5 Long Term Evolution for UMTS (LTE) - bibing.us.esbibing.us.es/proyectos/abreproy/12081/fichero/OFDMA+y+SC-FDMA+e… · LTE utiliza OFDMA y SC-FDMA para comunicar el teléfono móvil

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Long Term Evolution for

UMTS (LTE)

5.1 Introducción

Como se ha descrito en capítulos anteriores, OFDM es una técnica de modulación empleada en la capa física de multitud de conocidos sistemas como los de difusión de audio y video DAB y DVB, la tecnología de acceso ADSL, o las redes de área local inalámbricas IEEE 802.11 versiones a, g y n. Además su versión como método de acceso múltiple OFDMA y su variante SC-FDMA son unas de las técnicas de transmisión más innovadoras en el mundo de las telecomunicaciones y han sido incorporadas en el estándar de cuarta generación para comunicaciones móviles LTE (UMTS Long Term Evolution).

En este capítulo nos vamos a centrar, precisamente, en la utilización de OFDMA y SC-FDMA en LTE, debido a que LTE es el estándar destinado a ser dominante en los próximos años en el exponencialmente creciente mundo de las telecomunicaciones móviles debido a sus importantes mejoras con respecto a sistemas 3G como UMTS o HSPA.

LTE utiliza OFDMA y SC-FDMA para comunicar el teléfono móvil con la estación base en la capa física de la interfaz radio. En concreto, implementa OFDMA en el enlace descendente y, la versión codificada con DFT, SC-FDMA en el enlace ascendente.

Para poner en contexto la importancia de LTE y de la incorporación de OFDMA y SC-FDMA en dicho estándar, inicialmente en el capítulo se hace una introducción a los sistemas de comunicaciones móviles con una breve reseña histórica y se explica brevemente la arquitectura y funcionamiento de los importantes estándares GSM y

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UMTS. A continuación, se hace una descripción del estándar LTE pero, debido a la complejidad de un sistema LTE en su conjunto, nos centraremos más en la capa física de la pila de protocolos de la interfaz �� en la red de acceso radio, que es donde se utilizan OFDMA y SC-FDMA.

5.2 Historia de los Sistemas de

Comunicaciones Móviles

5.2.1 Primera Generación (1G)

Los sistemas de comunicaciones móviles aparecieron a principio de la década de los 80. La primera generación (1G) utilizaba técnicas de comunicación analógicas. La extensión de las células era grande y el espectro se utilizaba de manera ineficiente, resultando en una pobre capacidad comparado con los estándares actuales. Los terminales tenían un gran tamaño y peso, estando dirigidos únicamente a empresarios.

5.2.2 Segunda Generación (2G, 2.5G y 2.75G)

Las telecomunicaciones móviles despegaron de cara al consumidor a principios de los 90 con la aparición de la segunda generación (2G). Se utilizaba el espectro de manera más eficiente que en 1G, pero aun así la eficiencia espectral era muy baja: 9,6 Kbps en GSM sobre una banda de 200 KHz, esto es, 0,05 bps/Hz. Además, la disponibilidad del espectro en España era inicialmente limitada: 50 MHz en la banda de 900 MHz, pero se añadieron 150 MHz en la banda de 1800 MHz.

Un punto a favor es que los terminales pasaron a ser más pequeños y asequibles. Los sistemas 2G más conocidos son GSM (Global System for Mobile Communications) el cuál extendió su éxito más allá de Europa y IS-95, también conocido como cdmaOne, que fue el sistema predominante en EEUU.

El éxito de los sistemas 2G coincidió con el de Internet, lo cual hizo que se introdujeran sistemas 2.5G que permitieran descargar datos además de manejar llamadas de voz. Para ello se introdujo en la red troncal un dominio de conmutación de paquetes, además del dominio tradicional de conmutación de circuitos para las llamadas de voz. Así mismo, la incorporación de packet scheduling y selección de codificación adaptativa permitió mejorar la eficiencia espectral. Las correspondientes actualizaciones de 2G a 2.5G son GPRS (General Packet Radio System) e IS-95B.

Con el cambio de milenio las velocidades de descarga se quedaron rápidamente pequeñas y se hizo necesario mejorar las prestaciones de los sistemas 2.5G pasando a la conocida como generación 2.75G. La correspondiente mejora de GPRS (y por lo tanto de GSM) fue EDGE (Enhanced Data Rates for GSM Evolution) también conocida

66 OFDMA Y SC-FDMA EN LA INTERFAZ RADIO DE LTE

como EGPRS que proporciona velocidades de descarga hasta tres veces superiores a las de GPRS. Destaca la incorporación de modulación adaptativa (GMSK o 8-PSK)

5.2.3 Tercera Generación (3G y 3.5G)

En los primeros años del nuevo milenio, apareció la tercera generación de redes móviles. Dicha aparición había sido promovida por la ITU mediante la publicación en la década de los 90 del documento IMT-2000 (International Mobile Telecommunications-

2000) donde se listaban una serie de requisitos para mejorar los sistemas de comunicaciones móviles 2G.

El sistema 3G predominante a nivel mundial es UMTS (Universal Mobile

Telecommunication System) desarrollado como el sustituto de GSM por el grupo de trabajo 3GPP (Third Generation Partnership Project). Con respecto a GSM se cambió por completo la técnica de acceso múltiple en la interfaz radio, pasándose de TDMA a WCDMA (Wideband CDMA). En 3G se alcanzan tasas de transmisión mucho mayores que en 2G (hasta 2 Mbps lo cual supone una eficiencia espectral de hasta 0,4 bps/Hz en canales de 5 MHz). Es importante para ello, la incorporación del esquema de codificación Turbo.

WCDMA utiliza FDD y canales de 5 MHz y la versión china TS-CDMA (Time

Division Synchronous CDMA) utiliza TDD y canales de 1.25 Mhz. Con respecto a la disponibilidad espectral en España, a los 200 MHz ya disponibles se añadieron 155 MHz en la banda de 2100 MHz. La red troncal, sin embargo, se mantuvo sin cambios prácticamente con respecto a GSM.

El correspondiente sustituto del sistema norteamericano IS-95 (cdma-One) y desarrollado por un grupo alternativo (3GPP2) es cdma2000. Las dos principales diferencias entre UMTS y cdma2000 son, en primer lugar, la canalización de 5 MHz y 1.25 MHz respectivamente (apenas había canales de 5 MHz disponibles en el espectro norteamericano) y en segundo lugar la imposibilidad de compatibilidad hacia atrás de UMTS con GSM mientras que cdma2000 si permite a terminales y estaciones base de cdma2000 y cdmaOne comunicarse (había un importante legado de dispositivos cdmaOne en EEUU).

Una tecnología alternativa a UMTS o cdma2000 es Wimax (Worldwide

Interoperability for Wireless Access). Inicialmente estaba pensada para comunicaciones punto a punto (IEEE 802.16-2001), pero después se incorporó la comunicación punto-multipunto entre estación base y usuarios fijos (IEEE 802.16-2004) y posteriores versiones de cuarta generación han acercado el enfoque de este sistema a los tradicionales de telefonía móvil.

