visión general acceso radio lte
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Visión General Acceso Radio LTE Profestor José María Herando RábanosTRANSCRIPT
José María Hernando Rábanos
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CÁTEDRA TELEFÓNICA EN LA UPM
“APLICACIONES Y SERVICIOS
MÓVILES”
Visión General Acceso Radio LTE
José María Hernando Rábanos
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Introducción de base del multiacceso LTE conceptos
•Caracterización del canal radiomóvil
•Multiacceso OFDM y SC-FDMA
•Tecnologías de multiantenas
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VARIABLES QUE AFECTAN A LA CAPACIDAD Y COBERTURA DE ENLACES MÓVILES
Banda de frecuencias
Características dispersivas del canal radio (multitrayecto)
Altura antena Estación Base
Tecnología de antenas (beamforming,diversidad MIMO)
PIRE (Potencia Isótropa Radiada Equivalente) de la estación base
Sensibilidad dinámica del receptor
Tipo de entorno
Ruido interno de equipos y ruido industrial
Interferencias
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CARACTERIZACIÓN DEL CANAL RADIOMÓVIL
Descripción “clásica” en banda estrecha:
• Pérdida básica de propagación.
• Desvanecimiento lento.
Descripción en banda ancha (adicional):
• Desvanecimiento multitrayecto.
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La cobertura, tal cual se conoce y se aprovecha en los sistemas radiomóviles modernos es posible gracias a la propagación multitrayecto que es variable en tiempo, frecuencia y espacio.
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.
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Los desvanecimientos pueden ser:
• Planos: afectan a todo el espectro de la señal transmitida→Atenuación
• Selectivos:
› En espacio (SSF): afectan a la posición de los terminales.
› En frecuencia (FSF): afectan a una porción del espectro de la señal.
› En tiempo (TSF): afectan a una parte de la ráfaga de datos o de la trama temporal. Sólo se producen en canales radio con movilidad.
Producen distorsión con incidencia en la tasa de errores
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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.
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A partir de la 3G en los sistemas de banda ancha, se aprovechan los “ecos” de la señal multitrayecto 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.
El MIMO está orientado a la mejora de la capacidad (tasa binaria) de recepción.
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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
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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 π
α2
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Dispersión Doppler: Doppler Spread (V)
Valor rms del desplazamiento Doppler de cada eco, función de la velocidad del móvil, del ángulo trayecto-rayo y de la frecuencia.
Efectos:
En el dominio del tiempo: TSF
En el dominio de la frecuencia: distorsión espectral, perdida de ortogonalidad en OFDM
Incide en el ritmo de actualización de los ecualizadores.
1080/cos)()/()( α××= MHzfhkmvHzf iid
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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
cd
c fT
fT
πα
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91
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EFICIENCIA ESPECTRAL POR PORTADORA
Fórmula de Shannon (límite teórico) par la capacidad de un canal.
La tasa binaria en un canal real R (bit/s) está acotada superiormente por C (R≤C).
Eficiencias especiales máximas teóricas:• De una modulación digital:
M: número de niveles de modulación.
• De Shannon:
( ) ( )
+⋅=
n
sHzBsbitC 1log/ 2
( ) MHzsbit 2log// =η
+==
n
sBC 1log/ 2η
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Eficiencias espectralesmáximas teóricas (SHANNON)
Modulaciones soportadas
SNR (dB) η(bit/s/Hz) QPSK 16QAM 64QAM
30
25
20
15
10
5
0
-5
-10
9,96
8,31
6,66
5,03
3,46
2,06
1
0,4
0,14
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
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Influencia de la banda de frecuencias en la cobertura media
• Atenuación compensable 151 dB.
• Métodos Hata para 900 MHz y HataCOST231 para f ≥ 1800 MHz.
• Perdida media penetración:› 8 dB en 900 MHz
› 12 dB en 1800/2100 MHz
› 14 dB en 2600 MHz
mhm;h mt 325 ==
Cobertura (km.)
Banda (Mhz) Exterior Interior
900 5,3 3,2
1800 2,3 1,1
2100 2,0 0,9
2600 1,6 0,7
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Conclusiones
1. Bandas bajas 800-900 MHz
• Excelente cobertura
• Capacidad limitada
1. Bandas altas: 2000-2600 MHz
• Cobertura limitada
• Excelente capacidad
1. Posibilidad
• Bandas bajas: área rural
• Bandas altas: áreas urbanas y “hot spots”
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1000
Mob
ilit
y an
d co
vera
ge
1 100,1
Pedrestian
Vehicular
Stationary
Data rate (Mbps)
100
4G research target
Envolved 3G
CD
MA
2000 1XE
DG
EE
DG
E E
volution1xE
VD
O1xE
VD
V
UMTSTDD
1xEV
DV
WC
DM
A R
el4H
SPA
3.9G
3G EVOLUTION
802.20
WLAN802.11n
WIMAX802.16e
WLAN802.11a,g
WLAN802.11b
WIMAX802.16-2004
MARCO EVOLUTIVO A 4G: TECNOLOGÍAS ACCESO
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GENESIS DE LTE: “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.
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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)
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GENESIS DE LTE: nuevas soluciones
Además de incorporar esas características 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.
• Ambas tecnologías hacen un uso masivo del procesado digital de señales (DSP).
• Simplificación del Núcleo de Red (Arquitectura “plana”).
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TECNOLOGÍA 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 anchura de banda 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.
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La ortogonalidad de las subportadoras se consigue eligiendo una separación entre sus frecuencias, Δf, tal que
donde Tútil es el periodo útil de símbolo
En consecuencia:
fNBW c ∆⋅=
útilTf
1=∆
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La modulación de las subportadoras se hace con alguna variante de QAM con M estados de modulación, según una constelación en ejes I y Q. Cada símbolo de modulación es un punto de la constelación representado por un número complejo que corresponde a log2 M bits, por lo que cada símbolo OFDM consta de Nc·log2 M bits y su periodo es:
Tútil = Tb·Nc·log2 M
siendo Tb el periodo de bit
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Señal OFDM
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Justificación de OFDM
Transmisión digital de banda ancha convencional con FSF:
• El FSF afecta a una parte del espectro y produce distorsión de la señal.
• Se contrarresta mediante ecualización.
• Hay que ecualizar 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-BW/2
FSFS(f)
f0
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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
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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.
Se elimina en alto grado la interferencia entre símbolos con tiempos de guarda.
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Otras ventajas de OFDM:
• Flexibilidad de espectro, variando el número de subportadoras.
