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UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL POLITECNICA
“ANTONIO JOSE DE SUCRE”
VICE-RECTORADO BARQUISIMETO
DEPARTAMENTO DE INVESTIGACION Y POSTGRADO
COORDINACION DE ESTUDIOSY POSTGRADO
INFORME SOBRE LTE (Long Term Evolution)
Docente: Ing. Nidia Moncallo
Participantes:
Lucena, Rosti
Tillero, José Ricardo
Gómez, Iván
Barquisimeto, 15 de julio de 2013
INTRODUCCION
El reciente aumento del uso de datos móviles y la aparición de nuevas aplicaciones y
servicios como MMOG (Juegos Masivos Multijugador Online), televisión móvil, web 2.0,
flujo de datos de contenidos han sido las motivaciones por el que 3GPP desarrollase el
proyecto LTE. Poco antes del año 2010, las redes UMTS llegan al 85% de los abonados de
móviles. Es por eso que LTE 3GPP quiere garantizar la ventaja competitiva sobre otras
tecnologías móviles. De esta manera, se diseña un sistema capaz de mejorar
significativamente la experiencia del usuario con total movilidad, que utilice el protocolo
de Internet (IP) para realizar cualquier tipo de tráfico de datos de extremo a extremo con
una buena calidad de servicio (QoS) y, de igual forma el tráfico de voz, apoyado en Voz
sobre IP (VoIP) que permite una mejor integración con otros servicios multimedia. Así, con
LTE se espera soportar diferentes tipos de servicios incluyendo la navegación web, FTP,
vídeo streaming, Voz sobre IP, juegos en línea, vídeo en tiempo real, pulsar para hablar
(push-to-talk) y pulsar para ver (push-to-view).
En este informe tratamos sobre el ambiente en que aparece y se desarrolla la tecnología
LTE, el futuro de esta tecnología y su posición frente a otras tecnologías de transmisión
celular, también generalizamos aspectos de su arquitectura, técnicas de transmisión,
operación y funcionalidad.
PRINCIPIOS DE LTE (LONG TERM EVOLUTION)
LTE (Long Term Evolution) es un nuevo estándar de la norma 3GPP. Definida para unos
como una evolución de la norma 3GPP UMTS (3G) para otros un nuevo concepto de
arquitectura evolutiva (4G).
Historia del entorno LTE
El sector de las comunicaciones móviles celulares ha mostrado un gran dinamismo en las
dos últimas décadas. Los inicios de la década de los 1990 vinieron marcados por el
crecimiento exponencial de usuarios de voz al amparo de un entorno cada vez más
competitivo y con predominancia de la tecnología GSM como estándar de facto a nivel
mundial. Posteriormente, y contrariamente a lo que pronosticaban muchos estudios de
mercado, la madurez alcanzada en el servicio de voz no se vio relevada por los servicios de
datos en los primeros años de los 2000 de la mano del cambio tecnológico asociado a la
implantación del acceso radio WCDMA de UMTS. A nivel global, la principal
competencia de UMTS es CDMA2000, emanado del 3GPP2, tal y como se ilustra en la
Figura 1.
Figura 1. Panorámica de sistemas móviles celulares 3G/4G
La clara necesidad de mayores velocidades de transmisión de datos como condición
necesaria para el eventual despegue de estos servicios encuentra respuesta en la tecnología
HSPA, y equivalentemente EV-DO en el contexto 3GPP2, elementos a la postre
facilitadores del crecimiento exponencial del tráfico de datos observado desde 2007, junto
con la generalización de las tarifas planas para el acceso a Internet móvil. El camino
apuntado por el 3GPP para cubrir las necesidades tecnológicas en el horizonte 2010-2020
tiene a LTE como máximo exponente. La predominancia de LTE supone el fin del camino
paralelo del 3GPP2, que abandona el desarrollo de UMB, equivalente a LTE.
El contrapunto competitivo para LTE intenta impulsarse desde IEEE con WiMAX 802.16e
y posteriormente 802.16m, como solución propiamente IMT-Advanced (sistema 4G), al
igual que la propuesta LTE-Advanced por parte del 3GPP. La evolución tecnológica
ilustrada en la Figura 1, refleja, sin duda, la existencia de un mercado altamente dinámico,
que requiere de una elevada capacidad de adaptación y anticipación para satisfacer las
necesidades de los usuarios así como para hacer frente a los competidores, en un entorno
marcado también por la evolución de los modelos de negocio, la aparición de nuevos
agentes o la modificación del papel jugado por agentes ya presentes.
LTE y despliegue de red
En términos de despliegue de red, un aumento progresivo de la demanda se cubre con un
aumento progresivo de estaciones base. Conviene destacar el compromiso existente entre
cobertura y velocidad de transmisión así como el impacto de la movilidad como elemento
limitativo del despliegue. Esto busca conseguir reducir el coste de despliegue y operación
de la red para compensar en la medida de lo posible el gap cada vez mayor entre el nivel de
tráfico que se ofrece a la red, que no cesa de aumentar, y la saturación en el revenue que se
observa.
Las principales barreras de LTE incluyen la habilidad de los operadores de desarrollar un
negocio viable y la disponibilidad de terminales y espectro. Los operadores necesitan que
las aplicaciones y los terminales de usuario estén disponibles antes de comprometer el
despliegue de tecnologías 4G. Pues los usuarios cambian sus planes basándose en los
equipos, los servicios y las capacidades que estos tengan. La Figura 2, ilustra a modo de
resumen los principales elementos que se espera jueguen un papel destacado en el contexto
del despliegue LTE.
Figura 2. Elementos asociados al despliegue de red en el marco de LTE
Elementos asociados al contexto del despliegue LTE
Estructuras multicapa y femtocélulas: En el que se concibe el despliegue de una
estación base de bajo coste por usuario residencial. La femtocélula se plantea para
proporcionar un enlace vía radio al usuario desde cualquier ubicación en su entorno
doméstico y la propia femtocélula proporciona conectividad a través de una conexión
ADSL. Las femtocélulas en el marco de los sistemas 3G avanzados como LTE
permitirán que los usuarios puedan gozar de las velocidades de transmisión de pico, sin
malgastar capacidad de red para penetrar en interiores, donde se genera gran parte del
tráfico a cursar. Otra ventaja que pueden aportar las femtocélulas es que pueden hacer
uso de las bandas de frecuencia más altas al tener asociadas coberturas limitadas.
Redes heterogéneas: El despliegue de LTE comportará la operación de una nueva
tecnología, aumentando así el grado de heterogeneidad ya existente hoy en día en los
escenarios típicos de comunicaciones móviles. Así, en el caso habitual el despliegue de
LTE coexistirá con las redes GERAN y UMTS/HSPA. La explotación de la
heterogeneidad de redes de acceso radio requiere lógicamente de la capacidad de inter-
operación entre las mismas.
Mecanismos SON (Self-Organizing Networks): Un escenario urbano pueden estar
desplegadas un número muy elevado de estaciones base de todo tipo, máxime si se
considera un despliegue intensivo de femtocélulas domésticas. En estas condiciones,
aparece un nuevo paradigma vinculado a la complejidad de la gestión de una red de
acceso radio formada por un número muy elevado de nodos. Así, evoluciona también la
concepción de la manera en que una red como LTE deberá operarse y gestionarse, ya
que la presión por reducir costes conlleva realizar una explotación de la red mucho más
eficiente. En este sentido, los conceptos SON (Self-Organizing Networks) persigue la
configuración y optimización automática de la red. Ejemplo determinar la potencia del
Nodo B, los parámetros de transporte, optimización de parámetros radio bien sea
orientada a capacidad, cobertura o prestaciones y la actualización de software.
Conceptos SDR (Software Defined Radio): Se entiende por SDR un dispositivo radio
en el cual algunas de sus funciones de nivel físico (o todas) pueden modificarse por
software, lo que proporciona mayor flexibilidad frente al hardware tradicional,
permitiendo por ejemplo que se puedan añadir nuevas capacidades o modificar las
existentes sin necesidad de reemplazar el hardware.
Desafíos de LTE:
LTE tiene también algunos desafíos que alcanzar:
Voz sobre LTE: una de las ventajas que LTE promociona es la Evolución del Core de
Paquetes (EPC), que es un auténtica red "All-IP" y por lo tanto debe llevar a todos los
tipos de tráfico: voz, video y datos. Pero la mayoría de los trabajos de normalización se
ha centrado en los aspectos de datos de LTE y la voz se ha descuidado un poco. Es
evidente que los beneficios en OPEX/CAPEX de un core convergente EPC solo pueden
ser logrados cuando todos los tipos de tráfico se realizan sobre un núcleo único y
unificado. El problema de la normalización de la voz sobre LTE se complica más aún
cuando se mezcla LTE con diferentes tipos de redes tradicionales incluyendo GSM,
HSPA, CDMA2000, WiMAX y Wi-Fi.
Algunas soluciones que se han tomado en consideración son:
Circuit Switch Fallback CS FallBack: ésta es una opción atractiva que permite a los
operadores aprovechar sus redes GSM/UMTS/HSPA legadas para la transmisión de voz.
Con CSFB, mientras se hace o recibe una llamada de voz, el terminal de LTE suspende
la conexión de datos con la red LTE y establece la conexión de voz a través de la red
legada. CSFB completamente descarga el tráfico de voz a las redes 2G/3G, que por
supuesto obliga a los operadores a mantener sus redes básicas de CS. CS FallBack es
una opción atractiva a corto y medio plazo, ya que permite a los operadores optimizar
aún más su infraestructura de legado existente, pero en el largo plazo, otras opciones
serán más atractivas para cosechar plenamente los beneficios de la convergencia de
EPC.
IMS-basado en VoIP: el subsistema IP Multimedia (IMS) soporta la opción de Voz
sobre IP (VoIP) a través de redes LTE directamente. Además, esta opción solo
aprovecha Radio Voice Call Continuity (SRVCC) para abordar las brechas de cobertura
en redes LTE. Si bien la llamada de voz inicial se establece en la red LTE, si el usuario
sale del área de cobertura LTE, entonces la llamada es entregada a la CS principal a
través del core IMS. Esta opción proporciona una interesante estrategia de despliegue
para los operadores que tienen un fuerte núcleo IMS, ya que les permite hacer la
transición a VoIP desde el principio a la vez que aprovechan los activos existentes
legados para la continuidad de voz fuera de las áreas de cobertura LTE.
LTE y el espectro radioeléctrico
Adicionalmente, la disponibilidad de espectro también representará una barrera para LTE
pues para alcanzar las velocidades prometidas se requieren 20 MHz para el ancho de la
portadora y muchos de los operadores no cuentan con el espectro necesario. La capacidad
de una red puede aumentar de manera directamente proporcional al aumento de ancho de
banda que pueda disponerse. Sin embargo, la asignación de espectro resulta en la práctica
un proceso altamente complejo, que además lleva asociados unos plazos regulatorios y
administrativos que se dilatan a lo largo de varios años. Se busca conseguir un uso más
eficiente y flexible del espectro radioeléctrico. La Figura 3, ilustra los componentes
asociados al espectro radioeléctrico en el marco de LTE.