No fue hasta mediados de la primera década del milenio con los sistemas 3.5G cuando se alcanzaron tasas de descarga y subida consideramblemente altas. Las evoluciones 3.5G de UMTS y cdma2000 son HSPA (High Speed Packet Access) y HRPD (High Rate Packet Data) o EV-DO (Evolution Data Optimized),


respectivamente. La eficiencia espectral alcanzada en HSDPA (High Speed Download

Packet Access) es 3 bps/Hz (14 Mbps en 5 MHz), destacando la incorporación de 16-QAM a las posibles modulaciones. Una última versión, llamada HSPA+ está en uso en la actualidad, proporcionando tasas máximas de hasta 42 ��.

5.2.4 Cuarta Generación (4G)

Alrededor de 2010, empezaron a aparecer los sistemas 4G cumpliendo con las especificaciones de la publicación de la ITU IMT-Advanced, que incorpora requisitos superiores respecto a los sistemas de tercera generación. LTE (Long Term Evolution for

UMTS) y su versión avanzada LTE-Advanced son los sistemas 4G desarrollados por 3GPP. Además las versiones 1.0 y 2.0 de Wimax descritas en la especificaciones del IEEE 802.16e y 802.16m, respectivamente, también son sistemas de cuarta generación. El sucesor 4G de cdma2000 para EEUU, UMB (Universal Mobile Broadband), fue pronto desechado. Nótese que LTE realmente no fue considerado un sistema 4G inicialmente, pero debido a presiones por cuestiones de marketing, la ITU ya lo considera oficialmente como un sistema de cuarta generación.

Aunque no haya llegado aún a la mayoría de los mercados, LTE será, con diferencia, la versión de 4G más apoyada por los operadores y el sistema de comunicaciones móviles dominante en los próximos años. Ya existen redes LTE en EEUU o los países escandinavos pero en muchos países europeos, incluida España, no está prevista la llegada de LTE hasta 2013 como muy pronto, debido a la necesidad de los operadores de rentabilizar sus inversiones en redes 3G y problemas relacionados con el reparto de bandas del espectro radioeléctrico.

LTE incorpora eficiencias espectrales de pico de 5 bps/Hz y aumentables hasta 16 bps/Hz con esquemas MIMO 4x4, todo ello gracias a una mayor variedad de esquemas de modulación y una codificación Turbo mejorada, además se logran latencias menores y el enfoque es completamente al envío de tráfico de datos con una red troncal únicamente de conmutación de paquetes, entre otras mejoras con respecto a sistemas 3G.


5.3 Sistemas de Comunicaciones Móviles 2G

y 3G

Las redes de telefonía móvil, conocidas como PLMN (Public Land Mobile Network), son gestionadas por operadores de red tales como Vodafone o Movistar. Como se observa en la Figura 5.1. Las PLMN tienen tres componentes principales: el teléfono móvil, conocido como UE (User Equipment), la red de acceso radio (Radio Access

Network) y la red troncal (Core Network).

Figura 5.1 Arquitectura de una red de telefonía móvil 2G y 3G (PLMN).

5.3.1 Arquitectura de la Red de Acceso Radio

La red de acceso radio se encarga de la conexión del teléfono móvil con la red troncal. El UE se comunica con la red de acceso radio por medio de la interfaz radio. Las redes de acceso de GSM y UMTS son diferentes, GERAN (GSM EDGE Radio Access

Network) y UTRAN (UMTS Terrestrial Radio Access Network) pero se comunican con la misma red troncal.

En la Figura 5.2 se observa la arquitectura de UTRAN para UMTS (GERAN utiliza diferentes técnicas de transmisión pero tiene la misma topología). El UE se comunica con las antenas situadas asociadas a una estación base (denominadas Node B en UTRAN o BTS (Base Transceiver Station) en GERAN). La disposición más típica es de 3 antenas cubriendo áreas geográficas de 120º conocidas como sectores o células (este último término se reserva en la literatura americana para el conjunto de los tres sectores). La red de telefonía móvil de un operador en un país de tamaño mediano como España puede tener varios miles de estaciones base.


Figura 5.2 Arquitectura de la Red de Acceso Radio.

Cada célula tiene un tamaño físico variable. Las macro-células cubren varios kilómetros para áreas rurales, las micro-células cubren varios centenares de metros para zonas urbanas, las pico-células se utilizan para mejorar la capacidad en interiores de centros comerciales, aeropuertos o grandes oficinas con un alcance de decenas de metros y las femto-células tienen un alcance de varios metros, pudiéndose comprar el abonado su propia estación base para el hogar.

Las comunicaciones en cada célula tienen lugar a una determinada banda de frecuencia de portadora y se sitúan a una determinada distancia de reutilización de otras células que utilicen la misma frecuencia para evitar interferencias. Para separar las señales en el enlace ascendente y el descendente se utiliza bien FDD (Frecuency

Division Duplexing) o TDD (Time Division Duplexing). Cuando un móvil pasa de una célula a otra tiene que cambiar su comunicación de una estación base a otra mediante técnicas de handover o cell-reselection. Es importante, diseñar redes que no requieran un número elevado de handovers ya que aumenta el tráfico de control. En UMTS el UE en realidad está comunicando al mismo tiempo con varias estaciones base cercanas (soft

handover).

Varios centenares de estaciones base son gestionados por un nodo controlador, RNC (Radio Network Controller) en UMTS o BSC (Base Station Controller) en GSM, cuya misión es enviar la información de voz o datos de las estaciones base al núcleo de red y controlar las comunicaciones entre los terminales y las estaciones bases por medio de mensajes de señalización. Suele haber varias decenas de controladores en la red de un operador en España.

5.3.2 Arquitectura de la Red Troncal

La red troncal contiene dos dominios. El dominio CS (Circuit Switched) transporta las llamadas a través de las regiones que el operador cubre con su red. Además se comunica con los dominios CS de los demás operadores y con la red telefónica fija (Public

Switched Telephone Network). Se utiliza la conmutación de circuitos que establece una conexión dedicada por cada llamada. Esto permite garantizar un flujo constante con un


retraso mínimo, pero a cambio de una alta ineficiencia debido a que se reservan recursos para los casos más exigentes que no se suelen utilizar al máximo.

El dominio PS (Packet Switched) transporta flujos de datos (webs, e-mails...) entre el usuario y redes de paquetes externas PDN (Packet Data Networks) como Internet. Se utiliza la conmutación de paquetes, donde los datos se dividen en paquetes cada uno con su correspondiente dirección que permite a los routers redirigirlos a su destinatario final. Los recursos se comparten entre todos los usuarios lo que puede llevar a mayores retrasos pero se hace uso de una manera eficiente del ancho de banda, especialmente en conexiones de tasas variables como son las de datos. En la Figura 5.3 se observa la arquitectura de la red troncal.