• Posibilidad de multiacceso en frecuencia y tiempo.
• Simplificación de los receptores.
• Idoneidad para su implementación con técnicas DSP.
La descripción de sistemas basados en OFDM requiere dos dimensiones: frecuencia y tiempo.
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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 = TS - 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).
i - 1 I + 1
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USO DEL PREFIJO CÍCLICO
El tiempo de guarda debe ser menor que la dispersión de retardo del canal.
El intervalo de guarda de un símbolo OFDM no se deja vacío, sino que en él se transmite una copia de las NCP , últimas muestras del símbolo para:
• Mantener la continuidad y la sincronización de la transmisión.
• Poder aplicar la convolución cíclica y la ecualización en frecuencia en recepción.
El tiempo T de símbolo se desglosa en
Tsímbolo = Tútil + TCP
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Inconvenientes de OFDM
• La señal OFDM tiene un valor elevado de la relación PAPR (Peak to Average Power Ratio):
como consecuencia de la posible suma en fase de varias subportadoras.
• Esta alta PAPR, impone limitaciones a la eficiencia de los amplificadores de RF. Ha de aplicarse un valor alto de “Backoff”(reducción de potencia respecto a la saturación) para mantener la linealidad.
• La OFDM es sensible a los desplazamientos (offsets) de las subportadoras y al ruido de fase que producen interferencias entre ellas (ICI).
media Potencia
cresta de Potencia=PAPR
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La modulación/demodulación “clásicas” de OFDM, son de compleja realización y ajuste.
Sin embargo es viable una realización de estas operaciones mediante Procesado Digital de Señal (DSP), a través de las transformadas discretas de Fourier.
DFT: Discrete Fourier Transform.
IDFT: Inverse Discrete Fourier Transform.
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Existe un algoritmo llamado FFT (Fast Fourier Transform) que permite el cálculo rápido y eficiente de DFT e IFFT, lo que ha potenciado la aplicación de éstas transformadas a las modernas comunicaciones digitales.
Se dispone en el mercado de “chipsets” que implementan las FFT directa e inversa.
La aplicación de FFT a la OFDM permite una realización compacta, eficiente y económica del procesado de la señal.
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APLICACIÓN DE OFDM A LTE
A la hora de elegir una nueva técnica de multiacceso radio espectralmente eficiente y flexible se optó por OFDMA.
La elección estuvo avalada por el buen desempeño de OFDM en la Televisión Digital Terrestre y el ADSL por línea de cobre.
Sin embargo el OFDMA no es idóneo para el enlace ascendente por el bajo rendimiento energético que supone el backoff que afecta a la duración de la batería del terminal móvil.
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Por ello se decidió utilizar como tecnología de multiacceso para el enlace ascendente una variante de OFDM llamada SC-FDMA.
Se trata de una decisión “dura” porque supone una ruptura con la homogeneidad de las técnicas de acceso. Sin embargo conlleva una mejor eficiencia energética y una simplificación del transmisor.
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Introducción a SC-FDMA
Deben cubrirse dos objetivos:
a) Para los datos de usuario un solo canal o portadora (SC).b) Para el sistema, señal tipo OFDM con CP y PAPR reducida.
Para conseguirlo se aplica una precodificación a los datos antes de la IDFT.
La precodificación se hace con una DFT, por ello se habla de “DFT-precoded” OFDM.
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Esta precodificación “distribuye” la energía de cada símbolo entre todos, con lo se suavizan los posibles picos individuales.
Además este paso al dominio frecuencial se aprovecha para ubicar las subportadoras generadas en diferentes lugares de un espectro amplio de forma distribuida o concentrada, dejando sitio para colocar subportadoras de otros usuarios (multiacceso en frecuencia: FDMA).
Para ello se establece una correspondencia o proyección (mapping) entre las N subportadoras resultantes de la DFT y M (M>N) subportadoras, añadiendo ceros al espectro.
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SC-FDMA esquema procesado de señal en transmisión
Como entre A y C se ejecutan operaciones complementarias separadas por un procesado lineal, pueden realizarse con un solo algoritmo que abarque ambas. Ello simplifica el transmisor del móvil.
P/SConstelación
B. BaseDatos S/P
FFTN
Puntos CP
Correspondencia a M
Subportadoras
SC
OFDM
Ceros
IFFTM
Puntos
A C
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La correspondencia no altera el carácter SC, solo influye en los valores de los símbolos, por lo que todo el bloque de A a C se puede reemplazar por una sola operación de procesado de los símbolos
Al volver al dominio del tiempo, la señal resultante tiene propiedades de “single carrier” (SC), aunque en realidad es “multicarrier”.
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Ejemplo:
En LTE se utiliza el modo localizado.
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TECNOLOGÍAS DE 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.
Se consideran dos aspectos:
• Físico: Disposición de las antenas (“hardware”)
• Lógico: Procesado señales entregadas (“software”)
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Alternativas de multiantenas:
• Beamforming.
Concentra el haz en una o más direcciones concretas.
Favorece el rechazo de interferencias.
• Diversidad.
Procesado de señal para combatir el multitrayecto:
› MRC en recepción
› STBC (Alamouti)
• Procesado MIMO.
Aprovechamiento del multitrayecto para multiplexación espacial.
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Tecnología MIMO
Utilización de múltiple 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.
La separación de los flujos de datos que comparten banda se basa en la decorrelación de las múltiples señales recibidas en presencia de multitrayecto.
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Se consigue la separación espacial aplicando un procesado en transmisión (Precodificación) y otro complementario en recepción.
Se utiliza para ello un tratamiento matricial. El transmisor necesita aplicar una matriz de precodificación. Dispone de una lista de matrices y el receptor le indica que matriz debe elegir de la lista y con que rango.
El receptor toma esa decisión a partir de medidas realizadas por señales de referencia emitidas por el transmisor por las diferentes antenas MIMO.
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En MIMO puede haber, en general, Nt antenas de transmisión en la base y Nr antenas de recepción en el móvil. Normalmente Nt=Nr.
En LTE se ha especificado un MIMO 2x2 (Nt=Nr=2) y en LTE-A se llega a 4x4 y 8x8.
Puede ser Nt‡Nr y además de MIMO usar las antenas en exceso para implementar diversidad.
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El MIMO puede ser monousuario (SU-MIMO). Por ejemplo, se proporcionan 10 Mb/s a un usuario con dos flujos espaciales de 6 y 4 Mb/s.
En la especificación LTE se ha previsto este tipo de utilización.