Figura 3. Componentes asociados al espectro radioeléctrico en el marco de LTE
Componentes asociados al espectro radioeléctrico en el marco de LTE:
Bandas asignadas y Extensiones: Se identificaron 155 MHz sobre la banda de
2100 MHz para la componentes terrestre de IMT-2000, correspondiendo dos bloques de 60
MHz para el modo FDD y 35 MHz para el modo TDD. La expectativa de mayor necesidad
de espectro para IMT-2000 llevó a la WRC-2000 a identificar las denominadas new 3G
spectrum en las bandas 2500-2690 MHz. Por su parte, la WRC’07 identificó espectro
adicional para IMT-2000 e IMT-Advanced en las bandas 450-470, 698-806, 2300-2400 y
3400-3600 MHz, aunque la aplicabilidad de las bandas varía a nivel regional y nacional.
Refarming: Se define como “una combinación de medidas administrativas,
financieras y técnicas, presentes y futuras, dentro de los límites de regulación de
frecuencias, con el objeto de hacer una banda de frecuencia específica disponible a otro tipo
de uso o tecnología. Estas medidas pueden ser a corto, medio o largo plazo”.
Canalización flexible: En el caso de LTE, para alcanzar velocidades de transmisión del
orden de 100 Mbits/s en el downlink se considera una canalización de 20 MHz. Para
LTE-Advanced, en el que se pretende llegar a 1 Gbit/s, la canalización se aumenta hasta
100 MHz. En particular, las canalizaciones posibles para LTE son 1.4 MHz, 3 MHz, 5
MHz, 10 MHz, 15 MHz y 20 MHz.
Dividendo digital: Derivado de las bandas de espectro potencialmente libres tras el
cambio a difusión digital. El dividendo digital se deriva de la capacidad de transmitir
hasta 8 canales de TV digital en el espectro que anteriormente ocupabaun único canal de
TV analógica. La mayor parte del espectro liberado ya ha sido subastado, asignándose
principalmente a los operadores móviles para el despliegue de LTE en la banda de 700
MHz.
Cognitive radio: Aparece como una solución al bajo uso del espectro, ya que permite
un uso del mismo de manera flexible, eficiente y fiable a partir de la capacidad de
adaptar en tiempo real las características de operación a las condiciones del entorno. Los
dispositivos cognitive radio podrían explotar de manera inteligente amplias bandas de
espectro inutilizadas sin interferir a dispositivos que pudieran tener licencia de operación
en estas u otras bandas frecuenciales. Una femtocélula podría operar no sólo en las
bandas licenciadas al operador sino también en otras siguiendo los principios de
cognitive radio.
LTE tecnología y eficiencia espectral
Aunque el concepto de eficiencia espectral E [bits/s/Hz] resulta a nivel teórico un indicador
claro y evidente de las prestaciones que puede ofrecer un sistema de comunicaciones
móviles y, con ello, puede constituirse como base de comparación para la bondad de
diferentes soluciones, en la práctica resulta mucho más complicado, ya que depende de
múltiples elementos y no sólo del diseño de la interfaz radio (técnica de acceso múltiple,
técnicas de ingeniería radio, etc.) sino también de su explotación práctica en un entorno con
múltiples estaciones base.
Las tecnologías y eficiencia espectral busca conseguir el diseño y explotación de una
interfaz radio lo más eficiente posible, soportado por una red de acceso que presente
también la arquitectura más apropiada. La Figura 4, ilustra a modo de resumen los
principales elementos que juegan un papel destacado en el contexto de la interfaz radio
LTE. Las componentes tecnológicas de LTE están ya establecidas a partir de la definición
del propio estándar.
Figura 4. Componentes destacados de la interfaz radio LTE
Componentes destacados de la interfaz radio LTE:
Transmisión y acceso múltiple multiportadora : La transmisión de una señal
sobre 20 MHz de ancho de banda estará afectada por un comportamiento del canal móvil
que introducirá una fuerte distorsión por interferencia intersimbólica derivada de la
propagación multicamino. En estas condiciones, la consideración de la técnica de
transmisión OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing), ver Figura 5,
consistente en multiplexar un conjunto de símbolos sobre un conjunto de subportadoras
ortogonales entre sí, permite eliminar los efectos de la interferencia intersimbólica gracias a
la introducción del denominado prefijo cíclico. La técnica SC-FDMA, empleada en el
enlace ascendente para mitigar los inconvenientes que presenta OFDMA en cuanto a que la
potencia instantánea transmitida puede ser significativamente superior a la potencia media,
lo que dificulta la realización del amplificador de potencia a incorporar en el terminal
móvil. El uso de OFDM permite evitar la transmisión de una única señal de banda ancha
mediante la transmisión de un conjunto de señales de banda estrecha ortogonales entre sí,
resultando por tanto más robusta frente a la propagación multicamino.
Figura 5. OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing)
Modulación y codificación adaptativas: El proceso de turbo-codificación en LTE
introduce algunas modificaciones con respecto a HSPA, como es la incorporación de un
entrelazado QPP (Quadrature Permutation Polynomial), que permite paralelizar la
decodificación sin riesgo de contención cuando los distintos procesos paralelos acceden
a la memoria del entrelazado. En cuanto a la modulación, LTE considera QPSK, 16-
QAM y se amplía también a la posibilidad de utilizar 64-QAM.
Transmisión por paquetes y packet scheduling: En una transmisión por paquetes la
asignación de recursos a usuarios es flexible y, por tanto, tiene la capacidad de adaptarse
a las necesidades de cada momento. Ello es posible gracias a la sofisticación de los
mecanismos de gestión de recursos radio, que incorporan una nueva funcionalidad
denominada Packet scheduling que se encarga de decidir la asignación dinámica a
usuarios.
La transmisión en modo paquete queda evidenciada en LTE, ya que LTE no proporciona
canales dedicados sino únicamente un canal compartido en downlink y otro en uplink.
Ello confiere mayor importancia al mecanismo de packet scheduling, sobre el que recae
la responsabilidad de asignar los recursos radio de manera que pueda satisfacerse la QoS
establecida para cada conexión.
Arquitectura de la red: La idea es la misma que en las otras generaciones, dividir el
sistema en los tres elementos, un equipo de usuario, una nueva red de acceso que
denominaremos E-UTRAN y una red troncal que denominaremos EPC. Cabe mencionar
que la distribución de funciones a los nodos extremos de la red se ha visto facilitada por
el incremento significativo de capacidad de computación de los equipos a costes
reducidos, de manera que el cambio esencial es que E-UTRAN sigue una arquitectura
“plana”, sin ningún nivel de jerarquización. Todos los componentes que engloban este
sistema están diseñados para soportar todo tipo de servicios de telecomunicación
mediante mecanismos de conmutación de paquetes.
Técnicas multi-antena: Las técnicas multi-antena (MIMO) se refieren en general a
estructuras de transmisión y/o recepción que utilizan diversas antenas acompañadas de
técnicas de procesado de señal con distintos niveles de complejidad. Las técnicas multi-
antena permiten mejorar las prestaciones del sistema, bien sea aumentando la capacidad
(más usuarios por célula), mejorando la cobertura o mejorando la velocidad de
transmisión por usuario.
ARQUITECTURA LTE (LONG TERM EVOLUTION)
Atendiendo a la arquitectura general de los sistemas 3GPP, en la Figura 6, se ilustra de
forma simplificada la arquitectura completa del sistema LTE, denominado formalmente en
las especificaciones como Evolved Packet System (EPS). Los componentes fundamentales
del sistema LTE son, por un lado, la nueva red de acceso E-UTRAN y el nuevo dominio de
paquetes EPC de la red troncal (denominado en adelante simplemente como red troncal
EPC), y por otro, la evolución del subsistema IMS concebido inicialmente en el contexto de
los sistemas UMTS. Los diferentes componentes han sido diseñados para soportar todo tipo
de servicios de telecomunicación mediante mecanismos de conmutación de paquetes, por lo
que no resulta necesario disponer de un componente adicional para la provisión de servicios
en modo circuito (en el sistema LTE los servicios con restricciones de tiempo real se
soportan también mediante conmutación de paquetes). En este sentido, EPC constituye una
versión evolucionada del sistema GPRS.
Figura 6. Arquitectura del sistema LTE
La red de acceso E-UTRAN y la red troncal EPC proporcionan de forma conjunta servicios
de transferencia de paquetes IP entre los equipos de usuario y redes de paquetes externas
tales como plataformas IMS y/o otras redes de telecomunicaciones como Internet. es
importante destacar que la interconexión de los diferentes equipos físicos donde se
ubicarían las funciones tanto de la red troncal EPC como de la red de acceso E-UTRAN, se
realiza mediante tecnologías de red basadas en IP. De esta forma, la red física que se utiliza
para interconectar los diferentes equipos de una red LTE, y que se denomina comúnmente
como red de transporte, es una red IP convencional. Por tanto, la infraestructura de una red
LTE, además de los equipos propios que implementan las funciones del estándar 3GPP,
también integra otros elementos de red propios de las redes IP tales como routers,
servidores DHCP (Dynamic Host Configuration Protocol) para la configuración automática
de las direcciones IP de los equipos de la red LTE y servidores DNS (Domain Name
Server) para asociar los nombres de los equipos con sus direcciones IP.
Red de acceso evolucionada: E-UTRAN
Arquitectura de E-UTRAN
La arquitectura de la red de acceso se compone de una única entidad de red denominada
evolved NodeB (eNB) que constituye la estación base de E-UTRAN. Así pues, la estación
base E-UTRAN integra toda la funcionalidad de la red de acceso, a diferencia de las redes
de acceso de GSM y UMTS compuestas por estaciones base (BTS, NodoB) y equipos
controladores (BSC y RNC).
Tal y como se ilustra en la Figura 7, una red de acceso E-UTRAN está formada por eNBs
que proporcionan la conectividad entre los equipos de usuario (UE) y la red troncal EPC.
Un eNB se comunica con el resto de elementos del sistema mediante tres interfaces: E-
UTRAN Uu, S1 y X2. En la Tabla 1 se resumen las entidades de red e interfaces de E-
UTRAN y se indican las principales especificaciones del 3GPP relacionadas con cada una
de ellas.
Figura 7. Red de acceso E-UTRAN
Tabla 1. Entidades de red e interfaces de E-UTRAN
Entidades de red e interfaces de E-UTRAN
Evolved NodeB (eNB)
El eNB integra todas las funciones de la red de acceso. Por ello, en el eNB terminan todos
los protocolos específicos de la interfaz radio. Mediante dichos protocolos, el eNB realiza
la transmisión de los paquetes IP hacia/desde los equipos de usuario junto con los mensajes
de señalización necesarios para controlar la operación de la interfaz radio. El servicio de
transferencia de paquetes IP entre un eNB y un equipo de usuario se denomina formalmente
como servicio portador radio (Radio Bearer, RB). El eNB mantiene un contexto de cada
uno de los equipos de usuario que tiene conectados. En dicho contexto se almacena la
información necesaria para mantener los servicios de E-UTRAN activos (información sobre
el estado del equipo de usuario, servicios portadores activos, información de seguridad,
capacidades del terminal, etc.).