Figura 5.3 Arquitectura de la red troncal.

En el dominio CS los MGW (Media Gateway) enrutan las llamadas telefónicas de una parte de la red telefónica a otra mientras que los servidores de los MSC (Mobile

Switching Center) manejan los mensajes de señalización con los que se establecen, gestionan y terminan las llamadas.

En el dominio PS los GGSN (Gateway GPRS Support Nodes) actúan como interfaces con las redes externas PDN como Internet y los SGSN (Serving GPRS

Support Nodes) enrutan datos entre la red de acceso radio y los GGSN.

Una base de datos central de abonados conocida como HSS (Home Subscriber

Server) almacena la información de los abonados de la red. La HSS es compartida por el dominio CS y PS.


5.4 Motivos Para la Aparición de LTE

A finales de la primera década del tercer milenio y con el auge de la tercera generación de sistemas de comunicaciones móviles se inició la transición a la cuarta generación, siendo LTE el principal representante de la misma. Esta transición tiene que durar varios años aún.

La principal razón para la aparición de LTE se puede resumir de manera muy adecuada mediante la Figura 5.4. En ella se muestra el tráfico total manejado por todas las redes de telefonía móvil a nivel mundial entre 2007 y el primer semestre de 2011. Se puede observar cómo pese al dominio del tráfico de llamadas de voz hasta antes del 2010, en la nueva década el tráfico de datos no sólo ha superado al de llamadas de voz sino que se está convirtiendo en muy superior debido a un crecimiento exponencial desde 2007. Este crecimiento, que contrasta con el estancamiento del tráfico de llamadas de voz, se debe principalmente a la irrupción de terminales más avanzados como los iPhone en 2007 y los smartphones basados en Android en 2008, con una explosión en el uso de aplicaciones móviles, así como al asentamiento de los sistemas 3.5G enfocados a mejorar las tasas de datos y a las tarifas planas de datos que empiezan a ser ofrecidas por los operadores.

Figura 5.4 Volumen de tráfico de datos y voz a nivel mundial entre 2007 y 2011.

En 2007 el tráfico de datos apenas era de varios PetaBytes/mes, en 2011 de 400 PB/ mes y se estima un crecimiento lineal en los próximos años que haría que se alcanzaran los 6000 PB/mes.


Como consecuencia de este crecimiento, en la actualidad las redes de tercera generación de los operadores están empezando a verse congestionadas y no serán capaces de soportar el crecimiento exponencial de tráfico en los próximos años. El límite teórico de la tasa de datos libre de error para cualquier sistema de comunicación (y para una célula en particular) en un canal AWGN viene dado por la fórmula de Shannon que se representa en la Figura 5.5 para anchos de banda de 5,10 y 20 ��.

� = �1 + ��

Figura 5.5 Límite de Shannon en la capacidad de los sistemas de comunicación.

La solución intuitiva para incrementar la capacidad por usuario (dado un número � de usuarios por �� que requieren una tasa de � bps) es bien disminuir el tamaño de las células introduciendo varias estaciones base en la región donde sólo había una o bien incrementar el ancho de banda , pero la primera solución está limitada por la tasa de movilidad de un usuario que crecería demasiado en células muy pequeñas y elevaría el número de handovers a valores no aceptables y la última solución tiene un límite porque el propio espectro radioeléctrico es en sí mismo limitado (pese al reparto de nuevas bandas que se ha llevado a cabo).

La solución en LTE viene aportada por las técnicas de transmisión utilizadas, OFDMA y SC-FDMA con esquemas de modulación y codificación que elevan la eficiencia espectral. La alta resistencia de OFDMA y SC-FDMA a condiciones desfavorables en el canal posibilita que la capacidad se acerque al límite teórico de Shannon. Además, se incorporan técnicas de multiplexado espacial conocidas como MIMO (Multiple Input Multiple Output) y basadas en el uso de � capas de transmisión (cada una correspondiente a una antena) que permiten alcanzar tasas � veces mayores.

Otros motivos para la aparición de LTE son, en primer lugar, el ahorro de costes de que supone utilizar un único dominio en la red troncal para transportar llamadas de voz y datos en lugar de una red troncal con dominio PS y otra con dominio CS. Además, dicha red troncal es de conmutación de paquetes y está diseñada especialmente para manejar de manera óptima el tráfico de datos (All-IP Network).


En segundo lugar la reducción de la latencia que es poco aceptable para aplicaciones en tiempo real en 3G (de alrededor de 100 ��). En tercer lugar, la eliminación de la complejidad que supone la acumulación de legados de generaciones anteriores, GSM y UMTS, mediante un diseño completamente renovado. Por último, destaca también la flexibilidad en cuanto al ancho de banda de las células.

5.5 Arquitectura de LTE

La arquitectura de LTE se ha visto completamente modificada con respecto a la de 2G o 3G. En la Figura 5.6 se puede observar como la red de acceso radio que comunica el UE con la red troncal pasa a denominarse E-UTRAN (Evolved UTRAN). La red troncal se denomina ahora EPC (Evolved Packet Core) y se encarga de distribuir tanto datos como llamadas de voz mediante conmutación de paquetes desde la E-UTRAN a PDNs (Packet Data Networks) como Internet, redes privadas corporativas o el subsistema multimedia IP. A continuación, se describen en mayor detalle los tres componentes de la arquitectura LTE: UE, E-UTRAN y EPC.

Figura 5.6 Comparación arquitectura LTE con respecto a GSM y UMTS.


5.5.1 Equipo de Usuario (UE)

En la Figura 5.7 se muestra la arquitectura del UE que es idéntica a la de GSM y UMTS.

Figura 5.7 Arquitectura del Equipo de usuario (UE) en LTE.

El dispositivo de comunicación, estrictamente hablando, es denominado ME (Mobile

Equipment) y es un único elemento en el caso de un smartphone o un teléfono tradicional, aunque puede dividirse en dos, por ejemplo, para un ordenador portátil que tenga conexión LTE. Aquí el portátil sería el TE (Terminal Equipment) y el MT (Mobile

Termination) sería una tarjeta LTE encargada de las funciones de comunicación.

Al otro elemento del UE se le denomina Universal Integrated Circuit Card (UICC) aunque popularmente se conoce como tarjeta SIM. Ejecuta una aplicación conocida como USIM (Universal Subscriber Identity Module) que almacena información específica del usuario como el número de teléfono o la dirección de la Home Network y lleva a cabo una serie de cálculos para la seguridad en la comunicación.

Al móvil le es asignada una dirección IP por cada PDN a la que se conecte. Además el móvil recibe una dirección IPv4 e IPv6 si soporta ambas versiones del protocolo.