También MIMO puede aplicarse a múltiples usuarios (MU-MIMO) con una tecnología más compleja. Por ejemplo, con 10 Mb/s de caudal ofrece un flujo de 3 Mb/s a un usuario y otro de 7 Mb/s a un segundo usuario.
Las posibilidades son múltiples en un MIMO NxN. La especificación LTE-A (Release 11) ya contempla este tipo de utilización.
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Estimación teórica simple de la capacidad SU-MIMO
Los diferentes trayectos espaciales de MIMO tendrán, en general, valores de ganancia diferentes .
La capacidad es:
donde pi es la potencia del transmisión para el trayecto i-ésimo.
La optimización de C es un problema de máximos y mínimos condicionados en L variables con la condición:
+= ∑
= n
pBC ii
L
i
2
12 1log
λ
)( totalpotenciappi∑ =
2iλ
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Capacidad máxima MIMO
Con Nt antenas transmisoras y Nr antenas receptoras y L grados de libertad, donde L=min(Nt=Nr) o el rango de la matriz del canal H y en condiciones optimas, con MIMO la capacidad es:
s/n relación señal/ruido media en un trayecto (todas iguales)
)/1(log2 nsBLC +⋅⋅=
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La capacidad aumenta linealmente con el número de antenas.
MIMO proporciona alta capacidad con anchura de banda limitada, es decir elevada eficiencia espectral.
Teóricamente multiplica por L la capacidad de una sola vía.
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Acceso Radio LTE
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REQUISITOS Y OBJETIVOS DE LA LTE
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)
Incremento de la tasa en el “perímetro celular”, manteniendo la ubicaciones existentes.
Aumento sustancial de la eficiencia espectral:
(2-4) x HSUPA Rel 6
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Comparación Tasas Binarias (Mb/s)
Macrocélulas DL
Tecnología Tasa máxima Usuario con buen canal
radio
Usuario Promedio
Usuario en borde célula
HSDPA 7,2
1 portadora
7,2 2-2,5 0,7-1 0,1-0,5
HSPA + (64QAM)
1 portadora
21 5-7,5 1-1,2 0,1-0,5
HSPA +
dual cell
2 portadoras
42 10-15 2-2,5 0,1-0,5
LTE 2X2
20 MHz
170 30-50 5-10 0,5-2
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Capacidad del plano de control
• 200 usuarios por célula en estado activo para BW de 5 MHz.
• 400 usuarios por célula para anchuras de banda mayores.
≥≈
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Latencia del plano de control: tiempos de conmutación.
• 100 ms del modo “Idle” a un estado activo.
• 50 ms del estado “Dormido” al estado activo.
≤≤
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Latencia del plano usuario:
Tiempo de tránsito unidireccional entre el instante en que un paquete está disponible en la capa IP del nodo UE y el instante en que lo está en el nodo frontera de la red de acceso (RAN)
Latencia inferior a 5 ms en condición descargada: Un único usuario y un solo flujo de datos, para un paquete IP mínimo: Cabecera IP + carga útil de 0 bytes.
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Movilidad
• E-UTRAN estará optimizada por velocidades de vehículos reducidas; de 0 a 15 km/h.
• Con buena calidad, entre 15 y 120 km/h.
• Se mantendrá con alguna degradación hasta 350 km/h.
Cobertura
• Los objetivos básicos deben alcanzarse en células de hasta
5 km de radio.
• Con ligera degradación, hasta 30 km de radio.
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Flexibilidad de espectro
• E-UTRAN debe 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)
Modo paquetes; compartición de recursos tiempo-frecuencia
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ARQUITECTURA Y MIGRACIÓN
Arquitectura E-UTRAN única: EPS, Evolved Packet System.
Basada en paquetes, aunque deberá soportar sistemas que admitan tráfico conversacional y en tiempo real.
Soportará QoS de extremo a extremo.
Facilidades de migración e interfuncionamiento
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Arquitectura general
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Arquitectura de protocolos de la interfaz radio LTE
Radio Resource Control (RRC)
Medium Access Control(MAC)
Transport channels
Physical layer
Con
trol
/ M
easu
rem
ents
Layer 3
Logical channelsLayer 2
Layer 1
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Canales lógicos LTE
Definen el tipo de información a transmitir
• BCCH ↓: Broadcast Control Channel
Difusión de información del control de sistema.
• PCCH ↓: Paging Control Channel
Aviso a UE con ubicación no conocida.
• CCCH↑↓: Common Control Channel.
Información de control hacia/desde un UE cuando no hay asociación confirmada UE-eNB.
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• DCCH↑↓: Dedicated Control Channel.
Información de control hacia/desde un UE para configuración individual.
• DTCH↓↑: Dedicated Traffic Channel
Datos de usuario hacia/desde un UE.
• MCCH↓: Multicast Control Channel
Información de control para recepción múltiple.
• MTCH↓: Multicast Traffic Channel
Datos para servicios MBMS.
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Canales de transporte
Establecen el modo de transmitir la información. Se estructuran en Bloques de Transporte (TrBk).
La unidad de tiempo para el TrBk es el TTI (Transmision Time Interval) cuya duración es 1 milisegundo (una subtrama).
En cada TTI hay un TrBk de tamaño igual a la tasa binaria en kb/s.
Con MIMO puede haber dos TrBk por TTI.
El formato de transporte TF (Transport Format) proporciona el tamaño del TrBk, (TBS, Transport Block Size),modulación y puerto de antena, entre otros datos.
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Canales de trasporte descendentes• BCH: Broadcast Channel.
Formato fijo.
Debe difundirse entoda la célula.
• PCH: Paging Channel
Debe difundirse en toda la célula.
Soporta recepción discontinua (modo DRX).
• DL-SCH: Downlink Shared Channel
Para datos y control.
Soporta HARQ, planificación (scheduling) t,f
Multiplexación espacial (MIMO), Adaptación dinamica de tasa y configuración de haces de antena.
• MCH: Multicast Channel.
Debe difundirse en toda la célula.
Soporta asignación semiestática de recursos.
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Canales de transporte ascendentes
• UL-SCH: Uplink Shared Channel
Para datos y control.
Soporta HARQ y adaptación dinamica del enlace.
Asignación semiestática de recursos.
Posibilidad de configuración de haces de antena.
• RACH: Radom Access Channel
Para acceso inicial UE a la red.
Riesgo de colisión. Control de contienda.