Sin duda, la funcionalidad clave de un eNB consiste en la gestión de los recursos radio. Así,
el eNB alberga funciones de control de admisión de los servicios portadores radio, control
de movilidad (p.ej, decisión de realizar un handover), asignación dinámica de los recursos
radio tanto en el enlace ascendente como descendente (denominadas funciones de
scheduling), control de interferencias entre estaciones base, control de la realización y del
envío de medidas desde los equipos de usuario que puedan ser útiles en la gestión de
recursos, etc.
Otra función importante introducida en la funcionalidad de un eNB es la selección
dinámica de la entidad MME de la red troncal EPC cuando un terminal se registra en la red
LTE. Al igual que la posibilidad de interactuar con múltiples MMEs, un eNB puede
enviar/recibir paquetes IP de los usuarios a los que sirve a través de diferentes pasarelas S-
GW de la red troncal EPC. Ello conlleva que el eNB albergue funciones de
encaminamiento del tráfico de los usuarios hacia la pasarela de red S-GW correspondiente.
Interfaz radio
La interfaz radio soporta básicamente tres tipos de mecanismos de transferencia de la
información en el canal radio: difusión de señalización de control, envío de paquetes IP y
transferencia de señalización de control dedicada entre un equipo de usuario y el eNB. Los
tres mecanismos citados se ilustran en la Figura 8, y se describen a continuación:
Difusión (broadcast) de señalización de control en la zona de cobertura de la celda.
Transferencia de paquetes IP de los usuarios a través del canal radio.
Transferencia de señalización de control dedicada entre el eNB y un equipo de usuario.
Figura 8. Mecanismos de transferencia de información en la interfaz radio
Interfaz eNB EPC (S1)
El plano de usuario de esta interfaz, denominado S1-U (S1 User Plane), proporciona un
servicio de transferencia de datos de usuario entre eNB y S-GW sin garantías de entrega (se
basa en UDP) y que no soporta ni mecanismos de control de errores ni de control de flujo.
Este servicio de transferencia a través de la interfaz S1-U se denomina servicio portador S1
(S1 bearer). La interfaz S1 permite que un eNB pueda estar conectado simultáneamente a
múltiples equipos de la red troncal (múltiples MMEs y/o múltiples S-GWs).
El plano de control, denominado S1-MME o también S1-C, se utiliza para soportar un
conjunto de funciones y procedimientos de control entre eNBs y la entidad MME de la red
troncal. Concretamente, entre los procedimientos soportados en la interfaz S1 destacan:
Procedimientos para establecimiento, modificación y liberación de recursos de los
servicios portadores tanto en la interfaz radio (servicio portador radio o RB) como en la
interfaz S1 (S1 bearer). En la Figura 9, se ilustra el control de los servicios portadores
radio y S1 a través de la interfaz S1-MME.
Figura 9. Control de los servicios portadores radio y S1 a través de la interfaz S1-MME
Procedimientos de handover entre eNBs.
Procedimiento de aviso (Paging). Es la gestión de la localización de los equipos de
usuario en la red por parte de la entidad MME.
Procedimiento de envío de forma transparente entre MME y eNB de los mensajes de
señalización de control que fluyen entre el MME y el equipo de usuario.
Interfaz eNB eNB (X2)
Al igual que el plano de usuario de S1, el plano de usuario de la interfaz X2 proporciona un
servicio de transferencia de datos de usuario entre eNBs sin garantías de entrega y sin
soporte de mecanismos de control de errores y de control de flujo.
Respecto al plano de control, entre las funciones y procedimientos soportados en la interfaz
X2 destacan:
Soporte del mecanismo de handover entre eNBs.
Indicación del estado de carga del eNB.
Red troncal de paquetes evolucionada: EPC
Arquitectura de EPC
El diseño de la red troncal EPC ha sido concebido principalmente para proporcionar un
servicio de conectividad IP (evolución del servicio GPRS) mediante una arquitectura de red
optimizada que permite explotar las nuevas capacidades que ofrece la red de acceso
EUTRAN. Asimismo, otro factor clave considerado en el diseño de la arquitectura de la red
troncal ha sido la posibilidad de acceder a sus servicios a través de otras redes de acceso
tanto 3GPP (UTRAN y GERAN) como fuera del ámbito del 3GPP (cdma2000, WiMAX,
802.11).
La arquitectura mostrada en la Figura 10, comprende únicamente las entidades de red que
forman el núcleo de la red troncal EPC para la provisión de servicios de conectividad IP a
través de una red de acceso E-UTRAN, junto con las entidades de red e interfaces que
soportan las funciones relacionadas con el control de del servicio de conectividad (e.g.,
control de QoS) y de los mecanismos de tarificación.
La Figura 10, nos muestra el núcleo del sistema EPC está formado por tres entidades de
red: MME (Mobility Management Entity), Serving Gateway (S-GW) y Packet Data
Network Gateway (P-GW). Estas tres entidades, junto con la base de datos principal del
sistema 3GPP denominada HSS (Home Subscriber Server), constituyen los elementos
básicos para la provisión del servicio de conectividad IP entre los equipos de usuario
conectados a través de E-UTRAN y redes externas a las que se conecta la red troncal EPC.
Las funciones asociadas con el plano de usuario se concentran en las dos pasarelas (S-GW
y P-GW) mientras que la entidad MME se encarga de las funciones y señalización del
plano de control. La interconexión de la red de acceso E-UTRAN a la EPC se realiza a
través de la interfaz S1. En particular, la interfaz S1-MME que sustenta el plano de control
termina en la entidad MME mientras que la interfaz S1-U del plano de usuario termina en
el S-GW.
Figura 10. Arquitectura básica de la red troncal EPC
La entidad MME termina el plano de control de los equipos de usuario conectados a la red
LTE mediante los protocolos NAS y controla las funciones de transferencia del plano de
usuario de red LTE a través de la interfaz S11 con la pasarela S-GW. Asimismo, la entidad
MME se conecta a la entidad HSS a través de la interfaz S6a para acceder a la información
asociada a los usuarios de la red que estén autorizados a establecer conexiones a través de
E-UTRAN. Tal como puede observarse en la Figura 10, las entidades MME también
pueden comunicarse entre ellas mediante la interfaz S10.
Por otro lado, la interconexión de la EPC con redes externas o plataformas de servicio (e.g,
plataformas IMS) se realiza a través de la pasarela P-GW mediante la interfaz SGi. La
pasarela P-GW soporta funciones, entre otras, de asignación de direcciones IP a los equipos
de usuario y mecanismos de control de los parámetros de calidad de servicio de las sesiones
de datos establecidas a través de la red LTE. Internamente, la pasarela P-GW se conecta a
la pasarela S-GW mediante la interfaz S5, cuando ambas pasarelas pertenecen al mismo
operador, y mediante S8, cuando éstas se encuentran en redes de operadores diferentes y se
proporciona un servicio de roaming o itinerancia.
También ilustrada en la Figura 10, la entidad de red PCRF (Policy and Charging Rules
Function) constituye un elemento clave de todos los sistemas 3GPP, y en particular, del
sistema LTE. La entidad PCRF forma parte del marco funcional denominado PCC (Policy
and Charging Control) que se utiliza para controlar los servicios portadores que ofrece la
red LTE (e.g., activación y determinación de los parámetros de QoS asociados a cada
servicio portador) así como realizar el control de los mecanismos de tarificación (e.g.,
tarificación on-line, offline, medición del volumen de datos transferido, tiempo
transcurrido, etc.). Así pues, mediante la interfaz Gx, el PCRF gestiona los servicios
portadores EPS de la red LTE mediante el envío de unas reglas de uso (i.e., reglas PCC)
que sirven para configurar la operación de unas funciones específicas del plano de usuario
de la pasarela P-GW (e.g., funciones que limitan la tasa de transferencia en bits/s de los
servicios portadores). La entidad PCRF es accesible desde las plataformas de servicios
externas como IMS mediante la interfaz Rx. Dicha interfaz ofrece la funcionalidad de
control necesaria para que los servidores de aplicación externos puedan proporcionar
información asociada a los servicios finales a los que accede el usuario junto con las
características y requerimientos de QoS.
Finalmente, las entidades OFCS (Offline Charging System) y OCS (Online Charging
System) mostradas en la Figura 10 constituyen el núcleo del sistema de tarificación de la
red. Ambas entidades interactúan directamente con la pasarela P-GW mediante la interfaz
Gz, en el caso de OFCS, y Gy, en el caso de OCS.
En la Tabla 2 se resumen las entidades de red e interfaces propias de EPC junto con las
otras entidades comunes de los sistemas 3GPP que han sido mencionadas en este apartado.
En la tabla también se indican las especificaciones del 3GPP más relevantes relacionadas
con cada una de ellas.
Entidades de red e interfaces
En este apartado se describen más detalladamente las funciones soportadas por las tres
entidades de red que forman el núcleo de la red troncal EPC (MME, S-GW y P-GW) y la
entidad HSS común al resto de sistemas 3GPP, junto con las interfaces SGi, S5/S8, S11,
S10 y S6a.
Tabla 2. Entidades de red e interfaces de EPC para el acceso desde E-UTRAN
MME (Mobility Management Entity).
La entidad MME constituye el elemento principal del plano de control de la red LTE para
gestionar el acceso de los terminales a través de E-UTRAN. Todo terminal que se
encuentre registrado en la red LTE y sea accesible a través de E-UTRAN, tiene una entidad
MME asignada. La elección de la entidad MME se realiza en el proceso de registro y
depende de aspectos tales como la ubicación geográfica del terminal en la red (cada MME
sirve a un conjunto determinado de eNBs) así como a criterios de balanceo de cargas
(gracias al soporte de la interfaz S1-fl). Dicha entidad mantiene un contexto de datos del
usuario (e.g., identificadores del usuario, conexiones y servicios portadores EPS activos,
claves de seguridad, datos de localización del usuario en la red, etc.) y articula todas las
gestiones que se realicen en relación a dicho usuario (e.g., establecimiento de servicios
portadores EPS, etc.). La entidad MME asignada a un usuario puede ir cambiando
atendiendo a la movilidad de dicho usuario dentro de la zona de servicio de la red. Las
principales funciones de la entidad MME son las siguientes:
Autenticación y autorización del acceso de los usuarios a través de E-UTRAN.
Gestión de los servicios portadores EPS.
Gestión de movilidad de los usuarios en modo idle (i.e. terminales que no tienen ninguna
conexión de control establecida con E-UTRAN).
Señalización para el soporte de movilidad entre EPS y redes 3GPP.
Terminación de los protocolos de señalización NAS (Non Access Stratum).
Serving Gateway (S-GW)
Esta entidad actúa de pasarela del plano de usuario entre E-UTRAN y la red troncal EPC.
Al igual que sucede con la entidad MME, un usuario registrado en la red LTE dispone de
una entidad S-GW asignada en la EPC a través de la cual transcurre su plano de usuario. La
asignación de la pasarela S-GW responde también a criterios geográfi cos así como de
balanceo de cargas. Entre las principales funciones del S-GW podemos destacar:
La entidad S-GW proporciona un punto de anclaje en la red troncal EPC con respecto a
la movilidad del terminal entre eNBs.
La funcionalidad de punto de anclaje también se aplica a la gestión de movilidad con las
otras redes de acceso 3GPP (UTRAN y GERAN).
Almacenamiento temporal de los paquetes IP de los usuarios en caso de que los
terminales se encuentren en modo idle.