Los UE se dividen en categorías según una serie de parámetros como las tasas máximas o las tecnologías de acceso radio que pueden soportar, así como las frecuencias de portadora a las que pueden transmitir. Éstas se transmiten a la E-UTRAN mediante mensajes de señalización. En la Tabla 5.1 vienen recogidas algunas de ellas. La categoría 5 de UE soporta la versión LTE Release 8. Las categorías superiores soportan también la versión evolucionada conocida como LTE Advanced.

Téngase en cuenta que las velocidades de transmisión son ideales y en ningún caso real serán alcanzadas debido a los siguientes factores: Suponen un ancho de banda de canal de 20 MHz que no siempre estará disponible y menos en los comienzos de LTE, además se supone que la localización del usuario dentro de la célula (cerca de la antena receptora y en exteriores) y las condiciones del canal son óptimas, lo cual permite el uso de esquemas de modulación con muchos niveles y un alta tasa de código que requieren una SINR elevada. Por último, estas cantidades se reparten entre todos los usuarios conectados al canal.


Tabla 5.1 Categorías de UE (User Equipment).

Categoría UE

Velocidad máxima

DL (Mbps)

Velocidad máxima

UL (Mbps)

Capas máximas

DL

Capas máximas

UL

¿Soporta 64-QAM

UL?

1 10.296 5.16 1 1 No 2 51.024 25.456 2 1 No 3 102.048 51.024 2 1 No 4 150.752 51.024 2 1 No 5 299.552 75.376 4 1 Sí 6 301.504 51.024 4 1 No 7 301.504 102.048 4 2 No 8 2998.56 1497.76 8 4 Sí

5.5.2 Evolved UMTS Radio Access Network (E-UTRAN)

Como se observa en la Figura 5.8, la E-UTRAN solo dispone de un tipo de elemento, el eNB (evolved NodeB), que es una estación base. Cada UE se comunica solo con un eNB al mismo tiempo (no hay soft handover como en UMTS). El eNB lleva a cabo las funciones del NodeB y el RNC en UTRAN, es decir envía y recibe las señales en el DL y el UL, respectivamente, por medio de las técnicas de transmisión de la interfaz radio y coordina las operaciones de todos sus móviles y las estaciones base adyacentes enviando mensajes de señalización como los comandos de handover. Uniendo las dos funciones en un solo elemento se reduce la complejidad y la latencia.

Figura 5.8 Arquitectura de la red de acceso radio en LTE.

Las estaciones bases están conectadas al EPC mediante la interfaz S1 y las adyacentes están conectadas entre sí mediante la interfaz X2 para posibilitar el handover.


5.5.3 Evolved Packet Core (EPC)

El EPC está formado principalmente por los elementos e interfaces que se observan en la Figura 5.9.

Figura 5.9 Arquitectura del EPC.

El HSS (Home Subscriber Server) al igual que en GSM y UMTS contiene la información de todos los abonados del operador de la red.

El P-GW (PDN Gateway, equivalente de GGSN en GSM y UMTS) es la puerta de unión con las redes externas como Internet. Al contrario que en UMTS, cada vez que un móvil se enciende se le asigna un P-GW para proporcionarle conectividad en todo momento.

El S-GW (Serving Gateway) actúa como un router y envía los paquetes de datos entre el eNB y el P-GW. La MME (Mobile Management Entity) controla las operaciones de los UE, enviando mensajes de señalización. Los S-GW y MME juntos son equivalentes al SGSN de GSM y UMTS, lo cual permite una mayor escalabilidad de la red al operador según haya más tráfico (aumentaría el número de S-GW) o móviles (aumentaría el número de MME).

A cada UE se le asigna un S-GW y un MME. El UE se puede mover por unas regiones en las que se divide la red conocidas como MME pool area o S-GW serving

area sin cambiar su asignación de MME y S-GW respectivamente. Estas regiones geográficas pueden estar servidas por uno o más MME o S-GW (caso de las ciudades más pobladas).


5.6 Protocolos de Comunicación en LTE

Cada uno de los elementos de la red antes descrita están unidos entre sí mediante interfaces. Cada interfaz tiene asociada una pila de protocolos que permite a los elementos de la red intercambiar mensajes de datos y señalización.

La pila de protocolos tiene dos planos, el plano de usuario y el plano de control. Así mismo, la pila de protocolos se divide en capa superior (que puede incorporar protocolos del plano de usuario o protocolos de señalización) e inferior (que incorpora protocolos de transporte).

Los protocolos de transporte se dividen en protocolos de transporte de la interfaz radio (denominada Uu) y protocolos de transporte de la red fija para el resto de interfaces de la red. En este proyecto nos centraremos en los de la interfaz Uu, ya que es en la capa física de esta pila de protocolos donde se emplean las técnicas de transmisión OFDMA y SC-FDMA, las cuáles posibilitan comunicar el UE y el eNB. Los protocolos para la red fija pueden incorporar un medio físico como la fibra óptica y utilizan protocolos conocidos como TCP o UDP, IP y Ethernet.

Los protocolos del plano de usuario contienen mecanismos para enviar datos correctamente entre el UE y el P-GW y para responder rápidamente a cambios en la localización del UE. El protocolo habitualmente utilizado en todas las interfaces es GTPv1-U (GPRS tunnelling protocol user part).

LTE utiliza un elevado número de protocolos de señalización. La estación base controla al móvil en la interfaz Uu mediante RCC (Radio Resource Control). En E-UTRAN las estaciones bases pueden comunicarse entre sí mediante el protocolo de aplicación X2 (X2-AP) y con el MME mediante el protocolo de aplicación S1 (S1-AP). El MME controla el comportamiento de alto nivel de los móviles mediante ESM (EPS

Session Management) y EMM (EPS Mobility Management). Dentro de EPS, el MME y el HSS se comunican mediante el protocolo de seguridad Diameter. La mayoría del resto de interfaces utilizan GTPv2-C (GPRS tunnelling protocol control part).

En la Figura 5.10 se muestran como ejemplo las pilas de protocolos que se utilizan para intercambiar datos entre un móvil y un servidor de Internet.


Figura 5.10 Pilas de protocolos para el envío de datos en el enlace ascendente.

5.7 Interfaz Radio de LTE

Después de una introducción sobre los predecesores de LTE, las motivaciones para el cambio y la arquitectura y protocolos utilizados por LTE, se introduce ahora, la interfaz radio de LTE que es una de las partes más importantes y donde se incorporan OFDMA y SC-FDMA como técnicas de transmisión para proporcionar comunicaciones más eficientes, robustas y rápidas que en anteriores generaciones de comunicaciones móviles.

5.7.1 La Pila de Protocolos

En la Figura 5.11 se observa en detalle la pila de protocolos de la interfaz radio, las especificaciones para cada uno de ellos y los flujos de información que intercambian. Para este proyecto estamos interesados especialmente en la capa física, la cual está compuesta por tres partes: El procesador del canal de transporte que aplica procedi-mientos para la gestión de errores, el procesador de canal físico que aplica las técnicas de transmisión OFDMA y SC-FDMA y MIMO y por último el procesador análogico que convierte la señal digital en analógica y la sube a radiofrecuencia.