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Correspondencia Canales Lógicos-Canales de TransporteEnlace Descendente
MUX
DEMUX
MUX
DEMUX
Canales
Lógicos
Canales
de
Transporte
CCCHPCCH BCCH DCCH DTCH MCCH MTCH
PCH BCH DL-SCH MCH
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Correspondencia Canales Lógicos-Canales de TransporteEnlace Ascendente
MUX
DEMUX
UL-SCH
DTCHDCCHCCCH
RACH
Canales
Lógicos
Canales
transporte
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LTE: 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
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Descripción General de la Capa Física
Acceso múltiple
• DL: OFDM con CP.
• UL: SC-FDMA con CP
• Dos modos dúplex: FDD (frecuencias emparejadas) y TDD (frecuencias no emparejadas).
• Módulo de acceso: RB: Resource Block bidimensional: Tiempo y frecuencia.
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Canales Físicos
Constituidos por recursos tiempo-frecuencia para dar servicio a los canales de transporte.
Hay 9; 6 descendentes y 3 ascendentes.
La codificación de canal y la modulación dependen de cada tipo de canal físico.
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Canales Físicos Descendentes
PBCH: Physical Broadcast Channel
Transmite información específica de la célula
Modulación: QPSK
PMCH: Physical Multicast Channel
Difunde información para el servicio MBMS.
Modulaciones: QPSK, 16QAM, 64QAM.
PDCCH: Physical Downlink Control Channel
Planificación de UE; Acuses de recibo (ACK/NACK)
Modulación: QPSK
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PDSCH: Physical Downlink Shared Channel.
Envío de datos de usuario y avisos.
Modulaciones: QPSK, 16QAM, 64QAM.
PCFICH: Physical Control Format Indicator Channel.
Indica el número de símbolos de PDCCH por subtrama (1, 2, 3 o 4).
Modulación: QPSK.
PHICH: Physical Hybrid ARQ Indicator Channel.
Lleva la información de HARQ: ACK/NACK y RV.
Modulación: BPSK en ejes I,Q con códigos expansores Walsh
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73
Canales Físicos Ascendentes
PRACH: Physical Random Access Channel.
Para envíos preámbulos de acceso.
PUCCH: Physical Uplink Control Channel.
Planificación UE, ACK/NACK.
Modulaciones: BPSK, QPSK.
PUSCH: Physical Uplink Shared Channel.
Envío datos de usuario.
Modulaciones: QPSK, 16QAM, 64QAM
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Correspondencia Canales de Transporte –Canales FísicosEnlace Descendente
PCH BCH MCHDL-SCH
PBCH PDSCH PMCH PCFICH PHICH PDCCH
CFI HI DCIInformación
de
Control
Canales de
Transporte
Canales
Físicos
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75
Enlace Ascendente
PRACH PUSCH PUCCH
RACHUL-SCH UCI
Información de
Control
Canales de Transporte
Canales Físicos
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1.En el dominio del tiempo:
• Tramas y subtramas temporales
• Referencia temporal común. Unidad de tiempo Ts
Así se tiene un reloj único en los terminales binormal.
UMTSchipLTESs
s
TTT
sssegundosT
−− ⋅=⋅=
=⇒=
8
1;
84,3
1
8
1
033,072,30
1
2048.000.15
1 µµ
Estructura Temporal de la Capa Física
José María Hernando Rábanos77
Periodo de trama
Hay 2 clases de tramas:
• Trama Tipo 1 para modo FDD
• Trama Tipo 2 para modo TDD
msTT sf 10200307 ⇒⋅⋅=
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78
La trama tipo 1, consta de:
• 20 Intervalos (TS, Time Slots) de 0,5 ms, numerados de 0 a 19.
• 10 subtramas (SF, Subframes) de 1 ms, numeradas de 0 a 9.
El periodo de subtrama es el tiempo básico de transmisión y duración de los bloques de transporte:
TTI (Transmisión Time Interval) = 1 ms.
José María Hernando Rábanos79
2. En el dominio de la frecuencia:
Nc subportadoras consecutivas, separadas entre si 15 KHz, que se manejan en bloques de 12.
La configuración en banda de base para el DL es de dos grupos de Nc /2 subportadoras cada uno y la frecuencia central (“DC carrier”) no se utiliza. En ella irá la portadora RF en la modulación final.
Anchura de banda:( ) ( )
MHzBWNEjemplo
MHzNBW
c
c
095,172:
115,0
==+⋅=
BW
DC
15
Nsc /2 Nsc /2
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80
Recursos Físicos
El recurso físico elemental es bidimensional: tiempo-frecuencia.
Se denomina RB (Resource Block) o PRB (Physical Resource Block).
Está constituido por:
• 1 Intervalo (TS) en el dominio del tiempo de 0,5 ms con 7 o 6 símbolos OFDM.
• 12 Subportadoras consecutivas en el dominio de la frecuencia, con una anchura de banda de 12 x 15 = 180 KHz.
En la variante de difusión MBMS, el PRB tiene 3 símbolos por TS y 24 subportadoras separadas 7,5 KHz. La anchura de banda es también 180 KHz.
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81
Una estructura derivada es el Resource Block Pair constituido por 12 subportadoras, pero en una subtrama, tomando 2 TS consecutivos.
Todas las asignaciones de recursos se realizan en bloques con un número entero de RBs.
El número de RB puede variar entre:
1 ≤ NRB ≤ 110
tanto para el enlace ascendente como para el descendente.
José María Hernando Rábanos82
Recursos para las anchuras de banda estándar
Anchura de
Banda nominal
(MHz)
1,4 3 5 10 15 20
Anchura de Banda
ocupada Transmisió
n (MHz)
1,08 2,7 4,5 9 13,5 18
Número de RB
6 15 25 50 75 100
Número de
Subportadoras 72 180 300 600 900 1200
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Recursos Tiempo - Frecuencia
Número de símbolos (symb)por RB, en DL y UL
Número de subportadoras (SC) por RB(12 x 15 = 24 x 7,5 = 180 kHz)
7 -> [ 1 x (160 + 2048) + 6 x (144 + 2048)] x TS = 15.360 x [1 / (15000 x 2048)] = 0,5 ms6 -> [ 6 x (512 + 2048)] x TS = 15.360 x [1 / (15000 x 2048)] = 0,5 ms3 -> [ 3 x (1024 + 4096)] x TS = 15.360 x [1 / (15000 x 2048)] = 0,5 ms
José María Hernando Rábanos
84
Estructura del slot temporal
Existen tres tipos de slots diferentes (todos con duración de 0.5 ms):
► El de la figura superior, con 77 (1+6) símbolos-OFDM, y prefijo cíclico normal.