Encaminamiento del tráfico de usuario.
2.6.2.3 PDN Gateway (P-GW)
Esta entidad es la encargada de proporcionar conectividad entre la red LTE y las redes
externas (denominadas como Packet Data Network, PDN, en las especificaciones 3GPP).
Entre las principales funciones de la pasarela P-GW podemos destacar:
Aplicación de las reglas de uso de la red (i.e., policy control) y control de tarificación a
los servicios portadores que tenga establecidos el terminal.
La asignación de la dirección IP de un terminal utilizada en una determinada red externa
se realiza desde la pasarela P-GW correspondiente.
La pasarela P-GW actúa de punto de anclaje para la gestión de movilidad entre LTE y
redes no 3GPP.
El tráfico IP que transcurre por la pasarela P-GW es procesado a través de un conjunto
de filtros que asocian cada paquete IP con el usuario y servicio portador EPS
correspondiente.
HSS (Home Subscriber Server).
El HSS es la base de datos principal del sistema 3GPP que almacena la información de los
usuarios de la red. La información contenida en el HSS abarca tanto información relativa a
la subscripción del usuario (i.e., perfil de subscripción) como información necesaria para la
propia operativa de la red. La base de datos HSS es consultada, y modificada, desde las
diferentes entidades de red encargadas de proporcionar los servicios de conectividad o
servicios finales (desde, e.g., MME de red troncal EPC, SGSN de la red GPRS, MSC del
dominio de circuitos y también desde servidores de control del subsistema IMS). El HSS
contiene tanto información permanente que sólo puede ser cambiada mediante procesos
administrativos (e.g., campos creados al dar de alta a un usuario en la red o cambiar las
condiciones de su contrato), así como información temporal que cambia a raíz de la propia
operación del sistema (e.g., localización del terminal dentro de la zona de servicio del
sistema). Así, entre la información almacenada en el HSS podemos destacar:
identificadores universales del usuario (e.g., International Mobile Subscriber Identity,
IMSI), identificadores de servicio (e.g., Mobile Station ISDN, MSISDN); información de
seguridad y cifrado (vectores de autenticación); información de localización del usuario en
la red (identificador de la entidad de control, e.g, MME, que proporciona el plano de
control hacia un determinado usuario); e información necesaria para la provisión de los
servicios de acuerdo con las condiciones establecidas en el contrato de subscripción (e.g.,
identificador de la red externa y parámetros de calidad de servicio del servicio portador por
defecto), el HSS abarca:
El subconjunto de funciones de las entidades HLR/AuC necesarias para el
funcionamiento del dominio de paquetes EPC, así como GPRS. El acceso a HSS desde
la red EPC se realiza desde la entidad de red MME mediante la interfaz S6a.
El subconjunto de funciones de las entidades HLR/AuC necesarias para el
funcionamiento del dominio CS.
Funciones de soporte asociadas a las funciones de control del subsistema IMS como la
gestión de información relativa a la subscripción de servicios IMS y el almacenamiento
de perfiles de usuario asociados a servicios IMS.
Interfaz P-GW Redes Externas (SGi)
A través de la interfaz SGi se realiza la interconexión de la pasarela P-GW de la red LTE
con redes externas IP. La red externa puede ser tanto una red pública (e.g., Internet) como
cualquier otra red privada (e.g., intranet corporativa, red de un ISP, red interna del propio
operador para la provisión, por ejemplo, de servicios IMS).
Interfaces P-GW S-GW (S5 y S8)
Las interfaces S5 y S8 proporcionan el soporte para la transferencia de paquetes de usuario
entre las pasarelas S-GW y P-GW.
Interfaz MME S-GW (S11)
Esta interfaz permite controlar la operativa del plano de usuario en la red troncal EPC desde
la entidad de red MME.
Interfaz MME MME (S10)
La interfaz S10 se defi ne entre dos entidades MME. Su principal función es el soporte del
mecanismo de reubicación de la entidad MME.
Interfaz HSS MME (S6a)
Esta interfaz permite la transferencia de información entre la base de datos HSS y la
entidad del plano de control MME de la red troncal EPC. A través de la interfaz S6a se da
soporte a diferentes funciones:
Mantenimiento de información de gestión de la localización
Autorización de acceso a la red LTE.
Autenticación de los usuarios.
Notificación y descarga de la identidad de la pasarela P-GW que utiliza un usuario en
una conexión.
Equipos de usuario
El equipo de usuario es el equipo que permite a los usuarios del sistema LTE acceder a los
servicios de la red LTE a través de la interfaz radio. La arquitectura funcional de un equipo
de usuario en el sistema LTE es la misma que en su momento se definió para los sistemas
GSM y que se adaptó posteriormente para UMTS. La arquitectura funcional de un equipo
de usuario GSM/UMTS/LTE se muestra en la Figura 11. El equipo de usuario (User
Equipment, UE) contiene dos elementos básicos: un módulo de subscripción del usuario
(SIM/USIM) y el equipo móvil propiamente dicho (Mobile Equipment, ME).
Adicionalmente, las funciones del equipo móvil se agrupan en dos entidades funcionales: la
terminación móvil (Mobile Terminal, MT) y el equipo terminal (Terminal Equipment, TE).
Figura 11. Equipo de usuario
INTERFAZ RADIO DEL SISTEMA LTE
Permite la interconexión y el envío de tráfico y señalización entre el terminal móvil y las
estaciones base denominadas evolved NodeB (eNB). Está compuesta básicamente por eNBs
(o estaciones base) a través de los cuales se conectan los terminales móviles a la red,
utilizando para ello la denominada interfaz aire del sistema. El eNB se conecta a la red
troncal a través de la interfaz S1, que en realidad está desdoblada en dos interfaces
diferentes: una para conectarse con el nodo encargado de las funciones de control en la red
troncal (denominado Mobility Management Entity o MME) y otro que se encarga de las
funciones de transferencia de los paquetes de usuario entre el eNB y en la red troncal a
través del denominado Server Gateway (S-GW). Opcionalmente, los eNBs pueden
conectarse entre si mediante la denominada interfaz X2 que permite, entre otras funciones,
realizar la transferencia de paquetes de usuario entre eNBs durante el proceso de
transferencia de llamada (handover) para mejorar sus prestaciones.
Objetivos 3GPP para el diseño de la interfaz aire del LTE
• Altas velocidades de transmisión de pico: mayores de 100 Mb/s en el enlace descendente
y 50 Mb/s en el ascendente.
• Mejora de la eficiencia espectral entre 2 y 4 veces comparada con la eficiencia espectral
del sistema UMTS versión 6.
• Mejora de la latencia (retardo) del sistema.
• Ancho de banda escalable: Valores estandarizados de 1.4, 3, 5,10, 15 y 20 MHz.
• El sistema debe operar tanto en bandas pareadas (FDD) como en no pareadas (TDD).
• El sistema debe permitir/facilitar la interconexión con sistemas de comunicaciones
móviles previos (UMTS, GPRS, etc.).
• El sistema LTE debe ser eficiente en costes.
División funcional y Pila de protocolos
En la Figura 12 se resume la torre de protocolos de la interfaz aire del sistema LTE. Como
es habitual en los equipos de telecomunicación, la estructura de esta torre de protocolos se
articula en dos planos:
El plano de usuario, destinado al envío de la información de usuario (paquetes IP
generados por el terminal móvil o destinado a él).
El plano de control o señalización, destinado a transportar los mensajes de control
intercambiados entre la red y el terminal móvil, y que permiten un correcto
funcionamiento del sistema.
Es importante destacar que el plano de usuario está interconectado al Gateway mediante los
denominados Servicios Portadores S1 (i.e., S1 Bearer) y por él se transmiten los mensajes
de voz, datos o de radiodifusión y de grupo (Broadcast/Multicast). Por el contrario, el
plano de control está interconectado al nodo MME, en donde están ubicadas, entre otras, las
funcionalidades de gestión de la sesión y la movilidad y los mecanismos de control de las
llamadas.
Desde el punto de vista de la interfaz aire, el envío de paquetes de usuario (paquetes IP)
mediante dicha interfaz se gestiona en base al establecimiento de los denominados servicios
portadores radio (i.e., Radio Bearers). Cada servicio portador radio tiene asociado un perfil
de calidad de servicio (QoS) que la torre de protocolos que caracteriza a la interfaz debe
garantizar.
Los protocolos utilizados en el plano de usuario de la interfaz aire son los siguientes:
Packet Data Convergence Protocol (PDCP) cuyas principales funciones son:
compresión de las cabeceras de los paquetes IP, entrega/recepción ordenada de los
paquetes IP desde/hacia las capas superiores, que están ubicadas en el Gateway.
Radio Link Control (RLC), que permite establecer un enlace fi able a través de la
interfaz aire.
Medium Access Control (MAC) que permite un acceso ordenado de los diferentes
usuarios (terminales móviles) al medio de transmisión (espectro radioeléctrico).
Capa física, que proporciona el mecanismo físico de transmisión/recepción a través del
espectro radioeléctrico.
Figura 12. Torre de Protocolos de la interfaz aire del sistema LTE
Adicionalmente en la figura 12, también se muestra el denominado Broadcast/Multicast
Control Protocol (BMC), que es el encargado de almacenar y gestionar la transmisión de
los mensajes de grupo (multicast) o radiodifusión (broadcast) hacia el terminal móvil.
Por lo que respecta al plano de control, comparte con el plano de usuario los protocolos
PDCP, RLC, MAC y capa física, e incorpora un nuevo protocolo denominado Radio
Resource Control (RRC) que es quien se encarga de la gestión de la conexión a nivel radio
entre el terminal móvil y la red (eNB), de la confi guración de los servicios portadores, y
del envío de mensajes relacionados con la movilidad desde/hacia el terminal móvil.
En tanto que gestionan el comportamiento y las prestaciones del enlace radio, los
protocolos PDCP, RLC y MAC se denominan protocolos de capa 2 (Layer 2 protocols) o
protocolos de la capa de gestión del enlace. Por su parte el protocolo RRC se entiende
como un protocolo de capa 3 en tanto que gestiona funcionalidades a nivel de red.
Obviamente el protocolo de la capa física es un protocolo de capa 1.
Por otra parte, la interrelación entre los diferentes protocolos se hace a partir de los
denominados canales lógicos, de transporte y físicos. Los canales lógicos se establecen
entre la capa RLC y la MAC y se utilizan para describir el tipo de información de usuario
y/o señalización que se transmite a través de la interfaz aire. Los canales de transporte se
establecen entre la capa MAC y la capa física y básicamente aportan flexibilidad a la
interfaz aire, ya que permiten multiplexar diferentes canales lógicos en un canal de
transporte. Además, los canales de transporte también se utilizan para describir cómo y con
qué características se transmite la información a través de la interfaz aire. Finalmente los
denominados canales físicos describen los mecanismos físicos de transmisión/recepción a
través del enlace radio tanto de la información de usuario como de la propia señalización
del sistema.