Figura 5.11 Pila de protocolos en la interfaz radio (Uu) de LTE.

5.7.2 Canales y Señales

Los flujos de información entre distintos protocolos que se observan en la Figura 5.11 se conocen como canales y señales. Los canales lógicos se envían entre RLC y MAC y los más importantes son el DTCH (Dedicated Traffic Channel) y el DCCH (Dedicated

Control Channel) que transportan los datos y los mensajes de señalización respectivamente.

Los canales de transporte van entre MAC y la capa física, destacando el UL-SCH (Uplink Shared Channel) y el DL-SCH (Downlink Shared Channel) que transportan la mayoría de datos y mensajes de señalización. Este tipo de información es la que transportan también los canales físicos de datos más destacados, PUSCH (Physical

Uplink Shared Channel) y PDSCH (Physical Downlink Shared Channel). A su vez, los canales físicos de control se encargan de la información de control.

En la Tabla 5.2, se muestran todos los canales físicos (de datos y de control) y las señales físicas. Nótese que algunos de ellos no se incorporan en LTE Release 8. Los canales físicos y las señales físicas son los datos que, como información binaria, se pasaran, para su envío, al transmisor OFDMA o SC-FDMA, según sea el enlace descendente o ascendente.


Tabla 5.2 Canales físicos y señales físicas en LTE.

5.7.3 La Cuadrícula de Recursos (The Resource Grid)

En la capa física de LTE se mapean los canales físicos y las señales físicas para su envío mediante OFDMA o SC-FDMA en una cuadrícula formada por elementos de recursos tiempo-frecuencia transmitiendo cada uno de ellos un símbolo modulado.

Empecemos viendo las unidades de tiempo con las que trabaja LTE. La unidad más pequeña es el periodo de muestreo, �� .

�� = !

"##$=

%%,' (�

�)*+ ≈ 32,6 0�

Donde �11! es el número de puntos que utiliza la transformada inversa discreta de Fourier. En LTE, el máximo número de puntos de la IFFT es �11! = 2048 , que se utiliza para el canal con mayor ancho de banda (20 MHz).


� es el tiempo de símbolo OFDMA o SC-FDMA sin prefijo cíclico (� = 66,7 5� en LTE), el cuál es la inversa de la separación entre subportadoras (∆7 = 15 �� en LTE).

Conviene resaltar que la elección de la separación entre subportadoras no es casual, ya que responde a la necesidad de cumplir la restricción que impone el canal inalámbrico móvil, cuyos fundamentos fueron explicados en el capítulo dos y que viene dada por

9: �� ≫ � ≫ ∆<

Donde 9: �� es el tiempo de coherencia (inverso del desplazamiento Doppler máximo =�>?) que en el peor de los casos previsto por LTE, correspondiente a un terminal desplazándose a 350 @�/ℎ transmitiendo a 3.5 C� , es 9: �� = 900 5� ( =�>? =

1.1 �� y ∆< es la dispersión temporal que habitualmente se considera de 4,7 5�, pero puede llegar hasta 16,7 5� en grandes macrocélulas.

El tiempo de símbolo OFDM con prefijo cíclico normal es �� = � + ∆ = 66,7 5� +

4,7 5� = 71,4 μs, que permite eliminar ISI provocada por canales móviles con una dispersión temporal ∆< ≤ 4,75�, o lo que es lo mismo con una diferencia entre caminos del rayo más cercano y el más alejado de hasta 1,4 @�. Esta cantidad es suficiente en la mayoría de los casos, pero como se indicó en el anterior párrafo para algunas macro-células donde aparecen dispersiones temporales mayores se incorpora un prefijo cíclico extendido que permite diferencias de caminos de hasta 5 @�. En estos casos �� = � +

∆ = 66,7 5� + 16,7 5� = 83,4 μs.

La siguiente unidad de tiempo es el slot que está compuesto por 7 o 6 símbolos según se trabaje con prefijo cíclico normal o extendido, siendo mucho más común el primer caso. En ambos casos, el slot dura 0,5 �� .En la Figura 5.12 se observa, con claridad, la estructura de un slot.

Figura 5.12 Composición de un slot con 7 o 6 símbolos.


A un nivel más alto, los slots se agrupan en subframes y frames. Los subframes están compuestos por 2 slots (1 �� ) y se utilizan para la organización de la transmisión PDSCH / PUSCH. Los frames están compuestos por 10 subframes o 20 slots (10 �� y se utilizan en procesos que cambian más lentamente como la transmisión de señales de información del sistema o de referencia. En la Figura 5.13 se muestra la estructura del frame tipo 1 que es la que se utiliza en FDD.

Figura 5.13 Frame con estructura tipo 1 en LTE.

Para TDD se utiliza la estructura de frame tipo 2, habiendo tres tipos de subframe: los de enlace ascendente, los de enlace descendente y los especiales. Hay 6 tipos de configuraciones como se observa en la Figura 5.14.

Figura 5.14 Frames con estructura tipo 2 en LTE.

Veamos a continuación como se distribuye la cuadrícula de recursos con la que trabaja LTE. La unidad más pequeña es un elemento de recurso (resource element) que ocupa la duración de un símbolo OFDMA/SC-FDMA x 1 subportadora. Cada elemento de recurso lleva 2,4 o 6 bits (según sea la modulación Q-PSK, 16-QAM o 64-QAM) de los canales físicos o señales físicas explicados en el apartado 4.7.2.

7x12 elementos de recurso se agrupan en un bloque de recurso (resource block) el cual abarca un slot en tiempo (0.5 �� ) y doce subportadoras en frecuencia (180 ��).


Los bloques de recursos son utilizados para repartir el ancho de banda de la célula de forma inteligente según las condiciones del canal para cada usuario (frequency-

dependent scheduling).

En la Figura 5.15 se representa un ejemplo de cómo se reparten los bloques de recurso mediante frequency-dependent scheduling en una célula con 4 usuarios conectados, donde el usuario UE1 está realizando una llamada de voz (tasa de paquetes constante) y también el usuario UE3, pero su canal se ve afectado por desvanecimientos en frecuencia que varían con el tiempo, por lo que debe modificar las frecuencias a las que transmite. Los usuarios UE2 y UE4 están utilizando tráfico de datos que no es en tiempo real, lo cual se refleja en tasas más elevadas pero que vienen a ráfagas. Además, se observa como un desvanecimiento que afecta a UE4 (y por lo tanto no transmite a esas frecuencias) no afecta a UE3 que aprovecha dicha parte del espectro.

Figura 5.15 Reparto dependiente de las condiciones del canal en OFDMA o SC-FDMA.