► Un segundo con 66 símbolos-OFDM iguales, con 2.048 elementos por símbo- lo y prefijo cíclico extendido de 512 elementos.
► Un tercero, con 33 símbolos-OFDM iguales, con 4.096 elementos por símbo- lo (Δf = 7,5 kHz) y prefijo cíclico extendido de 1.024 elementos.
Duración del Prefijo Cíclico normal:144 x TS = 144 x 32,55 = 4,69 µs
nsTS 55,32204815000
1 =⋅
=
José María Hernando Rábanos85
El PRB se describe en términos de la rejilla de recursos (Resource Grid). Cada elemento de la rejilla se denomina Elemento de Recursos (Resource Element, RE).
Un RE es una subportadora modulada con M niveles (M = 4, 16, 64 según sea QPSK, 16 QAM o 64 QAM) en el tiempo de un símbolo,
La rejilla tiene:
elementos de recursos
Ejemplo
SCRE
RBSCRBRE NNNN ××=
847121
7121
=××=
===
RE
SCRE
RBSCRB
N
NNN
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86
Rejillas de recursos para UL Y DL
José María Hernando Rábanos
87
Ejemplo: Trama, RB y RE
José María Hernando Rábanos88
1.Número de RE por trama:
Los cálculos de la capacidad real se realizan evaluando el número de RE/trama disponibles para datos y descontando los utilizados para señalización y control.
2012 ⋅⋅⋅= slotsymbRB
TramaRE NNN
RBTramaRE
RBTramaRE
NNECP
NNNCP
⋅=−
⋅=−
1440
1680
Capacidades básicas de LTE
José María Hernando Rábanos89
2. Número de bits y Tasa binaria por RE
• CP normal
• CP extendido
( ) )/(log2/5,0
)(log
2
2
sKbMNN
NR
bitsMN
symbsymb
REbits
RE
REbits
⋅⋅==
=
)/(log14 2 sKbMRRE ⋅=
)/(log12 2 sKbMRRE ⋅=
José María Hernando Rábanos90
3. Número de bits y Tasa binaria por RB
REslotsymb
RBbits
RB
slotsymb
RBbits
RsKbMNN
R
bitsMNN
⋅=⋅⋅==
⋅⋅=
12)/(log245,0
)(log12
2
2
José María Hernando Rábanos91
4. Número de bits por subtrama
Como la subtrama dura 1 ms la tasa binaria (Kb/s) coincide con el número de bits.
)(log212 2 bitsMNNN slotsymbRB
SFbits ⋅⋅⋅⋅=
)/( skbNR SFbitsSF =
José María Hernando Rábanos92
Ejemplo (CP normal)
)16(16;7;6 QAMMNN slotsymbRB ===
sMbsKbR
bitsN
SF
SFbits
/032,4/4032
403247624
⇒=
=⋅⋅⋅=
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Tasas binarias en LTE
Dependen de los siguientes parámetros de configuración:
• Número de bloques de recursos asignados
• Tipo de prefijo cíclico
• Tara de los canales de control
• Utilización de MIMO
• Cobertura radio
• Modulación
• Tasa del código de canal
José María Hernando Rábanos94
Capacidades brutas LTE
TASAS BINARIAS MÁXIMAS (Mb/s) CP NORMAL
BW (MHz)
1,4 3 5 10 15 20
NRB 6 15 25 50 75 100
R(QPSK) 2,016 5,040 8,400 16,800 25,200 33,600
R(16QAM)
4,032 10,080 16,800 33,600 50,400 67,200
R(64QAM)
6,048 15,120 25,200 50,400 75,600 100,800
MIMO 2X2
64QAM
12,096 30,240 50,400 100,800 151,200 201,600
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Señales Físicas
Las señales físicas transportan información necesaria para la sincronización temporal, identificación de la célula servidora y estimación del canal.
En el enlace descendente hay tres:
• PSS (Primary Synchronization Signal)
Obtención temporización intervalo y parte de la identidad de la célula.
• SSS (Secundary Synchronization Signal)
Obtención temporización trama e identidad completa.
• RS (Reference signal)
Estimación función de transferencia del canal DL.
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En el enlace ascendente hay dos:
• DMRS: Demodulation Reference Signal
Sincronización y estimación del canal UL
• SRS: Sounding Reference Signal
Estimación de canal para planificación de frecuencia en el UL.
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Sincronización
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• Adquirida la sincronización me- diante las señales PSS y SSS, el UE puede evaluar la respuesta del canal, amplitud y fase, mediante las Reference Signals (RSRS).
• Las RS se transmiten cada seis subportadoras (dominio espectral), en los símbolos-OFDM 1º y 5º de cada slot (con prefijo cíclico normal) o en los símbolos 1º y 4º (con prefijo cíclico extendido).
•Se usa salto de frecuencia.
• Identifican el puerto de antena (AP)
Señales de referencia DL
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Para 2 AP los RE utilizados se alternan dejando huecos en los no usados.
Señales de Referencia (dos antenas)
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100
Las RS se generan mediante el producto de una secuencia ortogonal y otra pseudoaleatoria. Sólo existen 510, y se asigna una a cada célula, actuando como identificador de célula.
Señales de Referencia DL (1,2,4 antenas)
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101
Canales Físicos DL
Canal PBCH
• Transporta el MIB (Master Information Block) que proporciona el valor de la anchura de banda utilizada y configuración PHICH.
• Ocupa las 72 subportadoras centrales de los 4 primeros símbolos del segundo intervalo (slot) de cada trama, por lo que el UE puede decodificarlo siempre.
• No usa los RE ocupados por las señales de referencia.
• Modulación QPSK.
• Cada Antena Port radia su propio PBCH.
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102
Canal PDCCH
• Lleva los DCI (Downlink Control Information) y HARQ.
• Puede usar de 1 a 4 símbolos.
• Consiste en uno o más CCE (Control Channel Element).
• Cada CCE consta de 9 REG (Resource Element Group) con 4 parámetros cada REG:
› Asignación bloques de recursos.
› Ajuste modulación-codificación.
› Control de potencia.
› Versión de redundancia HARQ
codificados con 4 símbolos PSK en otras tantas subportadoras.
• En consecuencia 1 CCE = 9 X 4= 36 subportadoras, como en QPSK equivale a 72 bits.
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103
Canal PDSCH
• Transporta los paquetes de datos de usuarios, con TTI =1 ms.
• Transporta los SIB (System Information Blocks).
• Transporta los avisos.
• Asignado por planificación (scheduling).
• Modulaciones QPSK, 16QAM, 64QAM.