Por convención, desde el punto de vista de transmisión, a los paquetes que se entregan a un
determinado nivel de la torre de protocolos se les denominan SDU (Service Data Unit)
mientras que los paquetes que una capa entrega a la capa inferior del protocolo se les
denominan PDU (Protocol Data Unit). Así por ejemplo, los paquetes que entrega, a través
de los canales de transporte, la capa RLC hacia la capa MAC se les denominará RLC-PDU
desde el punto de vista de la capa RLC y MAC-SDU desde el punto de vista de la capa
MAC. En recepción el proceso es el inverso. Es decir, a los paquetes que se entregan a
capas superiores se les denomina SDU, mientras que los que se reciben de capas inferiores
se les denomina PDU.
Una característica importante de los SDUs y PDUs de la interfaz aire LTE es que están
alineados a nivel de octeto o byte, es decir, el número de bits que componen los paquetes
SDU o PDU siempre es múltiplo de ocho. Ello se hace así para facilitar la implementación
de los protocolos y el manejo de los paquetes utilizando dispositivos micro-controladores o
microprocesadores.
Radio Resource Control (RRC)
El protocolo de Control de Recursos radio (Radio Resource Control o RRC), es el
encargado de controlar el comportamiento del móvil cuando éste está en el modo de
operación “estado conectado”, mientras que especifica la señalización de aviso (paging) y
del Sistema de Información cuando el sistema todavía no tiene establecidos los servicios
portadores radio (i.e., terminal en modo Idle).
Las principales funciones del protocolo RRC son:
Radiodifusión de la información generada en el denominado Sistema de información,
que incluye la difusión de información común (destinada a todos los terminales
móviles).
Control de conexión RRC, que implica a todos los procedimientos relacionados con el
establecimiento, mantenimiento y cierre de una conexión RRC, incluyendo los
mecanismos de aviso (paging), establecimiento de las portadoras radio de señalización
(Signaling Radio Bearers o SRB) y de las portadoras radio de datos de usuario (Data
Radio Bearers o DRB), establecimiento inicial de los mecanismos de seguridad,
integridad y cifrado, configuración de las capas inferiores (PDCP, RLC, MAC, física),
etc.
Gestión de movilidad entre tecnologías de acceso controladas por la red, incluyendo los
procedimientos de movilidad, seguridad y transferencia de la información de contexto
por parte del terminal móvil.
Gestión de los mecanismos de configuración de medidas y de transferencia de
información en el caso de movilidad tanto entre tecnologías radio, como inter e intra
frecuencia.
Packet Dependence Convergence Protocol (PDCP)
Este protocolo ubicado sobre la sub-capa RLC aplica a todos los flujos de datos
transmitidos en el plano de usuario así como a la mayoría de mensajes emitidos por el
Radio Resource Controller (RRC) y transmitidos a través del plano de control de la interfaz
aire LTE.
El protocolo PDCP, tiene como funcionalidades más importantes:
Compresión/descompresión de las cabeceras de los paquetes IP que llegan al eNB. El
protocolo utilizado para ello es el denominado Robust Header Compresison (ROCH).
Mediante ésta compresión el tamaño de la cabecera se reduce de los 40 octetos típicos de
una cabecera UDP/TCP-IP a un tamaño medio de cabecera entre 1 y 3 octetos.
Cifrado de los datos y la señalización, utilizando para ello una clave de 128 bits.
Implementa mecanismos de protección de la integridad de los mensajes de señalizados
generados tanto por la capa RRC como por los protocolos de la parte de Non-Access
Stratum (NAS) ubicados en la entidad de gestión de la movilidad (MME).
Funcionalidades adicionales de capa 2 tales como reordenación y/o detección de
duplicidades de paquetes RLC cuando se implementan mecanismos de movilidad entre
eNBs.
Capa RLC-MAC
La subcapa RLC, es la responsable de una transmisión fiable de la información a través de
la interfaz aire. En particular:
Implementa procedimientos de segmentación y concatenación de los paquetes IP
recibidos de capas superiores (también denominados RLC_SDU) para adaptar su tamaño
a las capacidades de transmisión de la interfaz aire. A los paquetes creados se les
denomina RLC_PDUs.
Implementa mecanismos de retransmisión de los RLC-PDU recibidos erróneamente, así
como evitar duplicidades y gestiona que los paquetes SDU_RLC recibidos se entreguen
ordenados a las capas superiores.
Existen tres modos de operación de la sub-capa RLC:
Modo Transparente (Transparent Mode o TM): La sub-capa RLC entrega directamente
a la sub-capa MAC los RLC_SDU recibidos de las capas superiores. No se introduce
ninguna cabecera a nivel de capa RLC, ni existen mecanismos de segmentación y
concatenación, ni de retransmisión. Usado en los canales lógicos de radiodifusión (BCCH)
o de aviso (PCCH).
Modo de No-reconocimiento (Unacknowledged Mode o UM): Detecta si los paquetes
SDU_RLC recibidos contienen errores, pero no implementa mecanismos de retransmisión.
Realiza funciones de segmentación y reensamblado así como gestiona la reordenación, de
los SDU_RLC recibidos. Utiliza un campo de la cabecera RLC denominado número de
secuencia. Usado en los canales de tráfico (TCH) y a canales multicast (MTCH),
dependiendo del tipo de aplicación y de la calidad de servicio requerida (QoS).
Modo de Reconocimento (Acknowledged Mode o AM): Además de las funciones de
segmentación/reensamblado y de ordenación de los RLC-SDU también proporciona
mecanismos de retransmisión tipo ARQ para eliminar posibles errores introducidos por el
canal radio. Usado en los canales dedicados tanto de tráfico (DTCH), dependiendo de la
calidad de servicio requerida (QoS), como de control (DCCH).
Canales Lógicos
Los canales lógicos se utilizan para describir el tipo de información que se transmite a
través de la interfaz aire. Los canales lógicos se clasifican en canales lógicos de tráfico y
canales lógicos de control.
Canales Lógicos de Tráfico:
DTCH (Dedicated Traffic Channel): Canal punto a punto destinado a transferir
información entre la red (eNB) y un terminal móvil determinado. Utilizado para
transferir información de usuario así como señalización a nivel de aplicación asociada a
un flujo de datos de usuario. Existe tanto en el enlace descendente como ascendente.
MTCH (Multicast Traffic Channel): Canal punto-multipunto utilizado para ransmitir
desde la red (eNB) información a un grupo de usuarios. Utilizado para implementar el
servicio MBMS (Multimedia Broadcast and Multicast Service). Este canal lógico sólo
existe en el enlace descendente.
Canales Lógicos de Control:
Broadcast Control Channel (BCCH): Lo utiliza el eNB para transmitir a los
terminales móviles bajo su área de cobertura información sobre el sistema (la
identificación del operador y la celda, configuración de los canales comunes de control o
como acceder al sistema). Existe en el enlace descendente.
Paging Control Channel (PCCH): Canal que utiliza la red (eNB) para llamar a
terminales móviles de los que se conoce cual es su área de localización pero no la celda
o eNB en la que están ubicados. Existe en el enlace descendente.
Common Control Channel (CCCH): Permite la comunicación entre el eNB y el
terminal móvil cuando todavía no se ha establecido una conexión a nivel de RRC. Se
utiliza para enviar información de control fundamentalmente en las fases iníciales del
establecimiento de la conexión. Existe tanto en el enlace descendente como ascendente.
Dedicated Control Channel (DCCH): Es un canal punto a punto destinado a transferir
información de control entre la red (eNB) y un terminal móvil determinado, una vez que
se dispone de una conexión a nivel de RRC. Sólo contiene información de control
procedente del RRC y señalización a nivel de NAS, pero no señalización a nivel de
aplicación asociada a un flujo de datos de usuario. Existe tanto en el enlace descendente
como ascendente.
Multicast Control Channel (MCCH): Es un canal punto-multipunto utilizado para
transmitir información de control desde la red (eNB) a un grupo de usuarios que reciben
servicios MBMS. Existe en el enlace descendente.
Funcionalidades relevantes de la sub-capa MAC
La sub-capa MAC, proporciona el enlace entre los servicios proporcionados por la subcapa
RLC y la capa física. La sub-capa MAC proporciona las siguientes funcionalidades:
Mecanismos de corrección de errores mediante procedimientos de retransmisión (Hybrid
ARQ o HARQ).
Gestión de prioridades entre canales lógicos de un mismo terminal móvil así como entre
terminales móviles, utilizando técnicas de gestión dinámica de recursos (Dynamic
Scheduling).
Selección del formato de transmisión (tipo de modulación, tamaño del bloque de
transporte, etc.) a utilizar por parte de la capa física.
Multiplexado/demultiplexado de paquetes MAC (MAC_SDUs) pertenecientes a
diferentes canales lógicos en los denominados bloques de transporte (Transport Blocks o
TB) para ser entregados/recibidos a/de los canales físicos utilizando para ello los
denominados canales de transporte.
Informar sobre la gestión de los recursos radio, a través de gestión dinámica y gestión
semi-estática o persistente.
Canales de Transporte
Los canales de transporte se utilizan para describir cómo y con qué característica se
transmite la información a través de la interfaz aire. Los canales de transporte se clasifican
en función de que se utilicen en el enlace descendente o ascendente:
Enlace descendente:
Broadcast Channel (BCH): Este canal de transporte está unívocamente asociado con el
canal lógico BCCH. Tiene un formato fijo, y se transmite en toda el área de cobertura
del eNB.
Downlink Shared Channel (DL-SCH): Transporta tanto información de usuario como
señalización. Soporta técnicas de retransmisión basadas en HARQ, y adaptación
dinámica de enlace radio variando modulación y códigos. Permite la asignación de
recursos radio dinámica o semi-estática.
Paging Channel (PCH):
Este canal se transmite en toda el área de cobertura de la celda. Permite llamar a los
terminales móviles así como informarlos de actualizaciones realizadas en el denominado
“Sistema de Información”. Permite una asignación dinámica de recursos.
Multicast Channel (MCH): Transmitido en toda el área de cobertura de la celda. En el
caso del servicio MBMS, facilita el uso de una red iso-frecuencia.
Enlace ascendente:
Uplink Shared Channel (UL-SCH): Transporta tanto información de usuario como
señalización. Soporta técnicas de adaptación dinámica del enlace (modulación,
codificación, potencia de transmisión). Soporta mecanismos de retransmisión basados en
HARQ. Permite la asignación de recursos radio tanto de forma dinámica como
semiestática.Está preparado para permitir el uso de técnicas de conformación de haz
(beamforming).
Random Access Channel (RACH): Se utiliza para enviar peticiones de acceso al
sistema, así como para transmitir mensajes cortos de información de control. Canal
compartido por los diferentes usuarios del sistema con riesgo de colisiones.
Capa Física
La capa física de la interfaz aire del sistema LTE, [7], se basa en la utilización de técnicas
de acceso múltiple OFDMA en el enlace descendente (eNB a Móvil) y SC-FDMA en el
enlace ascendente (Móvil a eNB). En ambos casos la separación entre subportadoras es fi ja
e igual a 15KHz. El número de subportadoras disponibles varía en función de la
canalización del sistema, tal como se indica en la Tabla 3.
Tabla 3. Canalización en el sistema LTE
Algunas especificaciones de la capa física son:
La capa física del sistema LTE está pensada para operar en bandas altas de UHF, por
encima de los 450MHz y hasta los 3,5 GHz.
El estándar define hasta 40 posibles bandas de operación trabajando bien en modo de
duplexión por división de frecuencia (FDD) o bien en duplexión por división en el
tiempo TDD.