La Figura 5.15 se refiere al reparto de bloques de recurso entre distintos usuarios. A continuación, veremos en más detalle cómo se distribuyen dichos bloques de recurso desde el punto de vista de los canales y señales físicas que envían los usuarios. La mejor manera de entender esto, es visualizarlo mediante un ejemplo. Supongamos una célula cuyo ancho de banda es 5 ��, el modo de transmisión es FDD y el prefijo cíclico es normal. En la Figura 5.16 para este ejemplo, se representa la duración de un frame (compuesto por 10 subframes o 20 slots) en el enlace descendente.

Obsérvese como no todos los bloques de recurso se utilizan para transmitir los datos (canal PDSCH), si no que al principio de cada frame se reservan 6 bloques de recurso o 72 subportadoras (1,08 ��) para el envío de señales de sincronización primarias y secundarias, así como para el canal físico de difusión. Además al principio de cada


subframe se reservan unos pocos símbolos para información de control y hay pilotos esparcidos por toda la cuadrícula para la estimación del canal en tiempo y en frecuencia (señales RS).

Los bits restantes sí están disponibles para la transmisión de datos y se asignan a los distintos usuarios conectados a la célula en función de las condiciones del canal para cada uno, como se vio en la Figura 5.14. En la Figura 5.17 se muestra la cuadrícula de recursos en el mismo escenario, pero para el enlace ascendente, donde los bloques de recurso destinado a los datos se ven reducidos debido a la gran cantidad de información de control (PUCCH) que se transmite en las frecuencias laterales. Además se transmiten también, entre otras, señales para la estimación de canal (DRS).

Figura 5.16 Cuadrícula de recursos para la transmisión de un frame en el enlace descendente.


Figura 5.17 Cuadrícula de recursos para la transmisión de un frame en el enlace ascendente.

5.7.4 Reparto del Espectro y Canales en LTE

Como es bien conocido el espectro radioeléctrico es un bien limitado y hay muchas aplicaciones además de las comunicaciones móviles que lo utilizan en la banda UHF ( 300 �� − 3C�� .

En la Tabla 5.3 se observan las bandas que están asignadas a las comunicaciones móviles y sus principales casos de uso. La sub-tabla superior corresponde a las bandas FDD y la sub-tabla inferior a las bandas TDD.


Tabla 5.3 Bandas de uso para las comunicaciones móviles.

Nótese que la elección de la banda que utilizan las distintas redes LTE, depende de muchos factores como la región geográfica o el operador. En EEUU se están utilizando las bandas de 700 �� y 2100 �� para las nuevas redes 4G, mientras que en Europa se utilizan las bandas de 800 y 2600 ��.

La banda de 800 �� (conocida como dividendo digital y que era ocupada por canales de televisión) será liberada en España para las comunicaciones móviles en 2014 tras un largo proceso. La banda de 2600 �� ya está disponible en España, pero los sistemas que operan a estas frecuencias tan altas deben hacer frente a una mayor atenuación en la potencia de la señal recibida, lo cual hace especialmente inadecuado su uso en macro-células para zonas rurales.


En la Tabla 5.4 se ve cómo se distribuye el ancho de cada banda de la Tabla 5.3 en canales para LTE. El hecho de poder seleccionar entre distintos anchos de banda para cada canal constituye una novedad, oscilando entre los 1.4 �� que usaba cdma2000 y los 20 �� de banda ancha para tasas muy elevadas de transmisión, pasando por los 5 �� de W-CDMA. También se observa en la tabla, cuál es el número total de bloques de recurso que se puede asignar entre todos los usuarios para cada ancho de banda.

Tabla 5.4 Anchos de banda por canal disponibles en LTE.

Como se indicó anteriormente en este capítulo, es necesario evitar las interferencias entre usuarios operando a las mismas frecuencias en estaciones bases adyacentes. Para ello, en GSM se utilizaba una solución conocida como reutilización de frecuencia (consiste en asignar canales diferentes a células adyacentes) con un factor de reutilización del 25% mientras que en UMTS se utilizaba un factor de reutilización del 100% que presentaba la ventaja de ser totalmente eficiente, espectralmente hablando, pero también la desventaja de las interferencias que aparecían, especialmente en los bordes de las células donde la señal es más débil.

LTE utiliza una técnica conocida como reutilización fraccional de frecuencias que obtiene lo mejor de las dos ideas anteriores, ya que se utiliza la misma frecuencia en el núcleo de todas las células pero en los bordes se aplica reutilización de frecuencia. En la Figura 5.18 se observa un ejemplo de reutilización fraccional con factor de reutilización del 67%.

Figura 5.18 Reutilización fraccional de frecuencias.


5.8 Generación de las señales OFDMA y SC-

FDMA en LTE.

En este apartado se analiza la generación de las señales OFDMA y SC-FDMA en la capa física de la interfaz radio de LTE y se resumen y recopilan los datos más importantes acerca de la transmisión OFDMA y SC-FDMA que han venido siendo expuestos en anteriores capítulos y apartados de este documento.

5.8.1 Enlace Descendente

Los datos a transmitir llegan a la capa física de la interfaz radio en forma de bloques de transporte de un tamaño variable en intervalos de tiempo TTI (Time Transmision Interval) de duración 1 ms (dos time slot). Si hay transmisión multiantena puede haber hasta dos bloques de transporte por TTI.

Figura 5.19 Esquema detallado de la capa física en el enlace descendente de LTE.

CRC

En el primer paso un código CRC (Cyclic Redundancy Check) es calculado y añadido a cada bloque de transporte para posibilitar la detección en el lado del receptor de errores residuales después de la decodificación de canal. La detección del error se utiliza en el protocolo HARQ.


Figura 5.20 Funcionamiento del bloque CRC

Codificador de canal

El codificador en LTE utiliza un esquema de codificación Turbo mejorado con respecto a HSPA que consiste en dos codificadores en paralelo con una tasa de código de 1/2 cada uno y una tasa global de 1/3 , más un interleaver QPP (Quadrature Permutation

Polynomial) que permite paralelizar la decodificación sin riesgo de contención cuando los distintos procesos paralelos acceden a la memoria del entrelazado.

Figura 5.21 Codificador Turbo.

HARQ

La función del bloque HARQ es la de extraer de los bloques de bits codificados el número exacto de bits a transmitir en un TTI, dependiendo del número de bloques de recurso asignados, del esquema de modulación y del orden de multiplexado espacial. Debe tenerse en cuenta que alguno de los elementos de recurso estarán ocupados por señales de referencia, así como señales de control L1/ L2.

Figura 5.22 Funcionamiento del bloque HARQ.


Scrambler

La salida del bloque HARQ es multiplicada (operación XOR) bit a bit por una secuencia de scrambling. Esta operación de desordenado de los bits codificados garantiza que se alcanza toda la ganancia por diversidad que la codificación de canal puede proporcionar.

Figura 5.23 Desordenado de bits mediante el scrambler

Modulador Q-PSK / M-QAM

Los bits a la salida del scrambler son la entrada del modulador en grupos de I = 2,4 ó 6 bits según se emplee un esquema Q-PSK, 16-QAM o 64-QAM. El canal de transporte DL-SCH puede emplear todos los esquemas de modulación, pero otros canales no pueden emplearlos todos (por ejemplo, el de difusión sólo emplea Q-PSK).