• Turbocódigos 1/3 con HARQ.
• Diferentes modos: diversidad, mux espacial.
• Sus RB y caudales se reparten entre las conexiones activas, según el DCI.
• Ocupa los RE no utilizados por RS, PSS, SSS, PBCH y PDCCH.
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104
CANAL PCFICH
Indica el número de símbolos utilizados en el canal PDCCH mediante el CFI (Control Format Indicator).
Ocupa 16 REs agrupados en 4 cuadrúpletas de 4 RE cada una en el primer símbolo del primer intervalo de cada subtrama.
La ubicación de la cuadrúpletas depende de la anchura de banda y de la identidad de la célula.
Utiliza modulación QPSK, por lo que consta de 32 bits.
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105
CANAL PHICH
Retorna confirmaciones ACK/NACK de los datos UL enviados por el PUSCH.
Estructurado en Grupos. Cada grupo múltiples PHICH diferenciados por secuencias ortogonales de bits.
Un grupo ocupa 12 REs (3 cuadrúpletas) ubicados según la identidad de la célula.
Cada mensaje PHICH tiene 2 coordenadas: indicación del grupo e indicación de la secuencia ortogonal.
Usa modulación BPSK por lo que consta de 12 bits.
Puede tener una duración normal (1º símbolo de la subtrama) o extendida (en los 3 primeros símbolos de la subtrama).
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106
Ejemplo de proyección en DL (con prefijo cíclico normal)
Proyección Canales-medios Físicos
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107
Ejemplo de proyección en DL
Visión Proyección Tiempo-frecuencia
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108
Señales de Referencia UL
Hay 2: DMRS Y SRS.
La DMRS (DeModulación Reference Signal) se utiliza para la sincronización y estimación del canal ascendente.
Hay 2 tipos:
• DMRS para el PUSCH.
• DMRS para el PUCCH.
La DMRS/PUSCH se transmite en el cuarto símbolo (con CP normal) o en el tercer símbolo (con CP extendido) de cada RB asignado al PUSCH.
La DMRS/PUCCH va en los símbolos 2, 3, 4 del PUCCH.
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109
La SRS (Sounding Reference Signal) se utiliza para medir y estimar el canal ascendente en determinadas sub-bandas para facilitar la planificación y adaptación del enlace.
Se transmite en el último símbolo de la subtrama en subportadoras no usadas por el PUCCH.
El número de RE utilizados depende de dos parámetros: “Bandwidth” (0..3) propio del UE y “Bandwidth Configuration” (0..7) característico de la célula.
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110
Canales Físicos UL
Canal PUSCH
• Transporta datos de usuario, información de control del UE (UCI) y la DMRS insertada.
• El UE conoce los recursos asignados para el UL mediante el DCI (Downlink Control Information), que recibe cuatro subtramas antes por el PDCCH
• Usa modulaciones
QPSK,16-QAM o
64-QAM
• Canal compartido por todos los UE.
1 subtrama (2 slot = 1ms)
DMRS para PUSCH
PUSCH
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111
Canal PUCCH
• Transporta información de control del UE: HARQ, ACK/NACK, CQI (Channel Quality Indicator), PMI ( Procoding Matrix) DMRS.
• El UE sólo utiliza PUCCH si no tiene datos de usuario que transmitir. En caso contrario, multiplexa en PUSCH la información de control y de usuario.
• Tiene seis formatos, y usa modulaciones BPSK o QPSK
• Ocupa 2 RB distribuidos en los extremos de la banda en una subtrama
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112
Canal PRACH
• Se utiliza para la transmisión de los preámbulos de acceso aleatorio a fin de iniciar el proceso de acceso para establecer una sesión de datos, para el traspaso o para calcular el TA (Time Advance).
• El PRACH ocupa 6 RB contiguos y 1, 2 o 3 subtramas según formato.
• El preámbulo de acceso consta de una secuencia de acceso (TSEQ), precedida por un prefijo cíclio (TCP).
• El PRACH se genera en el dominio espectral, mediante secuencias de Zadoff-Chu.
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113
Ubicación del PRACH
José María Hernando Rábanos114
Ejemplos de Caudales Máximos en PDSCH (Mb/s)
Descontados los RE utilizados por canales prioritarios
CP normal; 2 símbolos PDCCH; Tasa de código: 1
BW(MHz) 1,4 3 5 10 15 20
QPSK 1,5 4 6,8 13,7 20,6 27,5
16QAM 3,1 8,1 13,6 27,4 41,2 55,0
64QAM 4,6 12,1 20,4 41,1 61,8 82,5
64QAAM
2x2
MIMO
8,8 23,1 39,0 78,5 118,1 157,7
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115
PROCESADO DE SEÑAL
En primer lugar, al “transport block”, paquete de datos entregado por la capa MAC, se le añade un CRCCRC (Cyclic Redundancy Check), compuesto por bits de paridad, para la detección de errores.
En LTE existen CRC de 24 bits (CRC24A y CRC24B, para los canales DL-SCH, PCH, MCH y UL-SCH), de 16 bits (CRC16, para el canal BCH) y de 8 bit (CRC8).
Si el resultado de “transport block” más el CRC es superior a 6.144 bits, tamaño máximo del “code block”, se procedería a la segmentación de aquel, añadiendo el correspondiente CRC a los segmentos resultantes.
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116
Segmentación(si TransportBlock+CRC > 6.144 bits)
y cálculo de CRC para cada Code Block
Paquete de datos facilitadopor la capa MAC
(Medium Access Control)
Cálculo del CRC(Cyclic Redundancy Check)
en base a la totalidaddel Transport Block
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117
Procesado genérico de un canalen downlink (DL)
de Transporte o de Control(figura de la izquierda)
proyectado sobre un canal físicocon multiplexación espacial
(figura inferior).
Dos “code word”,o streams de datos diferentes.
Procesado DL
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118
El UL-SCH (UpLink Shared CHannel) se proyecta en el PUSH (Physical Uplink Shared CHannel) cada 1 ms (TTI, Transmission Time Interval, de 1 ms).
Además del tráfico de datos, transporta también información de control: CQI (Channel Quality Indicator), PMI (Precoding Matrix Indicator), RI (Rank Indication), HARQ,..