La mínima separación entre posibles frecuencias portadoras, denominada Channel
Raster, es de 100 KHz.
Los posibles esquemas de modulación son: QPSK, 16QAM y 64QAM para el enlace
descendente (DL) y QPSK y 16 QAM para el enlace ascendente (UL).
Opcionalmente se contempla la posibilidad de incluir 64 QAM en el enlace ascendente
en función de las capacidades del terminal móvil.
Utilizando técnicas MIMO (2x2) y canalización de 20 MHz es posible alcanzar
velocidad de transmisión de 150 Mb/s en el enlace descendente y 75 Mb/s en el
ascendente.
Concepto de bloque de recursos físicos (Physical Resource Block)
Se denomina PRB (Physical Resource Block), Figura 13, al mínimo elemento de
información que puede ser asignado por el eNB a un terminal móvil. Un PRB ocupa 180
KHz de banda equivalente a doce sub-portadoras equi-espaciadas 15KHz entre ellas, y en él
se transmiten 6 ó 7 símbolos OFDMA, dependiendo de la longitud de prefijo cíclico
utilizada. La duración de un PRB es igual a 0,5 ms, es decir la duración de un slot o ranura
temporal.
Figura 13. Concepto de Radio Bloque (Physical Resource Block)
El número de bloques de recursos físicos disponible en el sistema depende de la
canalización tal como se indica en la Tabla4:
Tabla 4. Número de PRBs en función de la canalización
Estructura de trama
En el dominio temporal los recursos físicos del sistema LTE se estructuran siguiendo dos
posibles estructuras de trama, que se describen a continuación:
Estructura de trama tipo 1
Esta estructura es válida para sistemas que utilizan duplexado por división de frecuencia
(FDD) y aplica tanto al enlace descendente como al ascendente. Además, la estructura
soporta tanto half como full duplex FDD. Ver Figura 14.
En esta estructura el eje temporal se divide en tramas de 10 ms. Cada trama a su vez está
compuesta por 20 ranuras temporales (Slots o TS) de duración 0,5 ms. Se define una
unidad básica de recursos, formada por dos ranuras temporales (TS) denominada
subtrama de duración 1 ms.
Esta estructura está optimizada para coexistir con el sistema UMTS9.
En cada ranura temporal (TS) se transmiten 6 ó 7 símbolos OFDM cada uno de ellos de
duración Ts= 66,7μs.
Figura 14. Estructura de trama tipo 1
Estructura de trama tipo 2
Esta es una estructura pensada para operar en modo TDD (Duplexado por división en
tiempo). Ver Figura 15.
El eje temporal se divide en tramas de 10 ms. Cada trama a su vez está compuesta por 10
subtramas, cada una de duración 1 ms.
Es una estructura de trama mucho más flexible que la anterior en tanto que contiene
subtramas de transmisión tanto para el enlace descendente (DL) como ascendente (UL)
así como subtramas especiales que contienen los símbolos piloto de los enlaces
ascendente y descendente y periodos de guarda entre transmisión y recepción.
La subtrama especial tiene una configuración variable. En ella se pueden distinguir tres
campos:
DwPTS: que corresponde a la transmisión en el enlace descendente, y cuya longitud
mínima es 1 símbolo OFDM. Este primer símbolo OFDM se utiliza para ubicar, la
denominada señal de sincronización primaria. Los restantes símbolos de este campo
(si existen) pueden transportar señales de referencia o incluso datos.
UpPTS: que corresponde a la transmisión en el enlace ascendente. Se utiliza para
transmitir un preámbulo corto de acceso aleatorio (short RACH preamble) compuesto
por 2 símbolos OFDM. Los restantes símbolos de este campo (si existen) pueden
transportar señales de referencia o incluso datos.
GP o periodo de guarda: la longitud del mismo depende de los campos anteriores.
Figura 15. Estructura de trama tipo 2
Canales Físicos en el enlace descendente
En este apartado se describen brevemente las características más relevantes de los canales
físicos especificados para el enlace descendente en el sistema LTE. Se diferencia entre
canales físicos de tráfico y canales físicos de control.
Canales físicos de tráfico:
Physical Downlink Shared Channel (PDSCH): El canal PDSCH transmite
habitualmente información de usuario.
Physical Multicast Channel (PMCH): El Physical Multicast Channel (PMCH) se
utiliza para transportar información MBMS (Multimedia Broadcast and Multicast
System) en redes iso-frecuencia (Single-Frequency Networks o SFN).
Canales de control:
Physical Broadcast Channel (PBCH): Este canal transporta información básica sobre
la red, la denominada Master Information Block (MIB).
Physical Downlink Control Channel (PDCCH): El canal PDCCH transporta los
denominados Downlink Control Information (DCI), que incluyen información de
asignación de recursos para los canales de aviso (PCH) y de tráfico compartido (DL-
SCH). También transporta información sobre los mecanismos de retransmisión (Hybrid
ARQ).
Physical Control Format Indicator Channel (PCFICH): Informa al terminal móvil
sobre el número de símbolos (1,2,3) utilizados para transmitir el canal PDCCH (1,2 ó 3),
utilizando un indicador denominado Channel Format Indicator (CFI).
Physical Hybrid ARQ Indicator Channel (PHICH): Transporta los reconocimientos
(ACK/NAK) para implementar el mecanismo de HARQ en el enlace ascendente.
Canales Físicos en el enlace ascendente
En este apartado se describen brevemente las características más relevantes de los canales
físicos especificados para el enlace ascendente en el sistema LTE. Se diferencia entre
canales físicos de tráfico y canales físicos de control.
Canales físicos de tráfico:
Physical Uplink Shared Channel (PUSCH): Es el canal utilizado para enviar la
información de usuario. Se transmite utilizando señales SC-FDMA durante una o varias
subtramas.
Canales físicos de control:
Physical Uplink Control Channel (PUCCH): Contiene información de control del
enlace ascendente. Peticiones de asignación de recursos (Scheduling Request).
Reconocimientos (ACK/NACK) para el mecanismo de retransmisión hibrido (HARQ)
de paquetes en el enlace descendente. Información de la calidad del canal (Channel
Quality Indicator-CQI) necesaria para optimizar los procedimientos de asignación de
recursos radio en el enlace descendente.
Physical Random Access Channel (PRACH): El canal físico de acceso aleatorio
consta de un prefijo cíclico y un preámbulo.
Mapeo entre canales Físicos, de Transporte y Lógicos
Enlace descendente
En la Figura 16, se muestra la relación entre los canales lógicos, de transporte y físicos en
el caso del enlace descendente. En el caso del canal lógico de radiodifusión (BCCH), y
dependiendo del tipo de información a transmitir, dicho canal puede transmitirse utilizando
bien el canal de transporte de radiodifusión (BCH), bien el canal compartido (DL-SCH).
Enlace ascendente
En el caso del enlace ascendente la relación entre los canales lógicos, de transporte y
físicos, es la indicada en la Figura 17. Para este enlace la interrelación es bastante más
simple, por cuanto a nivel de canales lógicos sólo están definidos los canales de tráfico
(DTCH), de control dedicado (DCCH) y de control común (CCCH) que, de forma análoga
al enlace descendente, también se transportan utilizando un canal de transporte compartido,
denominado ahora UL-SCH.
Figura 16. Relación entre los canales lógicos, de transporte y físicos del enlace descendente
Figura 17. Torre de Protocolos de la interfaz aire del sistema LTE
Procedimientos básicos asociados a la interfaz aire
Procedimiento de sincronización y adquisición inicial de parámetros
La primera acción que un terminal móvil LTE debe realizar después de activarse es buscar
una celda a la que conectarse. Con este procedimiento se pretende:
Sincronizarse en tiempo y frecuencia a nivel de capa física el terminal móvil con el
transceptor ubicado en el eNB de la celda a la que el Terminal móvil desea conectarse.
Adquirir la sincronización temporal a nivel de trama y subtrama.
Determinar la identidad física de la celda.
El procedimiento de búsqueda de celda se basa en el uso de las señales de sincronización
primaria y secundaria del sistema. La Figura 17, indica las señales y canales físicos
incluidos en este procedimiento.
Figura 18. Procedimiento de sincronización y adquisición inicial de parámetros
Procedimiento de acceso aleatorio
Se entiende por acceso aleatorio al procedimiento mediante el cual un terminal móvil se
conecta a un determinado eNB. Este procedimiento se ejecuta por diversas razones:
1) al acceder el terminal móvil a la red,
2) cuando el terminal móvil realiza un procedimento de handover, es decir cuando a lo
largo de una llamada, cambia de eNB,
3) cuando el terminal móvil realiza procedimientos de reselección de celda,
4) como resultado de una llamada entrante, etc.
En el sistema LTE se definen dos tipos distintos de procedimientos de acceso:
1. Acceso basado en contienda, que aplica de forma general, es decir tanto a los procesos
de acceso general, transferencia de llamada (handover), transferencia de información en
UL para establecer los mecanismos de scheduling, cuando no están disponibles canales
del tipo PUCCH o bien cuando hay datos a transmitir en el enlace ascendente o
descendente y el terminal móvil ha perdido la sincronización (e.g., debido a mecanismos
de ahorro de batería o power saving).
2. Acceso regulado (no basado en contienda), que sólo aplica en los procedimientos de
handover.
Acceso basado en contienda
El procedimiento de acceso basado en contienda sigue los pasos indicados en la Figura 19.
Figura 19. Acceso basado en contienda
1. En primer lugar se envía un preámbulo de acceso PRACH utilizando los bloques de
acceso definidos a tal fin (véase Figura 19).
2. La respuesta a la petición de acceso aleatorio contiene un duplicado del preámbulo
utilizado por el móvil, que lo identifica, información para el alineamiento temporal (time
advance) de las siguientes transmisiones por parte del móvil, una asignación inicial del
temporary C-RNTI así como una asignación inicial de recursos en el enlace ascendente,
necesaria para la transmisión programada que sigue a continuación.
3. A continuación, el terminal móvil informa al eNB, mediante un paquete PUSCH sujeto a
mecanismos de retransmisión hibrida (HARQ), sobre su identidad y puede solicitar una
actualización del área de seguimiento (Tracking area) o solicitar el establecimiento de
una conexión a nivel RRC. Para ello utiliza el canal de transporte UL-SCH asignado por
el Nodo B a tal fi n (transmisión programada).
Acceso regulado
El procedimiento de acceso regulado es muy similar al caso anterior, sólo que con este
modo de operación no hay posibilidad de colisión ya que el terminal móvil utiliza un
preámbulo de acceso previamente asignado por el eNB. El procedimiento sigue los pasos
indicados en la Figura 20.
Figura 20. Acceso regulado
En este caso, el procedimiento lo inicia el eNB quien asigna la secuencia preámbulo del
paquete de acceso. A continuación el móvil, utilizando la secuencia preámbulo asignada,
envía un paquete de acceso PRACH siguiendo el mismo procedimiento que el descrito para
el acceso basado en contienda. Como respuesta el eNB envía la respuesta a la petición de
acceso, tal como ocurre en el caso del acceso en contienda. No obstante ahora el proceso
termina en este punto, puesto que como es la red (eNB) quien lo ha iniciado, ya conoce la
identidad del terminal móvil y ha podido establecer, si fuera necesario, la correspondiente
asignación de recursos para dicho terminal móvil. Ahora no es necesario considerar ningún
tipo de mensaje de resolución de contienda ya que todos los mensajes intercambiados lo
han sido utilizando transmisiones programadas, es decir sin competir por el acceso al canal
radio.