Figura 5.24 Modulador Q-PSK/ M-QAM

Mapeado de antenas

El mapeador de antena procesa a la vez los símbolos modulados correspondientes a, en el caso general, dos bloques de transporte y mapea el resultado a diferentes antenas. Esta operación se puede configurar para utilizar las múltiples antenas de diferentes modos: beam-forming, multiplexado espacial o diversidad en transmisión.

Mapeado en bloques de recurso

El mapeador de bloques de recurso (uno para cada antena) obtiene los bloques de símbolos a la salida del mapeador de antena y los asigna a los bloques de recursos disponibles en el canal según el ancho de banda y las condiciones del canal.


Figura 5.25 Mapeador en bloques de recurso.

Además, como se observa en la Figura 5.26, la estación base tiene conocimiento de que elementos de recursos se utilizan para las señales de referencia (éstas se utilizan para la estimación de canal y por cada bloque de recurso durante un time slot ocupan dos elementos de recurso en el primer símbolo OFDM y otros dos en el cuarto), así como de que elementos de recurso de emplean para señalización de control L1/ L2 (ocupan hasta los tres primeros símbolos OFDM de cada subframe).

Figura 5.26 Ejemplo de elementos de recurso que no pueden ser utilizados para transmitir datos.

Por lo tanto, los elementos de recurso restantes son en los que van mapeados los canales de transporte. Eso sí, como se indicó en el apartado 5.7.3 dedicado a la cuadrícula de recursos, hay más overhead que el indicado y que es introducido para diversos propósitos, los cuáles no entramos a describir en detalle. Por ejemplo, en el primer y décimo subframe dentro de cada frame se reservan algunos elementos de recurso para las señales PSS y SSS dedicadas a la sincronización.

La unidad mínima de bloques de recurso que se puede asignar por usuario es uno, lo cual se corresponde con doce subportadoras. A partir de ahí, las subportadoras se pueden asignar por usuario en múltiplos de doce hasta un máximo que depende del ancho de banda del canal como se observa en la Tabla 5.5. Dicha tabla es la misma para el enlace ascendente.

92 OFDMA Y SC

Tabla 5.5 Número de subportadoras y ancho de banda ocupado por canal en LTE. Válido para canales del enlace descendente y ascendente.

�KL Número de subportadorasusuario (

KL Ancho de banda mínimo ocupado por usuario (1 bloque de recurso)

� Número de subportadoras utilizables en canales de

:�M>N Ancho de banda ocupado en canales de 1,4 ��

O�>�N> Banda de guarda dejada en canales de 1,4 ��

Bloque IFFT

A continuación los símbolos mapeados a las subportadoras correspondientes mediante el mapeador de bloque de recurso son la entrada al bloque IFFT con posibles, de las cuales solamente un número determinado banda del canal, son utilizablesubportadoras que se dejan para señales de referencia

El resto de puntos de la IFFTcon canales adyacentes y disminuir el aliasing en la conversión digital analógica

Figura 5.27

Adición del CP

Tras la IFFT se obtiene la señal digital OFDMA en el dominio del tiempo a la cual se le añade el prefijo cíclico que puede ser nor

IFFT

OFDMA Y SC-FDMA EN LA INTERFAZ RADIO DE LTE

Número de subportadoras y ancho de banda ocupado por canal en LTE. Válido para canales del enlace descendente y ascendente.

Número de subportadoras mínimo por usuario (1 bloque de recurso)

12 ��PQ9RSPQR�

Ancho de banda mínimo ocupado por usuario (1 bloque de recurso)

12 · ∆7

= 180 ��

Número de subportadoras utilizables en canales de 1,4 ��/5 ��/10 ��/

15 ��/20 ��

72 / 180

/ 900

/ 1200

Ancho de banda ocupado en canales de ��/5 ��/10 ��/15 ��/

20 ��

1,08 /

/ 13,5

Banda de guarda dejada en canales ��/5 ��/10 ��/15 ��/

20 ��

2 U 0.

/ 2 U

/ 2 U

A continuación los símbolos mapeados a las subportadoras correspondientes mediante el mapeador de bloque de recurso son la entrada al bloque IFFT con �

de las cuales solamente un número determinado �, dependiente del ancho deutilizables (y dentro de esas � subportadoras, como se indicó hay

subportadoras que se dejan para señales de referencia o control).

de puntos de la IFFT, �V11! − �, se deja a cero para limitar la interferencia canales adyacentes y disminuir el aliasing en la conversión digital analógica

Figura 5.27 Transmisor en el enlace descendente.

Tras la IFFT se obtiene la señal digital OFDMA en el dominio del tiempo a la cual se le cíclico que puede ser normal o extendido. En la Tabla 5.6

CPTransmisor

analógico

FDMA EN LA INTERFAZ RADIO DE LTE

Número de subportadoras y ancho de banda ocupado por canal en LTE. Válido para

��PQ9RSPQR�

7 = 12 · 15 ��

��

180 / 300 / 600

��PQ9RSPQR�

/ 2,7 / 4,5 / 9

5 / 18 ��

.16 / 2 U 0.15

0.5 / 2 U 0.75

1 ��

A continuación los símbolos mapeados a las subportadoras correspondientes mediante �V11! posiciones

, dependiente del ancho de subportadoras, como se indicó hay

se deja a cero para limitar la interferencia canales adyacentes y disminuir el aliasing en la conversión digital analógica.

Tras la IFFT se obtiene la señal digital OFDMA en el dominio del tiempo a la cual se le mal o extendido. En la Tabla 5.6 vienen

Transmisor


recogidos los valores de duración en el tiempo o longitud en muestras para LTE. Dichas cifras son aplicables también al enlace ascendente.

. Tabla 5.6 Parámetros utilizados en la transmisión LTE. Válidos para el enlace descendente y para el enlace ascendente.

Tiempo de símbolo sin prefijo cíclico 66.67 5�

Duración del prefijo cíclico normal (porcentaje del tiempo de símbolo)

4.7 5� (7%)

Duración del prefijo cíclico extendido (porcentaje del tiempo de símbolo)

16,7 5� (25%)

Tiempo de símbolo con prefijo cíclico normal 71,4 μs

Tiempo de símbolo con prefijo cíclico extendido 83,4 μs.

Tasa binaria por usuario* 15 · � · I · � · 10W ��

Número de puntos de la IFFT en canales de 1,4 ��/5 ��/10 ��/15 ��/20 ��

128 / 256 / 512 / 1024 / 1536 / 2048 puntos

*Donde N es el número de subportadoras asignadas a un usuario, L es el número de niveles del esquema de modulación y � es la tasa de código. Esta tasa se ve reducida por la adición del prefijo cíclico y los elementos de recurso ocupados por señales de control, estimación de canal, etc. en un 15% aproximadamente. Por otra parte, si se utilizan varias capas de transmisión (multiplexación espacial) la tasa se multiplica aproximadamente por el número de capas utilizadas.