Procesado UL
José María Hernando Rábanos
119
Algoritmos de Planificación
Propietarios de los fabricantes, son alguna variante de:
• Round Robin: Equitativo pero ineficiente
• Mejor SNR: Eficiente pero no equitativo
• Proportional Fair: Hibrido, se basa en SNR y en la “historia” de las conexiones
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120
ADAPTACIÓN DEL ENLACE
La Técnica LA (Link Adaptation) es esencial en LTE
Se basa en el proceso AMC: Adative Modulation and Coding que tiene dos fases:
1. Se miden las señales de referencia y su tasa de errores (BER) y se selecciona una modulación y una codificación que aseguren una BER máxima del 10% en la transmisión de los paquetes de datos.
2. Se envía la información de AMC mediante el parámetro CQI (Channel Quality Indication) por el canal PUCCH. El CQI se codifica con 4 bits pudiendo tomar 16 valores. Cada valor de CQI proporciona la modulación, tasa del código de canal y eficiencia espectral (b/s/Hz).
Hay varias modalidades de CQI en función del tiempo y de la frecuencia.
José María Hernando Rábanos
121
Relación SINR según el caudal
SINR (dB)
José María Hernando Rábanos122
En la figura se aproxima el comportamiento de un enlace descendente simulado comparado con la cota de Shannon.
Se observa una saturación cuando se alcanza la capacidad máxima del PDSCH.
La línea roja escalonada corresponde a diferentes esquemas de modulación y codificación.
La línea verde es una interpolación que se usa para el cálculo de la SNR.
La SNR incluye el ruido y la interferencia por eso se la suele designar como SINR
José María Hernando Rábanos123
E-UTRA
Opening Band
Uplink (UL) operating band
BS receive UE transmit
Downlink (DL) operating band
BS transmit UE receive
Duplex
Mode
FUL_low – FUL_ high FDL_low – FDL_ high
1 1920 MHz – 1980 MHz 2110 MHz – 2170 MHz FDD
2 1850 MHz – 1910 MHz 1930 MHz – 1990 MHz FDD
3 1710 MHz – 1785 MHz 1805 MHz – 1880 MHz FDD
4 1710 MHz – 1755 MHz 2110 MHz – 2155 MHz FDD
5 824 MHz – 849 MHz 869 MHz – 894 MHz FDD
6 830 MHz – 840 MHz 875 MHz – 885 MHz FDD
7 2500 MHz – 2570 MHz 2620 MHz – 2690 MHz FDD
8 880 MHz – 915 MHz 925 MHz – 960 MHz FDD
9 1749.9 MHz – 1784.9 MHz 1844.9 MHz – 1879.9 MHz FDD
10 1710 MHz – 1770 MHz 2110 MHz – 2170 MHz FDD
11 1427.9 MHz – 1447.9 MHz 1475.9 MHz – 1495.9 MHz FDD
12 699 MHz – 716 MHz 729 MHz – 746 MHz FDD
Bandas de frecuencias LTE
José María Hernando Rábanos124
LTE celular
En el enlace descendente, un terminal esta perturbado por ruido térmico e interferencia intercelular (la intracelular se considera nula por la ortogonalidad)
• Geometría celular: Relación señal/interferencia
• psc: Potencia deseada (misma célula)
• poc: Potencia interferente (otras células)
Suponiendo potencias medias iguales, el cociente depende solo de la geometría celular (omni, sector, punto de evaluación), de ahí su nombre.
oc
sc
p
pg =
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125
Reutilización de las frecuencias en LTE celular
Se contemplan distintas posibilidades con utilización completa (Factor de reutilización 1) o fraccional.
José María Hernando Rábanos126
Categorias de terminales
El 3gpp ha establecido en la Rel. 8, 5 categorías de terminales UE.
Parámetro Categoría
1 2 3 4 5
Tasa Máxima DL (Mb/s)
10 50 100 150 300
Tasa máxima UL (Mb/s)
5 25 50 50 75
TBS máximo DL (bits)
10296 51024 102048 149776 299552
Anchura banda (MHz)
20 20 20 20 20
Modulación DL máxima
64QAM 64QAM 64QAM 64QAM 64QAM
Modulación UL máxima
16QAM 16QAM 16QAM 16QAM 64QAM
MIMO DL Opcional 2 x 2 2 x 2 2 x 2 4 x 4
José María Hernando Rábanos127
Estimación del número usuarios
Se puede estimar mediante la expresión:
Ccap: Capacidad de la célula
LBH: Carga media en hora cargada
Rsub: Tasa binaria requerida por usuario
Ofactor: Factor de sobrecarga (overbooking)
Nsector: Número de sectores
torfactorsub
BHcapsub N
OR
LCN sec)/(
××
=
José María Hernando Rábanos128
Ejemplo
Ccap: 35 Mb/s.
Terminal UE cat 1 Rsub = 10 Mb/s
LBH: 50%
Nsector: 3
Ofactor: 20
105)20/10(
5,0353 =××=subN
José María Hernando Rábanos
129
129129
INTRODUCCIÓN A LTE-Advanced (LTE-A)
LTE-A es la versión o “Release” 10 de las especificaciones UTRA del 3gpp que cumple los requisitos de IMT-200-Advanced de la UIT.
Se ha especificado de forma que asegure la “compatibilidad hacia atrás” (backward compatibility), es decir que permita el funcionamiento de un equipo LTE-A cuando éste se conecte a una red LTE normal.
José María Hernando Rábanos
130
Básicamente en LTE-A se introducen las siguientes tecnologías (nuevas o mejoras de las de LTE):
• Agregación de portadoras (carrier aggregation)
• Mejoras en multiantenas.
• Mejoras para despliegues jerárquicos
• Transmisión multipunto coordinada (CoMP)
• Repetidores
José María Hernando Rábanos
131
Agregación de portadoras
Amplia la flexibilidad de uso del espectro. Además de las posibles anchuras de banda disponibles en una portadora, esta técnica permite combinar, en la misma transmisión, portadoras diferentes.
Esto es esencial para conseguir anchuras de banda de hasta 100 MHz, necesarias para las elevadas tasas de bits que se contemplan en LTE-A.
Las portadoras a agregar se llaman componentes (component carriers)
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132
Hay tres posibilidades de agregación:
• Intrabanda con componentes contiguas
• Intrabanda con componentes no contiguas
• Interbanda, que combina componentes de bandas diferentes, por ejemplo 800 MHz y 2600MHz.
El procesado de capa física (generación OFDM, codificación, HARQ) se realiza de forma independiente para cada componente.
La señalización de control puede ser independiente y transmitirse por una componente diferente de aquella a la que se refiere.
En la transparencia siguiente se muestra un ejemplo de agregación intrabanda de tres portadoras contiguas.