Mecanismo de aviso (Paging)
El principal propósito de este procedimiento es:
1. Llamar o despertar a los terminales móviles que se encuentran en estado de espera (Idle)
a nivel de capa RRC.
2. Informar a terminales móviles activos (RRC connected) de cambios en el sistema de
información o de notifi caciones de emergencia (ETWS) localizadas en los bloques de
información de señalización SIB10 o SIB11
GESTIÓN DE RECURSOS RADIO Y DEL ESPECTRO RADIOELÉCTRICO
Gestión de Recursos Radio y del Espectro Radioeléctrico
Introducción
Los sistemas de comunicaciones móviles celulares presentan un gran dinamismo debido a,
entre otras causas, las variaciones de las condiciones de propagación, las variaciones de
tráfico, la movilidad de los usuarios, o la interferencia. Adicionalmente, la interfaz radio ha
de soportar el acceso de un número elevado de usuarios a través de servicios de distinta
índole, y con unos requerimientos de calidad de servicio (Quality of Service: QoS) que se
deben garantizar en todo momento independientemente del dinamismo del sistema. El
incumplimiento por parte del operador de los requisitos de QoS podría provocar el
descontento de sus abonados y por lo tanto una pérdida clara de negocio.
En un intento por respetar la calidad de servicio, el operador podría optar por
sobredimensionar el número de recursos radio disponible. Sin embargo, esta estrategia no
resulta adecuada en el ámbito de las comunicaciones móviles debido a que los recursos
radio son, en general, escasos y caros. En su lugar, se debe gestionar dinámicamente la
interfaz radio incorporando a la red acceso un conjunto de funciones que permitan controlar
y gestionar de manera eficiente los recursos radio con el mínimo sobredimensionado
posible. De manera general, a ese conjunto de funciones se le denomina “Gestión de
Recursos Radio” o “Radio Resource Management” (RRM).
Se describen algunos aspectos básicos de la gestión de recursos de radio tales como:
Control de la movilidad:
Balanceo de carga.
Control de potencia.
Gestión flexible del espectro.
Control de la movilidad
El objetivo principal de las estrategias de control de la movilidad es asegurar que los
terminales se encuentran en todo momento en las mejores condiciones para comunicarse
con el sistema, entendiendo como mejores condiciones a aquellas impuestas,
principalmente por criterios de calidad de la señal recibida, pero que podrían atender a
políticas del propio operador. Estas funciones RRM gestionan la configuración de los
procedimientos de movilidad, es decir, los procedimientos de reselección de celda (en
estado RRC_IDLE) y de traspaso o handover (en estado RRC_CONNECTED).
LTE contempla dos escenarios movilidad así como las situaciones en las que se contempla
que debe actuar la gestión de la movilidad. En lo que respecta a los escenarios, se trata de
tres escenarios denominados intra-frequency, inter-frequency, e inter-RAT (Radio Access
Technology) que se describen a continuación:
1. El escenario intra-frequency hace referencia a eventos de movilidad que implican un
cambio de celda entre celdas que están desplegadas en la misma banda de frecuencias
(es decir, que usan la misma portadora LTE). Suele ser el escenario más habitual.
2. El escenario inter-frequency hace referencia a despliegues del operador donde existen
múltiples portadoras o bandas de frecuencias LTE trabajando en paralelo. Por ejemplo,
en un despliegue jerárquico con macro-, micro- y femto- celdas donde cada tipo de celda
usa una banda de frecuencias distinta. Estas bandas no tienen por qué ser necesariamente
contiguas e incluso podrían ser antiguas bandas de UTRAN o GERAN que pasan a ser
de LTE a medida que LTE entra en su fase de maduración.
3. Finalmente, el escenario inter-RAT considera aspectos similares a los del inter-
frequency pero esta vez en un despliegue en el que existen múltiples tecnologías de
acceso radio (por ejemplo GERAN, UTRAN y LTE).
Estrategias de reselección de celda
El objetivo de las estrategias de reselección de celda es asegurar que el terminal esté
registrado (acampado) en la celda más favorable cuando se encuentra en estado RRC-
IDLE. En este estado, el terminal se limita a comprobar periódicamente si tiene mensajes
de búsqueda (paging) para él y a monitorizar el estado de la señal recibida de la celda que
considera como servidora. Esta información incluye información específica de la celda
como configuración paging y acceso aleatorio, y configuración para realizar medidas y para
los algoritmos de reselección de celda.
Las estrategias de reselección de celda se ejecutan de manera autónoma en el terminal, de
forma que éste se encarga de monitorizar la celda servidora, buscar otras celdas, tomar
medidas y decidir la nueva celda en caso necesario. De esta forma se consigue reducir la
señalización en la interfaz radio, evitando continuas comunicaciones entre el terminal y el
eNB. De hecho, el terminal podrá ir cambiado la celda servidora (mediante reselección de
celda) pero no se comunicará con la red mientras no sea necesario el cambio de un área de
seguimiento (Tracking Area). Por otro lado, esta reducción en señalización aporta una
reducción en el consumo por parte del terminal, alargando la vida de la batería.
Una vez que el terminal se enciende y se registra en el sistema, necesita acampar por
primera vez en una celda elegida a través de las llamadas estrategias de cell selection. Para
ello, el terminal selecciona la celda con mayor señal, medida a través de la denominada
medida S, definida como:
donde Qrxlevelmeas es el nivel de señal recibido (RSRP en el caso de LTE), Q rxlevmin es un nivel
mínimo de señal recibido en la celda en dBm, y Qrxlevelminoffset y Pcompensation son parámetros
configurables por el operador.
A partir de ahí, el terminal está continuamente monitorizando la calidad del canal con la
celda servidora a través de la medida S. Siempre que esta medida sea lo suficientemente
alta, entonces el terminal no realizará ninguna medida adicional y permanecerá acampado
en la celda servidora. Si por el contrario, la medida S cae por debajo de unos determinados
umbrales, entonces se iniciará el proceso de búsqueda y selección de una nueva celda tal y
como se explica a continuación.
Por un lado, si la medida S para la celda servidora (Sservingcell) es menor o igual que el umbral
Sintrasearch , entonces se inicia la búsqueda de celdas intra-frequency. Para ello, se elabora un
ranking entre la celda servidora y otras celdas que se basa en las cantidades Rs para la
primera y Rn para el resto, siendo
Qmeas es el RSRP de la celda en cuestión, Qhyst es un margen de histéresis en potencia y Qoffset
es un offset específico para controlar el comportamiento de la estrategia de reselección de
celda con una celda específica (e.g., para motivar la selección de una determinada celda
sobre otras). Los dos criterios se promedian durante Treselection muestras y si algún Rn supera a
Rs durante Treselection muestras, entonces se selecciona la nueva celda. La Figura 21, ilustra
este criterio.
Figura 21. Proceso del criterio de reselección de celda intra-frequency en LTE
Estrategias de handover
En el caso de que el terminal se encuentre en modo RRC-CONNECTED, la red se encarga
de decidir cuando un terminal tiene que cambiar de celda para mantener la calidad del
enlace radio (es decir, se ejecuta un procedimiento de handover HO ).
Para poder decidir cuándo hay que hacer un HO para un terminal, la red necesita medidas
de ese terminal acerca de la señal recibida desde su celda servidora y desde otras celdas en
las proximidades. Para ello, la red confi gura al terminal (a través de mensajes de la capa
RRC) para que éste monitorice y calcule determinadas medidas de celdas vecinas y envíe
los resultados en unos determinados mensajes, conocidos como measurement reports.
La red configura en el terminal un determinado patrón de instantes de monitorización de la
señal proveniente de otras celdas tanto intra-frequency como inter-frequency e inter-RAT.
Este patrón está definido por una determinada duración del tiempo de monitorización (gap),
la periodicidad con que se debe repetir cada gap, y el tiempo mínimo que se debe tomar una
determinada medida para promediarla adecuadamente. Es importante destacar que durante
el tiempo en que el terminal está monitorizando la señal de otras celdas se interrumpe
cualquier actividad de transmisión y recepción con la celda servidora. Por lo tanto, existe
un compromiso entre el desempeño del procedimiento de toma de medidas y la capacidad
del terminal para transmitir y recibir datos.
La monitorización de celdas se ilustra en la Figura 22. La duración del gap en LTE es de 6
ms, y la periodicidad un múltiplo de la trama LTE, es decir 10 ms. En la monitorización
intrafrequency e inter-frequency, el terminal mide el RSRP y el RSRQ de otras celdas en
cada gap. Para ello, necesita decodificar el Primary Synchronization Channel (P-SCH) y el
Secondary Synchronization Channel (S-SCH) de cada celda con la consecuente
sincronización. Las medidas en el caso de intra-frequency se promedian durante 200 ms. En
el caso de inter-frequency el tiempo de promediado es mayor, ya que de los 6 ms de
duración de cada gap se pierde algún tiempo (aproximadamente 1 ms) en re-sintonizar el
receptor a la correspondiente frecuencia, quedando menos tiempo para la toma de medidas.
Por lo tanto, se debe promediar durante más gaps. Finalmente, en la monitorización inter-
RAT, se usa la misma duración de gap, pero lógicamente se moni monitorizan otros canales
y se toman otras medidas dependientes de la RAT en cuestión.
Figura 22. Monitorización de otras celdas para la tima de medidas en LTE
Los algoritmos de decisión de ejecución de HO en el eNB pueden entrañar varios criterios.
El más habitual es el de preservar la calidad de la señal recibida por el terminal, de forma
que esté conectado a la celda de mayor calidad. La Figura 23, ilustra este procedimiento,
donde se emplea el RSRP promediado y reportado por el terminal. Si el RSRP promediado
para alguna de las celdas adyacentes es superior al RSRP promediado de la celda servidora
más un cierto margen de histéresis (HOM) entonces se inicia un contador denominado
“Time-To-Trigger” (TTT). Finalmente si la condición se mantiene hasta que expira el TTT,
entonces la red determina que es necesario un HO para el terminal. Lógicamente, la
configuración de estos parámetros (HOM, TTT) y otros específicos de la estrategia de HO
determinan en gran medida el resultado de la gestión de la movilidad en LTE y en líneas
más concretas la tasa de HO en la red y la probabilidad de pérdida o caída de la conexión
durante el HO.
Figura 23. Parámetros utilizados para la decisión de HO en LTE
Requisitos del mecanismo del Handover
El mecanismo de handover se utiliza para gestionar la movilidad de los equipos de
usuario que se encuentran en modo activo (ECM-Connected).
Conceptualmente, el handover es un mecanismo que permite que las conexiones que
tengan establecidas los equipos de usuario “sobrevivan” al cambio de estación base que
proporciona el acceso a la red.
El diseño de un mecanismo de preparación y ejecución del handover se plantean en
términos del tiempo de interrupción o tasa de pérdida de datos que puede aparecer
durante la ejecución del cambio.