Tabla 5.7 Parámetros utilizados en la transmisión LTE dependientes de la frecuencia de muestreo. Se escoge como ejemplo un canal de 20 MHz. Válidos para el enlace descendente y

para el enlace ascendente.

Periodo de muestreo 32,55 ns

Frecuencia de muestreo 30,72 �� Número de puntos de la IFFT/ Número de muestras por periodo de símbolo sin prefijo cíclico

2048 ��09P�/ ��X�9QR�

Número de muestras del prefijo cíclico normal 143 ��X�9QR�

Número de muestras del prefijo cíclico extendido 512 ��X�9QR�

Número de muestras por periodo de símbolo con prefijo cíclico normal

2191 ��X�9QR�

Número de muestras por periodo de símbolo con prefijo cíclico extendido

2560 ��X�9QR�


Transmisor analógico

Por último se realiza la conversión digital-analógica, se sube en frecuencia la señal a la banda de 700,800, 2100 o 2600 MHz y se amplifica por medio de un HPA.

5.8.2 Enlace Ascendente

El esquema de la capa física del enlace ascendente es muy parecido al del enlace descendente. A continuación, se expondrán principalmente las diferencias entre ambos. Los valores de tiempos de símbolo, frecuencias de muestreo y anchos de banda ocupados son idénticos a los del enlace descendente y aparecen recogidos en las tablas 5.5, 5.6 y 5.7 de las dos páginas anteriores.

Figura 5.28 Esquema detallado de la capa física en el enlace ascendente.

CRC

En este caso los datos llegan siempre en un único bloque de transporte por cada TTI ya que no hay transmisión multicapa para pasar al bloque CRC donde, al igual que en el enlace descendente, un código de redundancia cíclica es calculado y añadido a cada bloque de transporte.

LONG TERM EVOLUTION FOR UMTS (

Codificación de canal

En el enlace ascendente se trabaja con el mismo esquema de código Turbo junto a un entrelazador interno QPP.

HARQ

Del mismo modo que en el enlace descendente, número exacto de bits codificados para la transmisión o retransmiscorrespondiente.

Scrambler

Se desordenan los bits codificados para aleatorizar las interferencias y alcanzar la máxima ganancia de diversidad del código. A cada terminal móvil se le otorga una secuencia de scrambling diferente

Modulador Q-PSK / M-QAM

Los bits a la salida del scrambler

64-QAM dando lugar a los

Bloque FFT

Este bloque no se incluye en el enlace descendente y permiteascendente beneficiarse deindicó en capítulos anterioresfrecuencia de � símbolos (que corresponden a un usuario) discreta de Fourier.

Figura 5.2


Los símbolos a la salida del bloque FFT son la entrada al mapeador recursos. Del mismo modo que ocurrconoce a que elementos de recurso puede asignar los símbolos modulados, habiendo algunos que están ocupados por señales de control (en los laterales del ancho de banda) o señales de referencia, entre otras

Cada usuario puede transmitir un mínimo de un bloque de recurso (12 subportadoras) y son admisibles múltiplos de 12 subportadoras como asignación (2,

FFT

LONG TERM EVOLUTION FOR UMTS (LTE)

enlace ascendente se trabaja con el mismo esquema de código Turbo junto a un

do que en el enlace descendente, este bloque se encarga de extraer el número exacto de bits codificados para la transmisión o retransmisión

Se desordenan los bits codificados para aleatorizar las interferencias y alcanzar la máxima ganancia de diversidad del código. A cada terminal móvil se le otorga una

diferente.

QAM

scrambler se modulan mediante un esquema Q-PSK, 16 símbolos complejos modulados a la salida.

no se incluye en el enlace descendente y permite a la señal del enlace beneficiarse de las propiedades de una señal de portadora única como se

indicó en capítulos anteriores. Para ello, se realiza la operación de esparcimientoímbolos (que corresponden a un usuario) mediante la transformada

Figura 5.29 Transmisor en el enlace ascendente.


Los símbolos a la salida del bloque FFT son la entrada al mapeador recursos. Del mismo modo que ocurría en el enlace descendente, el terminal móvil conoce a que elementos de recurso puede asignar los símbolos modulados, habiendo algunos que están ocupados por señales de control (en los laterales del ancho de banda)

entre otras.

Cada usuario puede transmitir un mínimo de un bloque de recurso (12 subportadoras) y son admisibles múltiplos de 12 subportadoras como asignación (2,

Mapeador

RBIFFT CP

Transmisor

analógico

95

enlace ascendente se trabaja con el mismo esquema de código Turbo junto a un

este bloque se encarga de extraer el en cada instante

Se desordenan los bits codificados para aleatorizar las interferencias y alcanzar la máxima ganancia de diversidad del código. A cada terminal móvil se le otorga una

PSK, 16-QAM o

a la señal del enlace portadora única como se

se realiza la operación de esparcimiento en nte la transformada

Los símbolos a la salida del bloque FFT son la entrada al mapeador en bloques de ía en el enlace descendente, el terminal móvil

conoce a que elementos de recurso puede asignar los símbolos modulados, habiendo algunos que están ocupados por señales de control (en los laterales del ancho de banda)

Cada usuario puede transmitir un mínimo de un bloque de recurso (12 subportadoras) y son admisibles múltiplos de 12 subportadoras como asignación (2, 3,

Transmisor


4, etc. bloques de recurso) hasta llegar al límite impuesto por el ancho de banda del canal al igual que en el enlace descendente.

La diferencia principal es que, en este caso, los bloques de recursos correspondientes a un mismo usuario deben ser adyacentes en frecuencia. Nótese, además, que se utiliza un esquema de SC-FDMA localizado. Aunque el esquema entrelazado (IFDMA) que fue explicado en el capítulo cuatro es un esquema también posible para SC-FDMA, en LTE se ha optado solamente por LFDMA debido a que en un sistema funcionando en un escenario inalámbrico es necesario dejar parte de los símbolos de la IFFT a cero por motivos de implementación.

Bloque IFFT

Se calcula la transformada inversa de Fourier de �V11! puntos, siendo la entrada del bloque los � símbolos asignados por usuario distribuidos dentro de las � posiciones que el ancho de banda permite, lo cual origina la secuencia LFDMA en el tiempo.

Adición del CP

Se añade el prefijo cíclico normal o extendido al igual que en el enlace descendente para evitar la ISI debida a la dispersión temporal o a los errores de sincronización temporal y posibilitar la convolución circular a la hora de realizar la ecualización de canal.

Transmisor Analógico

El último paso es convertir la señal a analógica y subirla en frecuencia a una de las bandas de LTE. Antes de ser radiada por la antena, la señal es amplificada por un HPA, que en este caso consume mucha menos energía que en el enlace descendente, debido a la menor PAPR de la señal a amplificar.


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