José María Hernando Rábanos
133
José María Hernando Rábanos
134
134134
Técnicas multiantena
En LTE-A se potencia la transmisión en bajada, permitiendo un MIMO de hasta 8 capas (layers) de datos, por medio de una estructura mejorada de las señales de referencia.
También LTE-A admite MIMO en subida hasta con 4 capas.
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135
135135
Mejoras para despliegues
Una de las tendencias que se vislumbran para el futuro de las redes móviles de datos es la coexistencia de un despliegue de macrocélulas con otros de tipo picocelular y femtocelular.
LTE-A incluye algunas mejoras para facilitar la “convivencia” entre estas estructuras.
Por ejemplo si en una red coexisten e-Nodos B de baja potencia (femtocélulas) con macrocélulas, puede haber problemas para decidir a que célula debe engancharse un terminal.
Puede no ser suficiente un criterio de menores pérdidas, sino que pueden intervenir aspectos de capacidad (un eNB con peor señal puede proporcionar mayor tasa que otro de mejor señal pero congestionado), de tarifas (puede ser más barato conectarse a un femto) o de autorización (un usuario puede no estar autorizado a conectarse a un femto).
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136
En LTE hay un método para la coordinación de la interferencia entre células ICIC (Inter Cell Interference Coordination), mediante el cual las células pueden intercambiar información sobre las subportadoras que piensen utilizar, a fin de evitar coincidencias e interferencias a nivel de subtrama. Este mecanismo no es efectivo cuando se trata de la señalización ubicada en todas las subtramas.
En LTE-A, con agregación, se protege la componente de cada célula de forma que esta se utiliza para transmitir la señalización de control solo en una célula y no en sus vecinas.
También es posible la multiplexación temporal de la señalización de modo que, en algunas subtramas sólo una célula transmite la señalización.
Se configura que subtramas deben usar los terminales para estimar el canal, evitando las interferidas que podrían conducir a una estimación errónea.
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137
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.
Multipunto Coordinado CoMP
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138
Requiere una estricta coordinación dinámica entre eNBs separados geográficamente para proporcionar una planificación (scheduling) y una transmisión conjunta al UE en DL, así como un procesado conjunto en el UL.
Hay dos modos de funcionamiento:
• Transmisión conjunta desde múltiples eNBs a un solo UE.
• Selección dinámica de células, con transmisión desde un único UE.
Requisitos básicos:
• Realimentación detallada y rápida de las características del canal para realizar los cambios necesarios.
• Coordinación estrecha entre eNBs para facilitar la combinación de datos o conmutación rápida de las celdas.
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139
El UE responde como si se tratase de una transmisión desde un solo punto. El UE no sabe que recibe señales desde eNBs diferentes. Su receptor procesa la información y retorna señalización como si estuviese conectado a un único eNB.
La red determina el eNB idóneo para la conexión en cada caso, según las estimaciones del canal.
Hay una ganancia de diversidad similar a la que se obtiene en redes de frecuencia única SFN (Single Frequency Networks), que se traduce en una mejora en el uso de la potencia RF, con la consiguiente reducción de la interferencia.
CoMP en DL
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El UE proporciona el CSI (Channel Status Information) de todos los canales que puede “ver”, manteniendo el procesado como en el caso de transmisión desde un único punto.
Para la red todo el procesado se hace en un solo nodo para conseguir suficiente rapidez y coordinación de las transmisiones desde los diferentes puntos.
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Los UE tienen datos sobre las transmisiones de eNBs: eNB servidor, datos de canal y transmisión …… Ello mejora el procesado de señal a costa de su incremento.
Concepto muy parecido a la macrodiversidad usada en WCDMA y HSPA.
CoMP en UL
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Es otra alternativa para asegurar altas tasas binarias en el borde celular o en puntos de señal débil (ej. Interiores).
El “LTE-relay” ejecuta procesos de recepción-demodulación-decodificación con corrección de errores y retransmite la señal regenerada.
De este modo, se mantiene la calidad de la señal, sin la degradación de la SNR que se daría en una simple repetición con amplificación.
El UE comunica con el regenerador y este enlaza con el eNB “donante”.
LTE relay: Repetición Regenerativa
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Ejemplo:
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Los regeneradores pueden soportar funcionalidades de capas altas, por ejemplo decodificar datos de usuario desde el eNB donante y decodificarlos antes de su envío al UE.
El regenerador es autónomo, no requiere conexión a la red.
Puede funcionar con cambio de frecuencia (outband) o sin cambio (inband); en este caso con TDMA mediante reserva de subtramas MBSFN (Multimedia Broadcast over Single Frequency Network).
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Se han especificado dos tipos de regeneradores:
• Tipo 1: El regenerador tiene su propia identidad y transmite sus propios canales de sincronización y simbolos de referencia. El UE lo “ve” como un eNB convencional.
• Tipo 2: El regenerador carece de identidad y se asemeja al eNB donante. Un UE en su zona de cobertura no puede distinguirlo del eNB.
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Redes self-configuring and self-optimizing (SON)
La reducción de esfuerzo operacional y de la complejidad se consideran fuerzas motrices básicas para la LTE-RAN.
La SoN se contempla como un proceso tendente a alcanzar ese objetivo, así como para mejorar la calidad y el desempeño de la red.
El 3gpp ha abierto un tema de estudio sobre este asusto que se desarrolla en el TR36.902 y que incluye “casos de utilización” (uses clases), para aplicación de los conceptos de SoN y la definición de medidas, procedimiento e interfaces abiertas para soportar la operabilidad en un entorno de múltiples proveedores.
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Se prevén los siguientes casos:
• Optimización de la cobertura y capacidad.
• Ahorro energético.
• Reducción de interferencias.
• Configuración automática de la identidad de la célula física (Phy_ID).
• Optimización de la movilidad: mejora de los procedimientos de handover y reparto de la carga celular.
• Optimización del acceso RACH.
• Automatización función colindancia.
• Coordinación interferencia intercelular.
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BIBLIOGRAFIA
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LTE: Nuevas tendencias en Comunicaciones Móviles.R. Agusti y otros.Fundación Vodafone España, 2010. Disponible en htpp://fundacion.vodafone.es/static/fichero/pre_ucm_mgmt_002620.pdf
3G Evolution:HSPA and LTE for mobile broadband.E. Dahlman, S. Parkvall
Fundamentals of wireless CommunicatiónD. Tese, P. VisawanathCambidge University Press, 2005
LTE and the Evolution to 4G wireless.M. RumneyAgilent Technologies, 2009
Long Term Evolution in bulletsChris Johnson, 2012