en la conexión múltiple de UE con dos o más eNBs para mejorar la

transmisión/recepción en el borde y asegurar la tasa binaria.

48

49

50

ALGUNAS LÍNEAS ACTUALES DE I+D EN ACCESO MÓVIL

• Consolidación de MIMO en redes reales.

• Redes Heterogéneas.

• Radio cognoscitiva (CR).

• Redes autoconfigurables (SON).

• Radio definida por software (SDR).

51

BIBLIOGRAFIA

• R. Agustí y otros

LTE: Nuevas tendencias en Comunicaciones Móviles

Fundación Vodafone España, 2010.

• Erik Dahlman, Stefan Parkvall, Johan Sköld

4G – LTE/LTE-Advanced for Mobile Broadband

Academic Press, 2011.

• Harry Holma, Antti Toskala

LTE for UMTS, OFDMA and SC-FDMA based radioaccess.

J.Wiley 2009