En este sentido, en los requerimientos de diseño del sistema LTE, se establece que la
degradación de prestaciones en la que puede incurrirse durante la realización de un
handover debe ser menor o igual a la existente en redes de circuitos GSM.
Entre los requerimientos de velocidades físicas de los terminales, se apuntan velocidades
de hasta 350 km/h, aunque se indica que la red esté realmente optimizada para trabajar
en el rango 0-15 km/h.
Mecanismo del Handover
Se controla desde la red, (decide el cambio de eNB) teniendo en cuenta medidas
enviadas desde los equipos de usuario (handover controlado por la red y asistido por el
terminal).
Concretamente, la decisión de llevar a cabo un cambio de eNB de un terminal en modo
conectado, la toma el propio eNB con el que el equipo de usuario mantiene una
conexión RRC activa.
La propia red se encarga de reservar los recursos necesarios en el eNB destino, para
reducir el tiempo de interrupción y el número de handover fallidos.
Una vez la red garantiza que el terminal puede ser traspasado al nuevo eNB, la red
ordena al terminal que ejecute el cambio (Make Before Break).
Durante el handover, la red dispone de mecanismos para transferir los paquetes del
usuario pendientes de transmisión en el viejo eNB hacia el eNB destino (interfaz X2).
Este planteamiento permite reducir el número de paquetes perdidos durante la ejecución
de un handover.
El handover en E-UTRAN siempre es del tipo “hard-handover”.
Durante el “hard-handover” existe un tiempo de interrupción del servicio durante el
cambio de eNB base necesario para adquirir la sincronización en la nueva eNB y obtener
la primera asignación de recursos en ella.
En el momento en que un terminal conmuta entre eNB, todavía pueden seguir llegando
paquetes IP a la eNB antigua dado que el ruteado en la infraestructura de la red todavía
puede no haberse actualizado.
Situaciones del Handover
1. Handover entre eNBs conectados mediante una interfaz X2:
La existencia de esta interfaz, permite establecer un plano de usuario entre eNBs para
el envío de datos durante el proceso de handover.
La señalización del procedimiento así como la transferencia del contexto de datos
asociado al equipo terminal puede llevarse a cabo directamente entre eNBs, sin pasar
por el nodo MME de la red troncal.
2. Handover entre eNBs que no disponen de la interfaz X2:
La señalización de handover debe articularse necesariamente a través de la entidad
MME.
3. Handover entre eNBs, soporten o no la interfaz X2, y que requiera la reubicación
de alguno de los nodos de la troncal EPC:
El cambio de eNB podría conllevar el cambio de la pasarela S-GW a través de la cual
está establecido el plano de usuario o bien del nodo MME que termina el plano de
control con el equipo de usuario.
El caso más complejo sería el de un handover donde se cambiaran ambos, S-GW y
MME.
4. El sistema LTE contempla diferentes procedimientos de handover en E-UTRAN en
función del soporte de la interfaz X2 y de la necesidad de cambiar las pasarelas S-GW y
MME durante el proceso.
5. Asimismo, se definen procedimientos de handover específicos entre E-UTRAN y otras
redes de acceso.
Balanceo de carga
El balanceo de carga o load balancing es un mecanismo que se encarga de gestionar
distribuciones no uniformes de la carga de tráfico entre celdas con el objetivo de ajustar la
demanda de recursos radio a la disponibilidad de los mismos. Para ello, se ajustan
determinados parámetros asociados a los procedimientos de movilidad para conseguir que
los usuarios cambien de celda servidora y así balancear la carga soportada por cada celda.
En LTE, LB se contempla tanto para usuarios que se encuentran en estado RRC-IDLE,
como para aquellos que tienen conexiones activas en estado RRC-CONNECTED. El
primero atiende al motivo de movilidad camp load balancing, mientras que el segundo
hace referencia al motivo de movilidad traffic load balancing.
Procedimiento de Camp load balancing
El procedimiento de Camp load balancing busca distribuir uniformemente a los usuarios en
estado no activo (RRC-IDLE) entre las bandas/portadoras/RATs disponibles. De esta
forma se consigue que, tras la activación, la carga de tráfico de las bandas/portadoras/
RATs esté balanceada. También se iguala el consumo de recursos radio por parte de los
terminales a la hora de responder a llamadas de paging o actualizar el área de seguimiento.
Por último, estas acciones de balanceo pueden verse motivadas por tener a determinados
usuarios, e.g., aquellos con subscripciones de alta velocidad de datos, ya sincronizados con
la RAN por la que el operador tiene interés en cursar sus servicios, evitando así el tener que
hacer un HO cuando entren en estado RRCCONNECTED.
Figura 24. Mecanismo de “traffic load balancing”
Procedimiento de Traffic load balancing
El procedimiento de Traffic load balancing, ver Figura 24, balancea los usuarios que se
encuentran en estado activo (RRC-CONNECTED). Supone la ejecución de un HO, que
normalmente será inter-frequency o inter-RAT, para interferir poco en la actividad del
usuario, LB se debe tratar de aplicar durante periodos de inactividad del usuario (e.g.,
durante la recepción discontinua).
Control de potencia
El objetivo del control de potencia es gestionar adecuadamente la potencia de transmisión,
tanto del eNB como del terminal, de manera que se asegure una correcta recepción de la
señal en/desde todos los puntos de la zona de cobertura de un eNB. En el caso del control
de potencia para los terminales se persigue minimizar la potencia transmitida, ya que de
este modo se consigue alargar la vida de las baterías.
En el caso del DL, el control de potencia estaría totalmente controlado por el eNB, ya que
conoce la potencia disponible en todo momento para la transmisión. Lo más común es que
no se implemente control de potencia, ya que, debido a que el consumo de potencia no es
crítico para el eNB, no es un problema distribuir toda la potencia disponible en el eNB
uniformemente entre los PRBs.
A diferencia del DL, en el UL no es recomendable hacer que los terminales transmitan con
máxima potencia, ya que esto reduciría drásticamente la duración de la batería e
incrementaría la interferencia intercelular. El control de potencia en el UL en LTE es
centralizado y está controlado por el eNB. En LTE se estandarizan los mecanismos de
control de potencia en el UL para los siguientes canales físicos y señales de referencia:
Physical Uplink Control Channel (PUCCH).
Physical Uplink Shared Channel (PUSCH).
Sounding Reference Signals (SRS).
Gestión flexible del espectro
La flexibilidad del espectro es una de las características clave de LTE. Ésta consiste en
varios pasos que incluyen la flexibilidad en la banda de despliegue, la flexibilidad en el
ancho de banda usado dentro de la banda de despliegue, y la flexibilidad propia de la
interfaz radio basada en acceso OFDMA que permite una optimización de su uso por medio
de técnicas de asignación dinámica de espectro DSA (Dynamic Spectrum Assignment ).
Flexibilidad en la banda de despliegue
La interfaz radio LTE es relativamente independiente de la banda de despliegue y en
principio se puede desplegar en las bandas ya identificadas para IMT-2000 como en otras
nuevas bandas que puedan aparecer en el futuro. Tanto las bandas ya identificadas para
LTE como futuras bandas pueden ser pareadas (para despliegues FDD: Duplexado por
División en Frecuencia) o no pareadas (para despliegues TDD: Duplexado por División en
Tiempo). La siguiente Tabla 5, muestra las bandas de operación que se han identificado
hasta el momento para LTE.
Existen ciertas limitaciones en lo relativo a los requerimientos de radiofrecuencia asociados
a una determinada banda. En concreto, estas restricciones se ven motivadas por:
La coexistencia de los operadores en una misma zona geográfi ca. Estos operadores
pueden desplegar distintas interfaces radio, y por lo tanto LTE debe especificar ciertos
requerimientos que aseguren su coexistencia con otras tecnologías de acceso radio.
También afecta a despliegues donde distintos operadores comparten un mismo
emplazamiento.
La coexistencia de LTE con otros servicios o sistemas desplegados en bandas
adyacentes o en la frontera del país, donde cambia el marco regulador del espectro
radioeléctrico.
El hecho de que LTE sea un sistema abierto desde el punto de vista de la banda de
operación, de forma que futuras versiones del estándar agregan nuevas bandas de
operación. Eso supone que los terminales se tengan que diseñar asumiendo que podrían
funcionar en un amplio margen de frecuencias.
Estos requerimientos se suelen definir en términos de la máxima potencia permitida, las
emisiones espúreas, emisiones fuera de banda (Adjacent Channel Leakage Ratio), etc.
Tabla 5. Bandas mejor identificadas para el despliegue de LTE en la Release
Flexibilidad en el ancho de banda en uso
La interfaz radio de LTE basada en OFDMA ofrece una gran flexibilidad a la hora de
desplegar el sistema dentro de una determinada banda, donde idealmente cualquier ancho
de banda puede ser usado (en pasos de 180 kHz correspondientes a la anchura de banda de
un PRB). No obstante, para facilitar la operación, LTE define un subconjunto de anchos de
banda posibles. En concreto, se permiten bloques de espectro con 6, 15, 25, 50, 75 y 100
PRBs que se corresponden con anchos de banda nominales de 1.4 MHz, 3 MHz, 5 MHz, 10
MHz, 15 MHz y 20 MHz respectivamente. Nótese que ancho de banda de estos bloques
sería algo menor que el ancho de banda nominal debido a las bandas de guarda para reducir
las emisiones fuera de banda.
Asignación dinámica de espectro
La interfaz radio basada en OFDMA de LTE ofrece una excelente flexibilidad y abre un
amplio abanico de posibilidades a la hora de gestionar el espectro en un determinado
despliegue. Las estrategias de asignación dinámica de espectro plantean cómo conseguir
una mejor eficiencia espectral en términos de número de usuarios por unidad de banda (o
equivalentemente el throughput por célula y unidad de banda). Se introduce una
reutilización espacial variable de la banda asignada, a diferencia de lo que hasta ahora
aparece en la literatura como esquemas fijos de asignación. Algoritmos heurísticos y
basados en reinforcement learning.
CONCLUSIONES
El estudio de la tecnología LTE (Long Term Evolution) desarrollada por 3GPP, nos
muestra un sistema capaz de mejorar significativamente la experiencia del usuario con total
movilidad, que utilice el protocolo de Internet (IP) para realizar cualquier tipo de tráfico de
datos de extremo a extremo con una buena calidad de servicio (QoS) y, de igual forma el
tráfico de voz, apoyado en Voz sobre IP (VoIP) que permite una mejor integración con
otros servicios multimedia. Se espera de LTE soportar diferentes tipos de servicios
incluyendo la navegación web, FTP, vídeo streaming, Voz sobre IP, juegos en línea, vídeo
en tiempo real, pulsar para hablar (push-to-talk) y pulsar para ver (push-to-view).
Es de resaltar que el futuro de la tecnología 4G es LTE, por sus grandes servicios que
ofrecen y que están dirigidos a incrementar la velocidad de procesamiento, garantizar la
movilidad de usuarios y un QoS que garantizara todas las operaciones de móviles durante
los próximos años.
REFERENCIAS
http://es.wikipedia.org/wiki/Long_Term_Evolution
http://en.wikipedia.org/wiki/LTE_(telecommunication)
http://proyectolte.files.wordpress.com/2012/09/lte-nuevas-tendencias.pdf
